Виды повреждений зубчатых колес в процессе эксплуатации горных машин
Реферат
Тема:
Виды повреждений зубчатых колес в процессе эксплуатации горных машин
Выделяют различные виды повреждений зубчатых
колес:
излом зубьев (усталостный; статический из-за
попадания в зацепление зубьев посторонних предметов и заедания валов колес в
подшипниках скольжения, разрушениями подшипников качения или других деталей;
трещины; скол торцев; скол вершин);
контактные повреждения зубьев (усталостное
выкрашивание; отслаивание поверхностного слоя);
износ зубьев (абразивно-механический; заедания;
поднутрение);
пластические деформации рабочих поверхностей
зубьев.
Решающая роль той или иной причины выхода из
строя зубчатых колес зависит от целого ряда факторов: материала колес, качества
их изготовления (точность, шероховатость, термообработка), режимов эксплуатации
и т. д.
Несмотря на то, что излом в общей статистике
повреждений имеет относительно небольшую долю, он является наиболее опасным
видом повреждения, поскольку приводит к аварийной остановке машины. При чем при
поломке одного зуб увеличиваются динамические воздействия на последующий зуб,
что приводит к увеличению числа разрушенных зубьев.
Наличие излома или трещины хотя бы одного из
зубьев, независимо от причины его возникновения является браковочным признаком.
Излом зуба происходит в зоне максимального
напряжения (у скругления ножки зуба) по продольному сечению и имеет
криволинейный поперечный контур, который в зависимости от вида нагрузки и
термообработки бывает либо вогнутым, либо выпуклым. Усталостный излом имеет
вогнутый профиль, т. е. направленный в тело колеса. Для колес улучшенных или
объемно-закаленных - без ступеньки, для колес с поверхностным упрочнением со
ступенькой.
Статистический излом, встречающийся реже, имеет
выпуклый контур, также без ступеньки и со ступенькой. В случае поверхностного
упрочнения начальная трещина на глубину упрочненного слоя образуется от
воздействия нормальных напряжений, а дальнейшее разрушение происходит под
воздействием касательных напряжений.
Усталостному излому предшествует трещина
усталости, которая начинает зарождаться на нагруженной стороне у основания
зуба, чаще на кромке торца; в дальнейшем трещина развивается вдоль ножки зуба
по нормали к переходной кривой в направлении сжатой стороны. На поверхности
усталостного излома, чаще из-за малых размеров зуба, можно наблюдать ни пять, а
три зоны развития трещины:
гладкую, где происходило зарождение трещины и ее
медленный рост,
шероховатую, где рост трещины ускоряется,
грубую, где произошло хрупкое разрушение зуба.
Напряжённое состояние в опасном сечении зуба
зависит от геометрических параметров зуба.
На рис. приведены графики изменения максимальных
напряжений на контуре основания (выкружки) растянутой стороны зуба в
зависимости от числа зубьев колеса, коррекции и положения точки приложения
нагрузки на профиле зуба.
У коррегированных колёс с положительным
смещением исходного контура опасное сечение при изгибе может сместиться к
вершине зуба.
Поломки зубьев в таких случаях имеют место
преимущественно при малых радиусах выкружки.
Поэтому усталостные трещины у обеих выкружек
зарождаются и разрываются в тело колеса самостоятельно, пересекаясь над углом
друг к другу при изломе зуба.
На поверхности излома видны два участка
зарождения трещины у обеих выкружек.
Сколы торцев обычно бывают вызваны концентрацией
нагрузки у краёв зубьев вследствие неточностей изготовления корпусов, перекосов
валов, раннего предмета.
Сколы вершин встречаются вследствие так же
концентрации нагрузки, уменьшения радиального зазора в передаче, попадания
постороннего предмета.
Трещины усталости, как правило, возникают в
результате перегрузки зубчатых колёс выше предела изгибной усталости.
Причиной поломок зуба у основания может служить
наличие в зоне впадины остаточных растягивающих напряжений, возникающих при
обезуглероживании поверхности, при химико-термической обработке.
