ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ЗУБЬЕВ ШЕСТЕРЕН ЗАКРЫТЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследования факторов, влияющих на износостойкость зубьев шестерен закрытых зубчатых передач агрегатов трансмиссии машин, учитывающие высокой запыленности окружающей среды, относительного проскальзывания, происходящих между зубьями шестерен, соотношения твердости материала шестерен и прочности абразивных частиц на сжатие. Изменение изнашиваемой способности абразивных частиц в результае их дробления, когда они находятся в зоне контакта зубьев шестерен, с учетом  поступления абразивных частиц в картер агрегата из окружающей среды.

ABSTRACT

The article presents the results of a study of the factors affecting the wear resistance of the teeth of the gears of the closed gear transmissions of the transmission units of the machines. Taking into account the high dustiness of the environment, the relative slippage occurring between the gears, the ratio of the hardness of the gear material and the compressive strength of the abrasive particles. The change in the wear resistance of the abrasive particles as a result of their crushing when they are in the contact zone of the gears, taking into account the entry of abrasive particles into the crankcase of the unit from the environment.

Ключевые слова: закрытые зубчатые передачи, агрегаты трансмиссии, запыленность окружающей среды, проскальзывание, соотношение твердости материала шестерен и прочности абразивных частиц.

Keywords: closed gear transmissions, transmission units, dusty environment, slipping, ratio of the hardness of the gear material and the strength of the abrasive particles.

Введение. Проведенными исследованиями установлено, что износ зубчатых передач зубчатых передач, работающих в условиях высокой запыленности окружающей среды во многом зависит от кинематических, динамических параметров зубчатого зацепления и герметичности корпуса агрегата. При этом износосостойкость зубьев шестерен во многом зависит от относительного скольжения, между зубьями шестерен происходящее в процессе трения, соотношение твердости материала шестерен и прочности абразивных частиц на сжатие, и контактного давления между зацепляемыми зубьями. Изнашивающая способность абразивных частиц повышается, с повышением нагрузки сжатия. Когда происходит дробления абразивных частиц, снижается их активность, из-за чего в последующем контате с поверхностями трения, они не участвуют в процессе изнашивания зубьев шестерен. Вопросы, рассмотренные в статье частично освещены в источниках [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Целью и задачей исследования  являются анализ факторов, влияющих на износостойкость зубьев шестерен закрытых зубчатых передач, работающих в масле агрегатов машин с абразивными частицами, накапливающихся процессе эксплуатации в течении одного срока замены масла.

Материалы и методы. Анализированы факторы влияющие на износостойкость зубчатых передач агрегатов машин, состоящие из запыленности окружающей среды; относительного проскальзывания, происходящее между зубьями шестерен; соотношения твердости материала шестерен и прочности абразивных частиц на сжатие и изменения активности абразивных частиц после их дробления.

Результаты и обсуждение. Коэффициент относительного проскальзывания учитывает наличие скольжения между зубьями шестерен на их головках и ножках. Когда контакт между зубьями происходит в полюсе зацепления, относительное проскальзывание между зубьями шестерен отсутствует, т.е. происходит качения зубьев без их скольжения.

Расчетное значение коэффициента относительного проскальзывания зубьев шестерен определяется по выражению,

,                                              (1)

где  - числозубьев ведущей шестерни; - угол зацепления зубчатой передачи, град; к – коэффициент высоты зуба.

Коэффициент, учитывающий высоты головки и ножки зубьев, когда между зубьями отсутствует скольжение, имеет одинаковое значение и численно равен нулю. В выражении (1) к показывает отношение величины смещения линии контакта зубьев от полюса зацепления в направлении головки или ножки зубьев к модулю зацепления. Если значение 4k² имеет положительный знак, то полученные расчетные результаты относятся к головке зуба шестерни, если отрицательный знак - то к ножке зуба шестерни.

