Повреди на зъбни колела

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 8, 2012

Зъбните колела са сред най-разпространените машинни елементи в машиностроенето. Те са основните съставни части на зъбните механизми като редуктори, моторредуктори и мултипликатори, предавателни кутии, открити зъбни предавки. От работоспособността на тези елементи до голяма степен зависят надеждността и експлоатационните качества на тези изделия.

Нормативни документи
Интеграцията на нашата страна в европейското и международното индустриално сътрудничество и засиленият икономически обмен между производствено-търговските структури поставиха изискване за въвеждането на единна терминология за повредите на зъбните предавки с приложение във всички клонове на индустрията и транспорта.

Въпреки че някои основни повреди, свързани с якостното изчисляване на зъбите, бяха описани частично в национални стандарти и учебници по машинни елементи, до 1997 г. у нас не съществуваше цялостен стандартизационен документ, който разглежда видовете износване и повреди на зъбните предавки. Тази празнина в стандартизацията в областта на зъбните предавки беше запълнена с въвеждането на международния документ ISO 10825 "Gears. Wear and damage to gear teeth. Terminology" като хармонизиран български стандарт. Идентичното издание на български език е утвърдено от Българския институт за стандартизация като БДС ISO 10825 "Предавки зъбни. Износване и повреди на зъбите на зъбните колела. Термини" и е в сила от 01.01.1997 г., като се прилага в техниката за диагностициране на повредите на зъбните предавки.

Стандартът БДС ISO 10825 определя термините, използвани за описание на външния вид на страничните повърхнини на зъбите, и на повредите, които могат да се наблюдават върху зъбните колела. За всеки термин е дадено точно и кратко описание, което включва главните признаци върху повърхнината на зъба на зъбното колело за идентифициране на типа на посоченото износване или повреда. Всеки класифициран вид на износване или повреда на зъбите е илюстриран с типичен пример, като са дадени една или повече снимки на един или няколко зъба. В отделни случаи са показани няколко илюстрации на различни варианти за един и същи зъб или вид на повреда, които се наблюдават при различна геометрия на зъбите. За улесняване на обясненията към описанието на повредите всяка илюстрация е придружена със съответен коментар,

Този международен стандарт е терминологичен и с издаването му се създаде единство при установяване на състоянието на зъбните колела и вида на повредите след определен период на работа. В повечето случаи в стандарта не са описани възможните причини и мерките за предотвратяване на констатираните повреди, не са дадени количествени стойности за допустимост на дадено състояние, както и възможностите за извършване на ремонт, но основните от тях са известни на специалистите от различните отрасли на промишлеността на базата на натрупания експлоатационен опит.

Повреди на зъбите и критерии за работоспособност на зъбните предавки
Предаваният въртящ момент създава сили в зацепването, които натоварват зъбите на колелата и в тях възникват напрежения. Периферната сила натоварва застрашеното правоъгълно сечение в основата на зъба на огъване (най-неблагоприятно е положението, когато контактът между зъбите е по горния ръб на зъба), а радиалната сила - на натиск. При притискане на зъбите един към друг със сила, нормална към зацепените повърхнини, последните се деформират еластично и практически зъбите се допират не в линия, а в една тясна контактна площадка с определена широчина, в която възникват контактни напрежения. Тяхната максимална стойност зависи от специфичното натоварване и еластичните свойства на материалите за двата зъба и се определя по зависимостта на Херц.

Напреженията в зъбите са променливи по отношение на времето, тъй като всяка двойка зъби се зацепва периодично, а и в процеса на зацепване нормалната сила се разпределя почти скокообразно върху една или две двойки зъби.

Поради възникналите напрежения, в зависимост от материала, термообработката и разнообразните условия на работа на зъбните предавки при тях се получават различни повреди. По БДС ISO 10825 са класифицирани 49 вида повреди (и техните разновидности) на зъбите като: износване (умерено, интензивно, от интерференция, полиране, задиране), корозия (химична, при триене, лющене), прегряване, ерозия (кавитационна, хидравлична, електрическа), излъскване, остатъчни деформации (пластична, набръчкване, образуване на вдлъбнатини и мустаци), явления на повърхностна умора (питинг начален, люспест, микропитинг, откъртване, разрушаване на цементационния слой), разкъсвания и пукнатини (от шлифоване, от умора), счупване на зъб (от претоварване, от срязване, от умора при огъване). Познаването на тези повреди позволява да се анализират и причините, които са ги предизвикали.

Значителен брой от описаните в стандарта повреди се получават при конкретни съчетания на твърдостта на зъбите, вида на термообработката и експлоатационните условия. Тук ще разгледаме най-често срещаните повреди на зъбите: счупване, образуване на ямички (питинг), износване, задиране (надраскване) и пластична деформация на зъбите.

Счупването на зъба е най-опасната повреда, която може да доведе до сериозни последици, свързани с материални загуби. Счупвания на зъби са възможни при: еднократно (ударно) претоварване; при малко на брой големи претоварвания; след пластична деформация (студено изтичане); при попадане на чужди тела, при което действителните напрежения на огъване в основата на зъба са по-големи от якостта на материала. Характерен е едрозърнестият лом на повърхнината на разрушаване. Счупвания се получават и при сравнително по-малки напрежения вследствие умора на материала. С течение на времето съществуващите технологични микропукнатини се разширяват, носещото сечение на зъба намалява и той се счупва, при което сечението има характерен лом на разрушение от умора, част от сечението, където се е развивала уморна пукнатина, е гладко с изразени линии на затихване на процеса, а останалото сечение е със зърнест лом при внезапно счупване на зъба (фиг. 1). Счупването на зъбите се предотвратява чрез якостно изчисляване, определяне на напреженията на огъване в основата на зъба и сравняването им с допустимите такива.

