Диссертация (Повышение надежности малоподвижных соединений деталей авиационных двигателей, подверженных в эксплуатации влиянию феттинг-коррозии), страница 7

Приналичии сил трения (тангенциальной составляющей) на площадке контакта этизоны могут слиться в одну.Кроме того, на поверхности тела, передающего нагрузку, появляются дополнительные растягивающие напряжения и деформации позади контакта(считая по направлению действия тангенциальной силы) и сжимающие впередиконтакта. У тела, воспринимающего нагрузку, напряжения изменяются вобратном порядке по отношению к направлению действия внешней нагрузки.Во всех случаях периодическое раскрытие стыка между контактирующимиповерхностямисоздаетусловиядлявозникновенияотносительныхпериодических перемещений (деформаций) поверхностей, т.е.

условия дляразвития фреттинг.391.6. Особенности образования дефектов и разрушений в конструкциях,связанные c процессом фреттингаПроцесс фреттинга возникает и протекает в зоне сопряжения деталей, гдев рабочих условиях возможны их относительные циклические возвратныемикро перемещения. Внешним признаком этого процесса является образованиеи выделение из зоны контакта, как правило, окисленных продуктовповреждения материалов сопряженных пар.Такимиучасткамивконструкцияхявляютсяпрессовыеилималоподвижные соединения типа: вал - подшипник, шлицевые, болтовые,заклепочные соединения, контакты в бандажных полках, замках лапоток и т.п.В газотурбинных двигателях ГТД к таким соединениям, кроме указанныхотносятся: замковые соединения типа «ласточкин хвост», ѐлочные, шарнирные,фланцевые, болтлвые соединения и т.д.Последствия процесса фреттинг-коррозии трения могут быть самыми различными, но всегда достаточно тяжелыми.

Например, повреждение фреттингомпроцессом контактных клемм в электрических цепях может привести ксамопроизвольному отключению электрической цепи. Следствиями процесса взоне прессовой посадки могут явиться ослабление натяга, появление зазора, и,наконец, усталостные разрушения и т.д.Причиной повреждения ступичной части диска вентилятора ГТД можетявиться взаимное смещение пакета деталей, ослабления затяжки болтовогосоединения, развитие усталостных трещин в полотне или ободной части дискаи др.

Следует отметить, что очагом разрушения и в этом случае оказался неконцентратор напряжений в виде отверстия на фланце, а поврежденныйфреттинг- коррозий участок вблизи или внутри его. Трещины образуются вместах, не связанных с конструктивными концентраторами напряжений в видеотверстий, впадин зубьев, галтелей и т.д., теоретические коэффициентыконцентраций для которых достигают или превышают ασ ≥ 2.40Используя рассуждения, сделанные выше, можно оценить величинуэффективного коэффициента концентрации для этого примера и всегдазначение Кσфр будет больше, чем ασ для геометрического концентраторанапряжений (фаски, отверстия, галтели и т.д.).Часто в практике эксплуатации ГТД имеют место разрушения замковыхсоединений лопаток компрессора.

Как и в рассмотренных выше случаях, здесьочагами усталостных разрушений являются повреждения от фреттингкоррозии.Факторами, способствующими этим разрушениям являются наличиезначительных по величине переменных напряжений, возникающих приколебаниях профильной части лопатки, по первой изгибной или крутильныйформе. Местное повышение давления на контактной грани хвостовиковвследствие плохого прилегания площадок контакта.Для данной конструкции сделать оценкусведенияокоэффициентахиконцентрациинесколько сложнее, т.к.напряженийздесьвесьмаограничены. Исследования [13] показывают, что на контактной площадкехвостовиков максимальные напряжения находятся примерно в центреплощадки и значение коэффициента концентрации составляет при этом около2.

В то же время значение коэффициента концентрацииперехода от профильной части к замку может составлятьв радиусе1,9 ... 3,2 и болеев зависимости от величины радиуса перехода.Следует учесть, что в качестве конструкционных материалов для лопатоккомпрессоровприменяютсяматериалы,концентрации напряжений высока, значенияПоэтомучувствительностькоторыхк, приближаются к единице.здесь будет  3.Примеры типичных разрушений замковых соединений типа ласточникхвост показаны на рис. 1.5, Нужно подчеркнуть, что подобный дефект можетиметь место и на рабочих лопатках с бандажными полками.41Рис. 1.5. Примеры типичных разрушений замковых соединений типа «ласточкин хвост»лопаток компрессора:а) сталь 13X11H2B2MФ, угол наклона контактной грани, хвостовика α=700;б) сталь 14X17H2, α=700; в) сплав ВТ9.α=360, г) сплав ВТ8.α=450.42Рис.

