Автореферат (Повышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационных двигателей, подверженных в эксплуатации влиянию феттинг-коррозии)

На правах рукописиХаинг МинПовышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационныхдвигателей, подверженных в эксплуатации влиянию фреттинг-коррозииСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учѐной степеникандидата технических наукМосква - 2015Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательномучреждение высшего профессионального образования «МАТИ - Российскийгосударственный технологический университет имени. К.

Э. Циолковского»Научный руководитель:доктор технических наук, профессорПетухов Анатолий НиколаевичОфициальные оппоненты:Скотникова Маргарита Александровнадоктор технических наук, профессор,ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургскийполитехнический университет ПетраВеликого», зав.кафедрой «Машиноведениеи основы конструирования»Марков Виктор Васильевичкандидат технических наук,АО ОКБ "Гидропресс", начальниклабораторииВедущее предприятие:Лыткаринский машиностроительный заводфилиал ОАО «УМПО»Защита состоится «16» ноября 2015 года в 15 часов 00 мин. на заседаниидиссертационного советаД 212.125.08, созданного на базе Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета) МАИ,по адресу: 125993, Москва, A-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе д.4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета),http://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=60248.Автореферат разослан «____»___________2015 г.Ученый секретарьдиссертационного советаД 212.125.08,д.т.н., профессор2Зуев Юрий ВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследованияМногие усталостнные разрушение лопаток компрессоров обусловленызарождением повреждений в зонах образования фреттинга, когда микротрнщиныобразуются в зонах контакта поверхостей хвостовика лопатки и паза диска,которые являются концетраторами напряжений и приводят к усталостномуразрушению хвостовика лопатки или паза диска.

Влияние фреттинга на усталостьдо сих пор еще недостаточно изучено.Проблема предупреждения усталостных разрушений деталей весьмаактуальна для всех отраслей машиностроения, особенно для авиации.Сложность прогнозирования усталостных разрушений деталей связана нетолько с многообразием факторов, влияющих на конструкционную прочностьматериалов:− особенностями технологического процесса изготовления деталей;− условиями эксплуатации;− применяемыми методами конструирования и расчетов;− сложностью прогнозирования появления опасного уровня переменныхнапряжений, что относится к специальным задачам.Максимальное сопротивление усталости детали может быть обеспечено:− оптимизацией форм деталей за счет уменьшения концентрацийнапряжений;− совершенствованием технологического процесса на всех этапахпроизводства, позволяющим максимально реализовать прочностные свойства,заложенные в применяемом материале;− учетом на стадии проектирования особенностей эксплуатации детали какс точки зрения силового воздействия, так и с точки зрения воздействияокружающей среды.Создание конструкций, обладающих высокой несущей способностью,требует значительных затрат на испытания на усталость материалов и натурныхдеталей с привлечением комплексных исследований с участием металлургов,металлофизиков и других специалистов.

Однако эти затраты не идут ни в какоесравнение с теми потерями, которые могут иметь место пи разрушениилетательного аппарата.Фреттинг-один из факторов, приводящих к усталостным разрушениямдеталей ГТД. Он возникает в малоподвижных соединениях: замковыхсоединениях лопаток, в болтовых и прессовых соединениях, на площадкахконтакта антивибрационных полок и др.Механизм фреттинга по характерным признакам относится к наиболеесложным по своей природе процессам.

Это связано с тем, что, с одной стороны,он включает физико-химические процессы, протекающие в зонах контактадеталей на молекулярном уровне, вследствие чего в зоне реального контактапроисходит окисление разрушенных частиц металлов сопряжѐнных деталей.С другой стороны, процесс фреттинга включает кроме механическогоразрушения и абразивный износ субмикроскопических и макроскопических3объѐмов поверхностного слоя деталей в зоне контакта. Эти процессы тесносвязаны между собой, а преобладание того или иного механизма на различныхэтапах и при разных соотношениях параметров процесса может изменяться и поразному влиять на сопротивление усталости соединения.Наиболее достоверные сведения о фреттинг-усталости малоподвижныхконструкций дают натурные испытания, но они трудоемки и дороги.Экспериментальный материал, полученный на натурных деталях в широкомдиапазоне температур, дает возможность сделать ряд обобщений, направленныхна совершенствование технологических процессов изготовления деталей и ихконструктивного облика, а также предложить методы прогнозированиясопротивления усталости деталей ГТД с учетом этих факторов в условияхвоздействия переменных нагрузок в процессе эксплуатации.Цель работыРазработка комплексной методики повышения эксплуатационнойнадежности малоподвижных соединений лопаток компрессоров авиационныхдвигателей, определяющей повышение эффективности систем обеспечениянадежности силовой установки летательного аппарата.Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:─ проведѐн анализ разрушения деталей, подвергающихся воздействиюфреттинга;─ определены основные физические параметры влияния процессафреттинга на сопротивление усталости замков лопаток компрессора;─ разработана физическая модель разрушения замковых соединений вусловиях действия фреттинга;─ разработана методика и аппаратное обеспечение исследования замковыхсоединений лопаток компрессора при действии фреттинг-коррозии;─ разработаны научные и конструктивно- технологические рекомендацииповышения сопротивления фреттинг-усталости замковых соединений лопатоккомпрессора, выполненных из современных конструкционных материалов.Научная новизна− предложена физическая модель разрушения деталей при фреттингкоррозионном воздействии в процессе эксплуатации.

