ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЁС ТРАКТОРНЫХ ТРАНСМИССИЙ

INCREASING THE DURABILITY OF GEAR WHEELS OF TRACTOR TRANSMISSIONS

Egor Talyanov

student, Mytishchi branch of Moscow State Technical University University named after N.E. Bauman,

Russia, Korolev

АННОТАЦИЯ 

Современные сельскохозяйственные тракторы нуждаются в улучшении энергоэффективности. В условиях рыночной эксплуатации тракторов часто превышается нормативный ресурс основных узлов, в частности, зубчатых передач. Поэтому важно исследовать прочность зубчатых передач тракторов.

В данной статье поднят вопрос о необходимости увеличения срока службы зубчатых передач трансмиссии трактора с использованием комплексного борирования. Рассмотрены методики сравнительных испытаний зубчатых колес и представлена конструкция испытательного стенда. Выявлены основные причины разрушения поверхности зубчатых колес, укрепленных различными способами.

Проведенный анализ условий эксплуатации и причин выхода из строя зубчатых передач сельскохозяйственной техники позволяет определить основные направления работ по повышению их надежности.

ABSTRACT

Modern agricultural tractors need to improve energy efficiency. In the conditions of market operation of tractors, the normative resource of the main components, in particular, gears, is often exceeded. Therefore, it is important to investigate the strength of tractor gears.

This article raises the question of the need to increase the service life of the gears of the tractor transmission using complex boration. The methods of comparative testing of gears are considered and the design of the test bench is presented. The main causes of the destruction of the surface of gears reinforced in various ways have been identified.

The analysis of the operating conditions and causes of failure of gears of agricultural machinery allows us to determine the main directions of work to improve their reliability.

Ключевые слова: долговечность зубчатых колес, тракторные трансмиссии, эксплуатация, надежность, износостойкость, бронирование.

Keywords: durability of gears, tractor transmissions, operation, reliability, wear resistance, reservation.

Зубчатые колеса широко применяются в шестернях, редукторах, приводных механизмах, насосах и другом оборудовании, где элементы вращаются. Многие виды машин, такие как строительные, погрузочно-разгрузочные, землеройные, сельскохозяйственные, горные и кузнечные, имеют ограниченный срок службы. В большинстве случаев для таких станков используются зубчатые колеса с крупным модулем. Зубчатые колеса останутся одним из основных элементов трансмиссии машин на протяжении ближайшего будущего [3].

Производство зубчатых колес — это сложный и трудоемкий процесс. Основная причина отказов в работе машин — это износ и усталостные повреждения деталей, включая зубчатые колеса. Их внезапные поломки, такие как сломанные или поцарапанные зубья, часто происходят при остановке станка и могут привести к аварийной ситуации. Ремонт и обслуживание машин требуют значительных затрат как на материалы, так и на труд. Поэтому повышение качества и эффективности изготовления и ремонта зубчатых колес является ключевой задачей для машиностроительной отрасли.

Для решения проблемы с надежностью зубчатых колес необходимо исследовать высоконагруженные узлы трения и применить новые технологии, такие как обработка поверхностным пластическим деформированием.

Изготовление зубчатых колес представляет собой сложный процесс, включающий несколько этапов, с обработкой зубьев являющийся самым длительным и трудоемким этапом. Однако существующие технологии не удовлетворяют современные требования к эксплуатационным характеристикам зубчатых колес, особенно в условиях изменяющегося воздействия на них эксплуатационных функций, таких как относительные скорости скольжения профилей зубьев, удельные нагрузки в контактных зонах, контактные напряжения и т.д.

Основное направление улучшения качества зубчатых колес сосредоточено на повышении точности и качества рабочих поверхностей зубьев, но не учитывает функциональную направленность технологических воздействий для обеспечения требуемых свойств конкретных элементов [4].

Применение функционально ориентированного подхода при изготовлении зубчатых колес позволяет обеспечить требуемые характеристики элементов в соответствии с условиями эксплуатации. Этот подход основывается на полной адаптации изделия к условиям эксплуатации в станке, что позволяет создавать зубчатые колеса с рабочими элементами, обладающими высокой износостойкостью и равномерным износом по высоте зуба на протяжении всего срока службы. Вся совокупность элементов каждого зубчатого колеса включает исполнительные, связующие, вспомогательные и дополнительные функциональные элементы (рис.1).

