СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС РЕДУКТОРОВ Российский патент 1997 года по МПК F16H1/00 B23F19/00 G01B5/20 

Способ относится, в первую очередь, к добывающим, обрабатывающим, металлургическим, энергетическим и машиностроительным отраслям народного хозяйства. Реализуется в условиях эксплуатации машин и механизмов. Преимущественно имеются в виду эвольвентные передачи: цилиндрические и конические; прямозубые и косозубые; закрытые; модулем 5 и более миллиметров.

Известны способы повышения долговечности зубчатых колес на стадии их проектирования и изготовления, за счет обеспечения рациональных геометрии и коррегирования, материалов и их термообработок, систем смазок и ее составов.

Однако перечисленные способы проблему повышения долговечности зубчатых колес не снимают и не позволяют вести борьбу с питтингом, появляющимся по причине возрастающих в процессе эксплуатации передачи контактных напряжений.

Известен также способ повышения долговечности зубчатых колес за счет предупреждения питтинга, возникающего на поверхностях зубьев по причине возрастающих в процессе эксплуатации передачи контактных напряжений [1] включающий определение посредством измерительных средств значений размеров действительных радиусов кривизн на рабочих поверхностях зубьев, сопоставление их с допускаемыми значениями и принятие решения о целесообразности проведения чистовых операций.

Недостаток этого способа: несвоевременность проведения диагностических и профилактико-восстановительных операций и, поэтому, питтинг своевременно предупреждается лишь у незначительной части зубчатых колес; основная же их масса в процессе эксплуатации доходит до аварийного состояния, после которого эти детали оказываются, как правило, не восстанавливаемыми.

В основу изобретения положен способ повышения долговечности зубчатых колес редукторов за счет предупреждения питтинга, возникающего на поверхностях зубьев по причине возрастающих в процессе эксплуатации передачи контактных напряжений, включающий определение посредством измерительных средств значений размеров действительных радиусов кривизны на рабочих поверхностях зубьев, сопоставление их с допускаемыми значениями и принятие решения о целесообразности проведения чистовых операций.

Сущность способа повышения долговечности зубчатых колес редукторов, согласно изобретению, заключается в том, что вначале определяют посредством измерительных средств значения размеров действительных радиусов кривизны на рабочих поверхностях зубьев, сопоставляют их с допускаемыми значениями и принимают решение о целесообразности проведения восстановительных чистовых операций. Затем у отобранных зубчатых колес удаляют возникшие в процессе эксплуатации возвышения на поверхностях зубьев.

В качестве измерительного средства используют радиусомер с набором эталонных элементов, радиусы которых расположены в интервале допускаемых значений радиусов кривизны. Перед замером действительного радиуса кривизны ощупывающую часть радиусомера настраивают, посредством эталонных элементов на допускаемое значение, а затем вводят в соприкосновение с обследуемой поверхностью. При проведении восстановительной чистовой операции используют абразивный круг с опорной шайбой, расположенные на одной оси, которую располагают перпендикулярно продольной оси впадины зуба.

Также, согласно изобретению, ощупывающую часть радиусомера снабжают магнитом, а информацию о значениях радиусов кривизны снимают используя электрическую схему, в которую включают контакт "измеряемая поверхность - токопроводящая часть радиусомера" и выполняют действия, направленные на замыкание и/или размыкание этого контакта.

Отличительным является и то, что в корпусе редуктора, со стороны торцев зубьев, выполняют сквозное отверстие, предназначенное для обеспечения доступа радиусомером к измеряемой поверхности.

Фиг. 1 поперечное сечение зуба с указанным на нем местом (ВРС) появления питтинга, возникающего из-за понижения радиусов кривизны.

Фиг.2 эпюра эксплуатационно-нормальных износов зубьев.

Фиг. 3 качественно-графическая иллюстрация способа повышения долговечности зубчатых колес за счет периодически проводимых чистовых операций на поверхностях из зубьев.

Фиг.4 общий вид варианта радиусомера с электросхемой.

Фиг.5 вид по стрелке А на фиг.4.

Фиг.6 вид по стрелке Б на фиг.4.

Фиг.7 вид по стрелке В на фиг.6.

Фиг.8 вид по стрелке Г на фиг.4.

Фиг.9 вид по стрелке Д на фиг.4.

Фиг.10 вид на сечение Е-Е на фиг.4.

