Исследование влияния износа на работоспособность высоконагруженных зубчатых передач

Техничекие науки/3. Отраслевое машиностроение

К.т.н. Надтока О.В., к. ф-м. н Аксёнова Н.А., к.т.н. Оробинский А.В., Дунай Л.М.

Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта, Украина

Исследование влияния износа на работоспособность высоконагруженных зубчатых передач.

Повышение технического уровня рабочих машин и его сохранение в течение заданного периода эксплуатации являются актуальнейшими задачами современного машиностроения.

К тяжело нагруженным зубчатым передачам относятся приводы машин, при проектировании которых предъявляются жесткие требования к минимизации их габаритов, массы и стоимости. Сюда, в первую очередь, относятся транспортные машины и горные машины, работающие в ограниченном пространстве. Реализация этих жестких требований приводит к значительному росту удельной силовой нагруженности, а требование максимализации производительности машин приводит к росту скоростных характеристик привода. К этому следует добавить динамический характер внешнего нагружения и значительную загрязненность окружающей среды мелкодисперсными веществами абразивного характера. Все перечисленные факторы способствуют снижению надежности машин и их приводов, габариты и масса которых в основном определяются параметрами зубчатых передач

В подавляющем большинстве тяжело нагруженных машин в качестве приводов используются передаточные механизмы, содержащие зубчатые передачи, степень совершенства которых в значительной мере определяет стоимость и эксплуатационные характеристики промышленного оборудования. Большая часть тяжело нагруженных машин, особенно горные, транспортные и др., работает при высоких нагрузках и в условиях значительного запыления окружающей среды. Тяжелые условия работы и динамический, вибрационный характер нагружения этих машин снижают прочность и время эксплуатации зубчатых передач их приводов.

Оценка долговечности зубчатой передачи по исходным параметрам эвольвентных профилей зубьев является приближенной и не отражает того факта, что из-за износа зубьев форма профиля становится отличной от эвольвентной, в результате чего изменяются нагрузочно-кинематические параметры контакта, которые, в свою очередь, изменяют темп изнашивания и форму профилей зубьев.

Современные тенденции развития машиностроения приводят к еще большему ужесточению требований к параметрам качества передач при их проектировании вследствие:

• увеличения объемных и контактных напряжений при значительной неравномерности их распределения,

• увеличения скоростей скольжения и температур вследствие роста производительности машин,

• повышения вероятности отказов из-за усложнения конструкций машин и увеличения экономических потерь за время устранения отказов (упущенная выгода),

• расширения области эксплуатации машин - агрессивные среды, вакуум, вибрация, различные виды излучений, требующие новых подходов к оценке работоспособности и новых критериев предельных состояний.

Повышение долговечности приводов машин является одним из важнейших (наряду с повышением производительности и снижением себестоимости) требований к проектированию машин, которое в значительной степени обеспечивается за счет увеличения ресурса основных деталей привода и, в первую очередь, за счет повышения износостойкости их контактных поверхностей. При этом следует иметь ввиду, что обеспечение высокой износостойкости (особенно высших кинематических пар - например зубчатых колес) необходимо не только, чтобы предотвратить поломки из-за уменьшения рабочего сечения деталей вследствие их износа, но и для уменьшения влияния износа на параметры качества машин - уровень шума, точность позиционирования робототехнических систем, точность изготовляемой продукции (прокатные станы) и т.д

Несущая способность и износостойкость зубчатых передач привода определяется уровнем конструктивных решений по обеспечению оптимальных условий работы передач, качеством их изготовления и степенью соответствия условий эксплуатации режимам, принятых при их проектировании.

Конструктивные решения по обеспечению необходимой несущей способности зубьев зубчатых передач обычно базируются на выполнении условий предотвращения двух основных видов повреждений: поломок зубьев (статических и усталостных) и контактного усталостного выкрашивания (питтинг) рабочих поверхностей. Методы расчета изгибной и контактной выносливости достаточно хорошо разработаны, прошли многолетнюю эксплуатационную проверку и являются основными методами расчета зубчатых передач на прочность, что нашло свое отражение в стандартах Международного Комитета по Нормализации ISO/DIS 6336/III (изгибная выносливость) и ISO/DIS 6336/II (контактная выносливость), а также в стандарте ГОСТ 21354-87, используемом в Украине и других странах СНГ.

