CC BY
43
УДК 62-233.3/.9
А.Н. Самойленко, аспирант
ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
выбор материалов зубчатой пары
при модернизации и ремонте механических приводов
машин животноводческого комплекса
Зубчатые цилиндрический передачи широко применяются в приводах сельскохозяйственных машин и позволяют передавать движение при параллельном расположении осей с окружными скоростями до 200 м/с и мощностями, достигающими тысяч киловатт [1-3].
Анализ механических приводов машин животноводства показал, что около 65 % конструкций цилиндрических одноступенчатых редукторов работает в диапазоне межосевых расстояний 160.. .250 мм. Согласно рекомендациям ГОСТ, передаточные значения для такого вида редукторов колеблются в пределах 1,6...6,3 [2-4].
Эксплуатация машин в животноводческом комплексе производится в тяжелых условиях, при которых агрегаты часто работают в очень сложных климатических условиях (пыль, химически реактивные среды). Применяемые в таких условиях материалы не всегда совершенны. Проблемы повышения ресурса в машинах сельского хозяйства можно решать различными путями. Одним из наиболее эффективных путей решения указанной проблемы является совершенствование методов упрочнения деталей на стадии их изготовления и разработка упрочняющих технологий восстановления изношенных деталей [3-4, 7].
Восстановление изношенных стальных деталей, как правило, связано с нанесением покрытий. В настоящее время разработано большое число способов получения покрытий на основе твердых сплавов и других материалов. Особенно эффективно применение упрочняющих технологий в ремонтном производстве, так как наряду с увеличением срока службы деталей, узлов и агрегатов позволяет снизить энергозатраты в машинах, связанные с потерями на трение и выделение тепла [1, 5, 8]. Большой интерес для ремонтного производства представляют способы нанесения упрочняющих покрытий, отвечающих указанному требованию по твердости [4, 6, 7]. Диффузионные покрытия отличаются высокой износостойкостью, задиростойкостью, коррозионной стойкостью и прочностью сцепления с основой. Преимуществом диффузионной металлизации является возможность нанесения покрытий на труднодоступные поверхности деталей сложной формы. Основные легирующие элементы, повышающие коррозионную стойкость железоуг-
леродистых сплавов при объемном и поверхностном легировании, — хром, никель, кремний, алюминий и др. [1-4, 7].
Известно, что борирование углеродистых марок сталей в порошковых смесях приводит к существенному повышению коррозионной стойкости в агрессивных средах. Коррозионная стойкость борированной стали определяется содержанием углерода и легирующих элементов, составом смеси и режимом насыщения.
Расчет целесообразно начинать с определения геометрических параметров, предварительно подобрав материалы для зубчатых колес путем определения допускаемых величин контактных и изгиб-ных напряжений.
При заданной вероятности обеспечения контактной прочности желательно брать в качестве расчетной не минимальную или среднюю твердость, как это рекомендуется в большинстве справочной литературы, а наиболее вероятную, которую можно определить по формуле [1]
НВр = НВср - ^
где НВср — среднее значение твердости; ? — коэффициент риска; а — среднеквадратичное отклонение.
Предполагается, что разброс твердости имеет нормальный закон распределения, с достаточной для расчетов точностью НВср и а можно опре делить по формулам
НВ = НВтах - НВ.......
ср 2
НВтах - НВтт
6
где НВтах, НВт1п — максимальное и минимальное значения твердости материала.
Коэффициент риска t определяется в зависимости от функции Лапласа
ф(0 = 0,5 - Р(бр),
где Р(бр) = 1 - Р — вероятность разрушения; Р — заданная вероятность срока службы.
При проектировании косозубых или шевронных колес, когда твердость материала шестерни может значительно превышать материал колеса, в качестве расчетного допускаемого контактного
----------- 61
напряжения принимают условное допускаемое контактное напряжение, определяемое по формуле
% = °’45(а
нр1 + °нр2
),
где а
нр1
- расчетное допускаемое контактное напряже-
ние колеса, МПа; анр2 — расчетное допускаемое контактное напряжение шестерни, МПа; а — расчетное допускаемое контактное напряжение, МПа.