Причиной поломок может служить грубая обработка
даже нерабочих поверхностей, т.е. технологический концентратор напряжений.
Наличие в слое остаточного аустенита, наличии
шлифовальных прижогов.
Контактные повреждения зубьев являются основной
причиной выхода из строя быстроходных улучшенных и поверхностно упрочнённых
зубчатых колёс.
Так, например, при ремонте авиационных
двигателей из общего количества бракуемых зубчатых колёс 70% отбраковывают по
причине контактных разрушений материала на зубьях.
Анализ повреждений зубчатых колёс редукторов
горных машин показал, что в 70% из бракуемых колёс составляют колёса с
разрушениями контактной поверхности зубьев, 4-10% с изломом зубьев, остальные
износом зубьев.
Контактные напряжения на рабочей поверхности
зубьев переменны, изменяются по пульсирующему циклу.
Различают два вида поверхностных макроразрушений
материала зубьев:
выкрашивание (питтинг);
отслаивание поверхностного слоя.
Природа разрушений усталостная. Они возникают
при потери материалом устойчивости к действию переменных по величине и
длительности контактных нагрузок. Каждому виду соответствует свой механизм
разрушения. В зависимости от величины действующих контактных нагрузок,
конструкция и материал зуба, качества упрочненного поверхностного слоя оба вида
поверхностного разрушения могут возникать одновременно или один из них будет более
выражен.
Выкрашивание материала может быть ограниченным и
прогрессирующим. Ограниченное усталостное выкрашивание связано с периодом
приработки. В процессе приработки сглаживаются микронеровности контактных
поверхностей, улучшается прилегание зубьев и следовательно ограниченное
выкрашивание прекращается. Оно не является опасным и зубчатые колеса в
дальнейшем можно эксплуатировать.
При прогрессивном выкрашивании страдает вся или
большая часть длины зуба. При этом повышается контактное давление на еще целую
часть поверхности зуба, выжимается смазка в раковины, повышается износ от
абразивного действия выкрошившегося материала, усиливается смятие и заедание.
Макротрещины на контактирующих поверхностях развиваются под действием
касательных напряжений. Стойкость к выкрашиванию зависит от физико-химических
свойств и толщины смазочного слоя.
Прогрессирующее выкрашивание или питтинг может
привести к отслаиванию упрочненного поверхностного слоя, которое
характеризуется большими по глубине и по площади выкрошившимися ямками, которые
могут распространяться по всей боковой поверхности зуба от полюса зацепления.
Однако отслоение упрочненного слоя, связанное с действием глубинных контактных
напряжений может возникнуть и независимо от появления питтинга. В любом случае
отслоение упрочненного слоя является наиболее опасным видом усталостного
поверхностного разрушения, т.к. может привести к уменьшению поперечного сечения
зуба и его поломке под действием изгибающего усилия.
В результате экспериментальных исследований
приведены зависимости между твердостью рабочих поверхностей зубьев и характером
их повреждений. Выход из строя колес по причине питтинго-образования
наблюдается в диапазоне твердостей рабочих поверхностей зубьев ~ 37HRC,
при этом нагрузочная способность колес оказалась на самом низком уровне. При
твердости рабочих поверхностей 45-48HRC
так же наблюдалось небольшое количество питтинговых оспин, однако фактором
лимитирующим усталостную прочность зубьев, являлась поломка зубьев, возникающая
в результате развития поверхностных усталостных трещин и уменьшения прочности
зуба в зоне делительной окружности зубчатого венца.
На основании этих и других
многочисленных экспериментальных исследований установлено, что критерием
работоспособности высоконапряженных зубчатых колес поверхностно упрочненных -
цементированных, азотированных, поверхностно-закаленных, является именно
отслаивание. В отличие от питиннга он имеет совершенно иной механизм
возникновения и развития усталостных трещин. На возникновение отслаивания
основное влияние оказывают приведенные касательные напряжения, возникающие под
действием контактных нагрузок и действующие на определенной глубине от
поверхности.
