Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Повышение ресурса тяжелонагруженных зубчаты передач с использованием технологий поверхностного упрочнения и защиты (аналитический обзор) 11
1.1. Особенности повреждения и закономерности изнашивания тяжелонагруженных зубчатых колес 11
1.2. Методы и технологии повышения надежности зубчатых колес 30
1.3. Оценка параметров надежности зубчатых колес в процессе эксплуатации и натурных испытаний 48
1.4. Постановка задачи 52
Глава 2. Материалы, методика испытаний и методы исследования 58
2.1. Материалы, используемые в работе 59
2.2. Методика испытаний зубчатых колес 61
2.3. Методы исследования 65
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований по оценке влияния вида поверхностного упрочнения на долговечность тяжелонагруженных зубчатых колес 68
3.1. Повышение работоспособности зубчатых колес методом поверхностной закалки при индукционном нагреве токами высокой частоты 69
3.2. Влияние структуры и состава цементованного слоя на работоспособность тяжелонагруженных зубчатых колес 87
3.3. Повышение ресурса цементованных зубчатых колес в ходе технологической приработки пар трения путем применения металлоплакирующих, присадок 94
3.4. Повышение работоспособности зубчатых колес методом ионного азотирования 100
Выводы 114
Глава 4. Вероятностный метод расчета долговечности тяжелонагруженных зубчатых колес по критерию износа 116
Заключение 130
Список использованных литературных источников
- Методы и технологии повышения надежности зубчатых колес
- Методика испытаний зубчатых колес
- Влияние структуры и состава цементованного слоя на работоспособность тяжелонагруженных зубчатых колес
- Повышение работоспособности зубчатых колес методом ионного азотирования
Введение к работе
Актуальность работы. Условия работы современного оборудования сопряжены с воздействием повышенных температур, больших ударных нагрузок и наличием сред, содержащих разнообразные внешние агрессивные химические вещества и абразивные частицы, что предъявляет к отдельным деталям чрезвычайно высокий уровень требований. Это в полной мере относится к зубчатым колесам, которые являются одними из наиболее нагруженных и ответственных элементов машин и агрегатов и нередко определяют долговечность оборудования в целом. В результате, обеспечение надежности и долговечности различных быстроизнашивающихся деталей при оптимальном запасе прочности является одной из важнейших задач при производстве современных машин.
При решении этой комплексной проблемы весьма перспективным можно считать методы повышения долговечности зубчатых колес с использованием технологий поверхностного упрочнения. Весь накопленный научно-производственный опыт, а также собственные исследования показывают необходимость адаптации любого метода под конкретную деталь в зависимости от предполагаемых условий эксплуатации, в особенности при контактном динамическом воздействии. Все вышеизложенное позволило определить цель работы и сформулировать задачи исследования.
Цель исследования заключается в разработке и оптимизации технологий поверхностного упрочнения и защиты для повышения долговечности тяжелонагруженных зубчатых колес, работающих в условиях значительных контактных знакопеременных механических и тепловых нагрузок.
Исходя из этого в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. На основе анализа повреждаемости обосновать критерии выбора упрочняющих и защитных технологий для повышения долговечности тяжелонагруженных зубчатых колес в зависимости от их типоразмера и условий работы с использованием прогрессивного доступного оборудования.
2. В условиях лабораторных, стендовых и полупромышленных испытаний исследовать комплекс физико-механических и эксплуатационных свойств упрочненных слоев и на основе этого обосновать режимы упрочняющих технологий с целью получения максимальной долговечности тяжелонагруженных зубчатых колес.
3. Провести расчеты функции надежности зубчатой передачи по критерию износа в вероятностном аспекте и определить влияние соотношения поверхностной твердости деталей на сопротивление износу в условиях контактного нагружения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлены закономерности формирования упрочненного слоя при закалке ТВЧ в зависимости от различных внешних параметров в соответствии с разработанной матрицей эксперимента, что позволило применить этот метод к тяжелонагруженным крупномодульным зубчатым колесам с целью повышения эксплуатационных свойств.
