Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Абразивный износ — зуб
Абразивный износ зубьев связан со скольжением зубьев при зацеплении в зонах, удаленных от большой оси генератора. Значения скоростей скольжения в волновых передачах сравнительно невелики. [1]
Абразивный износ зубьев ( рис. 11) происходит вследствие того, что в масле содержатся абразивные частицы — песчинки, абразивная пыль, металлические частицы. Он протекает довольно быстро, особенно при малой твердости зубьев и малой вязкости смазки. Для избежания абразивного износа необходимо выполнять передачи закрытыми, с хорошими уплотнениями от пыли, и не допускать загрязнения смазки. Если избежать абразивного износа нельзя, следует применять цементованные или закаленные ( например, с поверхности зубьев) зубчатые колеса. [3]
К основным видам разрушения рабочих поверхностей зубьев, помимо выкрашивания, относятся также абразивный износ зубьев и их заедание. [4]
Несущая способность зубчатого венца полимерных звездочек ограничивается контактной выносливостью, излом-ной прочностью и абразивным износом зубьев . [5]
Открытые зубчатые передачи изготовляются обычно из мягких сталей или чугуна и работают в условиях абразивного износа зубьев с ограниченной, большей частью консистентной, смазкой. Поверхностные усталостные трещины исчезают вместе с изношенным слоем или завальцовы-ваются, не успев развиться в раковины. [6]
Наблюдением за состоянием рабочих поверхностей зубьев установлено, что при достаточной твердости, удовлетворительной смазке и номинальной нагрузке абразивный износ зубьев практически прекращается после небольшого приработочного износа. Однако износ зубьев может прогрессивно расти после начала износа ( выкрашивания) гибкого подшипника и в местах посадки подшипника в гибкое колесо. [7]
В процессе эксплуатации наблюдаются следующие основные виды разрушения зубьев зубчатых передач: усталостное выкрашивание из-за высоких контактных напряжений в полюсе зацепления; поломка зубьев из-за недостаточной изгибоч-ной прочности и абразивный износ зубьев из-за скольжения профилей зубьев при наличии абразивных частиц между ними в условиях открытых передач. [8]
В отличие от зубчатых в червячных передачах чаще наблюдаются износ и заедание, а не выкрашивание поверхности зубьев. При устранении заедания в червячных передачах абразивный износ зубьев не исчезает. Интенсивность износа зависит также от величины контактных напряжений. Поэтому расчет по контактным напряжениям для червячных передач является основным. Расчет по напряжениям изгиба производится при этом как проверочный. [9]
Для предупреждения заедания ограничивают величину контактных напряжений и применяют специальные антифрикционные пары материалов: червяк — сталь, колесо — бронза или чугун. Устранение заедания в червячных передачах не устраняет абразивного износа зубьев . Интенсивность износа зависит также от величины контактных напряжений. [10]
Для предупреждения заедания ограничивают значения контактных напряжений и применяют специальные антифрикционные пары материалов: червяк — сталь, колесо — бронза или чугун. Устранение заедания в червячных передачах не устраняет абразивного износа зубьев . [11]
Практика применения передач Новикова с двумя линиями зацепления показала, что они обладают большей несущей способностью по контактной выносливости и по излому зубьев, чем передачи с одной линией зацепления. Кроме того, они более надежны при переменных нагрузках и абразивный износ зубьев у них меньше. Поэтому передачи Новикова с двумя линиями зацепления являются более перспективными в разнообразных условиях эксплуатации. [12]
При работе зубчатой передачи изнашиваются главным образом рабочие поверхности зубьев. Наблюдаются следующие виды повреждений зубьев: 1) шелушение рабочей поверхности зубьев ( питтинг), 2) задир рабочих поверхностей зубьев, 3) абразивный износ зубьев . [13]
