CC BY
127
Известия ТулГУ. Технические науки. 2019. Вып. 6 MATERIALS APPLIED IN THE PRODUCTION OF ROLL BEARINGS I.A. Stakhanova, A. V. Kutuzova, A.D. Gusev
The work uses the basic materials used in the manufacture of rolling bearings. The requirements for bearing materials, the advantages and disadvantages of such materials are given. A classification of rolling bearings is presented.
Key words: bearing, material, friction, rolling, steel, alloys, strength, ball, roller, separator, ring.
Stakhanova Iana Aleksandrovna, student, tsngsIisagmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Kutuzova Anna Vladislavovna, student, tsngs I isagmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Gusev Andrei Dmitrievich, student, tsngs I isa gmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.8
ОСОБЕННОСТИ ПОВРЕЖДЕНИЯ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ГТД
Т.В. Шеховцева, Е.В. Шеховцева
Рассматриваются основные несоответствия рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес, такие, как износ, усталостная поломка зубьев, отслаивание, процесс заедания и питтинг. Данные повреждения приводят к отказам в работе зубчатых передач в процессе эксплуатации приводов газотурбинных двигателей. Специфика повреждений зубчатых соединений рассмотрена с учетом усталости материала шестерен и условий работоспособности в зоне контакта. Подробно изучены этапы эволюции контактного выкрашивания и причины его появления на рабочих поверхностях зубчатых колес в зоне контакта. Проанализированы условия изготовления и сборки зубчатых колес, влияние нагрузок в зубчатом зацеплении и условия смазки на природу появления и развития повреждений на рабочих поверхностях зубьев зубчатых колес. Установлено, что этап приработки благоприятно влияет на контактную выносливость зубчатого соединения. Отмечена взаимосвязь появления и развития одного повреждения от другого с изменением геометрии зацепления.
Ключевые слова: зубчатое колесо, рабочая поверхность, износ, усталостная поломка, отслаивание, заедание, контактное выкрашивание.
Зубчатые колеса приводов газотурбинного двигателя (ГТД) являются наиболее распространенным видом соединения для передачи крутящего момента в изделиях авио- и машиностроения. За время использования как с учетом изменения конструкций, так и режимов эксплуатации передач определены основные наиболее типичные виды повреждения зубчатых колес, являющиеся причинами выхода из строя зубчатых передач или приводящие к резкому изменению условий эксплуатации и способствующие, в конечном счете, разрушению деталей.
406
Следует отметить, что повреждения рабочих поверхностей зубчатых передач является результатом превышения допустимых локальных нагрузок в зоне контакта. При проектировании зубчатых передач следует учитывать характеристики конструкционных материалов зубчатых колес.
Основные категории повреждений рабочих поверхностей зубчатых колес приводов ГТД представлены в таблице.
Виды повреждений рабочих поверхностей профиля и зубьев
№ п/п Повреждение Вид повреждения
1 Износ Непрерывный износ
2 Усталостная поломка зубьев Усталость материала
3 Отслаивание
4 Царапины, задиры Контакт металла по металлу (заедание)
5 Выкрашивание контактное (питтинг) Усталость материала
Основная часть. Износвызывает искажение эвольвентного профиля зуба и может привести к существенному ослаблению ножки зуба. Искажение профилей (рис. 1) вызывает возрастание динамических нагрузок и напряжений у основания зуба, а также снижение изгибной прочности зубьев. Следует отметить, существенное влияние на износ рабочих поверхностей зубьев шероховатости. Если микротвердости на активных поверхностях зубьев превышают толщину масляного слоя, то происходит непосредственное соприкосновение активных поверхностей зубьев. Интенсивный начальный износ носит наименование приработочного износа. По мере сглаживания поверхностей зубьев износ уменьшается и может совсем прекратиться. Продолжительность приработочного износа существенно зависит от твердости активных поверхностей зубьев. Для передач с высокой твердостью этот процесс может быть весьма длительным. Износ преимущественно наблюдается при низких окружающих скоростях и при смешанной или граничной смазке.
Рис. 1. Износ рабочих поверхностей зубьев
407
При проектировании зубчатых передач можно предусмотреть мероприятия, позволяющие существенно уменьшить величину износа зубьев: применение колес с высокой твердостью активных поверхностей зубьев, в том числе колес с твердыми поверхностями зубьев; правильные подбор и осуществление смазки; выбор геометрии зацепления, при которой достигается уменьшение скорости скольжения зубьев; уменьшение шероховатости поверхностей зубьев; постановку уплотнений, предупреждающих попадания в смазку абразивных частиц, и постановку фильтров для очистки масла при циркуляционной смазке.