2. Обоснованы пути повышения долговечности крупномодульных зубчатых передач за счет фиксированного содержания углерода и азота по глубине и
толщине в зависимости от типоразмера зубчатых колес, условий нанесения, химического состава используемых сплавов и условий их эксплуатации.
3. Предложен экспериментально-расчетный метод вероятностной оценки долговечности зубчатой передачи по критерию износа, что позволило установить оптимальное соотношение поверхностных твердостей деталей зубчатой пары, обеспечивающее значительное повышение ресурса контактной пары трения.
Практическая ценность: Проведенный комплекс исследований позволил разработать и передать к внедрению ряд технологий для повышения износостойкости тяжелонагруженных зубчатых колес механизмов передачи движения, в частности:
- технологию закалки ТВЧ крупномодульных шестерен редуктора механизма поворота экскаватора ЭКГ-5А с использованием в качестве охлаждающей среды 33% водного раствора глицерина, что позволило увеличить срок службы деталей с 21200 часов до 28700 часов;
- технологию приработки упрочненных цементацией зубчатых колес коробки скоростей токарно-револьверного станка типа 1341 после капитального ремонта с применением смазочной композиции, содержащей металлоплакирующую присадку МКФ-18У, что позволило снизить время приработки с 5 суток до 14 часов, а также обеспечить расчетную долговечность оборудования в течение полутора лет;
- технологию ионного азотирования зубчатых колес привода бурового насоса УНБ-600 с использованием оборудования фирмы “KLKNER IONON”, что показало возможность увеличения срока службы зубчатых колес в реальных условиях эксплуатации с 4372 часов до 8264 часов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Сформулированный на основе анализа повреждаемости тяжелонагруженных зубчатых колес, работающих в составе изделия в сложных условиях эксплуатации, принцип выбора технологии поверхностного упрочнения и защиты с учетом типоразмера, геометрии и химического состава конкретной детали с использованием прогрессивного и доступного оборудования.
2. Разработанный на основе матрицы эксперимента режим индукционной закалки поверхности крупномодульных зубчатых шестерен, используемых в редукторе механизма поворота экскаватора ЭКГ-5А, с целью повышения эксплуатационных свойств изделия.
3. Установленную взаимосвязь микроструктуры упрочненных поверхностных слоев и комплексов свойств сегментов зубчатых колес и шестерен в зависимости от режимов высокочастотной закалки.
4. Зависимости микроструктуры, фазового состава, характера распределения микротвердости по толщине поверхностного слоя, механических свойств, контактной выносливости активных профилей зубьев и усталостной прочности при изгибе от режима упрочняющей обработки, включающей цементацию и ионное азотирование.
5. Результаты исследования влияния металлоплакирующей присадки МКФ-18У в смазочной среде закрытых узлов трения на размеры и форму пятна контакта зубьев, шероховатость поверхности трения на стадии приработки.
6. Экспериментально-расчетный метод вероятностной оценки долговечности зубчатой передачи по критерию износа.
Достоверность и обоснованность научных результатов подтверждается использованием современных методов исследования, контролируемостью условий проведения экспериментов, воспроизводимостью результатов, проверкой их независимыми методами исследования и сравнением с литературными данными.
Личный вклад автора состоит в постановке целей и задач, разработке методологии исследования, интерпретации результатов и формулировке всех основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы. Основные эксперименты автор диссертации выполнила в творческих коллективах, что отражено в авторских составах опубликованных работ.
Апробация работы: Основные результаты работы доложены и обсуждены на IХ Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии в педагогике и на производстве» (Екатеринбург, 2003 г.); Научно-технической конференции «Наука – Образование - Производство», посвященной 60-летию Нижнетагильского технологического института УГТУ-УПИ (Нижний Тагил, 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Наука, инновации, образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России» (Екатеринбург, 2006); ХII Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии в педагогике и на производстве» (Екатеринбург, 2006 г.); Межрегиональная научно-техническая конференция «Теория и технология металлургического производства», посвященная 75-летнему юбилею ГОУ ВПО «МГТУ» (Магнитогорск, 2009 г.); «XVI Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Инновационные технологии в педагогике и на производстве» (Екатеринбург, 2010 г.); Межрегиональная 68-ая научно-техническая конференция «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2010 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ, в том числе три статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в реестр ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук (по техническим специальностям).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Результаты диссертации изложены на 148 страницах текста, содержат 43 рисунка, 16 таблиц. Список литературы включает 165 наименований.