Установлено, чтоосновными параметрами процесса фреттинга являются:− амплитуда относительных перемещений сопряженных поверхностей;− давление в зоне контакта;− частота циклического смещения сопряженных поверхностей;− количество циклов нагружения;рр− получены зависимости видаир ;− методы обработки и особености поверхности хвостовиков лопаток;4− фреттинг-усталости ряда конструкционных материалов.Предложена комплексная методика испытаний образцов и деталей придействии фреттинга.Фреттинг или фреттинг-коррозии - это процесс, возникающий прициклическом нагружении в зоне локального контакта деталей, образующих междусобой прессовое или малоподвижное соединение.

Величина амплитудыотносительных перемещенийв зоне контакта деталей, достаточная длявозникновения процесса, находится в пределах упругих деформацийповерхностного слоя детали. Минимальная амплитуда, при которойнаблюдается процесс, может не превышать 100 нм, а при 200...300 мкм и болеедоминирующим становится процесс фреттинг-износа. В то же время степеньповреждения поверхностного слоя в зависимости от величинынеоднозначна,так как она определяется не только величиной давления в зоне контакта , но исвойствами материала контактирующих деталей.Рис. 1. Схема процесса фреттинг-коррозии:а) малоподвижное соединение под воздействием начального давления Np; б)...

г)зоны контакта после относительных смещений сопряжѐнных поверхностей поддействием знакопеременной тангенциальной силы FpНа рис. 1 приведена одна из возможных схем процесса фреттинга: висходном состоянии в зоне контакта сопряжѐнных деталей (рис. 1а) всегдаобразуется локальный контакт (полу эллипсами на рис. 1а указаны зонылокального контакта, формирующий местное НДС материала). Под воздействиемна малоподвижное соединение эксплуатационных нормальных N итангенциальных F нагрузок поверхности сопряжѐнных деталей смещаются (рис.1б) на амплитуду ±ри этом у границ контакта скапливаются частицыматериала повреждѐнных поверхностей и образуются суб- и микротрещин.Далее эти процессы циклически повторяются (см.

рис. 1.в и г)и этом:− резко увеличивается количество продуктов повреждения;− меняются участки активного контакта и зоны влияния, а контактповерхностей сопряжѐнных деталей реализуется через продукты повреждения(износа), как показано на рис. 1.в и г;Таким образом, начальные усталостные трещины, являетсь потенциальноисточниками концентрации напряжений и находясь в зоне локального контактадлительное время, могут либо удаляться абразивными частицами, либо5развиваться до макротрещин или периодически выходить из зоны локальногоконтакта. При этом НДС в этих зонах контакта постоянно изменяется.В зоне контакта при относительных перемещениях сопряженных деталей взависимости от соотношения касательных и нормальных нагрузок могут иметьместо:− интенсивное разрушение поверхности типа абразивного износа соследами первоначального схватывания материала в виде сглаженных каверн и свыделением у границы контакта значительного количества продуктов окисленияповрежденного материала, величина коэффициента трения f при этом составляет0,2 ÷ 0,4;− абразивное разрушение с преобладанием процесса схватывания (грубыекаверны, налипание материала) и образование продуктов окисления прикоэффициенте трения f 0,4÷0,55:− схватывание со следами продуктов окисления контактирующихматериалов при коэффициенте трения около f ˃ 0,55.Анализ результатов испытаний на усталость сплавов АК4-1, ВТ8 и стали13Х11Н2ВМФ в условиях фреттинга, а также замковых соединений,выполненных из тех же материалов, показал, что характеристики рассеянияпределов выносливости в этих условиях остаются постоянными и не превышаютзначений, определяемых для этих материалов при испытаниях на обычнуюусталость.Практическая ценностьПолученные при выполнении диссертационной работы результатыобоснованы современными теориями прочности и применением методоввычислительной математики.Достоверность решения задач в диссертации подтверждена сравнениемчисленных результатов с известными аналитическими решениями исопоставлением полученных результатов с результатами других авторов;анализом физического смысла полученных экспериментальных данных.Результаты проведенных исследований являются научной базой припроектировании замковых соединений лопаток компрессоров.