Рисунок 1. Классификация элементов зубчатых колес по функциональному назначению

Элементы зубчатой передачи, определяющие ее работоспособность, включают исполнительные рабочие элементы, которые передают крутящий момент сопряженному звену. Эти элементы, в свою очередь, состоят из различных зон, таких как объем тела зуба, эвольвентная поверхность, поверхностный слой профиля зуба, объемные линии на пересечении эвольвентной поверхности и вершин профиля зуба, а также другие элементы.

Основной причиной поломок зубчатых колес является износ зубьев по рабочей поверхности эвольвентного профиля, вызванный механическим износом, усталостным выкрашиванием, заеданием и поломкой зубьев из-за напряжений изгиба у основания зубца.

Виды разрушения зубчатых колес [3]:

а) поломка зубьев;

б) механический износ рабочей поверхности;

в) усталостное выкрашивание

Обычно считается, что основной причиной выхода из строя зубчатых передач является их износ и выкрашивание [1]. Однако, анализ эксплуатационных данных и расчеты показывают, что ресурс этих передач может быть ограничен также из-за их износа. Износ приводит к изменению формы зубьев, увеличению зазоров и значительному ухудшению динамических свойств передачи. Пример изношенного колеса представлен на рис. 2.

Рисунок 2. Зубчатые колеса: левое колесо изношенное, правое – новое 

Таким образом, возникает проблема обеспечения необходимого ресурса зубчатых колес в процессе износа. Для повышения износостойкости и восстановления деталей машин часто применяют различные виды поверхностного упрочнения, такие как цементация, азотирование, цианирование и другие. Однако при максимальных нагрузках, какие возникают при работе некоторых лесных машин, например, трелевочных тракторов, твердость зубчатых колес трансмиссии может оказаться недостаточной [5].

Исследования показали, что для переднего ведущего моста трактора производства МТЗ характерна, в первую очередь, пластическая деформация зубьев конической передачи, что требует проведения внеплановых ремонтов или замены. Применение борирования дает возможность достичь более высокой твердости и износостойкости, чем при цементации и азотировании. Однако основным недостатком боридных слоев является их повышенная хрупкость, которая может привести к выкрашиванию и потере работоспособности детали.

Для решения этой проблемы предлагается использование кремния в упрочняющей смеси, который при диффузионном насыщении способствует образованию менее хрупких фаз и улучшает приработку упрочненного слоя [1].

На основе исследований разработан состав для комплексного борирования и оптимизированы параметры процесса, определена необходимая толщина упрочненного слоя. Для практической реализации требуются сравнительные испытания зубчатых колес [2].

Изучив результаты лабораторных исследований по износостойкости и усталостным испытаниям образцов, был разработан состав для проведения комплексного борирования. Путем оптимизации параметров процесса была определена необходимая толщина упрочненного слоя в диапазоне от 200 до 250 мкм.

Для проведения ресурсных испытаний зубчатых передач чаще всего используются стенды с замкнутым силовым контуром или с циркулирующей мощностью. Они конструктивно просты и экономичны, так как потребление энергии для привода значительно меньше, чем при использовании тормозного устройства. При одинаковом крутящем моменте на испытываемых зубчатых колесах потребление энергии для стенда с замкнутым силовым контуром в 6-10 раз меньше, чем для стенда с тормозным устройством.

На рисунке 1 показана основная конструкция стенда СИ-4, используемого для проведения ресурсных испытаний зубчатых колес. Стенд СИ-4 для проведения испытаний, как правило, состоит из двух редукторов, которые представляют собой объекты испытаний. Обе пары зубчатых колес соединяются карданными валами. Редуктор 1 подвергается нагрузке с помощью рычага и груза, что приводит к повороту корпуса редуктора относительно оси вала. Этот процесс продолжается до тех пор, пока нагрузка не будет уравновешена силой упругой деформации закручивающихся осей замкнутого контура.

