Введение к работе
Актуальность проблемы. В условиях формирующегося мирового товарного рынка, возрастания роли воздушных судов в скоростных перевозках людей и грузов достижение безопасности и конкурентоспособности отечественных авиационных двигателей (АД) невозможно без доведения их надежности и удельной мощности до уровня самых лучших образцов и современных требований. Накопленный опыт эксплуатации и испытаний серийных и проектируемых АД показывает: I) к структурным составляющим, в значительной степени определяющим их безотказность и ресурс, относятся зубчатые передачи, силовая и кинематическая нагруженность которых обычно в 2-4 раза превышает принятые в общем машиностроении; 2) при проектировании таких передач основное внимание уделяется изгибной прочности и сопротивлению выкрашиванию, в результате в 80-85 % случаев их выход из строя связан с усталостной фрикционной повреждаемостью активных поверхностей зубьев; 3) в современных АД применяются зубчатые колеса из сталей, составляющие до 15 % всей массы двигателей; 4) около 95 % колес выполняются цилиндрическими внешнего зацепления; 5) существенного снижения массы шестерен и колес можно достичь применением сплавов титана.
Несмотря на большое количество исследований зубчатых зацеплений, до настоящего времени методы оценки, прогнозирования и достижения заданных характеристик фрикционной усталости стальных и особенно титановых зубчатых колес практически не развиты. И если для общего машиностроения отсутствие таких методов компенсируется выбором высоких коэффициентов запаса, то в авиации этот путь непригоден. Таким образом, в авиамоторостроении решение вопросов, связанных с разработкой методов и средств оценки и обеспечения параметров фрикционной усталости зубьев стальных и титановых зубчатых колес, прежде всего цилиндрических внешнего зацепления, представляет собой актуальную и важную научную и прикладную проблему.
Цель и задачи работы. Цель настоящих исследований - разработка методов улучшения фрикционно-усгалосгных свойств и повышения долговечности зубьев цилиндрических стальных и титановых внешнего зацепления зубчатых колес авиадвигателей за счет конструктивно-технологического модифицирования активных поверхностей на основе закономерностей их взаимодействия.
Для достижения цели поставлены задачи: 1) установление закономерностей изменения параметров геометрии, кинематики и контактирования, необходимых для оценки и
2 прогнозирования ресурса зубьев зубчатых колес авиадвигателей по критерию их фрикционной усталости; 2) определение влияния важнейших конструктивно-технологических и эксплуатационных воздействий на фрикционные свойства контактных элементов рассматриваемых колес; 3) разработка и инструментальное обеспечение методики оценки параметров фрикционной усталости сталей и титановых сплавов в условиях подвижного взаимодействия зубьев; 4) установление численных значений параметров фрикционной усталости материалов зубчатых колес авиадвигателей в зависимости от технологии их модифицирования; 5) изучение особенностей и физической сущности фрикционной повреждаемости сталей и титановых сплавов в условиях работы активных поверхностей зубьев зубчатых колес авиационных моторов; б) выбор и разработка рациональных конструктивно-технологических путей повышения усталостной стойкости и долговечности контактных участков зубьев стальных и титановых зубчатых колес авиадвигателей.
Исследования являются составной частью НИР РГАТА, в том числе по грантам в области фундаментальных изысканий транспортной техники. Значительный объем работ выполнен применительно к зубчатым зацеплениям новых авиационных двигателей ТВД-1500, РД-600В, ДН-200.
Методы исследования. Проведены комплексные расчетно-аналитические и стен-доволабораторные изыскания. При планировании и проведении исследований, обработке и интерпретации полученной информации использованы достижения и рекомендации теории и практики зубчатых зацеплений, контактирования и фрикционной усталости криволинейных тел, технологии машиностроения, математической статистики, надежности АД. При оценке состояния и свойств поверхностей и пар применялись профилографиро-вание, дюрометрия, металлографический, рентгеноструктурный и электронномикроско-пический анализы, тензометрирование. Толщина теряемого в процессе испытаний слоя материала h(L) находилась микрометрированием, взвешиванием, профилографированием.
Научная новизна Установлены закономерности макро- и микроконтактирования зубьев зубчатых колес АД. Разработаны подходы к определению параметров фрикционной усталости Со, t, и соответствующему им ресурсу Тф, зацеплений. Уточнено влияние технологических и эксплуатационных факторов на фрикционно-усталостную стойкость и Тфу стальных и титановых зубчатых колес с модифицированными активными участками. Скорректированы требования к контактным поверхностям зубьев стальных и титановых зубчатых колес АД. Обоснованы рациональные условия обеспечения их Оо, ту, Тф,.
Практическая полезность и реализация результатов работы. Определены геометро-кинематические и контактные характеристики, необходимые для прогнозирования Тф, изученных зацеплений. Разработана и обеспечена инструментально методика оценки ао и ty поверхностей в условиях подвижного взаимодействия зубьев зубчатых колес. Найдены а0 и t, для сталей 12Х2Н4, 18Х2Н4В, 20ХЗМВФ (ЭИ415), 13ХПН2В2МФ (ЭИ961) различной степени металлургической очистки и сплава ВТ6 с модифицированными несущими слоями. Установлены рациональные условия конструктивно-технологического модифицирования зубьев, позволяющие увеличить Тфу стальных колес в 1,9-2,2 раза и более чем в 30 раз повысить фрикционную стойкость колес АД при их изготовлении из ВТ6. Основные результаты переданы ОАО "РМ", использованы в пособии для студентов, внедрены в учебный процесс РГАТА. Расчетный годовой экономический эффект от применения разработок на предприятии ОАО "РМ" составляет около 95 тысяч рублей.
Положения, выносимые на защиту. Метод и инструментальное обеспечение оценки ао и ty контактных участков зубьев зубчатых колес АД. Установленные показатели и закономерности подвижного контактирования зубьев стальных и титановых зубчатых колес АД, позволяющие прогнозировать их Тфу в зависимости от основных воздействующих факторов. Конструктивно-технологические пути повышения усталостной стойкости фрикционно нагруженных участков зубьев стальных колес и обеспечения возможности применения в АД титановых колес.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и одобрены на Всероссийских молодежных научных конференциях "XXI, ХХШ, XXIV Гагаринские чтения" (Москва, 1995, 1997, 1998); "YUTRIB'95" (1995, Herceg Novi, Yugoslavia); Международных конференциях "Напыление и покрытия - 95" и "Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлических конструкций" (С.-Петербург, 1995); Международных симпозиумах "СЛАВЯНТРИБО-3. ТРИБОЛОГИЯ И ТРАНСПОРТ" (Рыбинск, 1995), "СЛАВЛНТРИБО-4. ТРИБОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ (С.-Петербург, 1997), научных конференциях РГАТА и семинарах кафедры ТАД и ОМ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 20 работ. Список основных из них приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 6 глав, общие выводы и рекомендации, список литературы из 138 наименований, 4 приложения. Ее
4 общий объем — 252 страниц машинописного текста, в том числе 62 рисунков, 37 таблиц.