При этом должно выполняться условие о < 1,23а ■ ,
нр _ ’ нр mm’
где ан
- меньшее из значения расчетных допускае-
мых контактных напряжений колеса и шестерни, МПа.
Для сравнительного анализа влияния твердости материала на геометрические и прочностные характеристики зубчатой передачи было проанализировано несколько видов материалов зубчатой пары. Сравнительные данные по твердости сердцевины представлены в таблице. Анализ данных таблицы показывает, что вид обработки материалов существенно влияет на величину поверхностной твердости сталей.
Борирование стали 45 не только повышает поверхностную твердость материала, но и значительно увеличивает коррозионную стойкость механической передачи, что очень важно при работе привода сельскохозяйственной машины в агрессивных средах. Так, в работе [7] установлено, что борирование стали 45 приводит к трехкратному увеличению стойкости в 30 %-м растворе КОН. Авторы работы [4, 6, 7], проводившие исследование коррозионного и электрохимического поведения стали 45, установили, что в кислых средах неокислительного характера (серной, соляной) борирование повышает коррозионную стойкость. В щелочной среде (70 %-й раствор №ОН) борирование стали во много раз превосходит по стойкости соответствующие стали без защитного покрытия. Коррозионная стойкость борированных марок стали 45 в 10 %-м растворе НКО3 выше стойкости этих сталей до упрочнения [4, 7].
На кафедре «Детали машин и ПТМ» были проведены сравнительные испытания коррозионной стойкости из стали 45 до и после борирова-ния. Предварительные эксперименты подтвердили закономерность: коррозия образцов протекает интенсивнее в разбавленных кислотах и щелочах.
Значение твердости материалов зубчатой пары
Поэтому испытания проводили в 10 %-х растворах НКО3, Н28О4 и №ОН в течение 100 ч. Использованные при испытаниях среды по степени агрессивности к боридным покрытиям можно расположить в следующем порядке: щелочь, серная кислота и азотная кислота.
Результаты показали, что борированные образцы имеют во всех растворах более высокую коррозионную стойкость по сравнению с образцами без защитного диффузионного покрытия.
Как уже отмечалось, обработка материалов значительно влияет на среднюю твердость материалов зубчатой пары, что в свою очередь отражается на значении величин расчетного допускаемого контактного напряжения (рис. 1).
Анализ столбчатой диаграммы позволяет рекомендовать различные виды обработки для повышения контактного напряжения в зубчатой передаче. Однако не стоит забывать о том, что с повышением контактной прочности материала значительно ухудшается обрабатываемость данной сборочной единицы, что накладывает дополнительные ограничения на технологию производства и подготовки механического узла к работе.
На стадии ремонта и модернизации конструкции механического привода, когда необходимо уточнить или рекомендовать заменить материалы зубчатой пары, расчет целесообразно начинать с определения значения контактного напряжения, полагаясь на значение межосевого расстояния:
3 2 ’
^ и ¥ Ьа
где Ка — коэффициент нагрузки; и — передаточное число зубчатой передачи; Т2 — момент на колесе, Н-м; КНр — коэффициент неравномерности нагрузки по длине контакта; уЬа — относительная ширина колеса; аж — меж-осевое расстояние, мм; аНр — расчетное контактное напряжение, МПа.
Материал HBmin HBmax HRCmin HRCmax Обработка
Сталь 45 163 185 - - -
Сталь 45 215 269 - - Улучшение
Сталь 45 - - 52 70 Борирование
35ХМ - - 45 53 Закалка
Для автоматизации расчетов был применен расчетный комплекс, который позволяет проводить анализ рациональности выбора материалов зубчатой пары в полуавтоматическом режиме [8]. Необходимо задать значения межосевого расстояния, передаточного значения и момента на колесе, после чего программа сопоставит входные данные и сформирует результаты вычислений в табличном виде, что в дальнейшем позволит представить результаты анализа в графической форме (рис. 2).
