CC BY
54
УДК 621. 833. 549.4(083) Д. КОРНИЛОВИЧ
Омский государственный аграрный университет им. П. Д. Столыпина
ПОВЫШЕНИЕ КОНТДКТНОЙ ВЫНОСЛИВОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗУБЬЕВ ШЕСТЕРЕН ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ И РЕМОНТЕ
В статье изложены основные причины замены зубчатых колес коробок передач тракторов «Кировец» при их ремонте. Приведены данные о влиянии исходной твердости на наработку шестерен до наступления предельного выкрашивания рабочей поверхности зубьев. Указаны технологические приемы предотвращения выкрашивания металла поверхности зубьев.
Ключевые слова: шестерни, наклеп, питтинг, перенаклеп, абразивный износ, термическая обработка.
Ресурс тяжело нагруженных зубчатых передач машин определяется состоянием рабочих поверхностей зубьев, которое ухудшается в процессе эксплуатации с увеличением наработки. В технических требованиях на ремонт зубчатых передач трансмиссий состояние зубьев оценивается размерным износом по толщине и по наличию питтинга (ямки на поверхности зубьев, образующиеся в результате выкрашивания металла).
Исследования, проведенные сотрудниками кафедры технологии машиностроения и технического сервиса факультета технического сервиса в АПК Омского государственного аграрного университета, показали следующее. Усиленное изнашивание зубьев по толщине начинается в результате отклонения геометрической формы зубьев от профиля по эвольвенте, для которого характерно в зацеплении трение качения.
С отклонением формы зубьев трение качения переходит в трение скольжения, при котором интенсивность изнашивания увеличивается.
Отклонение профиля происходит с образованием питтинга как следствие усталости металла поверхностного слоя зубьев при циклической нагрузке. При этом питтинг образуется на рабочей стороне зубьев
по линии однопарного зацепления, где контактная нагрузка максимальная (рис. 1) [1].
Ремонт коробок передач (КПП) энергонасыщенных тракторов «Кировец» путем замены зубчатых колес на новые является в настоящее время ресурсозатратным из-за высокой стоимости запасных частей. К примеру, стоимость некоторых конструкций зубчатых колес и шестерен КПП превышает 2,5 тысячи рублей: конструкция 700А. 17. 01. 083 (номер по каталогу) стоит 3750 р.; 700.17.01.078-1-3500 р.; 700А. 17.01.088-2950 р.; 700А. 17.01.081-1-2520 р.; 700А.17. 01. 078-1-2500 р.
В КПП тракторов « Кировец» всего 15 штук зубчатых колес и шестерен, из них при ремонте чаще заменяется на новые третья часть. По причине предельного выкрашивания подлежат замене на новые 3 — 4 штуки из каждой ремонтируемой КПП. В большинстве случаев это детали конструкции выше перечисленных номеров по каталогу. Затраты на замену только четырех колес и шестерен КПП тракторов «Кировец» за пятилетний период их нормальной эксплуатации составили 12 тысяч рублей, примерно 25 процентов от стоимости ремонта всех узлов коробки.
Использование колес и шестерен, имеющих питтинг на участках зубьев даже допустимого техническими
Влияние ногрейа на остаточные напряжения 2 зубьеб шестерен О, 9а Н/ММ"
д
1?*! 1 V
1 \
75 д \ 1
/ к N 1—. /
25 /
2, И 1 ю 1 9 7 К) 7 ко N
Рис. 1. 1 - на рабочей стороне; 2 - на нерабочей стороне
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012
Рис. 2. Изменение напряжений: до нагрева; 2 - после выдержки 2 часа при 180 °С
требованиями размера, неизбежно приводит к повышению интенсивности процесса выкрашивания. Вык-рашившиеся частицы металла в результате наклепа имеют твердость значительно большую, чем основной металл зубьев. Оказавшись на поверхностях трения они усиливают абразивное изнашивание всех подвижных соединений КПП. Как показал анализ результатов дефектации 630 штук шестерен 42 КПП тракторов «Кировец» предельное выкрашивание поверхностей зубьев наступает после наработки от 3 до 5 тысяч мото-часов.
С целью выяснения причины разницы в наработке шестерен до наступления предельного выкрашивания выполнен контроль исходной твердости методом Роквелла по торцам и вершинам зубьев. В результате установлено следующее. У зубьев при наработке 2 тысячи мото-часов при длине контакта 75 — 85 процентов и исходной твердости НЯС 57 — 59 пятна питтинга имели предельный размер. При исходной твердости НЯС 61-62 единицы выкрашивания металла с поверхности зубьев не было при наработке 4000 мото-часов. Из выше изложенного следует, что при изготовлении зубчатых колес на заводах режим технологического процесса химико-термической обработки должен обеспечивать твердость поверхности зубьев НЯС 60— 62 и не менее. Целесообразно в технологическом процессе обработки повышенную твердость предусматривать не для всего комплекта зубчатых колес КПП, а только для конструкций, выкрашивание которых часто происходит при эксплуатации.
При ремонте КПП возможно предотвращение питтинга зубьев шестерен, имеющих некоторую наработку и особенно его начальный признак путем нагрева до температуры 200 градусов и выдержке при этой температуре в течение двух часов (рис. 2). Эффективность технологии предотвращения выкрашивания многократно подтверждена на практике в условиях реального ремонтного производства. Основой данного процесса является теория возврата на стадии отдыха [2]. Согласно этой теории, неравновесная структура металла, образовавшаяся в поверхностном слое при перенаклепе, в период отдыха переходит в более стабильное состояние. При таком состоянии уменьшается плотность дислокаций, уменьшаются остаточные напряжения и микротвердость.
Состояние металла в поверхностном слое зубьев оценивали экспериментально на образцах преднамеренной выборки. Микротвердость измеряли на приборе ПМТ- 3. Изменение остаточных напряжений оценивали по методике Н. Н. Давиденкова.
В результате эксперимента установлено следующее: у новых шестерен и на нерабочих поверхностях зубьев шестерен, имеющих некоторую наработку, остаточные напряжения находятся в пределах 750 — 800 МПа, у шестерен, бывших в эксплуатации с наработкой более 5 тысячи мото- часов , остаточные напряжения составляли 1500 — 1750 МПа на глубине 30 — 50 мкм.
При напряжениях, превышающих 900 МПа, и микротвердости 900 НУ и более начинается прогрессирующее выкрашивание.
Термической обработкой на стадии отдыха с выдержкой 2 часа напряжения и микротвердость уменьшаются до исходного значения, как у новых шестерен. Таким образом усталостная прочность поверхностного слоя зубьев восстанавливается.
Операцию термической обработки в процессе ремонта КПП можно и целесообразно выполнять в период после дефектовки деталей до операции комплектования, не увеличивая продолжительность цикла ремонта.
Библиографический список
1. Корнилович, С. А. Технологическое обоснование качества ремонта машин в сельском хозяйстве : монография / С. А. Корнилович. — Омск : ОмГАУ, 1998. — 128 с.
2. Материаловедение : учебник для высших технических учебных заведений / Б. Н. Арзамасов [и др.] ; под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. — 2-е изд. — М. : Машиностроение, 1986. — 462 с.
КОРНИЛОВИЧ Станислав Антонович, доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии машиностроения и технического сервиса».
Адрес для переписки: 644008, г. Омск, Институтская площадь, 2.
Статья поступила в редакцию 24.11.2011 г.
© С. А. Корнилович
