CC BY
2d ) https://dx.doi.org/10.36522/2181-9637-2022-3-3 UDC: 620.17
ВЫБОР МАТЕРИАЛА ЗУБЬЕВ ШЕСТЕРЕН НА ОСНОВЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ
Иргашев Амиркул Иргашевич,
доктор технических наук, профессор, ORCID: 0000-0002-7826-1687, e-mail: irgashevamirkul@mail.ru;
Иргашев Бехзод Амиркулович,
доктор философии по техническим наукам (PhD), ORCID: 0000-0001-9654-5547, e-mail: irgashev_begzod@mail.ru
Ташкентский государственный технический университет им. Ислама Каримова
Аннотация. В статье рассмотрена методика выбора материала зубьев шестерен на основе износосостойкости. В ней также учитываются твердость, количество циклов нагружения, приводящих к разрушению деформированного слоя материала на поверхности трения, соотношение твердости материала шестерен и прочности абразивных частиц, находящихся в клиновидном зазоре зубьев. Установлены закономерности изменения скорости изнашивания и ресурса, открытых и закрытых зубчатых передач, с участием и без участия абразивных частиц в процессе изнашивания зубьев шестерен, в зависимости от модуля зацепления и вида упрочняющей обработки поверхности, при объемной закалке, закалке током высокой частоты и цементации.
Ключевые слова: материал зубьев шестерен, износостойкость, твердость, прочность абразивных частиц, открытые и закрытые зубчатые передачи, модуль зацепления, объемная закалка, закалка током высокой частоты, цементация.
ШЕСТЕРНЯ ТИШЛАРИ МАТЕРИАЛИНИ ЕЙИЛИШГА БАРДОШЛИЛИГИ АСОСИДА ТАНЛАШ
Иргашев Амиркул Иргашевич,
техника фанлари доктори, профессор;
Иргашев Бехзод Амиркулович,
техника фанлари буйича фалсафа доктори (PhD)
Ислом Каримов номидаги Тошкент давлат техника университети
Введение
К свойствам материалов, влияющим на износостойкость зубьев шестерен, относят их твердость, количество циклов нагружения, приводящих к разрушению деформированного слоя материала на поверхности трения, и соотношение твердости материала шестерен и прочности абразивных частиц, находящихся в клиновидном зазоре зубьев [1-12]. Полученные аналитические зависимости для расчета скоростей изнашивания зубьев шестерен показывают, что наибольшее влияние на износостойкость зубьев оказывает твердость материала, зависящая от состава, количества легирующих элементов в стали и режимов их термической обработки.
Целью данной статьи является установление закономерности изменения скорости изнашивания и ресурса, открытых и закрытых зубчатых передач, с участием и без участия абразивных частиц в процессе изнашивания зубьев шестерен, в зависимости от модуля зацепления и вида упрочняющей обработки поверхности - объемной закалке, закалке током высокой частоты и цементации.
Материалы и методы
Результаты исследований получены на основе теоретических и практических положений технологии машиностроения; теории упругости и пластичности; теории трения и износа с учетом динамики зубчатой передачи, а также теории планирования эксперимента и статистической обработки данных. Экспериментальные исследования проводились в стендовых условиях на действующем оборудовании с использованием оригинальных методик и современной измерительной аппаратуры высокой точности.
Результаты исследования
Количество циклов нагружения, приводящих к разрушению деформированного слоя поверхности трения зубьев шестерен, зависит от коэффициента упругости и фрикционной усталости материала [2-5]. С повышением коэффициента относительного удлинения материала увеличивается количество циклов, приводящих к разрушению материала, износостойкость поверхности трения зубьев шестерен растет в зависимости от твердости. Повышение твердости зубьев шестерен, соотношение твердости материала шестерен и прочности абразивных частиц приводит к снижению скорости изнашивания зубьев [1].
Анализ полученных результатов, приведенных в таблице 1, показывает, что повышение твердости зуба шестерен в 1,86 раза (с 35 до 65 НRC) приводит к повышению износостойкости зубьев с участием абразивных частиц в 4,9 раза, когда как, если процесс изнашивания происходит в тех же условиях, но в процессе изнашивания не участвуют абразивные частицы, снижение скорости изнашивания зубьев составляет 2,06 раза.
Это объясняется тем, что при трении объем деформированных абразивными частицами поверхностей во столько же раз больше, что и при объеме деформации поверхностей трения выступами шероховатостей, участвующих в процессе изнашивания [4].
Аннотация. Мацолада тишларнинг ейилиш бардошлиги асосида шестернялар учун материал танлаш услубияти куриб чицилган. Очиц ва ёпиц тишли узатмаларнинг ейилиш тезлиги ва ресурсининг узгариш цонуниятлари шестерня тишларининг ейилиш жараёнида абразив зарра-чаларнинг иштироки ва иштирокисиз, илашиш модули ва сиртга мустащамловчи ишлов бериш тури, цаттицлиги, ишцаланиш сирти материа-лининг деформацияланган цатлами бузилишига олиб келувчи юкланиш цикллари сони, тишлар-нинг понасимон тирцишида жойлашган абразив заррачалар муста^камлиги, %ажмий тоблашда, юцори частотали ток билан тоблашда ва це-ментациялашда илашиш модули %амда сиртга мустащамловчи ишлов бериш турига боглиц %олда аницланган.