С увеличением частоты вращения повышаются требования к точности изготовления и установке зубчатых передач. В противном случае происходит увеличение износа зубьев. В нереверсивных передачах необходимо осматривать нерабочую поверхность зубьев, потому что на ней могут проявляться ошибки изготовления или монтажа. Например, из-за малого бокового зазора на обратной поверхности зуба могут появиться следы контакта (рис. 2).
Рис. 2. Пятно контакта на нерабочей поверхности зубьев
Усталостная поломка зубьев происходит в результате значительного их износа. Образование усталостной трещины происходит у основания зуба, а ее рост реализуется в глубину материала и на всю длину зуба до потери им несущей способности (рис. 3). В зависимости от конструкции передачи и характера ее работы может разрушаться лишь часть зубьев [1]. С учетом сопряжения деталей и напряженного состояния в материале зуба трещина может распространяться от основания зуба под углом, поднимаясь к его вершине. Такое разрушение возникает у деталей с повышенной высотой зуба, а также в косозубых и шевронных передачах. Основной причиной разрушения является возникновение усталостных трещин из-за воздействия динамических ударов на зуб в обычных условиях эксплуатации, вызывающих его изгибные деформации.
Причиной поломки зубьев передач может стать также резкое завышение нагрузки на зуб вследствие увеличения момента вращения, нарушения режима работы кинематической цепи механизма, использование его в недопустимых режимах эксплуатации. В этих условиях потеря зубом изги-бной прочности приводит к отделению как одного, так и нескольких зубь-
408
ев. Аналогичное разрушение может возникнуть при ударных нагрузках из-за недостаточной ударной вязкости материала. В таких случаях повреждения могут быть весьма существенными.
Рис. 3. Локальный излом зубьев
Отслаивание поверхностных слоев зубьев наблюдается в тех случаях, когда под упрочненным поверхностным слоем величина приведенных контактных напряжений достаточно велика [1]. В результате периодического действия глубинных напряжений под упрочненным слоем могут возникнуть усталостные трещины, развитие которых и приводит к отслаиванию отдельных участков поверхностного упрочненного слоя. Этот вид разрушения наиболее опасен для колес, зубья которых подвергнуты поверхностному упрочнению (поверхностной закалке, нитроцементации, ионному азотированию, и т. д.). Возможность появления отслаивания существенно зависит от соотношения толщины упрочненного слоя и величины приведенного радиуса кривизны соприкасающихся зубьев.
Образование царапин и задиров на вершинах и ножках зубьев (рис. 4) наблюдается в основном при использовании окружных скоростей от средних до высоких и в зацеплениях с упрочненной поверхностью. Высокая скорость скольжения контактных поверхностей разрушает мельчайшие металлические соединения, вызывая образования царапин и задиров -это процесс заедания.
Рис. 4. Царапины и задиры на эвольвенте зуба
409
Следствием процесса заедания являются царапины и задиры поверхности, а также изнашивание деталей. Заедание - это сложный многофакторный процесс с весьма опасными явлениями, снижающими надежность и долговечность механизмов [2, 3]. На стойкость заедания будут оказывать влияние свойства поверхностных слоев материала деталей три-босопряжений, давление, скорость скольжения, температура, а также характеристики смазочных и конструкционных материалов, смазочная способность масла или смазки, образующиеся при трении поверхностные структуры и ряд других факторов. Существование при работе сопряжения стойкой регенерирующей смазочной пленки в значительной мере определяет задиростойкость зубчатых передач.
Периодические контактные взаимодействия, сближение шероховатых поверхностей деталей под высокими нагрузками, тепловые эффекты при трении вызывают десорбцию и разрушение граничных смазочных слоев. Такой процесс может проходить в локальных точках на пятне контакта. С ростом давления и температуры зоны разрушения увеличиваются в размерах и объединяются. Процесс может иметь лавинообразный, ускоренный характер, приводящий к касанию вершин микронеровностей деталей на обширных площадях контакта, что приводит к возрастанию адгезии контактирующих материалов, кратковременному свариванию, вырыву крупных фрагментов материала. Внешне это проявляется в образовании на гладких поверхностях деталей крупных борозд, в изменении цвета поверхностей, налипании и переносе материала с поверхности на поверхность (рис. 5). При этом резко увеличиваются коэффициент трения, температура, уровень автоколебаний в узле.