Износостойкость определяется, как свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения. Соответственно, изнашивание представляет собой процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) его остаточной деформации

В зубчатых передачах тяжело нагруженных машин имеет место граничное трение качения с проскальзыванием. При этом основным видом изнашивания является абразивно-усталостное механическое изнашивание, а в случае наступления заедания − молекулярно-механическое.

Абразивно-усталостное механическое изнашивание (в дальнейшем изнашивание) приводит к постепенному изменению формы и размеров трущихся тел. Несмотря на четкость таких распространенных понятий, как трение, изнашивание и износостойкость, определение численных значений этих величин для конкретных условий эксплуатации представляет значительные трудности. Это объясняется сложностью физических, химических и механических явлений, имеющих место в зоне контакта тел, и огромным количеством взаимно влияющих факторов, определяющих конечный результат изнашивания.

Сложность и неоднозначность численной оценки процесса изнашивания подтверждается большим количеством публикаций, посвященных этой теме. Наиболее четкий, системный подход к разработке методов расчета на износ дан Дроздовым Ю.Н. в работе [1].

Однако трудности получения информации о численных значениях трибологических факторов и их изменении в конкретной контактной зоне не позволяют реализовать подход Дроздова в инженерных расчетах износостойкости контактных поверхностей. Так, например, в работе [2] даже утверждается, что долговечность вновь проектируемой передачи, подверженной не усталостным разрушениям, можно оценить в какой-то степени только на основании опыта эксплуатации аналогичных передач, работающим в условиях, близких к тем, в которых будет работать проектируемая.

При всем многообразии расчетных зависимостей по оценке износостойкости фрикционного контакта существует сравнительно немного формул, позволяющих непосредственно вычислить толщину изношенного слоя трущихся поверхностей.

Первая попытка связать износ с механическими свойствами материалов принадлежит Тонну, установившему линейную зависимость отношения износа трущихся поверхностей (образец/эталон) и твердостью материала.

Позднее Хольм [3], объясняя износ атомарным взаимодействием двух поверхностей, предложил зависимость

где − количество изношенного материала, приходящегося на единицу пути скольжения,

z − вероятность удаления атома с поверхности образца при встрече его с контртелом,

Р − нагрузка,

НВ −твердость.

Несовершенство такой формулы в том, что она не отражает влияния многих параметров контакта на износостойкость материала. Реальная внутренняя структура трущихся материалов, структура их поверхностей, структурные и фазовые превращения, возникающие при работе, также не учитываются.

Дроздовым Ю.Н. [1] была разработана схема износа поверхностей зубьев, позволяющая учитывать значительное количество факторов, влияющих на износ: физических, химический, механический свойств самого материала, характеристик смазки, агрессивности среды, условий нагружения, температуры, топографии контактирующих поверхностей и т.д.

Однако результаты экспериментов, проведенных В.В. Алисиным [4], показали большой разброс значений интенсивности изнашивания для закаленных колес, причем интенсивность изнашивания ведомых колес на порядок больше интенсивности изнашивания ведущих.

В качестве критерия износа предлагалось также использовать удельную мощность, затрачиваемую на преодоление трения контактных поверхностей [5, 6].

Зависимость объемного износа от работы сил трения была также использована Флейшером [7] при разработке энергетической теории износа. Положение о пропорциональности величины износа работе сил трения для расчета износа машин применялось и другими исследователями.

Особое место в проблеме износостойкости зубчатых передач принадлежит заеданию - то есть процессу возникновения и развития повреждений поверхности трения вследствие схватывания и переноса материала. В зависимости от условий трения заедание поверхностей не носит катастрофического характера и может даже прекратиться («холодное заедание»), но в экстремальных условиях трения - при высоком уровне температур, нагрузок, скоростей скольжения, наличии агрессивных сред процесс заедания контактирующих поверхностей сопровождается образованием глубоких борозд, вырывов, рисок, наростов, оплавлений - «горячее заедание». В последнем случае процесс заедания часто характеризуется катастрофическим изнашиванием сопряженных пар и может привести к полному выходу механизма из строя в результате прекращения относительного движения в контакте. «Горячее заедание» (дальше - заедание) является самым опасным видом повреждений зубьев зубчатых колес.