Калит сузлар: шестерня тишлари матери-али, ейилишга бардошлилик, цаттицлик, абразив заррачалар мустащамлиги, очиц ва ёпиц тишли узатмалар, илашиш модули, %ажмий тоб-лаш, юцори частотали ток билан тоблаш, це-ментациялаш.
SELECTION OF GEAR TOOTH MATERIAL BASED ON THE WEAR RESISTANCE
Irgashev Amirkul Irgashevich,
Doctor of Technical Sciences, Professor;
Irgashev Behzod Amirkulovich,
Doctor of Philosophy in Technical Sciences (PhD)
Tashkent State Technical University named after Islam Karimov
Abstract. This article reviews a method for selecting a gear material based on the wear resistance properties of teeth. The approach takes such properties as hardness, number of loading cycles leading the destruction a deformed layer of friction surface material and correlation of hardness of gear material and strength of abrasive particles in wedge-shaped gap of teeth, into account. The research has maintained principles of alteration of the wear rates and service life of open and closed gears, with and without abrasive particles in the process of gear teeth wear, depending on the meshing module and the type of hardening surface treatment, at volume hardening, hardening by current of high frequency and cementation.
Keywords: gear tooth material, wear resistance, hardness, abrasive strength, open and closed gears, meshing modulus, volume hardening, high frequency current hardening, carburizing.
Таблица 1
Изменение скорости изнашивания зубьев шестерен закрытых зубчатых передач в зависимости от твердости и циклов нагружения
Кол-во
циклов, приводящих к разрушению 35HRC n = 14,93 p ' 40HRC n = 17,4 p 45HRC n = 19,95 p 50HRC n = 22,58 p 55HRC n = 25,29 p 60HRC n = 28,06 p 65 HRC n = 30,9 p
с участием абразивных частиц, модуль зацепления 0,001 м
Головка зуба 6,2 • 10-8 7,1 • 10-8 2,49 • 10-8 2,83 • 10-8 1,42 • 10-8 2,02 • 10-8 1,27 • 10-8
Ножка зуба 5,24 • 10-8 6,51 • 10-8 2,28 • 10-8 2,6 • 10-8 1,3 • 10-8 1,85 • 10-8 1,16 • 10-8
без участия абразивных частиц, модуль зацепления 0,001 м
Головка зуба 1,57 • 10-8 1,36 • 10-8 1,180 • 10-8 1.04 • 10-8 0,93 • 10-8 0,84 • 10-8 0,761 • 10-8
Ножка зуба 1,37 • 10-8 1.18 • 10-8 1,026 • 10-8 0,91 • 10-8 0,81 • 10-8 0,73 • 10-8 0,662 • 10-8
Согласно данным, полученным из литературных источников, в тех же пределах твердости поверхностей количество циклов деформации, приводящее к разрушению деформированной абразивными частицами и выступами шероховатости поверхностей трения, увеличивается в 2,07 раза [4].
Исходя из износостойкости материала ведущего и ведомого зубчатого колеса, в целях выравнивания их нормативного ресурса в зависимости от геометрических и кинематических параметров зубчатого зацепления (передаточного отношения, частоты вращения, радиусов кривизны зацепляемых зубьев шестерен, степени относительного проскальзывания) требуется определение необходимой твердости зубьев шестерен, обеспечивающих их износостойкость и ресурс в условиях эксплуатации [7].
Для расчета скорости изнашивания зубьев при нормативном ресурсе зубчатого колеса умножили обе части выражения и получили зависимость для расчета предельного износа зубьев, которая учитывает сумму износов с участием и без участия абразивных частиц в масле агрегата.
Если отношение скоростей изнашивания зубьев ведущей и ведомой шестерен равны, в этом случае зубья зацепляемых шестерен имеют одинаковую износостойкость и ресурс, т. е. при ремонте агрегатов машин с зубчатыми колесами они по при-
чине износа заменяются одновременно. Когда в скоростях изнашивания зубьев зацепляемых шестерен имеется разница в величине износа, эта шестерня имеет остаточный ресурс [6, 10].
В открытой зубчатой передаче в скоростях изнашивания головки и ножки зубьев ведомого зубчатого колеса наблюдается такая же закономерность изнашивания, как и на головке и ножке зубьев закрытых зубчатых передач [10].
В случаях с открытой и закрытой зубчатой передачи зубчатые колеса имеют одинаковые геометрические, кинематические параметры и механические свойства, если процесс изнашивания зубьев шестерен происходит без участия абразивных частиц, то скорость изнашивания головки и ножки зубьев шестерен закрытых зубчатых передач также идентична скорости изнашивания без участия абразивных частиц [7, 10].
Для определения придельной скорости изнашивания зубьев, обеспечивающей установленный нормативный ресурс зубчатого колеса, предложена зависимость [7, 13-15]:
ип 0,2 - т глл
У„ =~рТ = —р— ,/час, (1)
н н
где ип - предельный износ зубьев шестерен по толщине;
Рн - нормативный ресурс зубчатого колеса;
т - модуль зацепления.
05.00.00 - ТЕХНИКА ФАНЛАРИ 05.00.00 - ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 05.00.00 - TECHNICAL SCIENCES
Согласно данным энциклопедии по машиностроению, предельный износ по толщине зубьев шестерен равен [14]:
U = 0,2 . m,
(2)
Ширина венца зубчатого колеса, определенная по величине модуля зацепления:
b = ф . m,
w ' m '
(3)
где фт - коэффициент ширины колеса, определяемой по модулю зацепления зубчатой передачи, принимается равным 30.