По конструктивному оформлению различают закрытые и рткрьг-тые зубчатые передачи. В первых передача помешена в закрытый пыле — и влагонепроницаемыи корпус и работает с обильной смазкой tJbTJropbix, как показывает само название, передача ничемнеза-дищена от влияния внех нрй рррдм Опыт эксплуатации зубчатых передач показывает, что усталостное выкрашивание рабочих по верхностей зубьев возникает только в закрытых передачах: откры-тые Тгередачи-чаще BCel o Выходят из строя в результате абразивного износа зубьев — истирающего действия различных посторонних частиц, попадающих в зацепление. По этой причине открытые зубчатые передачи не рассчитывают на контактную прочность, а рассчитывают лишь на изгиб зубьев, вводя в расчетные формулы специальный поправочный коэффициент, отражающий возможное уменьшение размеров опасного сечения зуба в результате износа. [14]
По конструктивному оформлению различают закрытые и открытые зубчатые передачи. В первых передача помещена в закрытый пыле — и влагонепроницаемый корпус и работает с обильной смазкой. Во вторых, как показывает само название, передача ничем не защищена от влияния внешней среды. Опыт эксплуатации зубчатых передач показывает, что усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев возникает только в закрытых передачах; открытые передачи чаще всего выходят из строя в результате абразивного износа зубьев — истирающего действия различных посторонних частиц, попадающих в зацепление. По этой причине открытые зубчатые передачи не рассчитывают на контактную прочность, а рассчитывают лишь на изгиб зубьев, вводя в расчетные формулы специальный поправочный коэффициент, отражающий возможное уменьшение размеров опасного сечения зуба в результате износа. Для закрытых передач основным, выполняемым в качестве проектного, является расчет на контактную прочность, а расчет на изгиб выполняют как проверочный. При этом в подавляющем большинстве случаев в зубьях передач, размеры которых определены из расчета на контактную прочность, напряжения изгиба невысоки — значительно ниже допускаемых. [15]
Источник
Техническое обслуживание и способы восстановления зубчатых передач. Типовые дефекты и методы устранения
В сборочных единицах машин часто применяют открытые передачи, в которых зубчатые колеса и звездочки испытывают большие нагрузки и не защищены от действия влаги и пыли. Это является причиной быстрого износа зубчатых колес. Кроме того, используют закрытые зубчатые передачи в виде отдельных сборочных единиц: редукторов, коробок передач и др.
При работе передач в подобных условиях возникают в зацеплении дополнительные динамические нагрузки, вызываемые деформациями зубчатых колес и валов, а также опор и корпусов вследствие неизбежных неисправностей изготовления и монтажа. При ремонте машин на местах их использования зубчатые колеса с изношенными зубьями, как правило, не восстанавливают, а заменяют новыми.
Для замены зубчатых колес в закрытых передачах часто требуется демонтаж с полной разборкой сборочной единицы.
Зубчатые колеса относятся к категории дорогостоящих деталей. Поэтому на ремонтных базах, не оснащенных необходимым оборудованием для изготовления колес, возможно восстановление наплавкой изношенных зубьев, напрессовкой зубчатых венцов, вдавливанием и другими способами.
Поступающие в ремонт зубчатые колеса могут иметь следующие неисправности: изнашивание рабочей поверхности зубьев; выкрошивание и поломка зубьев; образование трещин, задиров, вмятин и раковин; износ посадочных мест зубчатых колес и шпоночных пазов; нарушение правильного положения зубчатых колес и дефекты сборки.
Степень износа зубьев определяют зубомером.
Зубчатые передачи считаются непригодными для эксплуатации, если величина их износа превысила предельно допустимое значение, которое устанавливается для каждой передачи техническими условиями на ремонт данной машины. Изношенная зубчатая передача может быть отремонтирована: наплавкой отдельных зубьев, сплошной наплавкой всего обода, методом деформации, методом ремонтных размеров и слесарно-меха-ническими способами.
Зубья шестерен после обычной наварки зачищают и наплавляют тонким слоем твердого сплава сормайт. Наплавка зубьев производится в ванне с водой.
Для наплавки боковых поверхностей зубьев шестерню устанавливают в ванне и наплавку начинают со второго зуба от поверхности воды. Пламенем газовой горелки наплавляемый зуб разогревают, после чего прутком сормайта наносят флюс-буру и наплавляют зуб до требуемого размера.
