К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА СИЛОВЫХ ПЕРЕДАЧ ГОРНЫХ МАШИН 

Звонарёв Иван Евгеньевич

аспирант Горного университета, г. Санкт-Петербург

E-mail: ZVano@mail.ru

Иванов Сергей Леонидович

д-р техн. наук, профессор Горного университета, г. Санкт-Петербург

E-mail: lisa_lisa74@mail.ru

Фокин Андрей Сергеевич

канд. техн. наук, доцент Горного университета, г. Санкт-Петербург

E-mail: Fokin@spmi.ru

Семёнов Михаил Алексеевич

канд. техн. наук, доцент Горного университета, г. Санкт-Петербург

E-mail: semenov021144@rambler.ru

THE QUESTION RESIDUAL LIFE ASSESSMENT POWERTRAIN MINING MACHINES 

Ivan Zvonarev

postgraduate student of the Mining University, St. Petersburg

Sergey Ivanov

Doctor of technical sciences, professor of the Mining University, St. Petersburg

Andrey Fokin

Doctor of technical sciences, docent of the Mining University, St. Petersburg

Mikhail Semenov

Doctor of technical sciences, docent of the Mining University, St. Petersburg

АННОТАЦИЯ

Предложена оценка ресурса работы зубчатых передач горных машин на основании анализа изменения локальной поверхностной твёрдости зубьев. Представлены зависимости для оценки ресурса через приведенные условные ресурсы зубчатого колеса по трем критериям разрушения. 

ABSTRACT

Proposed resource estimation work gear mining machines by analyzing changes in the local surface hardness of the teeth. The dependencies of the long life assessment through the given contingent resources gear on three criteria destruction. 

Ключевые слова: поверхностная твёрдость; горные машины; зубчатые передачи; энергоресурс.

Keywords: superficial hardness; mining machines; tooth gearings; power resource. 

В процессе работы горной машины, внешние нагрузки, от исполнительного органа, передаются через трансмиссии машины к двигателю, что ведёт к значительным нагрузкам на зубчатые передачи трансмиссий, превышающие в 3—3,5 раза номинальные. 

Известно, что отказы оборудования, вызванные изнашиванием, усталостными поломками и деформацией деталей, можно описать с единой энергетической позиции. Последние исследования по усталостному разрушению металлов [4], трению и износу в деталях машин показывают, что материала детали разрушается при достижении некоторого, характерного для данной детали критического значения внутренней энергии, то есть каждый элемент, имеет свой энергоресурс. Скорость расходования этого ресурса будет определять продолжительность работы элемента. Энергетический подход также позволяет учесть напряженность работы как машины в целом, так и отдельных ее элементов в отдельности. 

В тридцатые годы начали разрабатываться энергетические теории, описывающие процесс разрушения твердого тела. Наиболее общими являются термодинамические модели оценки реологических и прочностных свойств металлов с учетом микро- и макро-механизма его пластических и упругих деформаций. Такой подход, применяемый в работах Журкова С.Н., Киялбаева Д.А., Чудновского А.Н., Федорова В.В., Качанова Л.М., Ивановой В.С., Терентьева В.Ф., Новожилова В.В. и ряда других ученых, позволяет учесть влияние на предельное состояние твердого тела энергии, поглощаемой материалом этого тела при его деформировании и энергии, рассеиваемой в окружающую среду. 

Коломийцов М.Д. исходит из положения [5], что величина энергоресурса постоянна для однотипных машин и определяется свойствами материала деталей, кинематикой привода, технологией его изготовления и не зависит от величины и характера нагрузки, если она не превышает максимально допустимого предела. При этом, чем больше потери мощности в приводе, тем интенсивнее расходуется его энергоресурс и пропорционально раньше наступает предельное состояние элементов и сокращается остаточный ресурс привода в целом. Энергоресурс, таким образом, является свойством данного привода машины и может быть рассчитан по формуле: 

,

где DP(t) — функция потерь мощности в приводе за время t. 

Однако при таком подходе весь привод рассматривается как «чёрный ящик», что не позволяет эффективно идентифицировать причины возможного отказа и выяснить потенциально опасные элементы. 

Несколько другой подход, но примерно с той же идиалогией заложен в расчётном методе оценки энергоресурса [5]. Рассматривая вопрос об определении энергоресурса зубчатой передачи трансмиссии, учитывая все виды разрушения, предлагается определять его по формуле 

где N_lim — число циклов по всем видам разрушения; P’ — удельная мощность потерь, равная работе диссипативных потерь за цикл нагружения; K_Bi — коэффициент влияния факторов разрушения по каждому из критериев разрушения. 

Несомненным достоинством такого подхода является возможность теоретическо-экспериментальной оценки ресурса таких элементов трансмиссии как зубчатые колёса, и позволяет рассматривать износные явления, контактные и изгибные нагружения зубьев совместно, учитывая уровень влияния каждого из этих факторов в отдельности на ресурс зубчатого колеса в целом в зависимости от параметров передачи и свойств каждого из зубчатых колёс в отдельности. Но оценить остаточный ресурс (ресурс после проведения какой-либо диагностической процедуры) при этом подходе не представляется возможным [2]. 

