Износостойкость зубчатых передач, работающих в абразивной среде

В процессе эксплуатации машин в запыленных условиях почвенная пыль проникает в картер через неплотности соединений агрегатов трансмиссии. В результате масло загрязняется абразивными частицами, вследствие чего увеличивается скорость изнашивания зубьев шестерен и элементов подшипников качения [1-4].

Одной из возможных причин попадания пыли является периодический нагрев и охлаждение воздушной среды в картере агрегатов трансмиссии, а также возникающий в связи с этим газообмен с атмосферой. Так, при объеме картера агрегатов трансмиссии трактора Т-74 0,0612 м ³, при повышении температуры от 30 до 70^оС и свободном выходе воздуха из картера количество пыли увеличивается на 0,008 кг, т.е. на 11,5%.

Пыль попадает в трансмиссию в результате нарушения герметичности корпуса агрегата, вследствие больших нагрузок и упругой деформации рамы машины [3].

В закрытых агрегатах и узлах машин, имеющих вращающиеся детали, происходит насосный эффект, вследствие чего через неплотности агрегата в картер всасывается запыленный воздух [3].

Вибрация агрегатов при движении машины также является одной из возможных причин попадания абразивных частиц в картер. В зависимости от рельефа дорожного покрытия давление в картере агрегата постоянно изменяется из-за подъема или опускания уровня масла в картере агрегата, в результате чего запыленный воздух засасывается в него, что приводит к загрязнению масла абразивными частицами [1].

При замене масла агрегатов трансмиссии остается часть загрязнителей. Так, например, после замены масла в картере агрегатов автомобилей остается 37 – 67 % механических примесей, что соответствует уровню загрязнения масла абразивными частицами за 6000 – 7000 км пробега [1].

Для определения мест проникновения пыли, и изыскания средств повышения герметичности испытуемую трансмиссию трактора помещали в пылевую камеру. Запыленность воздуха в камере создавалась поверхностным слоем почвы. Концентрация пыли в камере в начале испытания составила 30 г/м³, к концу испытания она понизилась и составила 5 г/м³. За 400 ч работы трансмиссии количество механических примесей в корпусе коробки передач увеличилось на 0,16 %, а в корпусе конечной передачи – на 0,98 %, что было подтверждено результатами эксплуатационных испытаний.

В агрегатах трансмиссии тракторов Т-74 и ДТ-75 не обеспечиваются достаточной герметичностью шаровые соединения рычагов переключения передач, сочленения валика блокировки с крышкой коробки перемены передач, корпуса КПП с крышкой, корпусов КПП и заднего моста и др. [1].

В процессе эксплуатации трактора КТ-42 в запыленных условиях после 450 ч работы в картере коробки передач обнаруживается 0,62%, в картере бортового редуктора – 0,5 % механических примесей.

В результате стендового испытания установлено, что, для обеспечения установленного срока службы агрегата, нормальный срок замены трансмиссионного масла соответствует 0,25 – 0,30%-ному загрязнению его абразивными примесями.

При заправке нигролом агрегатов трансмиссии пропашного трактора, работающего в запыленных условиях, после 1050 ч в картере коробки передач накапливается 0,31% почвенной пыли, при этом содержание железа в масле составляло 0,32%. В картере бортовой передачи накапливается 0,41% почвенной пыли, содержание железа в масле составляло 0,57% [3].

Загрязнители масла состоят из горючей и негорючей частей. В свою очередь негорючая часть разделяется на продукты износа, выпадающие в масло по мере изнашивания деталей и на пыль почвенного происхождения [2, 3]. Причем, количество продуктов износа составляет около половины всех загрязнителей масла.

Наличие в масле агрегатов машин абразивных частиц приводит не только к абразивному изнашиванию, но и сопутствует развитию процессов усталостного выкрашивания и задира поверхностей трения зубьев шестерен, так как абразивное изнашивание зубчатых колес происходит параллельно с этими видами разрушения.

Усталостное разрушение зубьев шестерен наблюдается в зоне «чистого» качения с незначительным проскальзыванием [1]. При трении поверхностные слои материала детали воспринимают повторно-переменные по значениям нагрузки, вызывающие деформации локальных объемов металла и, как следствие, его упрочнение. Упрочнение в процессе пластической деформации сопровождается увеличением плотности дислокации. Движение дислокаций в материале сдерживают границы зерен и блоков, карбидные включения и другие примеси. Концентрация напряжений и скопление дислокаций в материале приводит к их сближению и образованию трещин. Микротрещины, которые зарождаются преимущественно на поверхности трения, под воздействием нормального давления и силы трения распространяются вглубь металла. Распространение трещин в материале шестерен облегчается расклинивающим действием смазки. Пересечение трещин в материале шестерен в процессе их распространения приводит к разрушению объема металла, в результате чего на поверхности трения образуются ямки. При наличии в масле агрегатов абразивных частиц, ножка и головка зубьев шестерен подвергаются абразивному изнашиванию.

Узлы схватывания разрушаются по основному, менее прочному материалу и на поверхностях трения детали, изготовленной из менее прочного материала. При этом образуются вырывы.

В момент возникновения заедания резко увеличивается коэффициент трения скольжения и быстро растет температура сопряженных поверхностей. Условием возникновения заедания является разрушение разделяющей зону контакта масляной пленки, удаление поверхностных окисных пленок, пластическое деформирование поверхностей, в результате чего возникает непосредственный контакт чистых - без оксидных пленок поверхностей. Этот процесс ускоряется при наличии в масле агрегатов абразивных частиц. Скорость очищения поверхностей контакта от защитных пленок и связанное с этим возникновение заедания зависит от концентрации абразивных частиц в масле агрегата и степени проскальзывания между зубьями шестерен [1, 2, 4]. Поэтому зубчатые колеса с большим модулем зацепления более склонны к схватыванию, чем мелкомодульные.

Микрогеометрия и наличие абразивных частиц в масле агрегата существенно влияют на предельную нагрузку заедания. Увеличение шероховатости способствует повышению коэффициента трения, локальных температур, пластических деформаций на микроконтактах, т.е. повышается склонность к разрушению масляной пленки и образованию очагов схватывания.

Наличие в масле абразивных частиц существенно влияет на протекания усталостного выкрашивания и задира поверхностей трения зубчатых передач.

В агрегатах трансмиссии зубчатые муфты и шестерни коробки передач, особенно при переключении передач, воспринимают ударную нагрузку, вследствие чего торцы их зубьев сминаются.

Таким образом, анализ проведенных исследований, посвященных вопросам накопления абразивных частиц в масле агрегатов и их влияния на износостойкость зубчатых передач, показывает, что в процессе абразивного изнашивания вопросы дробления абразивных частиц не рассматривались. Процесс изнашивания изучался только с точки зрения активного участия абразивных частиц, а механизм износа поверхностей трения после дробления (с пассивным участием) абразивных частиц не раскрыт.