Таким же способом производится наплавка зубьев мартенсито-вым чугуном. Отремонтированные зубья после этого обрабатывают абразивным кругом с зернистостью 36—46. Профиль обработанных зубьев проверяется специальными шаблонами.
Изношенные зубья по торцам некоторых шестерен восстанавливают газовой или электродутовой наплавкой. В качестве присадочного прутка используют электроды из высокоуглеродной стали или твердых сплавов. При плавке, чтобы избежать отпуск или коробление, шестерни погружают в воду так, чтобы над поверхностью выступала только лишь наплавляемая торцовая часть шестерни.
При сборке зубчатых колес следует исходить из предусмотренных стандартами норм точности: кинематической, контакта зубьев и гарантированного зазора.
Для нормальной работы зубчатых колес должны быть соблюдены два основных условия: линия касания зубьев должна находиться на начальной окружности обоих колес; переход от одного зуба к другому должен быть плавным, без толчков и рывков. Зазор между зубьями имеет большое значение для правильной работы зубчатых колес.
Нормальный боковой зазор между зубьями шестеренчатых передач выбирается по техническим условиям на сборку 0,06—0,1 модуля. Радиальный зазор должен быть не менее 0,16—0,20 модуля.
Поступающие в ремонт зубчатые колеса могут иметь следующие дефекты:
износ зубьев по рабочему профилю;
один или несколько сломанных зубьев;
одну или несколько трещин в венце, спице или ступице;
смятие поверхностей отверстия или шпоночной канавки в ступице;
смятие шлицев и закруглений торцов зубьев.
Наплавка производится толстообмазанными электродами Э-ЗУ, Э-42, ОММ-5 и др. После наплавки колесу дают медленно остыть. Для этого все колесо или ту его часть, где наплавлен зуб, зарывают в горячий песок.
Восстановление зубьев наплавкой целесообразно только в том случае, когда другие способы применить невозможно.
При ремонте и замене зубчатых колес необходимо также убедиться в том, что на посадочных поверхностях нет задиров, вмятин и других повреждений, препятствующих нормальной посадке колес на вал или на другие детали. Если такие повреждения имеются, их обязательно устраняют расточкой посадочного отверстия и постановкой переходной втулки, а при незначительных износах — зачисткой отверстия наждачной шкуркой.
Шестерни с изношенными зубьями восстанавливают постановкой новых зубчатых венцов. Венцы шестерен заменяют в тех случаях, когда шестерня имеет сменный венец или когда из-за поломки зубьев одного венца у блока шестерен нецелесообразно выбраковывать дорогостоящие детали.
Зубчатые колеса часто восстанавливают заменой части детали. Часто в блоке шестерен с двумя-тремя венцами один сильно изношен, а другие находятся еще в хорошем состоянии. Такой блок восстанавливают заменой изношенного венца. Для этого необходимо отжечь изношенный венец, затем его отрезать и проточить до размера, обеспечивающего посадку с натягом нового венца, толщина которого должна составлять 2—2,5 высоты зуба. Новый венец напрессовывают на подготовленное место и стопорят заклепками, винтами или прихватывают электродуговой сваркой.
Источник
Как выходят из строя шестерни — наглядное руководство для предприятий, занимающихся термообработкой
Типы поломок шестерен
Виды поломок шестерен коробок передач включают: износ, заедание, коррозия профиля, обламывание зубьев и сколы. В общих чертах, их можно разделить на две категории: усталостные разрушения и разрушения, связанные с износом. Усталостные разрушения чаще всего связаны с изгибом (растрескивание ножки зуба), подповерхностным усталостным напряжением, контактными (удар, механические разрушения) и тепловыми напряжениями. Разрушения вследствие износа зачастую связаны с макровыкрашивание (разрушение поверхности по делительной окружности), абразивным и адгезионным износом.
