ИЗНОС И ПОВРЕЖДЕНИЯ ЗУБЬЕВ ШЕСТЕРЕН АГРЕГАТОВ МАШИН В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

АННОТАЦИЯ

В статье анализируются причины возникновения неисправности зубьев шестерен в эксплуатационных условиях, рациональные методы повышения долговечности, определение характера износа повреждений зубьев, регулировки пятна контакта на рабочих поверхностей контакта, позволяющая оценит срока службы шестерен. Авторами рассматриваются наиболее встречающиеся разрушения зубьев шестерен в эксплуатации в зависимости от их конструктивной особенности, абразивного износа, являющегося основным видом разрушения зубьев открытых зубчатых передач, задира зубьев в случаях нарушения масляной плёнки, появление металлического контакта между рабочими поверхностями зубьев. Отмечается, что износ зубьев шестерен от толщины в различных условиях эксплуатации составляет 10–30 % в зависимости от ответственности агрегатов, технологический процесс восстановления зубчатых колес комбинированным способом включает в себя наплавку зубьев под слоем флюса, нагрев током высокой частоты, механическую, химико-термическую и финишную обработку и нормализацию.

ABSTRACT

The reasons of occurrence of malfunction of gear teeth in operating conditions, rational methods of increase of durability, determination of character of wear of damage of teeth, adjustment of a spot of contact on working surfaces of contact, allowing to estimate service life of gears are analysed. The most encountered destructions of gear teeth in operation depending on their constructive feature, abrasive wear which is the most basic kind of destruction of teeth of open gears, scoring of teeth in cases of violation of an oil film, occurrence of a metal contact between working surfaces of teeth are considered, it is noted that wear of teeth of gears from thickness in various conditions of operation makes 10-30 % depending on responsibility of units, technological process of restoration of gear wheels, the technological process of restoration of gear teeth in different conditions of operation is 10-30 %.

Ключевые слова, износ и повреждения, зубы шестерен, агрегаты машин, условия эксплуатации, долговечность, абразивный износ.

Keywords: wear and damage, gear teeth, machine units, operating conditions, durability, abrasive wear.

Введение. Неисправности, возникающие в агрегатах машин из-за износа и поломки шестерен, могут привести к наиболее долгим простоям и требуют больших затрат материальных средств для восстановления их работоспособности. Возникновения аварийной неисправности шестерен в основном зависит от видов износа и повреждения зубьев. Повышение их срока службы тесно связано со своевременным проведением предупредительных мероприятий, обоснованной периодичностью технического обслуживания и своевременного проведения ремонтных работ.

Цель и задачи исследования предусматривают исследования и анализ износа и повреждения зубьев шестерен агрегатов машин в условиях эксплуатации.

Материалы и методы. В процессе эксплуатации машин не всегда имеются возможности контролировать процессы, происходящие в зоне контакта зубьев шестерен. В то же время определение видов их износа, характера разрушения и распределение действующих нагрузок, позволяют получить информацию о параметрах неисправностей и характере их возникновения [1].

Существующие классификации износа и повреждения зубчатых колес не всегда раскрывают явления, происходящие в зоне контакта зубьев. Для определения причин износа и характера разрушения необходимо использовать различные методы диагностирования, характеризующие работы зубчатых передач, работающих в условиях эксплуатации.

Результаты и обсуждение. В классификации повреждения зубчатых передач с целью определения причин разрушения, износа и предупреждения их развития на стадии эксплуатации необходимо учитывать соотношения сроков службы шестерен в агрегатах:

1. Ресурс зубчатой передачи превышает сроки службы подшипников и вала, что наиболее приемлемо для длительной их эксплуатации. При этом поломка зубчатой передачи происходит внезапно, через длительный отрезок времени (5–15 лет) с начала работы.
2. Ресурс зубчатой передачи не превышает срока службы опорных подшипников и вала, что приводит к увеличению объёма ремонтных работ и снижению наработки на отказ. Этот вариант требует постоянного контроля над состоянием зубчатых передач для исключения внезапных отказов и предупредительной замены зубчатых колес.
3. Срок службы зубчатой передачи меньше срока службы подшипников и вала, что требует изменения качества изготовления зубчатых колес, монтажа или условий эксплуатации. В случаях, когда причины интенсивного износа не установлены и проведения противоизносных мероприятия не эффективны, тогда требуются частые замены зубчатых колес (несколько раз в течении года).