Методы и технологии повышения надежности зубчатых колес
В трибологии общепринято, что механизмы различных машин и механизмов, в которых происходит трение, определяются понятием «узел трения» [1]. По своему назначению узлы трения выполняют различные функции: изменяют скорость движения, передают мощность, выполняют транспортные перемещения и т.п. Для них, как показывают исследования, отказы обусловлены, главным образом, катастрофическим износом трущихся сопряжений и рабочих органов или из-за поломок в результате изнашивания того или иного вида [2].
В настоящее время наиболее полное объяснение явлений, происходящих при трении, приводится в молекулярно-механической теории, разработанной Б.В. Дерягиным и И.В. Крагельским [3]. По этой теории трение имеет двойственную молекулярно-механическую природу. Оно обусловлено объемным деформированием материала и преодолением межмолекулярных связей, возникающих на пятнах касания между сближенными участками трущихся поверхностей. Молекулярное взаимодействие проявляется в виде адгезии и схватывания, механическое обусловлено объемным деформированием и взаимным внедрением элементов сжатых поверхностей.
Механизм износа по И.В. Крагельскому представляет собой процесс механического разрушения, осложненного физико-химическими изменениями поверхностных слоев материала. Разрушение поверхностей контактирующих деталей происходит вследствие наличия неровностей на поверхностях трения, вызывающих возникновение напряжения и деформации в зоне контакта. Число нагружений, необходимое для разрушения, зависит от исходной прочности- материала, его сопротивления усталости и условий нагружения. Например, в случае, когда контактные напряжения достигают исходной прочности материала, разрушение сопряженных деталей происходит при первом же взаимодействии. При этом наблюдается наиболее интенсивные виды износа: абразивный, являющийся результатом срезания и пластического деформирования микронеровностей твердыми посторонними частицами при относительном перемещении сопряженных поверхностей, и когезионный, за счет явлений схватывания, когда силы трения достигают предела прочности материала контактной пары.
В тоже время в работах Б.И. Костецкого [6, 7] на основании анализа сущности явлений, протекающих в поверхностных слоях деталей машин, изнашивание подразделяется на пять видов: износ схватыванием первого рода, окислительный износ, тепловой износ (схватывание второго рода), абразивный износ и осповидный (усталостный) износ.
В результате износа происходит постепенное изменение размеров деталей сопряжения. Мерой износа является суммарная величина разрушения, которая определяется уменьшением линейных размеров детали, ее объема или массы. Основной мерой износа является линейный износ, определяемый изменением размеров детали по нормали к поверхности трения. Вследствие того, что износ является функцией времени, для его количественной характеристики применяется показатель - скорость износа, т.е. отношение линейного износа детали ко времени, в течение которого определяется износ.
Износостойкость материала или детали является количественной характеристикой их способности оказывать сопротивление износу в определенных условиях внешнего воздействия. Износостойкость материала устанавливается в строго заданных условиях изнашивания и является характеристикой способности сопротивления материала изнашиванию. Однако износостойкость материала не может однозначно характеризовать фактическую износостойкость конкретной детали, тогда как конструктивная износостойкость во многом зависящая от конструкции детали, режимов нагрузки и смазки, длительности работы и т.д., является комплексным показателем, учитывающим все конструктивные и эксплуатационные факторы, влияющие на изнашивание детали.
Конструктивная износостойкость детали показана на рисунке 2, где кривая износа представлена в координатах износ (W) - время работы детали (Т). Участок а характеризуется относительно большой скоростью износа, соответствует периоду приработки Тпр. Участок б, с небольшой постоянной скоростью износа, характеризует нормальный период износа Тизп, а участок в, на котором наблюдается высокая скорость изнашивания, характеризует период аварийного износа Тав. Износ деталей во времени может отличаться от описанной на кривой износа, так как в отдельных сопряжениях период приработки может отсутствовать, а нормальный износ может быть не пропорционален времени работы детали.