Фиг. 11 к описанию действий, применяемых при удалении возникающих в процессе эксплуатации возвышений на поверхностях зубьев.

Достаточным подтверждением целесообразности борьбы с питтингом, возникающим в зубчатых передачах, служит тот факт, что, в соответствии с мировой практикой, главным прочностным расчетом зубчатых передач является расчет на контактную прочность.

Питтинг это явление образования сети трещин в поверхностных слоях зубьев и отрыва, в связи с этим, частиц с максимальным линейным размером ориентировочно 1-3 миллиметра (литературные синонимы оспообразование, выкрашивание).

Питтингу предшествует эксплуатационно-нормальный износ (окислительный, износ поверхностным течением и другие виды; в условиях особо малых износов с поверхностей зубьев удаляются частички размерами порядка 0,01 мкм).

Чем дальше точка профиля зуба отстоит от начальной окружности (на фиг.1: Р точка пересечения профиля зуба с начальной окружностью; точка А от нее отстоит дальше, чем В), тем больший участок сопряженного профиля проскальзывает по ней. В точке Р проскальзывания нет. Это и объясняет, почему замеры эксплуатационно-нормальных (допиттинговых) поверхностей зубьев зубчатых колес, находящихся в эксплуатации, устойчиво свидетельствуют, что в точке Р профиля износ существенно ниже, чем в отдаленных точках см.фиг.2, где B_oP_oC_o участок профиля зуба, соответствующий началу эксплуатации передачи. ВРС тот же участок профиля, но по истечении определенного промежутка времени; он оказывается сместившимся в глубину тела зуба по причине эксплуатационно-нормальных износов.

Ввиду небольшой длины (порядка половины модуля зацепления) и гладкости линии, радиусы кривизны в различных точках участка ВРС отличаются несущественно от среднего своего значения. По этой причине участок ВРС профиля зуба удобно представлять в виде дуги окружности:
r ОС ОР ее радиус, f РК стрелка, b ВКС хорда.

Геометрические параметры, r, f и b связаны несложной математической зависимостью:

Так как r намного больше f, то более удобной является формула

Пусть r_o и f_o радиус кривизны и стрелка участка профиля ВРС, соответствующие началу эксплуатации передачи (соответствующие изображенной на фиг.2 линии B_oP_oC_o), а
f-f_o= Δf.
Тогда, из (1):
(2)
Если максимальный по профилю износ (на фиг.1 точка А; она расположена примерно посередине ножки зуба) обозначить F_max, то, как показывает анализ кривых эксплуатационно-нормальных износов,
при b=0,7•m Δf≥ 0,5•f_max,
где m модуль зацепления.

Чтобы иметь представление о том, что эксплуатационно-нормальные износы влияют на радиусы кривизны, приводим числовой пример.

Пусть имеем цилиндрическое эвольвентное зубчатое колесо с модулем m 10 мм и числом зубцов z 50; угол профиля режущего инструмента α_o= 20^°; начальная окружность совпадает с делительной; начальный профиль (доэксплуатационный) полагаем идеально соответствующим эвольвенте.

Тогда радиус кривизны в точке Р, в соответствии с известной формулой, окажется равным:

Стрелка (f) дуги окружности радиуса 85 мм с хордой 7 мм (0,7 • m) равна всего-навсего, как видно из (1):
f_o 0,072 мм.

Пусть максимальный по профилю износ (f_max) оказался равным 0,2 мм (что меньше 0,01 толщины зуба и обычно считается несущественным).

Тогда Δf≥ 0,1 мм и, из (2): 2,4•r≅ r_o,
т. е. несмотря на "малую" (по сравнению с толщиной зуба) величину эксплуатационно-нормального износа, радиус кривизны уменьшился не менее, чем в 2,4 раза.

Применительно к эвольвентным передачам контактные напряжения на опасных по питтингу участках (на фиг.1 линия ВРС) принято оценивать формулой Герца:

где а независящая от времени эксплуатации передачи величина;
q максимальная (вдоль линии пересечения профиля зуба и начального цилиндра) удельная нагрузка; эта величина зависит от погрешностей изготовления и сборки, а в косозубых передачах зависит еще и от неравномерного (по профилю) эксплуатационно-нормального износа (приводящего к монотонному возрастанию этой величины);
r₁ и r₂ радиусы кривизны профилей шестерни и колеса в точках их пересечения с начальными окружностями, которые (как уже отмечалось) в процессе эксплуатации передачи существенно снижаются.

