Жесткость, податливость и специальная конфигурация деталей

Увеличение податливости одной из деталей сопряжен­ного узла или, наоборот, повышение жесткости детали либо узла в целом может благоприятно влиять на его долговечность. В дру­гих случаях положительное воздействие может оказать коррек­ция формы рабочих поверхностей деталей.

Податливость детали, общая или местная, позволяет ее рабо­чей поверхности следовать за деформацией сопряженной детали и приспосабливаться к неточностям ее геометрической формы. Самоустанавливающийся опорный подшипник является простей­шим примером конструкции, имеющей деталь свободной подат­ливости в виде вкладыша, обладающего угловой подвижностью. Полнее роль податливости проявляется в резинометаллических вкладышах и гуммированных деталях, во вкладышах из пласт­масс и мягких покрытиях рабочих поверхностей.

Сухая резина имеет коэффициент трения выше, чем у других материалов, и в то же время в паре со сталью, бронзой и ла­тунью при смазывании такой маловязкой жидкостью, как вода, имеет высокие антифрикционные свойства. Это объясняется тем, что гибкая и легко деформирующаяся резина хорошо приспо­сабливается к неровностям поверхности вала без нарушения в зоне нагружения непрерывности смазочного слоя. Последний благодаря этому для сохранения режима при жидкостной смаз­ке может быть меньшей толщины, чем при металлической по­верхности вкладыша. Высокая способность деформации резины обусловливает более равномерное распределение давления по длине вкладыша. Абразивные частицы, содержащиеся в воде, вминаются в мягкую поверхность резины, перекатываются по ней, не производя режущего действия, и выносятся с водой в смазочную канавку. При наличии песка, ила и грязи в смазыва­ющей и охлаждающей подшипник воде вкладыш изготовляют с большим количеством канавок и подбирают резину с высокой износостойкостью. Резинометаллические вкладыши устанавлива­ют в соответствующих устройствах морских и речных судов, в центробежных Песковых насосах, артезианских насосах, гидрав­лических турбинах, турбобурах и т. п.

Долговечность работы флотационных машин определяется износостойкостью их основных деталей — импеллера и статора. Эти детали, изготовленные из отбеленных чугунов и марганцо­вистой стали, имели срок службы всего 2—3 месяца из-за уси­ленного абоазивного изнашивания. Для повышения износостойкости деталей они были выполнены с податливой рабочей по­верхностью, которую не резали абразивные частицы. Это было достигнуто гуммированием. Срок службы деталей повысился до одного года. Гуммирование шаровых клапанов плунжерных на­сосов, желобов и промывных корыт и других деталей флотаци­онных машин в несколько раз повысило их долговечность.

Аналогично резине ведут себя мягкие покрытия вкладышей, податливость которых обусловлена малым сопротивлением плас­тической деформации. У пластмасс, подобно резине, в соответ­ствии с их модулями упругости, а у термопластичных пластмасс еще и вследствие их размягчения нагрузка по длине вкладыша распределяется равномернее, чем у металлов.

Рассмотрим некоторые примеры повышения податливости де­талей с помощью конструктивной модификации с целью увели­чения их износостойкости.

Пример 1. При работе двигателя внутреннего сгорания вследствие нерав­номерной тепловой деформации цилиндров могут возникнуть значительные местные нагрузки на юбку поршня. Чтобы исключить возможность заклини­вания поршня, его юбку выполняют с прорезями Т- или П-образной формы.

Пример 2. В подшипнике качения приложенная нагрузка распределяется неравномерно: около 50% ее приходится на тело качения, расположенное в данный момент на линии ее действия. При циркуляционной нагрузке на внут­реннее кольцо и постоянной нагрузке на наружное корпус подшипника рас­тачивают по калибру С (в буксах подвижного состава железных дорог — по калибру П), так что приблизительно 50% нагрузки передается через тело ка­чения, расположенное на линии ее действия. Лишь после его значительной упругой деформации вступают в работу другие тела качения, и увеличивается контакт между наружным кольцом и корпусом.