Рис. 5. Поверхность при заедании
Мерами борьбы с заеданиями являются: применение модифицированной геометрии зубьев, при которой достигается уменьшение скорости скольжения; повышение вязкости смазки; применение противозадирных присадок и диффузионных сернистых покрытий; увеличение твердости активных поверхностей зубьев.
Контактное выкрашивание (питтинг) - это ключевая причина разрушения зубчатого зацепления приводовГТД. Питтинг возникает под действием многократных повторных поверхностных контактных напряжений. Характеризуется вырывом металла и образованием раковин на рабочих поверхностях зубьев зубчатых колес.
Развитие питтинга происходит без резких внешних проявлений, выявляющихся лишь на его последних стадиях. Так, ровный звуковой фон работы зацепления при возникновении питтинга переходит в чередование периодических резких звуковых тонов, которые учащаются с появлением усиленных вибраций и ударов. При этом на рабочей поверхности детали появляются крупные осповидные кратеры (рис. 6).
Рис. 6. Следы питтинга на рабочей поверхности зубьев
На начальной стадии питтинга на фоне гладкой стальной поверхности могут появляться периодические светло- или темно-серые, а иногда черно-коричневые пятна, являющиеся признаком скорого выхода из строя детали [4-6]. В начальные периоды работы сопряжений на поверхности деталей могут появиться также отдельные небольшие ямки усталостного выкрашивания, которые в дальнейшем не приводят к прогрессирующему обширному выкрашиванию, а сохраняются длительное время на общем гладком фоне поверхности. Такие локальные выкрашивания образуются научастках с повышенными контактными давлениями, возникающих из-за неприработанного микрорельефа, а также из-за несовершенства структуры материала. Если такие локальные выкрашивания вызваны перекосами, существенными погрешностями сборки и т.п., то локальное выкрашивание может очень быстро перейти в прогрессирующее.
Существуют три стадии развития контактного выкрашивания.
Первая стадия - это микровыкрашивание. Онообусловлено циклическими контактными напряжениями и пластической деформацией микронеровностей контактирующих поверхностей в процессе притирки пар качения. Зарождение микротрещин начинается в выступающих контактирующих поверхностях (выступ, след от инструмента, в месте поверхностного дефекта). В первые сотни циклов нагружения имеет место зарождение микротрещин на поверхности с пластической деформацией микровыступов под действием касательных напряжений с образованием микропустот, в которых зарождаются усталостные трещины. При дальнейшем увеличении числа циклов нагружения происходит развитие усталостных микротрещин в глубь детали, их последующее слияние и выход на поверхность с образованием микрораковин или рисок (рис. 7). Их размер около 1 мкм.
При этом микровыкрашывание не влияет на работоспособность и надежность зубчатых соединений приводов ГТД и может исчезнуть в процессе притирки.
Рис. 7. Микровыкрашивание на рабочей поверхности зубьев
Основным параметром, определяющим развитие микровыкрашивания, является толщина смазочной пленки. Недостаточная вязкость масла вызывает уменьшение толщины смазочной пленки и способствует развитию микровыкрашивания. Увеличение вязкости масла оказывает положительное влияние на толщину масляной пленки и сопротивление развитию микровыкрашивания. Однако избыточная вязкость масла вызывает значительные потери энергии и существенное повышение рабочей температуры.
Вторая стадия - начальное выкрашивание - характеризуется мелкими раковинами диаметром менее 1 мм, глубиной не более 0,7 от полуширина площадки контакта. Начальное выкрашивание вызвано неравномерным распределением нагрузки по длине контактной линии, в зоне расположения дефектов металла или упрочняющей обработки.
Как правило, отдельные раковины при начальном выкрашивании располагаются вдоль прямой линии в одной локализованной зоне на рабочей поверхности (рис. 8). В случае устранения неравномерного контакта дальнейшего роста выкрашивания не происходит. Ямки выкрашивания, развитие которых было приостановлено после приработки (сглаживание вершин гребней шероховатости), не получают дальнейшего развития в связи с более равномерным распределением нагрузки.