Учитывая тот факт, что предельная прочность нарушений в материале предшествующая его разрушению является величиной постоянной для этого материала вне зависимости от вида нагружения и определяется лишь плотностью дислокаций в зоне разрушения [4], а результатом накопления дислокаций является локальное повышение микротвёрдости материала [1], попытаемся оценить остаточный ресурс зуба крупномодульного зубчатого колеса по критерию изгибной усталостной прочности. 

Ранее проведенными исследованиями было установлено, что у термически улучшенных сталей, характерных для крупномодульных зубчатых колёс, подверженных разрушению растяжением и знакопеременным изгибом, микротвёрдость материала в зоне разрушения была одинаковой величиной [3, 4, 5], значительно превышающей значение твёрдости этого материала в исходном состоянии. Подобные локальные изменения твёрдости были выявлены при сплошном измерении микротвёрдости торцевых поверхностей шестерни редуктора подъёма ковша экскаватора, что говорит о накоплении в теле зуба нарушений структуры материала, вызванных изгибными напряжениями при работе зубчатого колеса. 

При этом повышение микротвёрдости происходит лишь в зонах возрастания напряжений, а работа сил разрушения отнесённая к плотности дислокаций непосредственно прилегающей к плоскости разрушения выражается через приращение микротвёрдости есть величина постоянная. Область повышения микротвёрдости целиком определяется ареалом изменения напряжённого состояния, вызванного работой действующих внешних сил разрушения, прикладываемых к образцу. 

Несмотря на тот факт, что накопление повреждений, а следовательно и поверхностной микротвёрдости не являются процессом обязательно монотонно изменяющимся [4], можно считать, что он (процесс) имеет некоторую постоянную скорость на отрезке времени (или наработки) значительно превышающий цикл силового воздействия. Тогда в предположении стационарности протекания процесса накопления повреждений, зная действительное значение этой микротвёрдости, например, торцевой поверхности зуба, выявленной при проведении диагностических процедур и имея предельное значение этой твёрдости для разрушенного образца этого материала возможно оценить величину условного остаточного ресурса зуба по критерию усталостной изгибной прочности: 

                                      (1)

где T_YFРост — условный остаточный ресурс зубчатого колеса по критерию усталостной изгибной прочности; DHV_F — приращение микротвёрдости торцевой поверхности зуба в опасном сечении; DHV_MAX — максимально возможное (опасное) приращение твёрдости торцевой поверхности зуба по отношению к исходному состоянию. 

Аналогично, условная величина остаточного ресурса по критерию износа будет определяться 

                                                     (2)

где [S] — допускаемый износ; DS — величина износа на момент проведения мероприятий по диагностике. 

Контроль микротвёрдости рабочей поверхности зуба позволяет оценить соотношение процессов изнашивания и разрушения по критерию контактной усталости поверхности зубьев. Если микротвёрдость рабочих поверхностей зубьев не меняется — следовательно, превалирует процесс износа.

В случае если требуется оценить условный остаток ресурса по критерию контактной выносливости его следует оценивать аналогично выражению (1), но с учётом того, что процесс износа и накопления повреждений контактной усталости происходит в пределах одной и той же поверхности

                                                        (3)

Так как все три деградационных процесса идут одновременно, то для оценки коэффициента влияния одного их трёх видов разрушения зубчатого колеса (выражения 1—3) целесообразно воспользоваться соотношение

                                                       (4)

Далее умножив обе части выражений 1—3 на соответствующий K_Bi одновременно с оценкой влияния трех факторов разрушения, возможно оценить величину остаточного ресурса непосредственно из зафиксированных диагностических параметров.

Список литературы:

1.Александров Ю.В., Кузьбожев А.С., Агиней Р.В. Ресурсные испытания металла длительно эксплуатируемых трубопроводов. — СПб.: «Недра», 2011. — 304 с.

2.Звонарёв И.Е., Иванов С.Л., Фокин А.С. К вопросу оценки ресурса механических трансмиссий машин энергетическим методом. Горное оборудование и электромеханика. 2011, № 8. С. 38—41.

3.Звонарёв И.Е., Иванов С.Л., Фокин А.С., Семенов М.А. Оценка удельной работы разрушения не стандартных образцов с учетом локальной твердости в зоне их разрушения. «Технические науки — от теории к практике»: материалы XIV международной заочной научно-практической конференции. — Новосибирск: 2012, № 14. С. 56—62.

4.Ибатуллин И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев: монография / И.Д. Ибатуллин. — Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. 387 с.

5.Иванов С.Л. Повышение ресурса трансмиссий горных машин на основе оценки энергонагруженности их элементов. СПб.: РИЦ СПГГИ (ТУ), 1999. — 92 с.