. 9.3. Буксы и эпюры на­грузок на ролики:

а) податливый корпус; б — жесткий корпус

Долговечность подшипника с линейным контактом тел каче­ния и колец обратно пропорциональна нагрузке на более нагру­женное тело в степени 3,3. Если снизить эту нагрузку хотя бы на 10%, то это повысит долговечность подшипника на 36%. Одним из решений вопроса является выполнение корпуса с по­вышенной податливостью в зоне нагружения подшипника. На рис. 9.3 показаны буксы подвижного состава железных дорог и соответствующие эпюры давлений на ролики. Деформация по­датливого корпуса при передаче нагрузки и деформация наруж­ного кольца способствуют более равномерному распределению нагрузки по телам качения в зоне нагружения.

Жесткость детали. Детали и узлы технологических машин должны обладать такой жесткосгью, чтобы неточность размеров и формы изделия, связанная с относительными перемещениями инструмента и деталей машины под действием рабочих усилий, не выходила за пределы допуска. Повышение износостойкости деталей требует учитывать не только общую, но и местную жест­кость конструкции.

Нагрузочная способность цилиндрических и конических зуб­чатых передач тем выше, чем равномернее распределена нагруз­ка по длине зуба. Неравномерному распределению нагрузки, помимо неточности изготовления деталей передачи и их сборки, способствуют изгиб и кручение валов, кручение зубчатых колес, деформация опор и корпусов. На рис. 9.4, а и б приведена схема перекоса зубьев шестерни и колеса, возникающего вследствие упругой податливости деталей передачи под нагрузкой. Если бы зубья были абсолютно жесткими, то перекос повлек бы за собой точечное касание зубьев у одного из торцов (рис. 9.4, в). На са­мом деле зубья податливы, и если перекос невелик, то он полно­стью компенсируется деформацией зубьев. Суммарная дефор­мация (рис. 9.4, г) зубьев будет неодинакова по их длине, и про­изойдет концентрация нагрузки по ширине зубчатого колеса (рис. 9.4, д). Увеличение жесткости валов, опор и корпусов является фактором благоприятным.

Рис. 9.4. Схемы перекоса зубьев шестерни и колеса и образования концентра­ции нагрузки д по ширине зуба

Консольное расположение шестерен, встречающееся часто в конической и гипоидной передачах, приводит к большим переко­сам. Помимо изгиба вала на работоспособность влияет дефор­мация опор и зазоры в подшипниках (рис. 9.5, а). Отношение 1-с следует брать не менее 2,5, чтобы уменьшить влияние деформа­ции подшипников и зазоров в них на перекос оси вала. Для по­вышения жесткости создают предварительный натяг в подшип­никах. Опыты с гипоидными передачами, применяемыми в авто­мобилях, показали, что при переходе от консольной схемы к неконсольной с добавлением подшипника со стороны малого основания конуса шестерни (рис. 9.5, б) нагрузочная способность передачи возрастает в среднем на 30%. Опоры 2 и 3 по обе сто­роны шестерни (рис. 9.5, б) желательно иметь с цилиндрически­ми роликами: они менее податливы, чем шариковые, и позволя­ют уменьшить зазор.

Однако не только увеличением жесткости элементов передачи можно добиться большей равномерности распределения нагруз­ки вдоль зубьев. Деформация зубьев под нагрузкой способствует выравниванию давления, поэтому большая податливость зуба является положительным качеством. Повысить податливость зуба можно, увеличив его высоту. При данном диаметре шестер­ни это достигается увеличением модуля.

Зацепление повышенной жесткости показано на рис. 9.6 (японский патент), где 1— колесо; 2 — шестерня; 3 — зуб коле­са с пазом 4; 5 — зуб шестерни с перемычкой 6, усиливающей жесткость. Данная конструкция имеет свою геометрию зацепления.

Рис. 9.5. Консольное (а) и неконсольное (б) рас­положение конического колеса ( — перемещения вала соответственно на опорах 1 и 2)

Рис. 9.6. Зубчатое зацепление повышенной жест кости

Рис. 9.7. Резиновые уплотнения с волнообразными кромками

Рис. 9.8. Головка главно­го шатуна авиационного поршневого двигателя:

1 — сталь; 2 — свинцовая бронза; 3 — слой свинца

К он фи г урац и я де т ал и.Изменением обычной конфигурации рабочих поверхностей деталей удается в ряде случаев улучшить работу пар трения.

