Анализ отказов зубчатых передач: питтинг, заедание, износ и излом зуба — данные по напряжениям и корректирующие меры

Содержание

Четыре механизма повреждения объясняют большинство отказов редукторов: питтинг, заедание, абразивный износ и излом зуба. Каждый из них оставляет характерный след в определённом месте зуба, и каждый требует своей корректирующей меры. Поэтому диагностика предшествует перепроектированию. Как только вид повреждения подтверждён, путь устранения обычно один из трёх: повторная проверка несущей способности по GB/T 3480, ужесточение контроля термообработки и шлифования или модернизация смазки и фильтрации. Большинство отказов, проявляющихся в начале эксплуатации, связаны с одной из этих трёх областей, а не с неизбежным пределом материала.

1. Карта расположения повреждений: четыре вида рядом

До любых измерений положение повреждения на зубе значительно сужает круг причин.

Питтинг проявляется в виде скоплений выкрашиваний на рабочей боковой поверхности. Заедание выглядит как сваренные и разорванные борозды вдоль направления скольжения. Абразивный износ равномерно удаляет материал по всей боковой поверхности. Излом — это полное или частичное разрушение, начинающееся у галтели ножки.

2. Повреждение боковой поверхности: питтинг и заедание

2.1 Питтинг: контактное напряжение выше предела

Мгновенное сжимающее давление в месте контакта двух зубьев — это контактное напряжение. Оно оценивается по формуле Герца, как указано в GB/T 3480, который технически эквивалентен ISO 6336. Питтинг обычно начинается вблизи полюсной линии, потому что там скорость скольжения наименьшая и создать разделяющую масляную плёнку труднее всего.

Для стальных зубчатых колёс допустимое контактное напряжение определяется материалом и его термообработкой. При пульсирующей нагрузке табличные значения примерно следующие:

Возьмём пару, работающую при 750 МПа. С 20CrMnTi остающийся запас близок к двукратному; с 40Cr напряжение находится у верхнего предела. Тот же передаваемый момент, но очень разный срок службы.

Корректирующие работы ведутся по трём направлениям:

• Изменить размеры или выбрать другой материал так, чтобы расчётное напряжение стало ниже допустимого значения.
• Поддерживать систему смазки в исправном состоянии, потому что при напряжении, близком к пределу, состояние плёнки определяет срок службы.
• Повысить поверхностную твёрдость, что напрямую увеличивает допустимое напряжение.

Коэффициенты запаса по контактному напряжению, SH: 1,0–1,3 для обычных машин, 1,3–1,6 для приводов, где простой дорого обходится.

2.2 Заедание: сваривание с последующим отрывом

Когда давление и скорость преодолевают плёнку, микронеровности соприкасаются, свариваются и затем отрываются, оставляя задиры. Это заедание. Оно угрожает как низкоскоростным тяжелонагруженным агрегатам, так и высокоскоростным. Определяющей переменной является мгновенная температура. Минеральные масла теряют эффективность, когда мгновенная температура превышает примерно 120–180°C; синтетические жидкости выдерживают более высокие значения.

Практические контрмеры охватывают выбор масла и геометрию: выбирать смазки с серо- и фосфорсодержащими противозадирными присадками; поддерживать шероховатость боковой поверхности ниже Ra 0,4, чтобы меньше микронеровностей контактировало; повышать поверхностную твёрдость. Азотированные зубчатые колёса, имеющие низкий коэффициент трения на поверхности, также находят применение в этих случаях.

3. Излом ножки: изгибное напряжение, удар и прижог при шлифовании

Изгибное напряжение у ножки — это растягивающее напряжение, воспринимаемое зубом под нагрузкой. Превысьте предел материала — и зуб отламывается у ножки. Существуют две различные формы: усталостное разрушение, накапливающееся за много циклов, и разрушение от перегрузки, следующее за одним серьёзным событием. При наличии ударов коэффициент применения KA достигает 1,5–2,0, и такие режимы нельзя рассматривать как плавно работающие.