Своевременное установление причины интенсивного изнашивания зубьев шестерен позволяет разработать рациональные мероприятия для воздействия на повышение их долговечности. Работа ремонтно-обслуживающих служб предприятий в основном направлена к определению работоспособности зубчатых колес визуальным осмотром, более эффективным методом является оценка степени повреждения и возможной замены зубчатых колес путем осмотра степени износа зубьев. При этом достаточное внимание уделяют характеру повреждений и регулировки пятна контакта на рабочих поверхностях зубьев [2].

Изучение влияния регулировочных работ на ресурс зубчатых передач и агрегатов трансмиссий позволяет разработать рекомендации по выполнению регулировочных работ, дающих возможность повышения срока службы шестерен.

Наибольше встречающиеся разрушения зубьев шестерен в эксплуатации зависят от их конструктивных особенностей. Процессы трения, происходящие между зубьями шестерен, приводят к их изгибу, смятию и деформации при трении. Периодические усилия, действующие на зубья шестерен, приводят к возникновению изгибающего и контактного напряжений, которые вызывают усталостное выкрашивание поверхностей зубьев при их трении.

Повреждения зубчатых передач, происходящие в результате изменения геометрии рабочих поверхностей, осуществляется вследствие абразивного, усталостного изнашивания и схватывания сопряжённых поверхностей.

Поломка зубьев шестерен является наиболее опасным видом разрушения, который происходит при деформации на изгиб. Поломка зубьев является результатом действия больших нагрузок ударного и статического характера. Трещины образуются в результате усталости, возникающей у основания зуба из-за перегрузок. Знакопеременное напряжение в зубьях может вызывать концентрацию напряжения по длине зуба из-за нарушения параллельности при монтаже валов, а также из-за низкой точности обработки поверхности зубьев происходит заклинивание зубьев в недостаточных боковых зазорах. При этом чаще всего наблюдаются отколы зубьев, связанные с концентрацией напряжения [3].

Усталостное разрушение поверхностей трения зубьев – наиболее распространённый вид повреждения закрытых зубчатых передач, которое возникает в результате действия переменных контактных напряжений в поверхностных слоях материала. В зубчатых передачах, работающих на высоких контактных нагрузках, в основном, в полюсе зацепления появляются, микротрещины усталостного характера, которые, развиваясь вглубь, замыкаются, что и приводит к образованию явления усталости. Ускоряет процесс усталости смазка, проникающая в трещины на поверхностях зубьев. Вследствие заклинивающего действия масла давление его в трещине возрастает по глубине и достигает максимального значения у вершины трещины. Интенсивный износ приводит к нарушению профиля зуба и снижению работоспособности шестерен.

Типичный вид усталостного разрушения со сопровождением абразивного износа зубьев ведомой конической шестерни главной передачи трактора МТЗ-82 приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Изношенный зуб ведомой конической шестерни главной передачи трактора МТЗ-82

Абразивный износ является наиболее основным видом разрушения зубьев открытых зубчатых передач. Вид следов износа поверхности зуба связан с образованием ряда мелких параллельных следов деформации, перпендикулярных в направлении относительно оси колеса. Износ поверхности зуба шестерни, имеющей большую твёрдость, приводит к увеличению скорости изнашивания.

Повышение скорости изнашивания приводит к уменьшению размера зуба по толщине, при этом увеличивается зазор в зацеплении, нарушается эвольвентность рабочего участка профиля зуба.

Задир зубьев возникает в случаях нарушения масляной плёнки, а в случае появления металлического контакта между рабочими поверхностями зубьев происходит, нагрев до температуры плавления микрообъёмов металла, приводящий к образованию борозд, расположенных на рабочей поверхности зубьев в перпендикулярном направлении относительно оси колеса. При загрязнённой абразивными частицами смазке твёрдые частицы, попадая в зону контакта зубьев шестерен, под действием нормального давления внедряются в поверхность зубьев и вызывают его износ. На рисунке 2 показана поверхность зуба подверженной задиру с участием абразивных находящегося в масле заднего моста трактора МТЗ-82.