Как видно из рис. 2, максимальные расчетные значения контактных напряжений наблюдаются при минимальных габаритах механической зубчатой передачи и одновременно при максималь-
600
500
400
300
200
100
0
Сталь 45 Сталь 45 + 35ХМ + закалка Сталь 45 +
улучшение борирование
Рис. 1. Зависимость величины расчетного допускаемого контактного напряжения от типа материала и обработки
Рис. 2. Зависимость контактного напряжения в зубчатой цилиндрической передаче от передаточного отношения и межосевого расстояния исследуемой конструкции
ных передаточных числах. В то же время, сопоставив рис. 1 и результатов аналитических расчетов рис. 2, а также используя данные по условиям работы передач на животноводческих предприятиях, можно рекомендовать поверхностное упрочнение для материалов зубчатых пар (как шестерни, так и колеса), что одновременно позволит обеспечить требуемый уровень (до 600 МПа) прочности, а также спрогнозировать повышение надежности и долговечности зубчатой пары, за счет уменьшения количества отказов из-за абразивного изнашивания и поверхностного выкрашевания поверхности зубчатых цилиндрических колес, а также избежать про-
блем с досрочной заменой дорогостоящих узлов.
Аналитические расчеты и результаты испытаний позволяют заключить, что нанесение покрытий на поверхность механической передачи повышает не только прочностные характеристики привода, но и износостойкость соединения в целом в 2,0.. .2,3 раза. Полученный уровень износостойкости удовлетворяет требованиям к новой комбинированной технологии восстановления и упрочнения деталей сельскохозяйственных машин и техники. Анализ полученных данных показал, что упрочнение одной из деталей приводит к уменьшению износа менее твердой поверхности, что подтверждается не только аналитическими расчетами, но и проведенными испытаниями [4, 7]. Ресурс опытного образца, восстановленный путем нанесения покрытий, в 1,7 раза выше, чем у серийной модели.
Использование программного продукта позволяет быстро и качественно провести анализ конструкции механического привода, дать рекомендации по применению материалов зубчатой пары. Необходимо отметить, что автоматизированный процесс модернизации конструкции дает возможность значительно уменьшить сроки выпуска технической документации, а также повысить качество проводимого анализа.
Список литературы
1. Детали машин и основы конструирования: Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений / Под ред. М.Н. Ерохина. — М.: КолосС, 2004. — 462 с.
2. Зуев, И.М. Монтаж, эксплуатация и ремонт машин в животноводстве / И.М. Зуев. — М.: Агропромиздат, 1988. — 447 с.
3. Флик, Э.П. Механические приводы сельскохозяйственных машин / Э.П. Флик. — М.: Машиностроение, 1984. — 272с.
4. Ерохин, М.Н. Принципы повышения надежности и эффективности эксплуатации сельскохозяйственной техники (на примере картофелеуборочных комбайнов): дис. ... д-ра техн. наук / М.Н. Ерохин. — М., 1994. — 76 с.
5. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справочник / Под ред. Л.С. Ляховича. — М.: Металлургия, 1981. — 424 с.
6. Батищев, А.Н. Перспектива развития технологии восстановления деталей гальваническим покрытием / А.Н. Батищев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 1995. — № 8. — С. 24-27.
7. Казанцев, С.П. Восстановление плунжерных пар топливных насосов распределительного типа диффузионными хромонитридными покрытиями: дис. . канд. техн. наук / С.П. Казанцев. — М., 1989. — 216 с.
8. Феодосьев, В.И. Сопротивление материалов: учебник для втузов; 9-е изд., перераб. / В.И. Феодосьев. — М.: Наука, 1986. — 512 с.
63