Из изложенного и ясна целесообразность периодических корректировок профилей зубьев на участках ВРС. Достигается это путем сошлифовываний (работниками механических служб, при проведении ими плавно-предупредительных ремонтов) с поверхностей зубьев на участках ВРС слоя материала (в точке Р - глубина сошлифовывания максимальная, порядка 0,1 миллиметра; в направлениях к В и С глубина сошлифовывания монотонно убывает до нуля).

Качественно-графическая иллюстрация сущности способа представлена на фиг.3, где
σ контактное напряжение на участке ВРС профиля зуба;
N число циклов напряжений зуба;
s_lim значение σ, при котором появляется питтинг (АВ линия питтинга);
[σ] допускаемое в эксплуатации значение σ (СД линия допускаемых значений контактного напряжения);
s₀₁ значение σ в начале эксплуатации передачи;
s_oi значение σ после (i-1)-го восстановительного сошлифовывания с поверхностей зубьев (FG линия восстановленных значений контактного напряжения);
N₁ число циклов напряжений зуба на первом этапе эксплуатации передачи (до первого профилактического восстановления его профиля);
N_i число циклов напряжений зуба на i-том этапе эксплуатации передачи, т. е. после (i-1)-го восстановления.

На фигурах 4-10 представлен вариант устройства радиусомера, применяемого для реализации рассматриваемого способа. На них: 1 основание, 2 постоянный магнит с прокладкой 3; 4 упор; 5 лампочка с питанием от батарейки 6; 7 - крепежный и 8 настроечный винты; 9 и 10 опоры. Основание 1 выполнено из стальной полосы, толщиной, например, 0,6 мм. Два изгиба на его конце предназначены для образования резьбы под настроечный винт 8 и для крепления деталей 2 и 4; комплекс изгибов (в количестве 3-х) в средней части основания предназначен для установки крепежного винта 7. Основание имеет отверстие с витком резьбы для крепления в нем лампочки 5. С целью предупреждения появления ложных сигналов (не через конец винт 8, а по другим электрическим цепочкам), основание 1 в соответствующих местах покрыто электроизоляционным лаком. Упор 4 выполнен из кусочка провода в электроизоляционной оболочке (см.фиг.10). На установочном винте 8 имеется контргайка, которая предназначена для выборки осевого зазора и служит для создания тормозного момента, предупреждающего самоотвинчивание винта 8. Другой ваpиант: с целью увеличения магнитных сил, прижимающих ощупывающую часть радиусомера к поверхности зуба, магнит располагают не сверху основания (как изображено на фиг.4 и 6), а снизу основания 1.

При работе радиусомером ось установочного винта располагают перпендикулярно продольным осям зубьев и эталонов радиусов кривизны, что автоматически обеспечивают силы магнита 2.

Работа радиусомером требует наличия эталонов радиусов кривизны. Их делают путем вырезания продольных полосок (шириной ориентировочно 10-15 мм) из полых втулок. Эталонами радиусов кривизны могут являться также наружные кольца подшипников качения, ролики, валы, втулки и подобные им детали, в широком ассортименте имеющиеся у механических служб современных производств.

С целью обеспечения доступа радиусомером к поверхностям зубьев, в корпусе, напротив торцев зубьев, выполняют сквозное резьбовое отверстие (например под винт М20).

Радиус кривизны идеально эвольвентного профиля зуба в точке пересечения с начальной окружностью в случае прямозубчатого цилиндрического зубчатого колеса определяют по формуле
r_э= 0,5•m•z•sinα, (4)
где m модуль, α угол зацепления, z число зубьев.

Без разборки редуктора доступ к шестерням обычно затруднен и технологией диагностики предусматривают радиусы кривизны замерять на колесах. Поэтому в (4) z это число зубьев колеса.

Перед началом эксплуатации зубчатого колеса значение радиуса кривизны у шлифовальных зубьев обычно мало отличаются от r_э. В процессе же эксплуатации передачи этот радиус монотонно понижается и при некотором его значении (обозначим его r_к и назовем критическим), в появляется питтинг.

Для серийно производимой машины (при большом количестве одинаковых, с точки зрения чертежей, зубчатых колес) критический радиус кривизны r_к - случайная величина, распределенная по нормальному закону, с относительно небольшими среднеквадратичными отклонениями (s) от своего центра распределения (r_к).