При этом каждая работающая деталь или сопряжение деталей имеет четко выраженный ведущий вид износа, лимитирующий стойкость деталей при эксплуатации, а также сопутствующие виды износа, мало влияющие на износостойкость детали. В результате за счет неравномерного нагружения поверхности трения в пределах одной детали, любой узел трения может иметь несколько видов износа.
Методика испытаний зубчатых колес
Материалом для исследования служили партии зубчатых колес из легированных сталей 34ХН1М и 20Х2Н4А, обычно применяемых для изготовления тяжелонагруженных зубчатых передач, изготовленные по действующей технологии с применением фрезерного зубообрабатывающего инструмента. Химический состав исследованных сталей показан в таблице 3.
С целью выявления оптимального режима поверхностного упрочнения зубчатых колес, работающих в условиях, связанных с воздействием высоких температур, больших ударных нагрузок и коррозионно-активной среды, раз 59 личные партии деталей подвергались закалке с нагревом токами высокой частоты, цементации и азотированию в плазме тлеющего разряда.
Закалку при индукционном нагреве крупномодульных зубчатых колес проводили на машинных генераторах повышенной частоты типа ПВВ (напряжение генератора 380/190 В) с одновременным нагревом контактных поверхностей зубьев и впадин последовательно - «зуб за зубом». В работе был проведен эксперимент, включающий в себя варьирование технологических параметров по выбору охлаждающей среды, скорости движения индуктора вдоль закаливаемой поверхности, мощности генератора и т.п. с целью определения оптимальных технологических факторов, влияющих на качество индукционной закалки крупномодульных зубчатых колес. Для проведения закалки был спроектирован, изготовлен и использован ряд индукторов с дополнительным спрейе-ром. Каждый из индукторов точно повторял контур трех зубьев с учетом экспериментально заданных зазоров между индуктором и деталью. После закалки и последующего низкотемпературного отпуска при 180±5 С в течение двух часов, детали визуально подвергали проверке на наличие закалочных трещин с использованием оптического прибора - компаратора ИЗА-2.
Газовую цементацию зубчатых колес проводили в среде природного газа с капельным введением в рабочее пространство печи керосина марки Т-6 (ГОСТ 12308-89) при 930±5 С в шахтной печи типа Ц100.
Расход природного газа устанавливали по ротаметру РМФ-063 (ГОСТ 13045-81). Состав отходящих газов определяли на лабораторном химическом газоанализаторе ГХЛ-1 и на хроматографе марки ЛХМ-6МД.
Контроль за скоростью насыщения в процессе цементации осуществляли по образцам-свидетелям, вводимым в рабочее пространство печи через специально предназначенное для этого технологическое отверстие.
По окончании процесса цементации детали подвергали комплексной термической обработке по следующему режиму: закалке от температуры 820±5 С, охлаждение в масле с последующим низкотемпературным отпуском при температуре 180±5 С, охлаждение в масле.
С целью дальнейшего увеличения ресурса зубчатых передач проводили технологическую приработку пар трения с использованием предложенной смазочной композиции, содержащей металлоплакирующую присадку МКФ-18У.
Процесс ионного азотирования экспериментальных зубчатых колес производили на оборудовании фирмы "KLUKNER IONON" в среде 50 % диссоциированного аммиака и 50 % аргона при температуре в рабочей камере 510±5 С и давлении 400 Па, по технологии, предложенной в работе [134]. Ионное азотирование проводили на предварительно термически обработанных деталях по режиму улучшения: закалка от температуры 820±5 С, охлаждение в масле с последующим отпуском при температуре 580±5 С, охлаждение в масле.
Технология упрочнения деталей в плазме тлеющего разряда позволяет участки, не подлежащие обработке, защитить специальными чехлами и лишь затем осуществить азотирование. Вначале защитным чехлом был закрыт один сектор шестерни, а два сектора выдержали в плазме тлеющего разряда в течение 8 часов. После этого закрыли еще один сектор исследуемого зубчатого колеса, и вновь продолжили операцию азотирования в течение 16 часов. Таким-образом, были получены шестерни, у которых один сектор был подвергнут только термической обработке, второй сектор был выдержан в плазме тлеющего разряда в течение 8 часов, а третий - в течение 24 часов. Схематическое изображение зубчатой передачи с передаточным отношением равным единице, показано на рисунке 13.