Пример 1. Из деталей, применяемых в уплотнительных устройствах, наи­более распространены манжеты и кольца из эластичных материалов, в основ­ном из резины. Рабочие кромки манжет при вращении валов испытывают большие нагрузки и при высоких скоростях вращения валов нагреваются и выходят из строя. На величину контактного давления влияют предваритель­ный натяг поверхности уплотнения, овальность и эксцентричность контакти­рующих поверхностей, давление рабочей среды, амплитуда и частота вибра­ций и ряд других факторов. Для улучшения работы манжетного уплотнения его контактной поверхности важно обеспечить надежный отвод теплоты. И. Я. Алыпиц и А. И. Голубев предложили выполнять резиновые манжетные уплотнения с волнообразными кромками (рис. 9.7). В этом случае площадь трения увеличивается примерно на 2%, площадь теплоотдачи вращающегося вала — примерно на 200% (на рис. 9.7, а к б показаны линии 1 контакта в статике и зона в отвода теплоты в динамике). Для снижения температуры в уплотнениях авторы не рекомендуют устанавливать манжеты на полый вал и с большим натягом. Увеличить теплоотдачу можно также, используя мате­риалы с высокой теплопроводностью, усилив интенсивность охлаждения зоны трения принудительным потоком жидкости вблизи зоны.

Пример 2. Для предупреждения концентрации нагрузки у концов прямых зубьев цилиндрических и конических колес зубьям придают (путем дополни­тельной обработки их боковой поверхности на специальных станках) бочкооб­разную форму, при которой толщина зуба уменьшается от середины шестеро ни к торцам. Наибольшая разница толщин составляет 0,02—0,04 мм. Бочко­образная форма зуба не только способствует увеличению долговечности пере­дачи, но и уменьшает также шум во время его работы. А. В. Орлов для консольно расположенных колес предложил технологически простой способ по­вышения степени равномерности давления вдоль зуба, не требующий специаль­ного оборудования. В случае одной сцепляющейся пары колес подсчитывает-ся угол их взаимного перекоса при передаче наибольшего окружного усилия, и профили зубьев одного из колес сошлифовывают под этим углом, что дос­тигается соответствующим поворотом ползуна зубошлифовального станка. Если передача реверсивная, то зубья одного из колес скашивают с обеих сторон.

Пример 3. При изготовлении подшипников скольжения ряда быстроход­ных двигателей внутреннего сгорания на некоторых заводах отказались от цилиндрического растачивания вкладышей, перейдя к гиперболическим вкла­дышам. Необходимость в таком переходе поясняется рис. 8.8, на котором по­казана головка главного шатуна авиационного двигателя с утрированием из­гиба оси шатунной шейки. Головка обладает большей жесткостью, и дефор­мация под нагрузкой запрессованной стальной втулки, залитой свинцовой бронзой, весьма мала. Деформация шейки приводит к концентрации нагрузки в местах перехода от фасок к цилиндрической части втулки и в центральной че части. Шейка средней твердости в таких условиях приработалась бы к.заливке подшипника в соответствии с формой упругой линии, однако упроч­ненная термообработкой шейка усиленно (вплоть до выкрашивания) изнаши­вает бронзу вкладыша подшипника в местах с высокими удельными нагруз­ками.

Для повышения работоспособности подшипника требуется придать его рабочей поверхности форму поверхности вращения с образующей, которая воспроизводит упругую линию коленчатого вала или близкую к ней. С другой стороны, необходимо, чтобы растачивание такого контура было легко выпол­нимо. Этим требованиям удовлетворяет поверхность гиперболоида вращения.

9.3. ПРИНЦИП ВЗАИМНОГО ДОПОЛНЕНИЯ КАЧЕСТВА

К деталям машин предъявляются требования общей и контактной прочности, жесткости или податливости, износостой­кости, коррозионной стойкости, вибростойкости и т. д. Выполне­ние этих требований в совокупности обеспечивается правильным выбором материалов, назначением размеров, обеспечивающих прочность изделий, выбором рациональных конструктивных форм деталей и соответствующей технологии изготовления в це­лом. Выбор материала, который полностью отвечал бы условиям работы деталей, является сложной задачей. Так, стальная де­таль, испытывающая воздействие динамической нагрузки и под­верженная изнашиванию, должна обладать высокой прочностью и твердостью, значительными пластичностью и ударной вяз­костью.

