Виды повреждений зубчатых колес в процессе эксплуатации горных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Зубья зубчатых колёс, работающих при знакопеременном цикле нагружения (промежуточные колёса) не имеют постоянно растянутой и сжатой стороны.

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.

Зубья колес, поверхностно упрочненных, с твердостью рабочей поверхности 56 - 58 HRC выходили из строя в результате поломки зубьев в зоне делительной окружности колеса вследствие растрескивания и отслоения материала зуба. Причем нагрузочная способность была наивысшей среди использованных в испытаниях колес. Как показали результаты усталостных испытаний растрескивание рабочих поверхностей зубьев и отслаивание их материала с последующей поломкой в зоне делительной окружности имеет место при количестве циклов нагружения .

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 4ч8 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

ун- 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.

Размещено на Allbest.ru