ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Длительность роста трещины в валиках насосов и валах других систем ВС из "Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций " Редукторы вертолетов испытывают в полете многочастотное вибрационное нагружение в результате многочисленных взаимодействий зубчатых колес разных ступеней при разной скорости их вращения [6]. В связи с. этим задача количественной оценки длительности роста трещин в зубчатых колесах считалась нерешаемой и поэтому не рассматривалась. Необходимость поиска подходов и путей ее решения при проведении расследований летных происшествий возникла в связи с отказами редукторов из-за разрушения их зубчатых колес (ЗК), что, как показано выше на примерах, приводило к тяжелым летным происшествиям. Необходимость исключения повторения указанных происшествий потребовала не только идентифицировать природу возникновения очага разрушения для устранения причин появления усталостных трещин. Стало актуальным решение вопроса о том, чтобы появляющиеся в ЗК по различным причинам усталостные трещины могли быть выявлены с обоснованной периодичностью вводимого на практике неразрушающего контроля. Рекомендуемая периодичность могла быть обоснована только по результатам исследования кинетики усталостных трещин, и продолжительность эксплуатации между двумя соседними осмотрами редуктора не должна была превышать времени роста трещин до критических размеров. [c.679] Эквивалентный уровень напряжения в ЗК не превышает 300 МПа в тех зонах, где может иметь место наибольшее напряженное состояние. Пороговая величина КИН при пульсирующем цикле нагружения составляет около 20 МПа м / для стали 12Х2Н4ВА, из которой изготавливают ЗК [6]. В зонах действия контактных нагрузок зубья колес имеют с поверхности цементированный слой глубиной до 1,5 мм, что оказывает, безусловно, существенное влияние на повышение пороговой величины КИН. Тем не менее появляющиеся несплошности или повреждения ЗК могут превосходить по размерам глубину цементированного слоя. Поэтому указанная выше величина K h позволяет оценить глубину допустимого дефекта материала, при котором начало развития усталостной трещины в ЗК возможно. Эта глубина составляет около 2 мм, т. е. существенно превосходит глубину цементированного слоя [7, 8]. [c.680] По мере перехода от зоны ЗК с максимальным растягивающим напряжением к ее центра.яьному отверстию, где она располагается на валу редуктора, напряжения от контакта зубьев уменьшаются из-за их перераспределения между соседними зубьями и ограниченным перемещением или возможной деформацией самих зубьев. При этом динамические напряжения от вращения ЗК возрастают и нарастает максимальный уровень коэффициента интенсивности напряжения, если рассматриваемая траектория изменения напряжений вдоль радиуса колеса совпадает с траекторией возрастающей длины усталостной трещины. По мере продвижения усталостной трещины от периферии ЗК к ее оси происходит нарастание асимметрии цикла нагружения при уменьшении амплитуды переменных напряжений. Возникает естественный вопрос о длительности процесса зарождения и последующего роста трещины на основе анализа вида повреждающего цикла нафужепия, который определяет продвижение трещины в ЗК за один цикл запуска и остановки двигателя. [c.680] В эксплуатации ЗК редукторов вертолетов испытывают многокомпонентное разночастотное нагружение при основной частоте нагружения от вращения колеса в несколько тысяч оборотов в минуту. При наработке редуктора в эксплуатации более 10000 ч число циклов нагружения каждого зуба колеса из условия его вхождении в контакт за каждый оборот составляет более 10 циклов. Присутствие в зубчатом зацеплении широкого спектра уровней и частот колебаний приводит к тому, что помимо основной частоты нафужения зуба за каждый оборот колеса может быть реализовано его дополнительное нафужение с различной модулирующей частотой и переменной амплитудой. [c.680] Нагружение материала ЗК с частотами в несколько тысяч герц связано с возрастанием скорости изменения нагрузки в цикле, которая может стать соизмерима со скоростями ударного нагружения материала. Процессы релаксации подводимой энергии в цикле нагружения к материалу не успевают проявить себя в полной мере при высокой скорости деформации. Применительно к пластичным материалам влияние возрастания скорости деформации на развитие усталостных трещин выражено в подавлении механизма формирования усталостных бороздок, типичного для низкочастотной области нагружения (см. главу 6). [c.681] Таким образом, в направлении распространения усталостной трещины в ЗК происходит перераспределение амплитуды напряжений и максимального напряжения. Наибольшие растягивающие напряжения возникают от контакта зубьев при вращении ЗК. Именно они и определяют продвижение трещины за один полный цикл работы редуктора за полет вертолета. [c.681] По условиям работы вертолета могут быть реализованы две ситуации общего эксплуатационного нагружения ВС (рис. 13.13). В одном случае вертолет перелетает с грузом и возвращается назад без него, не совершая посадки после освобождения от груза. В другом случае имеет место перелет с грузом в одном и другом направлениях с освобождением от него при посадке вертолета. Обе ситуации имеют свои особенности по повреждению материала за ПЦН, что оказывает влияние на продолжительность распространения уста.лостных трещин. [c.681] В подавляющем большинстве случаев в эксплуатации были отмечены случаи разрушения ЗК главных редукторов ВР-8А, Р-7 и Р-26 вертолетов Ми-8, Ми-6 и Ка-26 соответственно, а также имел место один случай разрушения ЗК хвостового редуктора вертолета Ми-6 (табл. 13.2). [c.681] Все разрушенные в. эксплуатации ЗК изготовлены из материала 12Х2Н4ВА (12 r-2N-4V) в соответствии с требованиями чертежа на их изготовление. Они имеют одинаковые физико-механиче-ские характеристики, указанные в чертеже на их изготовление. Материал имеет следующий элементный состав (в %) С — 0,1-0,15 Сг — 1,25-1,75 Ni - 3,25-3,75 Мп - 0,3-0,6 Si - 0,17-0,37 S 0,03, Р 0,03. Преде.