Результаты расчета относительного проскальзывания, возникающего между зубьями шестерен приведены в таблице 1, где показано, что для головки и ножки зубьев шестерен значения коэффициента высоты зубьев “к” могут быть различными.

Таблица 1.

Изменение коэффициента, учитывающего проскальзывание зубьев шестерен относительно коэффициента, учитывающего высоту зацепления зубьев k

По результатам расчета, приведенного в табл. 1, с повышением значения к от 0 до 1 и числа зубьев z_ш ведущей шестерни значение коэффициента проскальзывания также возрастает. Допустим, в случае, если к=1, z_ш=11, то относительный коэффициент проскальзывания зубьев составляет для головки зубьев 4,115; для ножки зубьев - 3,597. При этом степень относительного проскальзывания головки зуба на 14,4% выше, чем ножки зуба.

Соотношение твердости материала шестерен и прочности абразивных частиц. В целях упрощения выражения для расчета скорости изнашивания зубьев шестерен при наличии проскальзывания введен коэффициент, показывающий соотношение твердости материала зубьев ведущей и ведомой  шестерен:

,                                                           (2)

где - коэффициент соотношения твердости, ведущей (ведомой) шестерен и прочности абразивной частицы; - твердость материала ведущей (ведомой шестерни), МПа;      - прочность абразивной частицы на сжатие, МПа.

Результаты, расчета показывают, что с повышением твердости материала шестерен значение этого коэффициента снижается, с повышением прочности абразивных частиц значения его растет.

Расчетные значения приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Результаты расчета коэффицента, учитывающего соотношения твердости материала шестерен и прочности абразивной частицы, Г_ш,к

Определение значения нормального напряжения сжатия, приводящее к разрушению абразивной частицы, находящейся в клиновидном зазоре зубьев:

 мПа.                                                                        (3)

По М.М. Тененбаум [45] сжимающая нагрузка, приводящая к разрушению абразивной частицы, определяется по следующей эмпирической зависимостью (4):

, мН.                                                                  (4)

Рисунок 1 Изменение прочности абразивных частиц на сжатие в зависимости от размера абразивных частиц

Где  - разрушающая нагрузка абразивной частицы, Н; Y, X – эмпирические коэффициенты; - средний размер абразивной частицы, мм.

Здесь единица измерения среднего размера абразивной частицы d_cp выражена в микрометрах. В проведенных исследованиях в качестве сжимаемых пластинок использованы пластины, изготовленные из стали 45 и стали 45Х, которые соответствуют материалу взятых зубчатых колес с объемной закалкой: Y= 16,03 и х=0,82.

По зависимости, представленной на рис. 1, можно судить о том, что с повышением размера абразивных частиц нормальное сжимающее напряжение, приводящее к разрушению абразивной частицы, снижается, это показывает, что наиболее опасными участвующими в процессе изнашивания зубьев шестерен являются мелкие абразивные частицы. Воспрепятствование проникновению мелких абразивных частиц в зону контакта зубьев не всегда удается. Так, например, абразивные частицы размером 13-30 мкм проникают в картер агрегата беспрепятственно, т. к. существующие фильтрующие элементы по тонкости отсева не отвечают требованиям удержать абразивные частицы таких размеров, так как герметичность картера агрегатов в этом смысле не отвечает соответствующим требованиям.

Рассмотрим концентрацию абразивных частиц в масле агрегата, участвующих в процессе изнашивания. В эксплуатационных условиях работы мобильных машин начальную концентрацию абразивных частиц в масле агрегата, не учитывая их загрязнения при хранении, можно принимать, что она равна нулю, которая растет по мере увеличения количества циклов нагружения ве­домого колеса. Такой процесс накопления абразивных частиц в масле агрегатов трансмиссии соответствует работе зубчатой передачи в эксплуатационных условиях.

Предположим, что в эксплуатационных условиях степень герметичности картера агрегата и запыленность окружающей среды по времени эксплуатации машин постоянна. При этом количество абразивных частиц, проникающих в картер агрегата из воздуха, их частичное дробление и содержание в масле агрегата за каждый оборот ведомой шестерни регулярно меняется.