Третья стадия - это прогрессирующее выкрашивание. Оно развивается по мере увеличения срока эксплуатации зубчатой пары. Оно характеризуется непрерывным увеличением повреждения рабочих поверхностей зубчатых колес, уменьшением размеров контактных площадок и ростом нагрузок на них. Прогрессирующее выкрашивание характеризуется двумя параметрами: площадью повреждений и глубиной ямок выкрашивания. Если контактное выкрашивание вызвано существенными погрешностями сборки, перекосами в процессе работы и т.д., то начальное выкрашивание может очень быстро перейти в прогрессирующее (рис. 9) и привести к разрушению зубчатого зацепления.
Рис. 8. Начальное выкрашивание на рабочей поверхности зубьев
Рис. 9. Разрушение рабочей поверхности
Питтинг является одним из проявлений усталостного повреждения, поэтому для него характерно появление и развитие первичных трещин. Направление таких трещин происходит под некоторым углом к поверхности, определяемым касательными напряжениями и фрикционными свойствами деталей передачи [7].
В процессе выкрашивания существенную роль играют смазка и кинематика передачи. Масло, проникая в мельчайшие трещины, возникающие на поверхности зуба в результате усталости, углубляет их, и частицы материала откалываются. Поверхность зуба становится неровной, что ведет к возрастанию удельных давлений и к дальнейшему разрушению поверхности. С увеличением вязкости масла повышается сопротивляемость поверхностного слоя, так как уменьшается трение, и вязкой смазке труднее проникать в микротрещины.
При движении с трением микротрещины, образующиеся на поверхностном слое, наклонены к поверхности. Зубья обкатываются и скользят один по другому. Если направление скорости качения иК и скольжения совпадают (рис. 10, а), то при приближении зоны контакта к микротрещине силы трения сдвигают металл так, что масло вдавливается в трещину, а трещина прикрывается. После того, как зона контакта минует микротрещину, силы трения будут способствовать ее раскрытию, но масло при пониженном давлении проникает внутрь слабо. Если скорости качения иКи
скольжения иС направлены в противоположные стороны (рис. 10, б), силы трения раскрывают микротрещину в области высокого давления, причем устье трещины направлено навстречу масленой волне, что ведет к интенсивному проникновению сжатого высоким давлением масла в глубину поверхностного слоя и откалыванию частиц материала. Направления скоростей качения и скольжения совпадают в головках зубьев и противоположны в ножках, то есть условия работы ножек на выкрашивание менее благоприятны.
Рис. 10. Влияние смазки на развитие усталостных трещин
Увеличение чистоты рабочих поверхностей зубьев, обильная подача смазки нужной консистенции и вязкости с образованием масляной пленки достаточной толщины замедляют процесс развития контактного выкрашивания.
Таким образом, формируется ряд базовых аспектов: появление и развитие повреждений рабочих поверхностей зубчатых колес:
1. Зарождение микротрещин на глубине в местах действия наибольших касательных напряжений при циклическом воздействии контактных нагрузок.
2. Развитие трещин и их слияние с последующим выкрашиванием крупных частиц материала с поверхности, имеющей дефекты изготовления или сборки и эксплуатации.
3. Этап приработки повышает питтингостойкость.
4. Смазка оказывает особое влияние на контактную прочность и износостойкость сопрягаемых рабочих поверхностей.
Смазка в процессе появления и развития повреждений является решающим фактором. Она, проникая в микротрещины на поврежденной поверхности, углубляет их, вырывая частицы металла, нарушая целостность поверхности зубьев. Следовательно, возрастает удельное давление в зоне контакта деталей с последующим разрушением поверхности. Вязкость масла прямо пропорционально влияет на сопротивляемость поверхностного слоя деталей в зоне контакта деталей.
а
б
Заключение. Рассмотренные процессы повреждения зубчатых колес ГТД могут быть зависимы один от другого и вызваны друг другом, что подчеркивает необходимость их всестороннего исследования при моделировании режимов их проявления в реальных узлах с использованием новых конструкционных и смазочных материалов. Постепенно нарастающий износ деталей передачи может вызвать зарождение и развитие поверхностных трещин, переходящих в питтинг. Увеличение момента сопротивления вращению в условиях заедания способно привести к снижению изгибной прочности зубьев. Прогрессирующее изнашивание и питтинг, изменяющие геометрию зацепления, также способны инициировать заедание.
Список литературы
1. Производство зубчатых колес газотурбинных двигателей: Про-изв.-практ. издание / Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов, И.П. Нежурин [и др.]; под ред. Ю.С. Елисеев. М.: Высш. шк., 2001. 493 с.
