Условия эксплуатации зубчатого колеса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Условия эксплуатации зубчатого колеса

Требования к материалам детали

Зубчатое колесо является деталью мультипликатора, который в свою очередь является составной частью турбокомпрессорного агрегата. Рассмотрим принцип работы мультипликатора.

Для согласования частоты вращения привода (электродвигателя) и ЦКМ служит мультипликатор или редуктор (что крайне редко для ЦКМ). Редуктор чаще применяется для согласования частоты вращения турбины с генератором в энергетических установках.

Применение зубчатых мультипликаторов позволяет конструировать ЦКМ на оптимальную частоту вращения, соответствующую наибольшему КПД установки при минимальных массе и габаритных размерах. В некоторых случаях, при многоцилиндровых конструкциях ЦКМ, мультипликатор устанавливается не только между приводом и цилиндром низкого давления, но и между цилиндрами. Для удобства монтажа и транспортирования такие конструкции выполняются в блочном исполнении - цилиндры компрессора и мультипликатора устанавливаются на общей фундаментной раме.

Конструкция мультипликатора - одноступенчатая, переборного типа с горизонтальным расположением осей валов передачи, совпадающих с плоскостью разъема. Корпус мультипликатора представляет собой жесткую литую конструкцию и служит для монтажа всех основных узлов и деталей.

Зубчатые передачи выполняются, как правило, шевронными. При такой конструкции осевые усилия уравновешиваются внутри зацепления и осевые нагрузки на подшипники практически отсутствуют.

Для получения большего коэффициента перекрытия применяются значительные углы наклона зубьев. При таких углах одновременно в зацеплении находится большое число зубьев, что положительно влияет на плавность и бесшумность работы передачи.

Мультипликатор (редуктор) имеет три опорных вкладыша втулочного типа и один опорно-упорный, установленный на валу колеса.

Масляная система мультипликатора (редуктора) служит для подвода масла ко всем трущимся деталям: зубчатым колесам, подшипникам, муфтовым соединениям. Смазка осуществляется принудительно из общей масляной системы. С целью обеспечения надежности работы агрегата в эксплуатационных условиях главный масляный насос, как правило, устанавливается на валу колеса мультипликатора.

Рисунок 1. Мультипликатор одноступенчатый

Зубчатое колесо служит для передачи вращательных движений между отдельными элементами механизмов.

Вращение передаётся через зубчатое зацепление. Отказ или разрушение зубчатого колеса влечёт за собой прекращение передачи крутящего момента и отказ двигательных агрегатов. Наиболее загруженной частью зубчатого колеса является зуб. На рисунке 2 показана схема зацепления зубьев.

В точке контакта наблюдается перекатывание и скольжение зубьев.

Максимальное скольжение наблюдается на ножках и головках зубьев, на начальной окружности оно равно нулю и изменяет направление.

От скольжения в зацеплении образуется еще сила трения F = Qf. Трение является причиной потерь в зацеплении и износа зубьев. Под действием этих сил зуб имеет сложное напряженное состояние. Решающее влияние на его работоспособность оказывают два основных напряжения: контактные напряжения к и напряжения изгиба и. Для каждого зуба к и и не являются постоянно действующими. Они изменяются во времени по некоторому прерывистому от нулевому (пульсирующему) циклу (рис. 2).

Рисунок 2. Условия работы зуба в зацеплении

Концентрация нагрузки и динамические нагрузки различно влияют на прочность по контактным и изгибным напряжениям.

На боковой поверхности косого зуба линия контакта располагается под некоторым углом (рис. 3, а). Угол увеличивается с увеличением . По линии контакта нагрузка распределяется неравномерно. Ее максимум на средней линии зуба, так как при зацеплении серединами зубья обладают максимальной суммарной жесткостью.

Рисунок 3. Влияние нагрузки на боковую поверхность зуба

При движении зуба в плоскости зацепления линия контакта перемещается в направлении от 1 к 3 (рис. 3, б). При этом опасным для прочности может оказаться положение 1, в котором у зуба отламывается угол. Трещина усталости образуется у корня зуба в месте концентрации напряжений и затем распространяется под некоторым углом . Вероятность косого излома отражается на прочности зубьев по напряжениям изгиба, а концентрация нагрузки q - на прочности по контактным напряжениям.

Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения зубьев: поломка зубьев от напряжений изгиба и выкрашивание их поверхности от контактных напряжений.

С трением в зацеплении связаны износ и заедание поверхностей зубьев. Ниже будут рассмотрены все виды разрушения зубьев.

Классификация формы профиля зубьев:

· круговые (передача Новикова);

· циклоидальные.

· по типу зубьев:

· прямозубые;

· косозубые;

· шевронные;

· криволинейные.