Контактные нагрузки, неопасные для
поверхности могут вызвать подслойные касательные напряжения превышающие предел
выносливости и вызывающие развитие подслойных усталостных трещин. Этот вид
разрушений опасен, т. к. отслаиваются значительные участки зуба, что вызывает
возникновение динамических изгибных напряжений и возможно поломку зуба. Причем
возможность появления и развития подслойных трещин увеличивается с уменьшением
отношения 
приведенного
радиуса кривизны к толщине упрочненного слоя.
Условия возникновения глубинных
контактных разрушений были изучены Р.Р. Гальпером, В.Н. Кудрявцевым, Е.И.
Тескером и другими учёнами для цементированных, нитроцементированных и
азотированных колес. Глубина расположения и величина максимальных глубинных
касательных напряжений зависит от различных факторов, основными из которых
являются: твердость сердцевины зуба, радиус кривизны профиля зуба, толщина
упрочненного слоя, величина действующих контактных напряжений. Установлено, что
глубина расположения наибольших глубинных касательных напряжений для
азотированных колес приблизительно равна 0,6bн, а для
цементированных и нитроцементированных колес 0,8bн (где bн -
полуширина площадки контакта). Величина предельных глубинных напряжений как
установлено в работе () для цементированных колес 
, которая
показывает, что каждой зоне цементированного слоя соответствует определенное
значение предельных напряжений; зависящее от твердости HV в этой зоне
и наличия в ней дефектов структуры, учитывающиеся коэффициентом Кс.
Исследования колес из стали 20Х2Н4А, 20ХН3А модуля 4÷8 мм показали,
что значительное влияние на контактную выносливость зубчатых колес оказывает
эффективная толщина упрочненного слоя и отдельные структурные составляющие
цементированных слоев, которые не регламентируются общепринятыми техническими
условиями. Вопрос об оптимальной величине упрочненного слоя имеет большое
значение для совершенствования передач и еще требует своего решения.
В соответствии с работами Гальпера
Р.Р., проводившего исследования на азотированных колесах, предельное значение
приведенных глубинных касательных напряжений
Из этой зависимости следует, что
глубинная контактная прочность связана линейной зависимостью с твердостью
материала сердцевины. Увеличение твердости сердцевины приводит к возрастанию
предела контактной усталости. Кроме того, глубинная прочность передачи тем
выше, чем больше величина параметра
повреждение
зубчатое колесо
Если 
, то возможно возникновение
усталостных трещин, либо на границе слоя и сердцевины, либо в середине зуба.
При 
напряжения
под слоем меньше предельно допустимых, а 
находятся в пределах слоя.
В настоящее время в формулах для
расчета нагрузочной способности зубчатых колес обычно используются допускаемые
напряжения, выбранные из условия предотвращения питтинга их рабочих
поверхностей, а расчет на предотвращение глубинного контактного разрушения лишь
рекомендуется, хотя для поверхностно-упрочненных зубчатых колес он определяет
основной вид разрушений.
Основными причинами контактных разрушений
цементированных и азотированных зубчатых колес, как показали многочисленные
исследования являются: повышенная концентрация нагрузки по длине зуба и по
профилю зуба; внешние перегрузки; тепловой эффект шлифования боковых
поверхностей зубьев в процессе эксплуатации; наличие 
фазы в
азотированном слое; недостаточное количество смазки; попадание посторонних
предметов в зацеплении.
Тескер Е.И. предложил зависимости
для определения предела глубинной контактной выносливости 
через
эффективную твердость упрочненного слоя. Его зависимости с предельными
коррективами Кудрявцева В.Н. имеют
σн- расчетное контактное
напряжение;
SНК -
коэффициент запаса прочности по глубинным контактным напряжениям;
Н(z) -
распределение твердости по толщине упрочненного слоя (на глубине z=bHWSHt)
;
BHW -
полуширина площадки контакта в полосе зацепления;
ht - толщина
упрочненного слоя.