Значение коэффициента ширины шестерни относительно диаметра ведущей шестерни:
b
Vbd =-Г = d
13
l9T
= 0,684
(4)
Таблица 2
Рекомендуемые значения коэффициента ширины _шестерни относительно ее диаметра фм_
Расположение колеса относительно опор Твердость поверхности зубьев
НВ < 350 НВ > 350
Симметричное 0,8-1,4 0,4-0,9
Несимметричное 0,6-1,2 0,3-0,6
Консольное 0,3-0,4 0,2-0,25
Термически обработанные стали для зубчатых колес делятся на две основные группы: по твердости рабочих поверхностей зубьев (табл. 2) и по технологии нарезания и окончательной отделки зубьев [9, 15].
1-я группа - Н < 350 НВ. Это зубчатые колеса, нормализованные или улучшенные. Нарезание зубьев производится после окончательной термообработки. Колеса этой группы прирабатываемые. Для равномерного изнашивания зубьев и лучшей их прирабатываемости твердость ведущей шестерни Н1 назначается больше твердости ведомого колеса Н2 [9, 18]:
Н1 = Н2+ (20...50) НВ. (5)
2-я группа - Н > 350 НВ. Твердость их измеряется обычно в единицах Роквелла -Н = 40...6З HRC Нарезание зубьев производится до окончательной термообработки. После термообработки (закалки, цементации, азотирования и др.) производят шлифовку [9, 17]:
1HRС * 10 НВ. (6)
Выбор твердости зубьев шестерен в зависимости от видов упрочняющей обработки
Решив выражение для расчета предельно-допустимой величины износа зубьев шестерен [а, 19] относительно твердости зуба, по лучена зависимость для расчета:
твердодти пм/еохности зуба ведущего колеса:
Р ■ Г ■ п ■ (№ 5д +1) ■ к ■шв Р /Г71
Н =9,93в ( \еП6р-е-д-7 " -,МПа, ( 7)
" 9 ^ ■ Ь ■ ■ прш • У }
гд е Р - номинальный ресурс зубчатого кол еса, часов;
твер до сти по в е рхнос— зуба вед омо го колеса:
\РоР ■ Гк ■ пк^Нд +1)■ к шд ■ Р ГСП Н = 9,93 ■е ■( 1-ор-к-к д- у 2-, МПа. (8)
У 18Нд ■Ь ■ ■ прк
На основе полученных расчетных данных твердость зубьев ведущего и ведомого зубчатых колес, обеспечивающих необходимый номинальный ресурс, который зависит от предельного износа зубьев при объемной закалке шестерен, составила: для ведущего зубчатого колеса - 501,1 МПа и для ведомого - 337,0 МПа [8, 16].
Изменение скорости изнашивания и ресурса зубьев шестерен в зависимости от модуля зацепления и вида упрочняющей обработки поверхности
Для расчета скорости изнашивания закрытых зубчатых передач при объемной закалке (табл. 3), закалке током высокой частоты (табл. 4), цементации (табл. 5) зубьев шестерен использовались следующие исходные данные: в процессе изнашивания зубьев шестерен участвуют абразивные частицы = 19; zк = 38; = 4,56; = 4,18; 1д82 = 2; Ь = 0,013м" dcр = 0,000012м;
0 = 109,3 МПа; £ = 0,57%; п 'Р= 2 об/с; п =
а к ш ' к
1 об/с; в объемной закалке Г = 3,43; Г =
' ш '' к
3,54; Н = 400 МПа; Н = 370 МПа; п = 17,40;
ш к рш
п к = 16,41; при закалке током высокой частоты Г = 3,11; Г = 3,26; Н = 500 МПа;
ш к ш
Н = 450 МПа; п = 25,29; п = 22,58; в це-
к рш рк
ментации Гш = 2,98; Гк = 3,11; Нш = 550 МПа; Н = 500 МПа; п = 28,06; п = "25,29; в азо-
к рш рк
тировании Гш = 2,76; Гк = 2,87; Нш = 650 МПа; Н = 600 МПа; п = 30*90; п = 28,06; если в
к рш рк
процессе изнашивания не участвуют абразивные частицы, использовались дополнительно: с = 3; Е = 107500 МПа; о = 1600
пр н
МПа; рр = 0063 м; в = 4,23 * 10-6 1/МПа; уп = 1,25; оПР = 400 МПа; о = 350 МПа [2, 9, 101
тш тк -1
Износостойкость и ресурс зубьев шестерен при объемной закалке
Результаты расчета показали, что в закрытых зубчатых передачах доля скоростей изнашивания зубьев (с участием и без участия абразивных частиц) в общей скорости изнашивания при объемной закалке составила в пределах соответственно 70,0-71,6 и 28,4-30,0% от скорости изнашивания с участием абразивных частиц при концентрации абразивных частиц в масле 0,57%. В открытых зубчатых передачах данные соотношения, где работают открытые зубчатые передачи, составляют в пределах 85,6-86,9 и 13,1-14,4%, когда запыленность окружающей среды равна 1,9 гр/м3 [2, 4, 8].
Полученные в ходе исследования данные показывают, что при повышении концентрации, прочности на сжатие, размера абразивных частиц в масле агрегата, проскальзывания между зубьями шестерен в целях повышения износостойкости зубьев и ресурса шестерен с участием абразив-
ных частиц необходимо повышать твердость.