По взаимному расположению осей валов:

· с параллельными осями (цилиндрические передачи с прямыми, косыми и шевронными зубьями);

· с пересекающимися осями (конические передачи);

· с перекрещивающимися осями.

По форме начальных поверхностей:

· цилиндрические;

· конические;

· глобоидные;

· По окружной скорости колёс:

· тихоходные;

· среднескоростные;

· быстроходные.

По степени защищенности:

· открытые;

· закрытые.

· По относительному вращению колёс и расположению зубьев:

· внутреннее зацепление (вращение колёс в одном направлении);

· внешнее зацепление (вращение колёс в противоположном направлении).

Причины выхода из строя зубчатого колеса.

Поломки зубчатого колеса в большинстве случаев носят усталостный характер и происходят в зоне концентраторов напряжений (рисунок 4).

зубчатый надежность колесо нагрузка

Рисунок 4. Поломка колеса зубчатого

Кроме действующих на колесо переменных сил и моментов, необходимо также иметь в виду силы трения, возникающие в подшипниках скольжения.

В подшипниках скольжения при нормальной работе присутствует жидкая или консистентная смазка, которая надежно предохраняет поверхности трения от образования металлического контакта. При определенных соотношениях нагрузки, вязкости смазки и скорости трущихся поверхностей непосредственного контакта между поверхностями не возникает и износ деталей незначителен.

Большое влияние на износ поверхностей деталей оказывает среда, в которой они работают. Зубчатое колесо, представленное в данной работе работает в неагресивных средах.

Многократное приложение к колесу знакопеременных нагрузок при недостаточном запасе прочности или при наличии концентраторов напряжений может вызвать его усталостное разрушение.

Имеются случаи выхода зубчатого колеса из строя, вызванные обычно повреждениями зубьев. Наиболее распространенными видами повреждений зубьев являются усталостные контактные разрушения рабочих поверхностей и усталостная поломка. Значительно реже наблюдается заедание или износ.

Поломки и пластические деформации зубьев от статически приложенной нагрузки крайне редки и могут возникнуть в результате кратковременных пиковых перегрузок, например, при внезапной остановке оборудования или при попадании в зацепление постороннего предмета.

Контактные разрушения могут быть поверхностными или глубинными. Оба вида разрушений представляют собой усталостное явление, при котором трещины образуются под действием знакопеременных напряжений на поверхности материала или в глубине. Появление того или другого вида разрушения зависит от соотношения между действующими напряжениями и сопротивлением материала усталости самого по сечению зуба.

Глубинное разрушение характерно для материалов с химико-термическим упрочнением поверхности, хотя в некоторых случаях оно может развиться и в термически улучшенных сталях.

Одной из типичных причин потери работоспособности зубчатых передач мультипликаторов является повреждение зубьев в результате заедания.

Повреждения зубьев при заедании происходят по последовательно развивающимся стадиям: от легкого натира - возникновения неразличимых невооруженным взглядом неглубоких коротких рисок, ориентированных в направлении относительного скольжения профилей - до очень сильной формы задира с характерными широкими и глубокими бороздами, слившимися между собой, наличием вырывов металла, наростов и оплавления поверхностных слоев металла.

Усталостное выкрашивание от контактных напряжений (рис. 5, а) является основным видом разрушения поверхности зубьев при хорошей смазке передачи (закрытые, сравнительно быстроходные передачи, защищенные от пыли и грязи). Зубья таких передач разделены тонким слоем масла, устраняющим металлический контакт. При этом износ зубьев мал.

Рисунок 5. Повреждение поверхности зубьев: а) усталостное выкрашивание; б) абразивный износ; в) заедание

Передача работает длительное время до появления усталости в поверхностных слоях зубьев. На поверхности появляются небольшие углубления, напоминающие оспинки, которые растут и превращаются в раковины.

Выкрашивание начинается обычно вблизи полюсной линии на ножках зубьев там, где нагрузка передается одной парой зубьев, а скольжение и перекатывание зубьев направлены так, что масло запрессовывается в трещины и способствует выкрашиванию частиц металла.

Поверхностное выкрашивание обычно наблюдается на ножках зубьев вблизи полюсной линии (рисунок 6).

Рисунок 6. Выкрашивание на ножках и глубинные разрушения на головках зубьев

Это объясняется тем, что в околополюсной зоне увеличиваются силы трения, снижающие контактную прочность.

При выкрашивании нарушаются условия образования сплошной масляной пленки, появляется металлический контакт с последующим быстрым износом или задиром поверхности. Образование первых усталостных раковин не всегда служит признаком близкого полного разрушения зубьев.

При высокой твердости зубьев образовавшиеся раковины быстро растут вследствие хрупкого разрушения их краев.