Допустим, что через некоторое количество циклов нагружения ведомой шестерни в картере агрегатов, накопившихся и участвующих в процессе изнашивания абразивных частиц, составило [7]:

,                                           (5)

где -концентрация абразивных частиц в масле агрегата, участвующих в процессе изнашивания;  - количества абразивных частиц, поступающих за один цикл нагружения;  - количество циклов деформации абразивных частиц, с момента замены масла в агрегате; Б- доля раздробленных абразивных частиц в масле агрегата за один цикл нагружения;  -концентрация раздробленных абразивных частиц.

Для расчета концентрации раздробленных абразивных частиц в масле агрегата получена зависимость (6):

.                                                        (6)

Изменение концентрации абразивных частиц в масле агрегата из-за их попадания из окружающей среды за один оборот ведомой конической шестерни определялось соотношением:

,                                                                           (7)

где - общая концентрация абразивных частиц в масле агрегата; - общее количество циклов деформации и

 %/об.                       

Доля раздробленных абразивных частиц в масле агрегата за один цикл нагружения ведомой шестерни определяется выражением

.                                                        (8)

Доля раздробленных абразивных частиц за один цикл нагружения ведомой шестерни зубчатой предачи определялась выражением (8) при следующих исходных данных: n₁= 2; m=0,01 м; d_ср= 0,000012 м; b=0,058 м;  =910 кг/м³; =0,5; =20 кг, составил 0,6334‧10^-6 %/об

Тогда концентрация абразивных частиц в масле агрегата, участвующих в процессе изнашивания зубьев шестерен через k₁=360000 оборотов, совершенных в течение 100 часов эксплуатации трактора, составила, 0,0577%. За срок замены масла за 1000 часов. Общее количество абразивных частиц, участвующих в процессе изнашивания зубьев за один срок замены масла (за 1000 часов) агрегатов трансмиссии не должен превышать 0,0577%.

Концентрация раздробленных абразивных частиц в масле агрегата за срок замены масла, составил:

.

Заключение. Таким образом, на основе анализа факторв, влияющие на износостойкость зубьев шестерен можно сделать следующие выводы:

1. Коэффициент высоты зуба показывает отношение величины смещения линии контакта зубьев от полюса зацепления в направлении головки или ножки зубьев, если значение 4k² имеет положительный знак, то полученные расчетные результаты относятся к головке зуба шестерни, если отрицательный - то относится к ножке зуба.

2. Коэффициент, учитывающий соотношение твердости материала шестерен и прочности абразивной частицы с повышением твердости колеса снижается, с увеличением прочности абразивных частиц растет.

3. Износостойкость зубьев шестерен за один срок замены масла обеспечивается при концентрации абразивных частиц в масле не более 0,577%, а доля раздробленных абразивных частиц не должен превышать 0,073%.

Список литературы:

1. Рещиков В.Ф. Трение и износ тяжелонагруженных передач. - М.: Машиностроение, 2001. – 232 с.
2. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин при абразивном изнашивании. - М.: Машиностроение. 1966. -331 с.
3. Иргашев А., Иргашев Б.А. Износостойкость зубчатых передач. -Ташкент, ТашГТУ, 2013. - 165 с.
4. Shaabidov Sh.A., Irgashev B.A. Computatinol Hrocedure of a Gearing Module of Spur Gear Transmissions on Wear Resistance of Gearwheel Teeth. Journal of Friction and Wear, Allerton Press. 2019, Vol. 40, No. 5, - pp. 567-574.
5. Черяевский И.Ш. и др. Повышение ресурса главных передач. //Тракторы и сельхозмашины. 1999, №2,- С.17 .
6. Маликов А.А., Лихошерст В.В., Шалобаев Е.В. Анализ и классификация процесса изнашивания зубчатых передач:/ Справочник. // Инженерный журнал, 2011. - № 9. - С. 2–11.