Во многих случаях экономически целесообразно применить для изготовления деталей конструкционную углеродистую или легированную сталь с последующей ее цементацией и закалкой. В результате такой обработки изделие становится неоднородным по своему строению, имеет вязкую сердцевину и твердый изно­состойкий, но мало пластичный поверхностный слой. Здесь ка­чества сердцевины и поверхностного слоя дополняют друг друга, образуя необходимое по условиям работы деталей сочетание свойств.

Конструкционная углеродистая сталь, имея высокие показа­тели механических свойств (прочность, пластичность, твердость и т. п.), не обладает во многих случаях удовлетворительным их сочетанием. При выборе материалов с широким комплексом высоких механических свойств были рассмотрены легированные стали, обладающие в зависимости от состава ценными физико-химическими свойствами, такими, как жаростойкость, высокая магнитная проницаемость, стойкость к коррозии в различных средах и т. д. Необходимо отметить, что высокая скорость пре­вращения аустенита и выделения цементита из твердого раство­ра и сравнительно большая скорость процессов отпуска в угле­родистой стали препятствуют закалке на большую глубину и получению однородной структуры при больших размерах сече­ния. Однако углеродистая сталь легко выплавляется, хорошо обрабатывается и имеет сравнительно невысокую стоимость. Использование такой стали перспективно. Жаростойкость дета­лей из низкоуглеродистой стали можно повысить в десятки раз алитированием, коррозионную стойкость при эксплуатации в промышленной атмосфере и пресной воде — кратковременным азотированием. Для предупреждения коррозии вала в воде не обязательно изготовлять его из коррозионно-стойкой стали, мож­но применить бронзовую облицовку, сквозную или только на протяжении шеек, и защитное покрытие между ними, выполнив вал из углеродистой стали.

Чугун благодаря его относительно высокой механической прочности, хорошим литейным качествам и другим положитель­ным свойствам является ценным конструкционным материалом. Однако во многих случаях по соображениям технологичности конструкции либо исходя из особых условий работы деталей ис­пользуют монолитную конструкцию из чугуна в сочетании с дру­гими материалами. Так, в сельскохозяйственных машинах при­менялись колеса с литой чугунной ступицей, в которую залиты одним концом стальные спицы, расклепанные другим концом в стальном ободе. Применяются диафрагмы паровых турбин и над­дувочных устройств двигателей внутреннего сгорания из чугун­ных полуколец или колец с залитыми стальными штампованны­ми или механически обработанными лопатками точного профиля. Тормозную вагонную колодку изготовляют из серого перлитного чугуна с отбеленной рабочей поверхностью или собирают из вставок из белого чугуна и залитой стальной спинки-каркаса. Последний служит для увеличения прочности и предупреждения расчленения колодки на отдельные части в случае ее разруше­ния. На некоторых автомобилях тормозные барабаны имеют обод из листовой стали, залитый изнутри чугуном, образующим рабочую поверхность. В некоторых тормозах для улучшения теплоотвода применяют биметаллические барабаны (алюми­ний— чугун).

В приведенных примерах детали неоднородны по сечению, что обусловлено применением разнородных материалов, взаим­но дополняющих по своим свойствам друг друга. Эту неоднород­ность называют макроскопической в отличие от микроскопиче­ской, присущей большинству материалов в изделиях. Собствен­но говоря, ив случае термохимической обработки деталей имеетместо микроскопическая неоднородность по сечению, несколько сглаженная в связи с наличием ясно выраженных переходных зон от сердцевины к поверхности.

Принцип взаимного дополнения качества используется также при получении комбинированных (композитных) материалов из нескольких компонентов, сохраняющих свои особенности, но в совокупности образующих новые материалы, отличные по свой­ствам от исходных компонентов.

Способы реализации целевой макроскопической неоднород­ности изделий следующие: 1) термохимическая обработка; 2) облицовка поверхностей; 3) применение накладок и вставок; 4) биметаллизация. Термохимическая обработка деталей не тре­бует дополнительных пояснений. Остальные способы рассмотрим подробнее.