При этом, в замкнутом контуре возникает статический момент, который определяется длиной плеча L, а также силами груза и частью веса самого редуктора. Из условия равновесия моментов в контуре следует, что сумма моментов всех внешних сил равна нулю [8].

где P – требуемый груз для достижения расчетного момента;

 М – расчетный момент для загрузки пары зубчатых колес;

R1 и R2 – радиусы начальной окружности колес;

L – дина (или плечо) рычага;

P0 – составляющая веса редуктора, приведенная к точке приложения груза P;

i = R2 / R1 – передаточное отношение пары зубчатых колес.

При установке стенда зубчатые колеса и карданные валы устанавливаются таким образом, чтобы редуктор был в строго горизонтальном положении. После нагрузки стенда выбранным моментом путем установки груза на рычаг, величина которого рассчитывается по формуле (1), проводят испытания зубчатых передач. Стабильность нагрузки стенда во время его работы контролируется постоянством горизонтального положения нагрузочного рычага.

Вращение зубчатых колес в замкнутом контуре осуществляется с помощью электродвигателя постоянного тока, который позволяет плавно устанавливать необходимое количество оборотов испытываемых зубчатых колес. Статор электродвигателя установлен в подшипниках для контроля реализуемого вращающего момента и точных измерений изменений КПД стенда. Электродвигатель соединен с редуктором упругой муфтой. Общий вид стенда показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Стенд с замкнутым силовым контуром для испытаний зубчатых передач СИ-4

Проводились испытания зубчатых колес с модулем m = 3 мм и числом зубьев z = 20. Колеса смазывались трансмиссионным маслом, которое подавалось под давлением из масляной станции в зону зацепления и затем возвращалось в станцию по стоку. Существовала также возможность смазки путем погружения колес в масляную ванну [8].

Для охлаждения масла использовалась вода, циркулирующая через змеевики в масляной станции. Испытания проводились при частоте вращения n = 1500 об/мин и моменте нагрузки М = 100 Нм до появления существенной деформации на поверхности зубьев цементированных колес. Данные испытания соответствуют 1,8× 107 циклам нагрузки [7].

Для оценки степени износа в процессе проведения сравнительных испытаний было предложено небольшое смещение зубьев (изображено на рисунке 3). Это смещение увеличивает нагрузку на зуб, что позволяет более точно соотнести параметры испытаний на стенде с реальными условиями работы трелевочного трактора.

Рисунок 4. Смещение зубчатых колес при проведении сравнительных испытаний

При сравнительных испытаниях внимательно следили за состоянием поверхностей зубьев и измеряли вибрацию на подшипниках редукторов с помощью приборов. Главной целью проведения сравнительных испытаний было определение доминирующих процессов, приводящих к разрушению поверхности зубьев, таких как истирание, пластическое деформирование, усталостное разрушение и заедание.

Заедание в зубчатых передачах при высоких нагрузках приводит к изнашиванию и нарушению зацепления зубчатых колес, что делает их неработоспособными. Появление неровностей на поверхности зубьев, таких как выступы, борозды и царапины, вызвано схватыванием и переносом материала. Недостаточная твердость поверхности также приводит к задирам и пластической деформации [9].

После завершения тестирования поверхности зубьев цементированных колес было обнаружено появление выкрашивания. Исследование показало, что выкрашивание происходит при высоких пиковых нагрузках. На рисунке 4 изображены поверхности цементированных зубьев зубчатых колес с выкрашиванием после 1,8×107 циклов нагружения при 100 Нм нагрузке.

Рисунок 5. Усталостное выкрашивание поверхности цементованных зубчатых колес после 1,8 × 107 циклов нагружения (× 1000) (а, б, в)

Микротрещины при циклическом воздействии возникают из-за воздействия концентраторов напряжений, как поверхностных (царапины, вмятины и т. д.), так и подповерхностных (включения, микропоры). Максимальные касательные напряжения, возникающие при механическом воздействии, играют большую роль. Усталостное изнашивание зависит от многих факторов, включая механические и физико-механические свойства материала, качество обработки поверхности, остаточные напряжения, концентрацию напряжений и другие.