Растрескивание ножек зубьев и их разрушение происходит из-за циклических напряжений при изгибе, превышающих усталостную прочность материала по окружности впадин зубьев (рис.1). Неподходящая глубина упрочненного слоя, немартенситные продукты превращения в микроструктуре ножки зуба и перегрузки часто становятся причиной поверхностного растрескивания с последующим развитием трещины до разрушения.
Рис. 1. Обламывание зуба из-за усталости при изгибе.
Усталостное растрескивание (например, глубинное усталостное выкрашивание или трещины по границе упрочненного слоя) начинаются рядом границей упрочненного слоя, где напряжение превышает прочность согласно кривым приложенного напряжения и предельной прочности. Контактная нагрузка вызывает изменение градиента приложенного напряжения, противоположного градиенту предельной прочности, сформированному в материале при термообработке. Усталостное выкрашивание (рис.2) — это родственное явление, которое также обусловлено неправильной термообработкой и/или концентрацией высоких напряжений.
Рис. 2. Зубья шестерни, оторванные от поверхности.
Распространенная проблема, связанная с термической обработкой, — это слишком малая или слишком большая глубина упрочненного слоя (не оставляющая достаточного объема сердцевины для поддержки упрочненного слоя).
Поверхностное и глубинное выкрашивание (рис.3) возникает на пересечении приложенного (сдвигового) напряжения и допустимой прочности на поверхности или вплотную к ней. При наличии скольжения и высоком коэффициенте трения (из-за некачественной, неправильно выбранной смазки или разрыва смазочной плёнки) напряжение на поверхности максимально.
Рис. 3. Поверхностное усталостное выкрашивание из-за торцевой нагрузки.
Другие виды отказов могут быть связаны с некачественной термообработкой. Примерами могут служить очень тонкий поверхностно упрочненный слой или мягкие пятна (рис. 4) из-за неправильной очистки, параметров упрочнения поверхности или отпуска.
Рис. 4. Мягкие пятна в упрочненном слое (наблюдаются после дробеструйной обработки).
Неподходящие методы закалки и температура аустенизации также могут привести к снижению твердости, вследствие чего зубчатые колеса преждевременно выходят из строя из-за мягких зубьев (рис.5).
Рис. 5. Недостаточная твердость, приводящая к выходу из строя шестерни.
Свойства материала, такие как способность к закалке, размер зерен и включения (рис. 6), могут вызвать различные виды поломок шестерен. Поэтому чистота стали особ важна, как и контроль размера, формы и типа присутствующих включений.
Рис. 6. Выкрашивание из-за включений в вакуумированной стали.
Ликвация легирующих элементов и наварка сплавом также могут вызвать проблемы, поэтому при термообработке зубчатых колес нормализация считается целесообразным процессом.
Предотвращение поломок зубчатых колес
Важно понимать, что на усталостную прочность влияют такие факторы, как распределение твердости (глубина упрочненного слоя и твердость сердцевины и упрочненного слоя), микроструктура (размер зерен, остаточный аустенит, немартенситные фазы, карбиды и межзеренная прочность), а также особенности проектирования (рис. 7) и изготовления (остаточные напряжения сжатия, отделка и геометрия поверхности).
Рис. 7. Неправильное расположение отверстий.
Термическая обработка выполняется для достижения высокой твердости и достаточной подповерхностной прочности на активной поверхности, а также достаточной поверхностной твердости и высокого остаточного напряжения сжатия на переходной поверхности.
Выбор глубины упрочненного слоя (т.е. градиент прочности) во многом зависит от твердости сердцевины и температуры отпуска. С точки зрения легирования молибден и марганец оказывают сильное влияние на твердость сердцевины, хром оказывает умеренное влияние, а никель — слабое. Также следует отметить, что на твердость упрочненного слоя гораздо больше, чем на твердость сердцевины, влияет температура отпуска, поэтому ее следует выбирать, исходя из желаемой твердости упрочненного слоя.
Низкая твердость упрочненного слоя также может быть обусловлена науглероживанием со слишком низким углеродным потенциалом, образованием нежелательных микроструктурных элементов, частичным обезуглероживанием поверхности, “слабой” закалкой или ненадлежащей температурой отпуска. Изменение технологических параметров приводит к образованию нежелательной микроструктуры.