В дальнейшем такая схема зацепления в зубчатой передаче была использована при усталостных испытаниях на контактную выносливость.
Под усталостью понимают процесс постепенного накопления повреждений в материале детали под действием переменной нагрузки, приводящей к образованию и развитию трещин, а в дальнейшем и к разрушению детали. Поэтому испытания на усталость являются разрушающими. При этом характер разрушения должен соответствовать эксплуатационному, что определяет основное качество испытаний на усталость - их достоверность, которая обеспечивается тем, что при испытаниях воспроизводится фактическое напряженное состояние испытуемой детали и прилагаемые к ней нагрузки. Также испытания на усталость дают возможность ускоренного получения информации о долговечности детали, что достигается за счет уплотнения во времени режима нагружения.
В практике испытаний на усталость при изгибе зубчатых колес наиболее распространены универсальные машины с гидропульсатором типа ZDM-100Pw. Машина позволяет осуществлять статическую нагрузку на образец до 100 т и пульсирующую до 50 т. Пульсирующая нагрузка прикладывается с частотой 300, 600 и 750 циклов в минуту. Габариты машины позволяют производить ис I пытания на растяжение образцов длиной от 150 до 500 мм, на сжатие высотой: .до 400 мм и на изгиб - пролетом от 50 до 1200 мм.
Для этого зубчатые колеса устанавливали на оси в корпусе, который ф-ж=э_лс-сировали на станине испытательной машины, и нагружали зубья пуансонад іпи. Зубчатые колеса испытывали до излома при частоте нагружения 750 циклоз"с=& в минуту. Долговечность детали определяется количеством циклов нагруже-fc—ш ия от начала испытания до момента, когда трещина достигает середины зуба.
Для испытаний секторов зубчатых колес (рисунок 14) использовали c mzre-циальное приспособление, показанное на рисунке 15. Сектора устанавливахиг э: в приспособлении с помощью упоров и опорных клиньев и центрировали по гг си машины. В процессе испытаний пульсирующая нагрузка с частотой 600 циіс з—сов в минуту от рабочего цилиндра через шаровую опору передается на пуавс-сі он приспособления, которое позволяет осуществлять циклическую нагрузку на, «образец до 35 т. Количество циклов нагружения от начала испытания до момез эста, когда трещина достигает середины зуба, принимали за долговечность.
Влияние структуры и состава цементованного слоя на работоспособность тяжелонагруженных зубчатых колес
Правильный выбор вида поверхностного упрочнения для зубчатых колес, используемых в тяжелонагруженных зубчатых передачах, играет важную роль для обеспечения их надежности. В настоящее время в отечественной практике наряду с широко известными видами термической и химико-термической обработки, все большее распространение получают методы ионного азотирования. В наиболее тяжелых условиях эксплуатируется зубчатая передача бурового насоса УНБ-600, серийно выпускаемого ОАО «Уралмашзавод», поэтому традиционные способы упрочнения рабочей поверхности не обеспечивают значительного повышения долговечности. Вследствие этого для увеличения ресурса зубчатого зацепления было предложено в качестве его окончательной обработки использовать технологию ионного азотирования на оборудовании фирмы "KLOKNERIONON".
Среди основных преимуществ метода ионного азотирования следует считать существенное повышение контактной выносливости сталей за счет форми 101 рования в поверхностных слоях специального нитридного покрытия заданной толщины и регулируемого фазового состава. Это позволяет для конкретных условий эксплуатации разработать свой собственный технологический процесс насыщения, обеспечивающий заданные параметры защитного слоя. Кроме того, относительно низкие температуры процесса сохраняют исходную твердость стали, полученную в результате улучшения, и уменьшают возможное коробление, что исключает необходимость дополнительной механической обработки.