Рисунок 2. Изношенный зуб ведущей цилиндрической шестерни заднего моста трактора МТЗ-82

Размеры пятна краски на зубьях цилиндрических колёс в сравнении с размером зуба составляют не менее 50 % для тракторных и не менее 60 % для автомобильных зубчатых колес. Качество приработки узлов и агрегатов машин повышается изменением режимов и условий проведения обкатки – нагрузки, частоты вращения, длительности режимов, температуры; применением специальных переработочных присадок и повышением качества рабочих поверхностей деталей.

Оценка надежности показывает, что от общего количества отказов, возникающих в агрегатах и узлах сельскохозяйственных тракторов, 20...40 % приходится на долю агрегатов трансмиссии, работоспособность которых в значительной степени регламентируют зубчатые колеса. Так, при капитальном ремонте из-за износа и усталостного разрушения выбраковывается свыше 60 % зубчатых колес тракторов, работающих в условиях эксплуатации.

Износ зубьев шестерен ответственных агрегатов не должен превышать 10–20 % от толщины зуба по дуге начальной окружности. В малоответственных передачах износ зубьев допускается до значения 30 % от толщины зуба, для механизмов подъема груза износ не должен превышать 15 % толщины зуба, а у зубчатых колес механизмов подъемных кранов, транспортирующих жидкий и горячий металл – до 10 % [4].

Шестерни с цементированными зубьями следует заменять при износе слоя цементации свыше 80 % его толщины, а также при растрескивании, выкрашивании цементированного слоя [3].

При поломке зубьев шестерен, но не более двух подряд в не особо- ответственных передачах допускается восстановление их для временного использования, технология восстановления зубьев освещена в работе [6].

Технологический процесс восстановления зубчатых колес комбинированным способом состоит из наплавки зубьев электродом Нп–30ХГСА под слоем флюса АН–348А. Наплавленный венец подвергают нагреву током высокой частоты до температуры 1150–1200°С. Затем его осаживают в открытом штампе гидравлического пресса с усилием 1600...2500 кН. После чего зубчатый венец подвергают нормализации, механической, химико-термической и финишной обработке [7].

Заключение. Таким образом, в процессе использования шестерен в закрытых помещениях необходимо уделять особое внимание следующим аспектам:

1) в процессе трения, происходящего между зубьями шестерен, осуществляется их изгиб, смятие, упругая и пластическая деформации, когда действует на зубы шестерен изгибающее и контактное напряжение, вызывающие усталостное выкрашивание поверхностей контакта;

2) придельный износ зубьев шестерен зависит от степени ответственности агрегатов, предельное значение которого изменяется в зависимости от толщины зуба в пределах от 10 до 30 %, значение допускается для мало ответственных агрегатов до 30 % и не более 10 % для особо ответственных зубчатых передач;

3) шестерни с цементированными зубьями следует заменять при износе покрытия свыше 80 % его толщины, а также в случаях растрескивания, выкрашивания цементированного слоя.

Список литературы:

1. Горленко О.А., Макаров Г.Н., Шныриков И.О. Повышение контактной выносливости зубьев прямозубых цилиндрических зубчатых передач // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2014. – № 6. – С. 25–27.
2. Иванов Г.П., Картонова Л.В., Кадушкин Ю.В. Устройство для ис-пытаний материалов зубчатых колес на изнашивание // СДМ. – 1999. – № 3. – С. 9–11.
3. Иргашев Б.А. Разработка методологии повышения износостойкости и ресурса зубчатых колес агрегатов машин, работающих в абразивной среде, поверхностной термической обработкой: автореф. дис. … д-ра техн. наук (DSc). – Ташкент, 2025. – 54 с.
4. Маликов А.А., Лихошерст В.В., Шалобаев Е.В. Анализ и классификация процесса изнашивания зубчатых передач. Справочник // Инженерный журнал. – 2011. – № 9. – С. 2–11.
5. Рещиков В.Ф. Трение и износ тяжелонагруженных передач. – М.: Машиностроение, 2001. – 232 с.
6. Тихомиров В.П., Горленко О.А., Тихомиров П.В. Прогнозирование ресурса зубчатых передач. – Брянск: Изд-во: БГТУ, 2007. – 309 с.
7. Antoni Skoc, Jacek Spalek. Kontemporary directions and methods of studying bevel gears working in mining machines drives // Acta Montanistica Slovaca. – 2002. – Vol. 3. – P. 205–207.