2. Елисеев Ю.С. Некоторые основные причины заедания зубчатых передач. М.: Машиностроитель, 1997. № 9. С. 5.
3. Гусарский Б.Э. О характерных чертах модели блока, модифицированного для сопряженных зубчатых колес реальных размеров // Вестник машиностроения. 2002. № 5. С. 32-36.
4. Курапов П. А. Усталостная прочность поверхности твердых тел в активной среде // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1999. № 3.С. 51-53.
5. Игнатищев Р.М. Зубчатые передачи. Питтинг. Формулы для ориентировочной оценки уровня повышения приведенных кривизн // Вестник машиностроения. 2005. № 9. С. 59-61.
6. Игнатищев Р.М. О неиспользуемых существенных резервах повышения долговечности, надежности и точности проетирования зубчатых передач // Вестник машиностроения. 2004. № 4. С. 30-32.
7. ФарковГ.С., СкрачковскийГ.Г., ФарковА.Г.Расчет зубчатых передач на контактную прочность // Вестник машиностроения. 2003. № 12. С. 19-21.
Шеховцева Татьяна Владимировна, канд. техн. наук, начальник отдела нормативной документации, tanyha_fischburg@,mail.ru, Россия, Рыбинск, РГАТУ имени П.А. Соловьева,
Шеховцева Евгения Владимировна, канд. техн. наук, эксперт по приводам, evgeniya.shehovtseva@uec-saturn.ru, Россия, Рыбинск, ПАО ««ОДК-Сатурн»
THE FEATURES OF WORKING SURFACES DAMAGES OF GEARS IN A GAS TURBINE
ENGINE
T.V. Shehovtseva, E.V. Shehovtseva 415
The article deals with the main non-conformities of gears working surfaces, such as wear, fatigue failure of teeth, peeling, the process of jamming and pitting. These damages lead to the failures in the operation of gears during the gas turbine engine drives exploitation. The specificity of gear joints damage is considered taking into account the fatigue of gear material and working conditions in contact zone. The stages of contact pitting evolution and the reasons of its appearance on gears working surfaces in contact zone are studied in detail. The conditions of manufacture and assembly of gears, the influence of loads to the gears and the lubrication conditions to the nature of the appearance and development of damage on the working surfaces of the gears teeth were analyzed. It was found that the wearing-in stage has a positive effect to the contact endurance of gear connection. The appearance and development interrelation from one damage to another with change of engagement geometry is noted.
Key words: gear, working surface, wear, fatigue failure, peeling, jamming, contact
pitting.
Shehovtseva Tatiana Vladimirovna, candidate of technical sciences, the head of the department of normative documentation, tanyha fischhiirgamail.ru, Russia, Rybinsk, RGATU named after P.A. Solovyov,
Shehovtseva EvgeniyaVladimirovna, candidate of technical sciences, drives expert, shev-2005a mail.ru, Russia, Rybinsk, PJSC UEC-Saturn
УДК 534.1
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВИБРАЦИОННОГО МЕХАНИЗМА С ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
СРЕДОЙ
С.Л. Заярный, М.А. Щеглов, И.Н. Кириллов
Рассмотрены реологические аспекты взаимодействия вибрационного механизма и технологической среды. Определена необходимость учета такого взаимодействия при составлении и анализе математической модели. Составлена функциональная и математическая модели вибрационного механизма с трубчатой пружиной.
Ключевые слова: вибрационный механизм, технологическая среда, взаимодействие, трубчатая пружина.
Вибрационные механизмы (ВМ) представляют собой сложные динамические системы, включающие в себя: рабочий орган, привод, источник энергии и технологическую нагрузку. При этом для каждого частного случая реализации ВМ необходимо определять оптимальные режимы его работы. Поэтому задача создания высокоэффективных ВМ требует анализа их взаимодействия с технологической средой под нагрузкой, которую они приводят в движение, деформируют и изменяют состояние. Технологическая среда (ТС) оказывает сопротивление воздействию ВМ, поглощая передаваемую ей энергию на перестройку своей структуры. Оказывая дисси-пативное воздействие, она изменяет также поведение самой ВМ. Таким образом, оценивая аналитическими и экспериментальной методами поведение ВМ, возможно определение качественных и количественных характеристик процессов взаимодействия ВМ и ТС.