п прочности и текучести материала составил 1000 и 80 МПа соответственно при относительном сужении 50-55 %. [c.681] Сведения о параметрах зубчатых колес и условиях их работы представлены в табл. 13.3. [c.681] Вращение ЗК главного редуктора вертолета Ми-6 осуществляется с частотой 7800-8300 об/мин. Каждый зуб входит в зацепление 1 раз за оборот колеса. Поэтому частота накопления повреждений от единичного цикла нагружения соответствует частоте вращения колеса. [c.683] Анализ остаточных напряжений по поверхности ЗК показал, что в процессе изготовления в них были созданы остаточные растягивающие напряжения по ободу колеса вплоть до 630 МПа. Это приводило к образованию первоначальных участков внутри- и межзеренного разрушения из-за некачественного изготовления ЗК. Трещина после прохождения зоны с остаточными напряжениями останавливалась, а под действием эксплуатационной нагрузки от нее происходило зарождение усталостной трещины. Как правато, граница производственной трещины имела уголковую форму фронта. [c.684] Выявленные особенности процесса разрушения свидетельствуют о регулярном продвижении трещины от полета к полету. По условиям работы ЗК его регулярное глобальное нагружение относится только к полному циклу запуска и остановки редуктора или разгрузке вертолета в полете, что в рассматриваемом случае соответствует циклу работы вертолета за один полет. Поэтому количество выявленных усталостных линий соответствует количеству полетов вертолета. На основе количественной оценки таких полетов на стадии распространения трещины было реализовано около 120 и 140 соответственно для шестерен 1 и 2 (см. табл. 13.2). [c.687] По условиям работы ЗК главного редуктора наработка рассмотренных колес на момент их разрушения составила 2,25 10 и 3,1 10 циклов соответственно для более короткого и продолжительного периода роста трещины. Средняя продолжительность полета вертолета Ми-8 составляет 0,38 ч. Следовательно, период распространения усталостных трещин составил 45,6 и 53,5 ч для ЗК с наработкой в эксплуатации 4496 и 6242 ч соответственно. При прочих равных условиях, которые соответствуют неизменным условиям нагружения ЗК от одного редуктора к другому, увеличение размера концентратора снижает одновременно период зарождения и роста трещины. Это сопровождается возрастанием относительной живучести (см. главу 1). Представленная оценка периода роста трещины не противоречит этой закономерности. [c.687] Если допустить, что в пределах зоны расположения первоначальных межзеренных трещин (дефекта) реализовано усталостное разрушение материала при тех же условиях, что и на остальных участках, то можно оценить дополнительную длительность роста трещины но следующей схеме. [c.687] можно видеть, что поврежденные в производстве ЗК имели в эксплуатации относительный период роста трещины 0,8-1 % в области сверхмногоцикловой усталости. Следует уточнить, что дополнительное включение в оценку живучести начального участка роста трещины по механизму усталости, где на самом деле имел место дефект материала, существенно повлияло на ее величину. Однако нужно иметь в виду, что и период зарождения трещины для неповрежденного ЗК будет существенно больше, что не может быть достоверно оценено из общих представлений. Из-за этого прирост живучести может оказаться незначительным по сравнению с установленной ее Beni-r-чиной для поврежденных ЗК по отношению к долговечности соответственно поврежденного и неповрежденного колеса. [c.687] Второй тип разрушения рассматриваемого ЗК был реализован от одного из технологических отверстий недалеко от центрального отверстия (рис. 13.17). Первоначально у технологического отверстия возникала межзеренная трещина, а далее происходило распространение усталостной трещины. Один из таких случаев рассматривается далее. [c.687] Разрушение ЗК произошло в результате развития в нем усталостной трещины на длину 270 мм при диаметре колеса 463 мм. Особенность формирования поверхности разрушения заключалась в том, что на ней был зафиксирован закономерны процесс образования блока из двух усталостных макролиний. Эта особенность формирования рельефа излома была сопоставлена с закономерностью нафужения вертолета в эксплуатации. [c.687] На основе анализа излома с учетом нагружен-ности вертолета была установлена продолжительность роста трещины не менее чем 300 ч. С начала эксплуатации вертолет налетал 6686 ч, включая 458 ч после последнего ремонта. Расчет длительности роста трещины показывает, что ее распространение в ЗК началось после последнего ремонта. [c.688] В эксплуатации еще имело место разрушение промежуточной шестерни-сателлита редуктора ВР-14 вертолета Ми-8МТВ. Разрушение шестерни заключалось в отделении от нее части обода с задним зубом. Произошло разрушение практически до основания соседнего с отделившимся зуба, вторичного к отделившемуся от ЗК по очередности входа в контакт с колокольным зубчатым колесом. На полотне ЗК имелась трещина длиной около 110 мм, идущая примерно по хорде от зоны отсутствующей части обода к ступице (рис. 13.19). Установлено, что разрушение ЗК явилось результатом образования и последующего слияния между собой двух усталостных трещин от впадин отделившегося и отсутствовавшего зуба. В очаге одной первоначально возникшей трещины имелись участки межзеренного растрескивания материала, а в другом очаге — металлургические дефекты материала в виде окисных плен. [c.691] Вернуться к основной статье