Процессу азотирования предшествует процесс термической обработки, состоящий в закалке и последующем высоком отпуске, который полностью устраняет остаточные напряжения, возникшие при закалке. С повышением температуры отпуска происходит изменение структуры материала, не связан-ное с фазовыми превращениями, в ходе которого интенсивно протекает процесс коагуляции и сфероидизации частиц цементита, имеющего форму тонких пластин. При температуре отпуска, превышающей температуру последующего азотирования, структура стали представляет собой сорбит - ферритно-цементитную смесь с зернистой формой цементита. Изменение структуры при отпуске вызывает изменение и механических свойств закаленной стали. Наличие включений цементита препятствует скольжению дислокаций под воздействием внешних сил, что создает более дефектную структуру и повышает плотность дефектов ферритно-цементитных смесей. Чем больше включений цементита и чем меньше они по размеру, тем сильнее они препятствуют перемещению дислокаций. Поэтому с повышением температуры отпуска твердость (HRC) и прочность (&в) стали понижаются, а пластичность (8) и вязкость (KCU) повышаются.
Повышение допустимых нагрузок для колес тяжелонагруженных зубчатых передач заключается не только в повышении прочности поверхностного слоя, но и в выборе оптимальных механических свойств сердцевины. При низких значениях твердости сердцевины колеса более твердый поверхностный слой продавливает вязкую основу, вследствие чего повышается вероятность
102 выкрашивания и отслаивания тонкого азотированного слоя. При высоких значениях твердости сердцевины под воздействием ударной нагрузки может иметь место поломка зуба. В случае, когда материал сердцевины соединяет высокие прочностные свойства с достаточной пластичностью и вязкостью, упрочненный поверхностный слой повышает как контактную выносливость зуба, так и высокое сопротивление ударным нагрузкам.
С целью выбора оптимального сочетания свойств азотированного поверхностного слоя и более вязкой сердцевины зубчатого колеса были проведены стендовые испытания рабочих поверхностей зубьев на контактную выносливость. В качестве исследуемых использовались зубчатые колеса из стали 34ХН1М с модулем т = 10 мм, числом зубьев z = 25 и шириной венца Ь ь = 359 мм, для которых было выбрано два режима предварительной термообработки. В первом случае применялся оптимальный режим улучшения для крупномодульных зубчатых колес при котором температура отпуска составила 580±5оС, во втором случае температура отпуска была понижена до 540±5 С. Полученные при этих режимах термообработки значения механических свойств стали показаны в таблице 12.
Стендовые испытания на контактную выносливость активных профилей зубьев являются весьма продолжительными по времени, так как необходимо оперировать величинами порядка 105 - 107 циклов нагружения. Поэтому с целью сокращения количества опытов было предложено разбить шестерни на 3 сектора (с приблизительно равным числом зубьев), и для каждого сектора установить свое время последующей операции ионного азотирования. Технология упрочнения деталей в плазме тлеющего разряда позволяет участки, не подлежащие обработке, защитить специальными чехлами и лишь затем осуществить азотирование. Ионное азотирование экспериментальных зубчатых колес проводили в азотоводородной атмосфере с добавлением аргона (не более 25 ±5 объемных %) при температуре в рабочей камере
Повышение работоспособности зубчатых колес методом ионного азотирования
Следует отметить, что гамма-процентные показатели характеризуют дол говечность определенного числа процентов изделий данного типа. Назначен ный ресурс определяется как наработка изделия, при достижении которой экс плуатация его должна быть прекращена независимо от технического состояния изделия. Этот ресурс назначается в технической документации с учетом безо пасности и экономичности. А срок службы изделия - это время эксплуатации машины и ее элементов до возникновения предельного состояния, оговоренно го в технической документации, или до списания. Показатели ресурс и срок службы имеют много общего, так как они определяются одним и тем же пре дельным состоянием, однако существенно отличаются один от другого. При одном и том же ресурсе может быть различный срок службы в зависимости от интенсивности эксплуатации изделия.
Предложенный алгоритм выбора показателей долговечности мы можем использовать в ходе эксперимента по оценке изнашивания деталей тяжелона-груженной зубчатой передачи в условиях контактного нагружения. Поскольку зубчатые колеса эксплуатируются по фактическому техническому состоянию и являются изнашиваемыми изделиями неремонтируемыми капитально, то в соответствии с таблицей 16 показателем долговечности для данного типа изделий является средний ресурс изделия до списания (Тр.ср.сп).