Результаты расчетов показывают, что скорости изнашивания головки зуба без участия абразивных частиц больше в 1,2 раза, чем ножки зуба, это объясняется тем, что степень проскальзывания между головкой зуба ведущей и ножки зуба ведомой шестерен в 1,1 раза больше, чем во время зацепления зубчатой передачи между головкой зуба ведомой и ножки зуба ведущей шестерен.
В процессе трения, происходящего между зубьями ведущей и ведомой шестерен, укрупнение модуля зацепления приводит к повышению скорости их изнашивания. Это связано с тем, что при одинаковой плотности расположения абразивных частиц и выступов шероховатости происходит пропорциональное распределение и повышение их количества на единицу площади контакта зубьев, когда средний размер и концентрация абразивных частиц в масле агрегата и параметры шероховатости поверхности зубьев остаются постоянными величинами.
Анализ результатов расчета, приведенных в таблице 3, показывает, что при объемной закалке зубьев закрытых зубчатых передач с повышением модуля зацепления с 0,001 до 0,012 м происходит увеличение общей скорости изнашивания зубьев шестерен в 14,7 раза. При этом ресурс зубчатых колес снижается в среднем в 1,23 раза, когда как нормальный ресурс зубчатого колеса по износу зубьев шестерен составляет 8 тыс. часов, если зубчатое колесо работает в условиях отсутствия в масле агрегата абразивных частиц, а переработка номинального ресурса составляет 1,68-2,07 раза. Если зубчатое колесо работает в абразивной среде с концентрацией, не превышающей 0,57%, в этих условиях фактический ресурс зубчатого колеса с модулями зацепления от 0,001 до 0,012 м составляет 50,4-61,9% от номинального, здесь наибольший ресурс соответствует зубчатым
колесам, имеющим меньший модуль зацепления [4, 8].
Результаты расчета скорости изнашивания зубьев при объемной закалке в условиях отсутствия в масле абразивных частиц показывают (табл. 3), что головка зуба ведущей шестерни изнашивается на 8,8% больше, чем ножка зуба, из-за того, что степень проскальзывания между головкой ведущей шестерни и ножкой зуба больше на 9,9%, когда зацепление происходит между головкой зуба ведомой и ножкой зуба ведущей шестерен. При этом головка зуба ведомой шестерни изнашивается на 18,3% больше, чем ножка зуба. Из определенных по износостойкости зубьев наименьший ресурс имеет головка зуба ведомой шестерни, значение которого при работе зубчатого колеса в условиях
отсутствия в масле агрегата абразивных частиц превышает номинальный ресурс в 1,92-2,12 раза. При наличии в масле агрегата абразивных частиц с концентрацией 0,57% эксплуатационный ресурс составляет 28,4-34,3% от номинального ресурса [2, 4, 8].
Таким образом, результаты расчета ресурса зубчатых колес показывают, что расчеты модулей зацепления целесообразно использовать в закрытых зубчатых передачах, когда в масле агрегата отсутствуют абразивные частицы. Для обеспечения нормированного ресурса зубчатых колес в агрегатах с закрытыми зубчатыми передачами, работающих в условиях наличия в масле агрегата абразивных частиц, их концентрация не должна превышать 0,30-0,35% по массе [7, 20].
Таблица 3
Изменение скорости изнашивания зубьев шестерен закрытых зубчатых передач в зависимости от модуля зацепления при объемной закалке
Модуль зацепления, м 0,001 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012
Предельный износ зуба, м 0,0002 0,0004 0,0008 0,0012 0,0016 0,0020 0,0024
Скорость изнашивания головки зуба ведущей шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 1,7510-8 3,510-8 7,010-8 10,510-8 14,010-8 17,510-8 21,010-8
Без участия абразивных частиц 0,7510-8 1,5-10* 3,010-8 4,510-8 6,010-8 7,510-8 9,010-8
Общая скорость изнашивания 2,510-8 5,010-8 10,010-8 15,010-8 20,010-8 25,010-8 30,010-8
Ресурс зубчатого колеса, ч
Без абразивных частиц 26667 26667 26667 26667 26667 26667 26667
С абразивными частицами 8000 8000 8000 8000 8000 8000 8000
Скорость изнашивания ножки зуба ведущей шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 1,5810-8 3,1610-8 6,3210-8 9,4810-8 12,6410-8 15,810-8 18,9610-8
Без участия абразивных частиц 0,6810-8 1,3610-8 2,7210-8 4,0810-8 5,4410-8 6,8010-8 8,1610-8
Общая скорость изнашивания 2,2610-8 4,5210-8 9,0410-8 13,5610-8 18,0810-8 22,6 10-8 27,1210-8
Ресу рс зубчатого колеса, ч
Без абразивных частиц 12658 12658 12658 12658 12658 12658 12658
С абразивными частицами 8849 8849 8849 8849 8849 8849 8849
Скорость изнашивания ножки зуба ведомой шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 1,5210-8 3,0410-8 6,0810-8 9,1210-8 12,1610-8 15,210-8 18,2410-8