Значения r_к удобно устанавливать на ремонтных предприятиях.

Рекомендации для определения допускаемых значений радиусов кривизны на контролируемых участках профилей зубьев:
для основной массы зубчатых передач
[r] r_к + 2•s; (5)
для ответственных передач
[r] r_к + 3•s. (5)"
При отсутствии статистических данных, руководствуются правилом: у 97% передач питтинг не возникнет в течение месяца эксплуатации, если соблюдать условие
r≅[r](0,4-0,5)•r_э (6)
Пример диагностической технологии:
1. По чертежам устанавливают высоту (h) ножки зуба это разность радиусов начальной окружности и окружности впадин. В наиболее распространенных нулевых передачах h 1,25 • m;
2. Упору 4 обеспечивают вылет h и закрепляют (вылет упора это расстояние между плоскостью симметрии радиусомера и концом упора, соприкасающегося с дном впадины);
3. Конец упора 4 изгибают таким образом, чтобы рабочая его часть при замерах соприкасалась с серединой дна впадины между зубьями;
4. По эталонам радиусомер настраивают на допускаемое значение радиуса кривизны. При отсутствии накопленных статических данных значений [r] определяют по формуле (6). Например, пусть для колеса обследуемой передачи радиус кривизны эвольвенты в точке ее пересечения с начальной окружностью равен 100 мм, тогда [r] (40^oC50) мм. В электрическую цепь радиусомера включают эталон r 50 мм, с которым соприкасают радиусомер (опорами 9 и 10). При этом, ощупывающая часть радиусомера под действием магнитных сил прижмется к эталону. Настраивают радиусомер по двум положениям винта 8. Первое его положение должно быть таким, чтобы лампочка не загоралась при покачивании прибора вокруг продольной оси (покачиванием гарантируется наличие момента времени одновременного соприкасания опор 9 и 10 с поверхностью эталона, при котором электрическая цепь будет разомкнутой). Второе положение отличается от первого на минимальное, практически осуществимое угловое перемещение винта 8 (при ручной настройке с помощью отвертки это угловое перемещение составляет примерно 0,01 полного оборота винта); во втором положении винта 8 одновременного соприкосновения опор 9 и 10 с эталоном, при покачивании радиусомером вокруг продольной оси, уже не должно быть должен быть момент времени, когда с эталоном будет соприкасаться острый конец винта 8; в этот момент времени электрическая цепь будет замкнутой и лампочка 5 загорится.

После выполнения описанных действий, прибор окажется настроенным на радиус, расположенный в интервале (41-50) мм. При этом, левую границу интервала вычисляют по формуле
r_min= r•(1-0,001•r•ΔΦ), (7)
где r и r_min в миллиметрах, а угловой шаг настройки радиусомера, ΔΦ в градусах (примерно 0,01 полного оборота, т.е. 3,6 градуса);
5. Вывинчиванием из корпуса редуктора соответствующего винта обеспечивают радиусомеру доступ к поверхностям зубьев. В очищенную от смазки впадину колеса вводят ощупывающую часть радиусомера. При этом магнитные силы втягивают ощупывающую часть прибора во впадину и прижимают ее к обследуемой поверхности зуба. Медленно вытягивают ощупывающую часть радиусомера из редуктора и пальцами руки покачивают прибор вокруг продольной оси на угол ±10^o. Если лампочка не горела, или наблюдались случайные ее вспышки, то делают вывод, что радиус кривизны еще не понизился до допускаемого своего значения. Если покачиваниями радиусомера удается находить положения, при котором наблюдается устойчивое горение лампочки, то делают вывод о целесообразности профилактического восстановления поверхностей зубьев. По окончании обмера радиуса кривизны на первом зубе, колесо поворачивают на 120^o и обследуют второй зуб. Затем, в том же направлении поворачивают колесо еще на 120^o и обследует радиус кривизны на третьем зубе. Если, по результатам обмера радиусов кривизны на трех зубьях, устойчивого горения лампочки не наблюдалось, то делают вывод о том, что обследовавшаяся зубчатая пара может эксплуатировать дальше.

Пример профилактико-восстановительной технологии:
1. Открывают крышку редуктора, сливают смазку, обследуют радиусы кривизны на колесе и шестерне по три зуба, расположенные через 120^o; устанавливают закономерность расположения мест на поверхностях зубьев с существенно понизившимися радиусами кривизны; при необходимости, число обследуемых зубьев расширяют. Отмечают (например школьным мелком, на цилиндре выступов) участки, подлежащие восстановлению, участки, которым соответствуют сигналящая лампочка, восстанавливать; участки, которым соответствует устойчивое отсутствие сигнала, что можно не восстанавливать.