В момент возникновения заедания обычно резко увеличивается коэффициент трения скольжения, растет температура, активизируются динамические процессы, повышается вибрационная и акустическая активность.

На процесс заедания существенное влияние оказывает

- нагрузка,

- скорости скольжения и качения,

- шероховатость контактирующих поверхностей,

- материал тел,

- температура,

- физико-химические характеристики смазочного материала и окружающей среды,

- вид и качество присадок к основному маслу,

- способ смазывания и другие факторы.

Для смазываемых поверхностей обязательным условием возникновения заедания является разрушение разделяющей их смазочной масляной (весьма тонкой) пленки, повреждение которой может наступить вследствие пластической деформации, износа шероховатостей контактирующих поверхностей или вследствие потери смазочных свойств масла при повышенных фактических температурах в зоне контакта тел, а также в результате срабатывания смазочного материала.

Возникновению заедания способствует увеличение скорости скольжения и уменьшение скорости качения. С ростом скорости скольжения растет мощность трения и уменьшается толщина смазочного слоя вследствие выделяющегося в контакте рабочих тел тепла и повышения контактной температуры. Увеличение нагрузки в контакте способствует возникновению задира и разрушению контактных поверхностей.

Для расчетов на заедание предложено довольно много критериев. Наиболее теоретически обоснованным и прошедшим широкую экспериментальную проверку в лабораторных условиях является температурный критерий Блока, основанный на гипотезе существования критической температуры разрушения масляной пленки, характерной для каждой комбинации материалов и масла. Температура в контакте определяется как сумма поверхностной температуры тел перед входом в контакт и мгновенного повышения температуры в контакте в процессе трения тел - температурной вспышки. Условие отсутствия заедания:

где − сумма поверхностной температуры тел перед входом в контакт,

− температурная вспышка,

− суммарная критическая температура, при которой происходит заедание поверхностей.

Положение зоны контакта зубьев в абсолютных (связанных с корпусом привода) и относительных (связанных с вращающимися колесами) координатах определяется формой профиля, нагрузкой в контакте и податливостью зубьев. Кроме того изменяется форма профиля и зависимость нагрузки от фазы зацепления и времени.

Динамическая нагрузка в зацеплении зубьев определяется инерционными характеристиками колес, податливостью зубьев, жесткостью и инерционными характеристиками привода. В.Онищенко [8] ввел в динамическую модель переменного передаточного числа, вследствие искажения в результате износа зубьев формы профилей, путем представления движения зуба в виде суммы движения его основания в жесткой модели с переменным передаточным числом и относительного колебательного движения в упругой модели с четырьмя степенями свободы.

Удельный износ зубьев в контактной зоне зависит, в основном, от мощности, затрачиваемой на преодоление сил трения. В этой же работе определялся суммарный износ в контактной зоне в функции мощности трения, зависящей от фазы зацепления и времени, и в функции интенсивности изнашивания, общей для контактирующих тел, с его распределением между трущимися поверхностями пропорционально пути скольжения. Учитывалось в уравнения износа составляющей, зависящей от радиального биения, что обеспечило изнашивание зуба в зонах с нулевым значением скорости скольжения, а также учтена составляющая износа, пропорциональная значению мгновенной температуры в контакте, что позволило учесть влияние заедания рабочих поверхностей зубьев..

Литература:

1. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. Справочник.М., «Машиностроение», 1986.– 224 с.

2. Кудрявцев В.Н. Несущая способность зацепления и рекомендации к выбору типов передач.– В кн. Повышение несущей способности механического привода. Л., «Машиностроение», 1973. – с. 13− 65.

3. Holm R. Electrical Contacts, Stokholm. H. Gerbers, – 1946. – 398 с.

4. Крагелький И.В., Добычин М.Н. Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М., «Машностороение», 1977. − 526 с.

5. Чудаков Е.А. Новый метод расчета шестерни. Л., Изд-во АН СССР, 1934.

6. Кетов Х.Ф., Колчин Н.И. Теория механизмов и машин. М., «Машгиз», 1937.

7. Fleisher G. Energetische Metode der Bestimmung des Verschleibes. Schmierungstechnik, Bend 4, 1973. − s.9.

8 Онищенко В. Прогнозирование долговечности тяжелонагруженных зубчатых передач на основе моделирования износа зубьев. Polytechnika Slaska, Machanica, z.131, Gliwice, 1999 −199 с.