Без участия абразивных частиц 0,6610-8 1,3210-8 2,6410-8 3,9610-8 5,2810-8 6,610-8 7,9210-8
Общая скорость изнашивания 2,1810-8 4,3610-8 8,7210-8 13,0810-8 17,4410-8 21,810-8 26,1610-8
Ресурс зубчатого колеса в масле, ч
Без абразивных частиц 30303 30303 30303 30303 30303 30303 30303
С абразивными частицами 9174 9174 9174 9174 9174 9174 9174
Скорость изнашивания головки зуба ведомой шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 1,6910-8 3,3810-8 6,7610-8 10,1410-8 13,5210-8 16,910-8 20,28 10-8
Без участия абразивных частиц 0,7210-8 1,44 10-8 2,8810-8 4,3210-8 5,7610-8 7,210-8 8,6410-8
Общая скорость изнашивания 2,41 10-8 4,8210-8 9,6410-8 14,4610-8 19,2810-8 24,1 • 10-8 28,92 10-8
Ресурс зубчатого колеса в масле, ч
Без абразивных частиц 27778 27778 27778 27778 27778 27778 27778
С абразивными частицами 8298 8298 8298 8298 8298 8298 8298
Установлено, что в объемной закалке общая скорость изнашивания зубьев ведущей шестерни открытых передач с модулем зацепления от 0,001 до 0,012 м в 2,93 раза, а ведомой шестерни - в 1,91 раза выше по сравнению со скоростью изнашивания зубьев тех же зубчатых колес закрытой зубчатой передачи. Эти соотношения показывают степени несоответствия скоростей изнашивания зубьев шестерен абразивными частицами с концентрацией 0,57%, находящихся в масле агрегата закрытых зубчатых передач, размером 0,0002 м и открытых зубчатых передач с запыленностью окружающей среды 1,9 г/м3, которые можно использовать в качестве поправочных коэффициентов для сравнения результатов расчета скоростей изнашивания при оценке эксплуатационного ресурса открытых и закрытых зубчатых передач. Результаты расчета скорости изнашивания зубьев ведущей шестерни открытых зубчатых передач без участия абразивных частиц показывают, что скорости изнашивания зубьев ведущей шестерни открытых зубчатых передач в 1,28 раза, а ведомой шестерни в 1,22 раза выше по сравнению с зубьями закрытых зубчатых передач [2, 4, 8].
Разница в скоростях изнашивания, превышающих единицы, показывает наличие масляной пленки между поверхностями трения зубьев ведущей и ведомой шестерен закрытых зубчатых передач [2, 21].
Ресурс ведомой шестерни открытой зубчатой передачи в процессе изнашивания, происходящего без участия абразивных частиц, с повышением модуля зацепления зубчатого колеса снижается. Когда модуль зацепления равен 0,001 м, эксплуатационный ресурс составляет 1,54 от нормированного ресурса, при повышении модуля зацепления до 0,012 м наблюдается снижение эксплуатационного ресурса в 1,26 раза от значения нормированного ресурса. Если процесс изнашивания происходит с участием абразивных частиц, эксплуатационный ресурс ведомой шестерни с модулем зацепления 0,001 м составляет 18,0%, для той же шестерни с модулем зацепления 0,012 м он равен 14,7% от нормированного ресурса - 8 000 ч [2, 4, 7, 8].
Повышение износостойкости и ресурса зубьев шестерен закалкой током высокой частоты
После закалки зубьев шестерен током высокой частоты толщина упрочненного слоя по данным энциклопедии по машиностроению в среднем составляет 2 мм. В таблице 4 приведены результаты расчета скорости изнашивания зубьев и ресурса шестерен открытых и закрытых зубчатых передач, упрочненных закалкой током высокой частоты, с участием и без участия абразивных частиц с модулями зацепления 0,001-0,012 м. За предельный износ зубьев шестерен с
модулями зацепления, равными 0,001 и 0,002 м, принимались соответственно значения 0,0002 и 0,0004 м, с толщиной упрочненного слоя 0,2 м, для зубчатых колес с модулями зацепления значения от 0,004 до 0,012 м, толщина упрочненного слоя принималась за 0,002 м, из-за того, что с повышением предельного износа зубьев, превышающих эту толщину, твердость материала упрочненного слоя значительно ниже, чем у упрочненного зуба шестерен, вследствие чего происходит интенсивное повышение скорости изнашивания зубьев, приводящей к снижению ресурса зубчатых колес [2, 4-6, 8].
Расчетом установлено, что скорость изнашивания зубьев ведущей шестерни закрытых зубчатых передач, подверженных объемной закалке в масле, содержащем абразивные частицы, выше на 16,1%, а ведомой шестерни на 76,8% по сравнению с зубьями шестерен, прошедших закалку током высокой частоты. В открытых зубчатых передачах скорость изнашивания зубьев ведущей шестерни, прошедших объемную закалку, и ведомого зубчатого колеса больше на 33,9 и 30,5% соответственно по сравнению с зубьями шестерен, прошедших закалку током высокой частоты [2, 8].