Облицовка поверхностей. В гидротурбостроении распростра­нена облицовка вала листовой коррозионно-стойкой сталью. Обечайку из двух листов, сваренных встык, натягивают на вал с помощью специального приспособления, прихватывая листы для лучшего прилегания к валу электрозаклепками.

Другим видом облицовки вала является его гуммирование. К третьему способу можно отнести футеровку канатных блоков и шкивов. Высокие напряжения в точках касания проволок ка­ната с ободом, возрастающие с повышением модуля упругости материала обода, и проскальзывание каната, вызываемое про­дольными колебаниями его при подъеме и опускании груза, слу­жат причиной изнашивания обода и каната на стороне, обра­щенной к ручьям блоков. Замена стального блока чугунным и дальнейшее уменьшение модуля упругости материала обода повышают срок службы каната.

9.9. Шкив, футерованный тексто-штовыми вкладышами:

1- вкладыш; 2 — планка, закрепляющая вкладыш

Рис. 8.10. Схема каретки радиально-сверлильного станка:

1 — клин, регулирующий зазор в осях ро­ликов; 2 — фиксирующий винт; 3 — роли­ки; 4 —стальная лента; 5 ~-натяжной ро­лик

На одном из металлургических заводов шкивы скипового подъемника с чугунным ободом выходили из строя через 1—• 1,5 года. Трещины и другие дефекты обода способствовали ин­тенсивному изнашиванию канатов. Смена шкивов требовала большой затраты времени. Футеровка шкивов текстолитовыми вкладышами (рис. 9.9) удлинила срок службы каната. Хотя вкладыши выдерживают в среднем всего один год, замена их производится легко и быстро без демонтажа шкива.

Накладк и и вставки. Для повышения износостойкости и пре­дохранения от задиров направляющих металлорежущих (глав­ным образом, тяжелых и крупных) станков целесообразно вме­сто закалки и других способов упрочнения устанавливать на направляющие пластмассовые накладки, используя клеи БФ-2, БФ-4 или клей на основе эпоксидных смол, либо при большой толщине пластин крепление винтами. Применение накладок для направляющих крупных токарных, расточных, продольно-фре­зерных, продольно-строгальных и других станков повышает работоспособность направляющих, снижает стоимость станков и сокращает время ремонта. Для накладок используют тексто­лит, графитированный кордоволокнит, гетинакс, винипласт и др.

На одной из моделей радиально-сверлильных станков по ру­каву перемещается на четырех роликах каретка со сверлильной головкой. Для снижения скорости изнашивания направляющих чугунного рукава под роликами натянута легко сменяемая тонкая закаленная стальная лента (рис. 9.10).

В некоторых случаях, особенно при отсутствии смазочного материала, целесообразно применять уплотнения, в которых ма­териалы уплотняющего пояска и корпуса манжеты различны (рис. 9.11). Манжета состоит из установленного в корпусе коль­ца/и упругой губы 2 с накладкой 3 прямоугольного сечения толщиной 0,6 мм, выполняющей функции уплотнительного пояс­ка. Манжета выполняется из эластомера, накладка — из поли­амида или фторопласта.

Биметаллизация. Биметаллом называют материал, состоящий из двух прочно соединенных слоев металлов или сплавов. Биметаллизацию осуществляют способами: 1) металлур­гическим: заливкой одного металла по другому без или с последующей дефор­мацией путем прессования или прокатки; соединением металлов при совместной деформации в горячем состоянии (пла­кирование); наплавкой; 2) гальваниче­ским; 3) гальванометаллургическим: по­сле электроосаждения одного из метал­лов заготовку подвергают горячей про­катке; 4) металлизацией напылением.

Рис. 9.11. Уплотнительная манжета с наклад­кой из фторопласта на уплотнительной губе

Прочность соединения, в зависимости от способа биметалли-зации и свойств соединяемых металлов, обеспечивается механи­ческим сцеплением или оплавлением, заключающимся в раство­рении или во взаимной диффузии пограничных слоев разнород­ных металлов. Механическое сцепление обусловливается взаимным проникновением металлов, а также силами трения, возникающими при усадке затвердевающего жидкого металла.

Первыми биметаллическими деталями машин были, по-ви­димому, залитые баббитом чугунные вкладыши подшипников. Баббит непригоден для изготовления целой детали вследствие его невысоких механических свойств, а также сравнительно вы­сокой стоимости.