Чрезмерное содержание остаточного аустенита (рис.8a) и избыточное образование карбидов (рис.8b) может привести к преждевременному выходу из строя зубчатых колес в процессе эксплуатации. Возможные причины большого количества остаточного аустенита: слишком высокий углеродный потенциал и прямая закалка после цементации с охлаждением до требуемой температуры. Возможные причины образования карбидов и карбидной сетки — это, опять же, слишком высокий углеродный потенциал, недостаточная диффузионная выдержка, слишком короткая выдержка и слишком низкая температура закалки.
Рис. 8. Изменение микроструктуры упрочненного слоя из-за неконтролируемых параметров процесса термообработки.
Некоторые неисправности зубчатых колес также могут возникать из-за проблем с проницаемостью упрочненного слоя, которые сводят на нет методы избирательного маскирования цементацией (например, меднение, маскировочные покрытия) для защиты поверхности от повреждений. В некоторых случаях загрязнение поверхности или неправильная сушка приводят к образованию пузырей. Чрезмерно агрессивная струйная обработка после нанесения покрытия также может повредить маскировочное покрытие. При травлении нежелательная цементация часто проявляется в виде неоднородных темно-серых участков (в зоне, которая должна быть светло-серой).
Изменение параметров закалки, даже при использовании одной и той же закалочной среды, может привести к образованию нежелательной микроструктуры сердцевины и твердости. Шестерня коробки передач 8822RH была закалена при двух разных значениях давления газа (20 бар и 12 бар), что привело к образованию разных микроструктур и разной твердости (рис.9).
Рис. 9. Изменение микроструктуры сердцевины вследствие закалки: (a) полностью мартенситная микроструктура с твердостью сердцевины HRC 44, (b) мартенситная микроструктура с продуктами промежуточных превращений (бейнит и феррит) при твердости сердцевины HRC 26.
Геометрия шестерни и слишком глубокая цементация для конкретного профиля зуба могут вызвать растрескивание упрочненного слоя, которое начинается в подповерхностном слое. Это явление обычно называют образованием трещин по границе упрочненного слоя (рис.10). Снижение высоких концентраций углерода на поверхности (например, маскирование вершин зубьев и торцевых поверхностей) и выбор глубины упрочненного слоя в соответствии с нижним предельным значением, указанным в спецификации, зачастую помогает избежать этой проблемы.
Рис. 10. Трещины по границе упрочненного слоя.
Состояние печи, используемой при термообработке, также может сыграть ключевую роль в преждевременном выходе из строя шестерни. Проникновение воздуха в печь (будь то из-за неправильных методов выполнения работ или из-за утечки) может повлиять на твердость упрочненного слоя и распределение остаточных напряжений, вызывая частичное или, в некоторых случаях, полное обезуглероживание поверхности (рис.11). Это может произойти, если углеродный потенциал атмосферы меньше, чем поверхностное содержание углерода в детали, или при потере защитной среды (например, при отключении питания).
Рис. 11. Полное обезуглероживание поверхности.
И наконец, выбор метода цементации (газовая, вакуумная) может повлиять на состояние поверхности, привести к межзёренному окислению и избирательной коррозии вследствие окисления.
Шестерни выходят из строя по целому ряду причин, однако причины, связанные с термической обработкой, можно предотвратить, используя рекомендованные методы выполнения работ и тщательно контролируя параметры процесса и оборудование.
Список использованных источников
- Херринг, Д. Х., “Как выходят из строя шестерни”, конференция SME по эффективной термообработке и упрочнению шестерен, 2007 г .
- Вейрес, Дэйл, “Металлургические материалы для шестерен”, конференция SME по эффективной термообработке и упрочнению шестерен, 2007 г .
- Доссетт, Джон Л., “Убедитесь, что ваша термообработка приемлема”, журнал Heat Treating Progress, март/апрель 2007 г .
- Херринг, Д. Х., “Практические примеры – усвоенные уроки”, конференция Furnaces North America, 2012 г .
Источник