Образуване на ямички (питинг) на зъбите. При тази повреда става откъртване на метални частици от зъбната повърхност и образуване на разпръснати ямички с тъмно дъно (без метален блясък) по цялата широчина на зъба (под полюсната линия). Бива начален, прогресивен, микропитинг. Питингът се дължи на повърхностна умора, свързана с достатъчно големи циклично повтарящи се контактни напрежения, и се наблюдава само при закрити предавки, работещи с обилно смазване. 

Питингът се предотвратява чрез изчисляване на контактна якост, при което максималното контактно напрежение трябва да бъде по-малко от допустимото. Увеличаването на допустимите напрежения се постига чрез прилагане на корекции, повишаване на твърдостта и точността на зъбите, правилен избор на вида на маслото, намаляване грапавостта на профилите.

Износването на зъбите представлява изменение на правилния еволвентен профил вследствие "изтриване" на работните им повърхнини. Това е основен вид повреда на зъбите на откритите предавки. Абразивното износване се дължи на силно замърсена среда и попадане на метални частици, прах и други в зоната на зацепване. В началния период на работа на предавката може да настъпи умерено износване (сработване) вследствие изглаждане на грапавините на зъбните повърхнини, ако те са били обработени по-грубо. В резултат от износването зъбът изтънява, хлабините в зацепването се увеличават и накрая той се отчупва. Износването може да се намали чрез повишаване на твърдостта на работните повърхнини, добро уплътняване и сигурно смазване на предавката, намаляване на грапавостта и на плъзгането между профилите чрез корекции.

Задиране на зъбите. Състои се от набраздяване на работните повърхнини на зъбите по направление на относителното им плъзгане. Наблюдава се при тежко натоварени предавки с несигурно смазване при големи скорости на относително плъзгане между профилите на зъбите (при винтови предавки с цилиндрични и с конусни зъбни колела, т. нар. хипоидни предавки). Предотвратява се с избор на по-малък модул, чрез повишаване на твърдостта, намаляване на грапавостта на зъбите, ограничаване на периферната скорост, правилен избор на масла с прибавки против задиране.
Пластична деформация - изразява се в странично изтичане на материала и увличането му по посоката на силите на триене. Наблюдава се при тежконатоварени нискоскоростни предавки с малка твърдост на зъбите.

Изчисляване на товароносимост на цилиндрични зъбни предавки
Изчисляването на товароносимост на зъбните предавки се провежда с цел да се определят такива размери на зъбите и колелата от предавката, при които да се избегнат съответните повреди. Изчисленията на огъване и на контактна якост са стандартизирани по БДС 17108-89 и ISO 6336-1989. Износването и задирането зависят от много и случайни експлоатационни фактори и за определяне на износоустойчивостта и устойчивостта против задиране няма общоприети методики.

Изчисляването на товароносимост бива проверочно и проектно. Проверочно изчисляване се прави при предавки, за които са известни размерите и въртящите моменти, като се сравняват изчислените с допустимите напрежения. При проектното изчисляване са дадени въртящите моменти, предавателното отношение и условията на работа, а се определя модулът или междуосовото разстояние и се изчисляват останалите параметри на зъбните колела.

При изчисляването на огъване, в зависимост от материала на зъбното колело и термообработката по експериментален път, се определя "якостта на огъване на зъбите - sFlimb", която има следните ориентировъчни стойности:
- за нисковъглеродни легирани стомани с цементация - 800 - 900 MPa;
- за закалени с ТВЧ стомани - 400 - 580 MPa;
- за средновъглеродни  стомани 40, 45, 40Х нормализирани с HB =180-350 - sFlimb  = 1,75 HB; за закалени с HRC =48-58 - sFlimb  = 580 MPa.

Допустимото напрежение за изчисляване на зъбите на огъване се получава, като якостта на огъване се раздели на минимално допустимия коефициент на сигурност - SFmin=1,7 -2,0.

При изчисляването на контактна якост, в зависимост от материала на зъбното колело и термообработката по експериментален път, се определя "контактна якост на зъбите - sHlimb", която има следните ориентировъчни стойности:
- за нисковъглеродни легирани стомани с цементация  sHlimb = 23 HRC, MPa;
- за обемно закалени средновъглеродни стомани 40, 45, 40Х - sHlimb = 17HRC + 200 MPa, а при и нормализация и подобряване с HB =180-350 sHlimb = 2 HB + 70 MPa.

Пластична деформация на зъбите се очаква за горните стомани съответно при напрежения sHlimb  > 44 HRC и sHlimb  > 2,8 sS.

Допустимото напрежение за изчисляване на зъбите на контактна якост се получава, като sHlimb се раздели на минимално допустимия коефициент на сигурност - SHmin=1,1 - 1,3.

Приложения
Освен инженерното му приложение, БДС ISO 10825 като нормативен документ е използван и в съдебната практика за класифициране и анализ на реално възникнали повреди на конкретни зъбни предавки, в резултат на които са предизвикани аварии, свързани с материални загуби. Като пример ще посочим изготвянето на техническа експертиза за причините за настъпили повреди в механичните трансмисии на използвани у нас трактори. Такава експертиза, изготвена за нуждите на съда, съдържа класификация на констатираните повреди върху зъбите на зъбните колела на изследваните трансмисии на базата на стандарта и заключение за евентуалните причини за възникването им.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top