Модуль зацепления, м 0,001 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012
Предельный износ зуба, м 0,0002 0,0004 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002
Скорость изнашивания головки зуба ведущей шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 2,8310-8 6,4010-8 13,3910-8 20,38 10-8 27,34 10-8 34,38 10-8 41,7110-8
Без участия абразивных частиц 1,0810-8 2,4410-8 5,1110-8 7,7810-8 10,4310-8 13,1210-8 15,9210-8
Общая скорость изнашивания 3,9110-8 8,8410-8 18,510-8 28,06 10-8 37,77 10-8 47,510-8 57,63 10-8
Ресурс зубчатого колеса, ч
Без абразивных частиц 18518 16393 39139 25707 19176 15244 12563
С абразивными частицами 5115 4525 10811 7128 5295 4210 3470
Скорость изнашивания ножки зуба ведущей шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 2,610-8 5,8810-8 12,310-8 18,7210-8 25,1210-8 31,5910-8 38,32 10-8
Без участия абразивных частиц 0,8810-8 1,9910-8 4,1610-8 6,3410-8 8,510-8 10,6910-8 12,9710-8
Общая скорость изнашивания 3,4810-8 7,8710-8 16,4610-8 25,06 10-8 33,62 10-8 42,28 10-8 51,2910-8
Ресурс зубчатого колеса, ч
Без абразивных частиц 22727 10050 48077 31546 23529 18709 15420
С абразивными частицами 5747 2541 12151 7813 5949 4730 3899
Скорость изнашивания ножки зуба ведомой шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 2,2810-8 5,1510-8 10,7810-8 16,4210-8 22,02 10-8 27,70 10-8 33,6110-8
Без участия абразивных частиц 0,9110-8 2,0610-8 4,3010-8 6,5510-8 8,7910-8 11,0610-8 13,4110-
Общая скорость изнашивания 3,1910-8 72110-8 15,0810-8 22,97 10-8 30,8110-8 38,76 10-8 57,02 10-8
Таблица 4
Изменение скорости изнашивания зубьев шестерен закрытых зубчатых передач в зависимости от модуля зацепления при закалке током высокой частоты
Ресурс зубчатого колеса, ч
Без абразивных частиц 21978 9709 46511 30534 22753 18083 14914
С абразивными 6270 2774 13263 8707 6491 5160 3508
частицами
Скорость изнашивания головки зуба ведомой шестерни, м/ч
С участием абразивных 2,4910-8 5,6310-8 11,7810-8 17,9310-8 24,05 10-8 30,25 10-8 36,70 10-8
частиц
Без участия абразивных 10410-8 2,3510-8 4,9210-8 7,4910-8 10,0510-8 12,6410-8 15,3310-8
частиц
Общая скорость 3,5310-8 7,9810-8 16,7010-8 25,42 10-8 34,1010-8 42,89 10-8 52,03 10-8
изнашивания
Ресурс зубчатого колеса, ч
Без абразивных частиц 18518 8197 39139 25707 19175 15244 12563
С абразивными 5115 2262 10811 7127 5295 4210 3470
частицами
Результаты расчетов показали (табл. 4), что общая скорость изнашивания головки зуба ведущей шестерни закрытых зубчатых передач при закалке током высокой частоты в 1,12 раза больше, чем ножки зуба, а скорости изнашивания головки зуба ведомой шестерни закрытой зубчатой передачи в 1,11 раза больше по сравнению с ножкой зуба. Ресурс ведущего зубчатого колеса зависит от модуля зацепления, с повышением модуля зацепления зубчатой передачи эксплуатационный ресурс зубчатого колеса снижается и составляет 63,9% от нормированного ресурса при модуле зацепления 0,001 м в условиях, когда в процессе изнашивания участвуют абразивные частицы с концентрацией 0,57% и размером 0,00002 м. При отсутствии в масле агрегата абразивных частиц ресурс превышает норму в 2,3 раза. Когда модуль зацепления закрытой зубчатой передачи равен 0,012 м, ресурс ведущего зубчатого колеса при наличии в масле агрегата абразивных частиц находится в пределах 0,43, если в процессе изнашивания не участвуют абразивные частицы, он составляет 1,6 от нормированного ресурса зубчатого колеса или 8000 часов [2, 8].
Результаты расчетов также показывают, что общая скорость изнашивания головки зуба ведущей шестерни больше скорости изнашивания ножки зуба на 7,1%, соотношение скоростей изнашивания этих же частей зубьев без участия абразивных частиц составляет 9,9%. Анализ
общей скорости изнашивания головки и ножки зубьев ведомой шестерни показывает, что головка зуба имеет скорость изнашивания на 3,6% больше, чем скорость изнашивания без участия абразивных частиц. Соотношение общих скоростей изнашивания головок зубьев ведущей и ведомой шестерен показывают, что головка зубьев ведомой шестерни имеет скорость изнашивания на 27% больше по сравнению с ведущей шестерней. Скорость изнашивания зубьев ведомой шестерни без участия абразивных частиц на 1,4% больше по сравнению со скоростью изнашивания ведущей шестерни. С повышением модуля зацепления с 0,001 до 0,012 м эксплуатационный ресурс ведущей и ведомой шестерен уменьшается на 47,3% [2, 8, 22].
Результаты расчета ресурса, определенного по головке и ножке зубьев, показали, что если зацепление происходит между головкой зубьев ведущей и ножкой зубьев ведомой шестерни, эксплуатационный ресурс головки зуба ведущей шестерни на 22,9% больше, чем ножки зуба ведомой шестерни; если зацепление происходит между головкой зуба ведомой и ножкой зуба ведущей шестерни, эксплуатационный ресурс головки зуба ведущей шестерни на 36,3% больше по сравнению с ножкой зуба ведомой шестерни при участии в процессе изнашивания абразивных частиц [2, 8-10, 17].