2. С целью увеличения радиусов кривизны поверхностей зубьев в зонах, подвергаемых прогрессивному питтингу, может использоваться устройство по фиг. 11, где 11 патрон шлифовальной машинки (высокоскоростной электродрели), приводящий во вращательное движение стержень-винт 12, на котором закреплен абразивный круг 13 (круги принимают по ГОСТ 24124-83 с зернистостью абразива 16-32 мкм, или 25-63 мкм); 14 опорно-базирующая шайба (изготавливают из любой стали). Во избежание саморазвинчивания, резьбу и направление вращения инструмента принимают совпадающими правые (либо левые). Шлифмашинку (или быстроходную электродрель) держат двумя руками за рукоятку и близлежащую к патрону корпусную часть. Ось вращения инструмента располагают под углом (90-20^o) к оси зубчатого колеса. Абразивный круг (шлифующий поверхность зуба), при правом его вращении, перемещают вдоль оси зуба справа-налево, а в исходное положение возвращают.

3. Совпадаемость запланированного места шлифования с получаемым в действительности определяют визуально (прошлифованные участки хорошо видны на поверхностях зубьев). Одинаковость глубины удаляемого слоя при одном проходе определяют по величине снопа искр и регулируют путем поворота оси вращения вала шлифмашинки вокруг точки скольжения шайбы 14 по поверхности зуба. С целью обеспечения равномерности (по длине зуба) суммарной глубины сошлифованного слоя, делают 10-15 проходов (углубляясь за каждый проход на 5-10 мм). Ширина шлифуемой полоски 0,5-1,0 модуля зацепления. При приближении к границам полоски глубину шлифования плавно понижают. Делают это уменьшением числа проходов (в соответствующих точках профиля) и уменьшением снопа искр. Контроль за достаточностью процесса шлифования осуществляют радиусомером. При этом, если возвратиться к рассматривавшемуся примеру (r_э 100 мм, [r] 40-50 мм), то радиусомер настраивают на 100 мм и он, при перемещении ощупывающей частью прибора по сошлифованной полоске, должен показывать устойчивое отсутствие сигнала лампочки;
4. Отстоявшимся отработанным маслом смывают продукты шлифования и традиционным способом удаляют все это из картера. Заливают свежую смазку, устанавливают крышку и редуктор оказывается подготовленным к дальнейшей эксплуатации.

Использование: добывающие, обрабатывающие, металлургические, энергетические и машиностроительные отрасли народного хозяйства; реализуется в условиях эксплуатации; преимущественно имеются ввиду эвольвентные передачи - цилиндрические и конические, прямозубые и косозубые, закрытые, модулем 5 и более миллиметров. Сущность изобретения: предупреждение питтинга путем своевременной диагностики и восстановления профилей зубьев непосредственно на месте эксплуатации редукторов. Положительный эффект: повышение надежности и срока службы зубчатых передач. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ повышения долговечности зубчатых колес редукторов, включающий определение посредством измерительных средств значений размеров действительных радиусов кривизны на рабочих поверхностях зубьев, сопоставление их с допускаемыми значениями и принятие решения о целесообразности проведения восстановительных чистовых операций, отличающийся тем, что в качестве измерительного средства используют радиусомер с набором эталонных элементов, радиусы поверхности которых соответствуют допускаемым значениям радиусов кривизны, при этом перед замером действительного радиуса кривизны ощупывающую часть радиусомера настраивают посредством эталонных элементов на допускаемое значение, затем вводят в соприкосновение с обследуемой поверхностью, при этом при проведении восстановительной чистовой операции используют абразивный круг с опорной шайбой, расположенные на одной оси, которую располагают вдоль продольной оси впадины зуба. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ощупывающая часть радиусомера снабжена магнитом. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что информацию о значении радиусов кривизны снимают, используя электрическую схему, в которую включают контакт "измеряемая поверхность токопроводящая часть радиусомера" и выполняют действия, направленные на замыкание и/или размыкание этого контакта. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в корпусе редуктора выполняют сквозное резьбовое отверстие, предназначенное для обеспечения доступа радиусомером к измеряемой поверхности со стороны торцов зубьев.