Показатели долговечности представляются в двух определениях: статистических (выборочные оценки) и вероятностных. Поскольку статистические определения показателей получаются в результате испытаний на надежность, статистическая форма представления показателей удобна при экспериментальном исследовании надежности, а вероятностная - при аналитических расчетах. Методику расчета показателей надежности выбирают в соответствии с ГОСТ 27.301 - 95 «Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положе 119 ния» [159]. В нашем случае используется вероятностный метод расчета типовых деталей машин по критерию износа, так как зубчатые колеса относятся к изнашиваемым изделиям.
Изнашивание рабочих поверхностей деталей зубчатой передачи приводит к потере геометрии сопряжения и повышению амплитуды переменных нагрузок. Все это нарушает установленный режим работы контактной пары и способствует развитию усталостного разрушения основных элементов зубчатого зацепления, вызывая, в конечном счете, поломку зубьев. И здесь необходимо учитывать, что даже поломка одного зуба неминуемо влечет за собой разрушение остальных, что нередко определяет надежность и долговечность всего изделия в целом.
Анализ повреждаемости зубчатых колес показывает, что для них преждевременный выход из строя обусловлен главным образом процессами, происходящими в поверхностных слоях зубьев. Именно здесь происходит первичное накопление различных объемных и структурных дефектов, способствующих интенсивному изнашиванию и развитию явлений контактной усталости, что резко снижает несущую способность всего изделия в целом. Все это необходимо тщательно учитывать при определении ресурса работы деталей, испытывающих во время эксплуатации различные контактные динамические взаимодействия. Для таких условий применение сталей и сплавов только с объемным упрочнением проблему долговечности в полной мере решить не может [160]. Повышение работоспособности зубчатых колес можно достичь за счет различных способов упрочнения поверхности, при использовании которых происходит не только возрастание твердости приповерхностных слоев, но и формирование в них остаточных напряжений сжатия.
Известно, что для конструкционных улучшаемых сталей чем больше твердость, тем выше сопротивление контактной усталости, причем отношение пре-дела контактной выносливости (о ) при числе циклов нагружения N = 10 к твердости поверхности (HRC) является постоянной величиной [161]: 120 сІг = к HRC (13) где к - коэффициент, зависящий от твердости и вида упрочняющей поверхностной обработки;
Например, ГОСТ 21354-87 для цементованных (нитроцементованных) сталей с поверхностной твердостью 58 -г 62 HRC устанавливает предел контактной выносливости на уровне 23 HRC. Таким образом, долговечность пар трения будет определяться не только правильным выбором материала детали, но и рациональным применением различных технологий, повышающих поверхностную твердость, например, путем химико-термической обработки (ХТО). В процессе ХТО за счет диффузионного насыщения различными элементами можно в широких пределах изменять химический состав, структуру и свойства поверхностного слоя. Однако, как показывает практика, поверхностная твердость деталей должна быть оптимальной для данного сопряжения, так как в противном случае возрастают удельные давления в зоне контакта. При этом возможно повреждение поверхностей как из-за прижогов или задиров, так и из-за попадания крупных частиц (продуктов износа) между трущимися парами. В результате возрастает износ во время приработки, ее общее время и, как следствие, уменьшается ресурс пары трения.
Время наработки неремонтируемых изделий до предельного состояния устанавливается по результатам специальных испытаний или определяется непосредственным обследованием его состояния в процессе эксплуатации. Второй способ более надежен; но весьма трудоемок, поэтому для расчета вероятности безотказной работы объекта в течение определенного времени как правило используют результаты стендовых испытаний.
Для оценки изнашивания деталей в ходе эксперимента можно использовать функциональную зависимость вероятности безотказной работы изнашиваемой детали от времени ее работы. Эта зависимость была получена на основе модели формирования постепенного отказа, предложенной А.С. Прониковым [162], основным расчетным параметром которой является скорость изнашивания