Повышение износостойкости и ресурса зубьев шестерен цементацией
Толщина слоя зубьев шестерен, упроченного цементацией, находится в пределах 1 мм, поэтому в эксплуатационных условиях машин предельный износ зубьев, обеспечивающих нормированный ресурс шестерен, не должен превышать толщины упрочненного слоя.
Расчетами общей скорости изнашивания зубьев ведущей шестерни установлено, что скорость изнашивания зубьев ведущей шестерни, подверженной цементации, равна 35,6%, скорость изнашивания без участия абразивных частиц на 26,0% меньше, чем у такой же передачи с объем-
ной закалкой. Зубья шестерен, прошедшие цементацию, по сравнению с зубьями, прошедшими закалку током высокой частоты, имеют общую скорость изнашивания на 31,2% меньше, скорость изнашивания без участия абразивных частиц меньше на 12,5% [2, 10].
Скорость изнашивания зубьев ведомой шестерни закрытой зубчатой передачи (табл. 5) после объемной закалки в 2,96 раза больше общей скорости изнашивания и в 1,13 раза больше скорости изнашивания без участия абразивных частиц после цементации зубчатого колеса [2].
Модуль зацепления, м 0,001 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012
Предельный износ зуба, м 0,0005 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001
Скорость изнашивания головки зуба ведущей шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 2,0210-8 4,5710-8 9,5510-8 1454 10-8 19,5110-8 24,54 10-8 29,69 10-8
Без участия абразивных частиц 0,9610-8 21710-8 4,5410-8 6,9110-8 9,2710-8 11,6610-8 14,1510-8
Общая скорость изнашивания 2,9810-8 6,7410-8 14,0910-8 21,4510-8 28,78 10-8 36,210-8 43,84 10-8
Ресу рс зубчатого колеса в масле, ч
Без абразивных частиц 52083 46083 22026 14472 10787 8576 7067
С абразивными частицами 16778 14837 7097 4662 3475 2762 2281
Скорость изнашивания ножки зуба ведущей шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 1,13-lü-8 2,5510-8 5,3410-8 8,1410-8 10,9210-8 13,7310-8 16,6610-8
Без участия абразивных частиц 0,7910-8 1,79 10-8 3,7410-8 5,6910-8 7,6310-8 9,610-8 11,6410-8
Общая скорость изнашивания 1,9210-8 4,3410-8 9,0810-8 13,8310-8 18,5510-8 23,33 10-8 28,30 10-8
Ресурс зубчатого колеса в масле, ч
Без абразивных частиц 63291 55866 26738 17575 13102 10417 8591
С абразивными частицами 26042 23042 11013 7231 5391 4286 3533
Скорость изнашивания ножки зуба ведомой шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 1,310-8 2,9410-8 6,1510-8 9,3610-8 12,5610-8 15,8010-8 19,1610-8
Без участия абразивных частиц 0,8110-8 1,83 10-8 3,8310-8 5,8310-8 7,8210-8 9,8410-8 119410-8
Общая скорость изнашивания 21110-8 477 10-8 9,9710-8 15,1910-8 20,38 10-8 25,64 10-8 31,1010-8
Ресу рс зубчатого колеса в масле, ч
Без абразивных частиц 61728 54645 26110 17153 12788 10163 8375
Таблица 5
Изменение величины износа зубьев шестерен закрытых зубчатых передач в зависимости от модуля зацепления при цементации
С абразивными частицами 23697 20964 10030 6583 4907 3900 3215
Скорость изнашивания головки зуба ведомой шестерни, м/ч
С участием абразивных частиц 14210-8 3,2110-8 6,7210-8 10,2210-8 13,7210-8 17,2510-8 20,93 10-8
Без участия абразивных частиц 10410-8 2,3510-8 4,9210-8 7,4910-8 10,0510-8 12,6410-8 15,3310-8
Общая скорость изнашивания 2,4610-8 5,5610-8 116410-8 17,7110-8 23,76 10-8 29,89 10-8 36,26 10-8
Ресурс зубчатого колеса в масле, ч
Без абразивных частиц 48077 42553 20325 13351 9950 7911 6523
С абразивными частицами 20325 17986 8591 5646 4209 3346 2758
Согласно результатам расчета скорости изнашивания зубьев ведомого колеса открытой зубчатой передачи, прошедших закалку током высокой частоты, она в 2,13 раза больше общей скорости изнашивания. Когда процесс изнашивания ведомого колеса происходит без участия абразивных частиц, скорость изнашивания зуба после закалки током высокой частоты в 1,7 раза больше скорости изнашивания той же шестерни после цементации [2, 6, 10, 18].
Выводы
1. Повышение коэффициента относительного удлинения материала приводит к увеличению количества циклов, приводящих к разрушению материала, при этом износостойкость поверхностей трения зубьев шестерен растет в зависимости от твердости.
2. При объемной закалке закрытых зубчатых передач доля скорости изнашивания зубьев с участием абразивных частиц составляет 70,0-71,6% при концентрации абразивных частиц в масле 0,57% и 28,430,0% без участия абразивных частиц; в открытых зубчатых передачах - 85,6-86,9% с участием абразивных частиц (при запыленности окружающей среды 1,9 г/м3) и 13,1-14,4% без участия абразивных частиц.