Абразивный износ (рисунок 5, б) является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке. К таким передачам относятся передачи недостаточно защищенные от загрязнения абразивными частицами (пыль, продукты износа и тому подобное). У изношенной передачи увеличиваются зазоры в зацеплении, появляется шум, возрастают динамические нагрузки. В то же время прочность изношенного зуба понижается вследствие уменьшения площади его поперечного сечения.

Для поверхностно упрочненных материалов развитие глубинной трещины в перпендикулярном к поверхности направлении заторможено сопротивлением слоя, имеющего более высокую твердость, поэтому трещина распространяется в сердцевине параллельно слою, который, оказываясь лишенным опоры, растрескивается. В итоге с упрочненной поверхности отделяются большие куски материала, что выводит передачу из строя. В связи с этим глубинные разрушения могут оказаться более опасными, чем поломка зубьев.

Как и при поверхностном выкрашивании, при глубинных разрушениях наблюдается пластическое деформирование материала, захватывающее переходную зону и прилегающие к ней участки сердцевины.

Усталостная поломка зубьев является одним из наиболее опасных видов разрушения, происходящая от действия переменных напряжений в течение сравнительно длительного срока службы (рисунок 7.). Особое значение имеют меры по устранению концентраторов напряжений (рисок от обработки, раковин и трещин в отливках, микротрещин или термообработки и тому подобное).

Рисунок 7. Поломка зубьев

Усталостные трещины на зубьях, нарезанных на жестком ободе и работающих при отнулевом цикле напряжения, возникают на переходной кривой в месте максимальной концентрации напряжений на растянутой стороне зуба, что объясняется снижением усталостной прочности материала под действием растягивающих напряжений.

Первоначально трещина развивается перпендикулярно касательной к переходной кривой зуба.

Затем из-за роста напряжений в неповрежденной части сечения зуба трещина обычно поворачивает и выходит на нерабочую сторону зуба. Когда помимо напряжений изгиба в корне зубьев в массивном ободе колеса возникают значительные напряжения другого происхождения, трещина, идущая от корня зуба, может не выйти на противоположный профиль, а развивается вглубь, в результате чего выламывается кусок обода в форме сегмента с несколькими зубьями.

Большие контактные давления при высокой окружной скорости обусловливают увеличение тепловыделения и, как следствие, возникновение высоких температур в местах локального контакта зубьев. Это может привести к утонению и потере несущей способности масляной пленки, вследствие чего происходят схватывание и заедание контактирующих поверхностей зубьев.

Заедание может проявляться в легкой и тяжелой форме. В первом случае на рабочих поверхностях зубьев возникают слабые царапины и риски, ориентированные в направлении скольжения (рисунок 5, в). Поверхности приобретают полированный вид, работа передачи сопровождается некоторым износом, не вызывающим выхода ее из строя. При тяжелой форме заедания (задир) происходят отделение частиц с рабочих поверхностей, перенос металла с более мягкой поверхности на более твердую, образование наваренных хребтов, глубоких рисок, наростов и вырывов металла, приводящих, как правило, к искажению рабочих поверхностей зубьев, к повышенному шуму, нагреву колес и быстрому выходу передачи из строя (рис. 8).

Рис. 8. Тяжелая форма заедания рабочих поверхностей зубьев

Начавшийся процесс заедания не всегда влечет за собой немедленный выход передачи из строя. Иногда заедание носит ограниченный характер и с течением времени прекращается.

Износ рабочих поверхностей зубьев тем больше, чем больше их удельное скольжение и контактные напряжения в зацеплении. Так как наибольшее удельное скольжение имеет место в начальной и конечной точках контакта зубьев, то наибольший износ появляется на ножках и головках зубьев. Недостаточная толщина масляной пленки способствует усилению износа. Уменьшение толщины пленки и даже ее разрыв возможны при перегрузках и в периоды пуска и остановки передачи. Загрязненность масла абразивными частицами значительно усиливает износ. Вследствие износа искажается профиль зубьев, ослабляется их основание, возрастает динамическая нагрузка, увеличиваются напряжения в зоне переходной поверхности зуба.

Отслаивание твердого поверхностного слоя зубьев наблюдается при недостаточно высоком качестве термической обработки, подвергнутых поверхностному упрочнению, когда внутренние напряжения не сняты отпуском или когда хрупкая корка зубьев не имеет под собой достаточно прочной сердцевины. Отслаиванию способствуют перегрузки.

Рисунок 9 профиля зубьев колеса методом перенарезки червячной фрезой: 1 - первоначальный профиль зуба, 2 - разрушения поверхности зуба при заедании, 3 - профиль зуба после отслаивания

Исходя из выше изложенного эксплуатационные дефекты зубчатой передачи условно можно разделить на следующие виды: абразивный износ зубчатого зацепления, выкрашивание зубьев зубчатых колес, трещины и излом зубьев зубчатых колес и заедание зубчатых колес.

Размещено на Allbest.ru