При проведении упрочнения зубчатых колес основным вопросом является определение необходимой глубины упрочненного слоя и обеспечение прочной связи с основным металлом. При избыточно высокой глубине упрочненного слоя (150–280 мкм) возможно его отслаивание с поверхности зубьев [8].

В ходе исследования упрочненных борированием зубчатых колес было обнаружено, что поверхность зубьев содержит две фазы. Первая фаза FeB, насыщенная бором, обладает очень высокой твердостью (1500–2000 HV) по сравнению с второй фазой Fe2B. Вторая фаза Fe2B, хотя и менее твердая, является менее хрупкой. Присутствие обеих фаз на поверхности зубьев приводит к уменьшению общего охрупчивания упрочненного слоя и предотвращает его отслоение с поверхности зубьев. Также было установлено, что добавление кремния в упрочняющую смесь способствует лучшей обкатке зубчатых колес и повышает их способность к работе под высокими динамическими нагрузками.

После проведения сравнительных испытаний было обнаружено, что на поверхности зубьев упрочненных колес есть небольшие вмятины, расположенные на менее твердой фазе Fe2B. Присутствие менее твердой фазы на поверхности зубьев способствует улучшенной работе зубчатых колес и увеличивает их срок службы. Также при проведении сравнительных испытаний было показано, что у зубчатых колес, упрочненных комплексным борированием пластической деформации, не наблюдается выкрашивание и задиры на поверхности зубьев [9].

Результаты проведенных сравнительных испытаний на износ зубчатых колес показывают, что комплексное борирование с использованием нового состава на рабочих поверхностях зубьев трансмиссии трелевочных тракторов может повысить износостойкость деталей.

Таким образом, необходимо выбирать определенный способ отделочной и упрочняющей обработки элементов зубьев исходя из условий эксплуатации конкретной зубчатой передачи и ее целей. Это позволит наилучшим образом приспособить изделие к внешним условиям его использования [8].

Таким образом, в работе описаны основные пути улучшения эксплуатационных характеристик зубчатых колес, направленные на снижение неравномерного механического износа, деформации и поломок зубьев, а также предотвращения разрушений, вызванных усталостным износом на поверхности зубьев. Рассмотренные методы должны применяться в комплексе и учитывать конкретные условия эксплуатации зубчатой передачи.

Список литературы:

1. ГОСТ 21354-87. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность. – Введен 01.01.1989. – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 76 с.
2. Григоров, П. К. Методика определения хрупкости борированного слоя / П. К. Григоров, А. И. Катханов // Повышение надежности и долговечности деталей машин. – 1972. – Вып. 16. – С. 97–98.
3. Лахин А.М., Михайлов А.Н., Фомин И.А. Повышение эксплуатационных свойств рабочих элементов зубчатых колес на базе функциональноориентированного подхода // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2010. Вып. 39. С. 127-132.
4. Печников И.С., Завитков А.В., Фролов К.А. Применение лазерных технологий при термообработке зубчатого венца шестерни / Сборник трудов конференции «Наука и техника в дорожной отрасли». Москва, 18 марта 2021 года. М., 2021. Т. 4. С. 70–72.
5. Повышение износостойкости чугунных зубчатых колес за счет термодиффузионного покрытия / Веселовский Александр //АПК России.–2022.–Том 29 № 1.– C.11-17
6. Разин Д.А., Печников И.С., Фролов К.А., Люхтер А.Б. Лазерное термоупрочнение колес зубчатых, изготовленных из порошковых материалов // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2023. Т. 24. № 4. С. 323–330. http://doi.org/10.22363/2312-8143-2023-24-4-323-330
7. Frerichs F., Lu Y., Lübben T., Radel T. Process Signature for Laser Hardening // Metals. 2021. No. 11. Article 465. https://doi.org/10.3390/met11030465
8. Surface hardening of gears by laser beam processing. Zhang, H., Shi, Y., Xu, C.Y., Kutsuna, M. / Surface Engineering. Volume 19, Issue 2, April 2003, P. 134 – 136.
9. Troyanovskaya, I. Influence of Mountain Conditions on Road Fuel Consumption (Example of the Republic of Tajikistan) / I.. Troyanovskaya //Transportation Research Procedia.–2022.–Vol. 61С.– P.273-279