3. Установлено, что скорость изнашивания зубьев ведущей шестерни закрытых зубчатых передач, содержащих в масле абразивные частицы, с объемной закалкой на 16,1% больше скорости изнашивания зубьев ведомой шестерни; на 76,8% выше по сравнению с зубьями шестерен, прошедших закалку током высокой частоты; в открытых зубчатых передачах скорость изнашивания зубьев ведущей шестерни, прошедших объемную закалку, больше на 33,9% по сравнению с зубьями ведущей шестерни; скорость изнашивания зубьев ведомого зубчатого колеса больше на 30,5% по сравнению с зубьями шестерен, прошедших закалку током высокой частоты.
4. Полученные результаты показывают, что общая скорость изнашивания цементированных зубьев ведущей шестерни на 35,6% меньше, а скорость изнашивания без участия абразивных частиц на 26,0% меньше, чем у такой же передачи с объемной закалкой. Зубья шестерен, прошедших цементацию, имеют общую скорость изнашивания меньше на 31,2%, а скорость изнашивания без участия абразивных частиц на 12,5% меньше по сравнению с закалкой током высокой частоты.
REFERENCES
1. Irgashev A. Calculation method of wear resistance of gear drives of machines working in abrasive environment. Bulletin of Tashkent State Technical University, 2013, pp. 95-101.
05.00.00 - ТЕХНИКА ФАНЛАРИ 05.00.00 - ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ 05.00.00 - TECHNICAL SCIENCES
2. Irgashev A., Irgashev B.A. Wear resistance of gears. Tashkent, Tashkent State Technical University, 2013, 165 p.
3. Irgashev A.I., Mirzaev K.K., Irgashev B.A. Increasing the wear resistance of gears. Tashkent, Tashkent State Technical University, 2015, 175 p.
4. Irgashev B.A. Geometric and kinematic parameters of conical gears. International Journal of advanced Research in Science, Engineering and Technology, 2019, vol. 6, iss. 4, pp. 8885-8889.
5. Irgashev A.I., Ishmuratov H.K. Accumulation of wear products at contact of roughness protrusions of cogwheels. Bulletin of Mechanical Engineering, 2019, no. 8, pp. 40-43.
6. Ishmuratov H.K., Irgashev B.A. Assessment of the wear resistance for gearwheel teeth in an open toothed gear under the conditions of a high level of dust. Journal of Friction and Wear, 2020, January 1, vol. 41, iss. 1, pp. 85-90.
7. Irgashev A. Methodological bases of increasing the wear resistance of gears of heavy loaded gear transmissions of machine units. Doctor's degree dissertation. Tashkent, 2005, 244 p.
8. Irgashev B.A. Forecasting the consumption of spare parts in machines based on the content of wear particles. Oil Journal of Friction and Wear, Allerton Press, 2015, vol. 36, no. 5, pp. 441-447.
9. Shaabidov Sh.A., Irgashev B.A. Computational procedure of a gearing module of spur gear transmissions on wear resistance of gearwheel teeth. Journal of Friction and Wear, 2019, vol. 40, no. 5, pp. 431-436.
10. Ishmuratov H.K., Irgashev A. Research wear resistance teeth of gears at rolling. International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology, 2019, vol. 6, iss. 3, pp. 8422-8425.
11. Mirzaev N.N., Irgashev A. Determination of the tooling module of the gear wheels for wear resistance of gears teeth. International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology, 2019, vol. 6, iss. 3, pp. 8428-8491.
12. Zhraeva G.Sh., Irgashev A.I., Mamasalieva M.I. Wear persistence of parts of machine units operating in a lubricating medium. 2020, pp. 412-418.
13. Veselovsky A.A., Nefedov A.V. Features of abrasive wear of gears and worms in closed gears. Friction and Lubrication in Machines and Mechanisms, 2012, no. 1, pp. 10-12.
14. Dubovik E.A. Features of wear of gear transmissions. Friction and lubrication in machines and mechanisms, 2015, no. 3, pp. 31-35.
15. Ivanov S.L., Fokin A.S. Experimental evaluation of wear resistance of spur gears. St. Petersburg, Journal of Mining Institute, 2004, vol. 157, pp. 167-170.
16. Kornilovich S.A., Pautov P.I. Increasing the service life of cogged gears. Tractors and Agricultural Machinery, 2000, no. 7, pp. 38-39.
17. Malikov A.A., Likhosherst V.V., Shalobaev E.V. Seizure processes and residual deformation in gears. Handbook. Engineering Journal, 2011, no. 9, pp. 12-18.
18. Orekhov A.A. Reduction of wear intensity of tractor gear transmissions using rational temperatures of transmission oils. PhD thesis. Penza, 2001, 24 p.
19. Reschikov V.F. Friction and wear of the heavy-lifting transmissions. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2001, 232 p.
20. Tikhomirov V.P., Gorlenko O.A., Tikhomirov P.V. Prediction of the service life of gears. Bryansk, Publishing house of German State Technical University, 2007, 309 p.
21. Tikhomirov P.V. Theoretical substantiation of the service life of toothed gears of forestry machines according to the criterion of wear. PhD thesis. Bryansk, 2003, 136 p.
22. Belyaev V.E. Increase of the tractor transmissions durability by improving the operational lubrication mode of the working surfaces of the resource-determining couplings. PhD thesis. Saratov, 2000,
Рецензент: Пулатов Т.П., PhD, доцент, заведующий кафедрой "Технология машиностроения и авиакосмический инжиниринг", Туринский Политехнический университет г. Ташкента.
213 p.