1.6. Разрушение от фреттинг-усталости проушин шарнирных хвостовиков лопаток компрессора.Стрелками показаны зоны повреждения проушин Фрутингом и очаги разрушенийНа рис. 1.6. показаны примеры разрушений шарнирных соединенийвследствие повреждения проушин Фрутингом и очаги фреттинг-усталости.Очаги разрушения и на этот раз не совпадают с опасным сечением проушины.Аналогичные последствия для замковых соединений имеют место присвязных колебаниях лопаток и диска, однако при этом наблюдаютсяразрушения не только проушин, но и ободной части диска.На рис.1 показано разрушение от фреттинг-усталости вала редуктора,повреждѐнного Фрутингом в зоне соединения с венцом шестерни.Известны случаи, когда разрушения подобного типа имели место наответной детали - выступе диска.Одним из способов устранения резонансных колебаний рабочих лопатокГТД по первой изгибной форме является применение шарнирного замковогосоединения. Однако при колебаниях по высшим, в частности, крутильнымформам, функции шарнирного соединения нарушаются, и соединениепереходит в класс малоподвижных со всеми вытекающими из этогопоследствиями.43а)б)Рис.1.7.

Разрушение вала-шестерни по фланцу в зоне болтовых соединений сшестерней от фреттинг-усталости (стрелками указаны очаги усталостных разрушений):а) участки повреждений фреттинг-коррозией и усталостные трещины на фланце вала;б) очаги зарождения усталостных трещин в зоне контакта болтовых соединений;в) вид призонных болтов, повреждѐнных Фрутингом, разрушенных от усталостиПричиной возникновения процесса фреттинга и разрушения шарнирного44соединения может явиться недостаточная жесткость пальца, приводящая придействии центробежных сил к его вокализации, а при повторных запусках иизмененияхрежимаработыГТДкдополнительнымдеформациямиперемещениям пальца относительно проушины лопатки. Пользуясь данными[5] для конструкций шарнирных замковых соединений можно принять, чтозначенияпревышают 3.5.Известны случаи, когда выход из строя вследствие этого процесса другихдеталей приводил к разрушению основных элементов конструкции.

Например,повреждениезаклепочногосоединения,фиксирующегоположениенаправляющей лопатки компрессора, сопровождалось не только разрушениемпоследней, но и находящимися по соседству с ней рабочими лопатками.Можно привести ещѐ много примеров, иллюстрирующих разрушения,вызываемых в конструкциях процессом фреттинга, однако, и из приведенныхпримеров ясно, сколь широко распространено это явление в ответственныхузлах, как значительно снижается прочность и надѐжность изделия и как важнознать условия возникновения процесса фреттинг-коррозии.1.7. Цели и задачи исследованияВ итоге можно заключить, что ни одна из рассмотренных гипотез омеханизме процесса, как показывает анализ, не является универсальной и, влучшем случае, лишь указывает на существование двух факторов процесса:химического и механического.Ни в одном случае не учитываются условия напряженного состоянияматериала в зоне контакта и, как правило, не учитываются физико-химическиесвойства тел, образующих контактирующие поверхности.Существенным недостаткам рассмотренных предложений о механизмевлияния процесса фреттинг-коррозии на усталость является отсутствие связимеждупроцессомфреттинг-коррозииистепеньюснижениянесущей45способности материала в этих условиях.Остается неясным, на всех ли стадиях процесса имеет место снижениесопротивления усталости материала и т.д.Причины снижения сопротивления усталости в условиях фреттинга, вменьшей мере можно связать с образованием на поврежденных участкахкаверн, скоплением в зоне контакта, согбенно в кавернах, продуктов износа изначительным повышением там давления, и образованием микротрещинусталости на границах участков локального контакта.Целью работы является: выделить и установить роль основных факторовпроцессов фреттинга и фреттинг-усталости по формированию сопротивленияусталости малоподвижных соединений в деталях ГТД:─ исследовать напряженно - деформирование состояние (НДС) замковыхсоединений лопаток компрессоров;─ разработать конструктивно-технологические методы, позволяющиеповысить сопротивление фреттинг- усталости замковых соединений;─ разработка физической модели разрушения деталей, повреждаемыхфреттингом,атакжесозданиекомплекснойметодикиповышенияэксплуатационной надѐжности замковых соединений лопаток компрессоровавиационныхдвигателей,выполненныхизразличныхматериалов,повреждаемых фреттингом в эксплуатации.1.8.

Научно – технические задачи исследованияДля достижения поставленной цели необходимо было решить следующиенаучно - технические задачи:─ провести анализ дефектов лопаток компрессоров, имеющих замковыесоединениятипа―ласточкинхвост‖иопределитьпревалирующиеэксплуатационные факторы, вызывающие процесс фреттинга и разрушения отфреттинг-усталости;46─ предложить комплексную методику исследования процесса фреттингаи НДС хвостовиков лопаток компрессоров ГТД и провести экспериментальныеисследованиявлиянияэксплуатационныхфакторовнасопротивлениеусталости хвостовиков лопаток с учѐтом фреттинг- коррозионного илиусталостного;─ провести анализ механизма процесса фреттинга и типы повреждений,приводящих к усталостным разрушениям замковых соединений лопатоккомпрессора;─ разработать модель разрушения деталей при фреттинге;─ на основании оценки несущей способности соединений «ласточкинхвост» оптимизировать конструктивно – технологические решения замковыхсоединений лопаток.47Глава 2.Обобщение экспериментальных данных исследований повреждаемости иусталостной прочности компрессорных лопаток и материаловавиационных двигателей2.1.Оценка несущей способности замковых соединений лопаток и рекомендациипо их оптимальному конструированиюНа рис.