Два фактора скрыты внутри процесса механической обработки. Первый — радиус галтели ножки. Стандартный червячный резец даёт радиус около 0,38m; меньший радиус концентрирует напряжение. Переход на резец с полным радиусом снижает коэффициент формы YF примерно на 5%, и изгибное напряжение падает вместе с ним. Второй — прижог при шлифовании. Слишком большая подача или недостаточное охлаждение при шлифовании зубьев могут отпустить, а в тяжёлых случаях повторно закалить поверхностный слой, оставив остаточное растягивающее напряжение, измеряемое сотнями МПа; усталостная долговечность при изгибе тогда заметно снижается. Испытание шумом Баркгаузена (магнитоупругий метод) и нитальное травление — признанные методы обнаружения. Для чистового шлифования подача обычно ограничивается 0,005–0,01 мм на проход.

Дробеструйное упрочнение — стандартная мера. Оно создаёт сжимающее остаточное напряжение примерно 300–600 МПа в поверхностном слое у ножки, что компенсирует часть растягивающего напряжения, которое зуб испытывает в работе. Цементованные зубчатые колёса выигрывают больше всего, так как их ножки уже твёрдые.

4. Абразивный износ: в основном проблема чистоты масла

Твёрдые частицы, такие как пыль или стружка, попадают в зацепление вместе со смазкой и врезаются в боковую поверхность. Новые зубчатые колёса проходят этап приработки, во время которого стирается примерно 0,005–0,02 мм материала, прежде чем достигаются установившиеся условия. Если чистота масла низкая, скорость износа резко возрастает, профиль зуба смещается, и как шум, так и боковой зазор ухудшаются.

Чистота классифицируется по ISO 4406. Код 17/15/12, например, соответствует 1300–2500 частиц размером более 4 мкм в каждом миллилитре. Контрмеры несложны: подобрать номинальную тонкость фильтра в соответствии с требованием, герметизировать корпус и менять масло по графику. Способ смазки также важен — разбрызгиванием подходит для средних и низких скоростей, тогда как высокая скорость и тяжёлая нагрузка требуют принудительной струйной подачи.

5. Рабочий процесс выбора в шесть шагов

1. Проверить прочность. Рассчитать коэффициенты запаса по контактным и изгибным напряжениям согласно GB/T 3480, ориентируясь на SH/SF 1,0–1,3 для общего машиностроения или 1,3–1,6 для ответственных приводов.
2. Назначить коэффициент применения. KA 1,0–1,25 для равномерной нагрузки, 1,25–1,5 для умеренных ударов, 1,5–2,0 для сильных ударов.
3. Выбрать материал с учётом доминирующего риска отказа. При питтинге — более твёрдая поверхность через цементацию или азотирование; при изломе — проверить прочность ножки и рассмотреть дробеструйное упрочнение; при заедании — указать противозадирное масло.
4. Выбрать способ смазки. Разбрызгиванием для средних и низких скоростей, принудительная струя для высокой скорости и тяжёлой нагрузки, с классом масла по вязкости ISO VG.
5. Установить целевые показатели чистоты по ISO 4406 и испытывать масло через определённые интервалы.
6. Зафиксировать степень точности. Шлифованные зубья достигают DIN 5–6; зубофрезерование и шевингование достигают DIN 7–8. Точность определяет распределение нагрузки и, в свою очередь, срок службы.

Выполните проверку прочности, прежде чем обсуждать детали процесса, и направьте затраты на лимитирующий фактор. Когда запас мал, сначала увеличьте модуль или ширину зубчатого венца; материал меняйте во вторую очередь.

6. Что производит PinyiGear

PinyiGear производит прямозубые и косозубые зубчатые колёса по чертежам; модуль, наружный диаметр и степень точности зубьев принимаются по указаниям на чертеже заказчика. Часто указываемые марки — 20CrMnTi, 40Cr, 42CrMo и 38CrMoAl — обрабатываются на месте, с поддержкой цементации, газового азотирования и контроля по пунктам, согласованным с заказчиком, при этом прижог при шлифовании держится под контролем процесса.

• Прямозубые зубчатые колёса
• Косозубые зубчатые колёса
• Производственные возможности

Предоставьте данные о режиме работы — мощность, скорость, уровень ударов и условия смазки — и инженерная команда вернёт проверку прочности и коммерческое предложение после рассмотрения этих данных. Сначала установите, какой вид отказа имеет место; направление корректировки следует из него.

Отправьте данные о режиме работы через сайт PinyiGear или воспользуйтесь страницей инженерного анализа, чтобы запросить бесплатный расчёт прочности и предложение по процессу.