Оценка эффективности расчетного метода определения параметров упрочнения цементируемых зубчатых колес судовых передач

Оценка эффективности расчетного метода определения параметров упрочнения цементируемых зубчатых колес судовых передач

Динь Дык Лок, В. А. Мамонтов Астраханский государственный технический университет

Аннотация: Рассматривается эффективность методов определения параметров упрочнения цементируемых зубчатых колес. Приведены результаты циклических испытаний на образцах диаметра 10 мм и опытных зубчатых колесах модуля 6 мм. По результатам испытаний построены кривые усталости. Для определения эффекта упрочнения и параметров упрочнения расчетным методом необходимо построить эпюры распределения по опасному сечению деталей микротвердости, остаточных и рабочих напряжений. Расчетным методом определены величины эффекта упрочнения образцов и зубьев опытных колес, которые соответственно равны 1,6 и 1,66. Эти величины приближены к величинам эффекта упрочнения, полученным экспериментальным методом. Это подтверждает целесообразность использования расчетного метода для исследования влияния параметров упрочнения и других факторов на сопротивление усталости деталей.

Ключевые слова: Параметр упрочнения, цементируемое зубчатое колесо, напряжение, микротвердость, СИТОН, сопротивление усталости.

Основным показателем, определяющим работоспособность зубчатых колес судовых передач, является предел выносливости. С целью повышения предела выносливости в заданных условиях зубчатые колеса подвергаются поверхностному упрочнению, в частности цементации. При разработке упрочняющих технологий основной задачей является определение оптимальных параметров упрочнения, обеспечивающих максимальное значение предела выносливости.

На судоремонтных предприятиях до сих пор параметры упрочнения определяются по справочным данным, а также по результатам проведения длительных усталостных испытаний на образцах и на натурных колесах [1,2]. Это вызывает большие трудоемкость и затраты на подготовку производства. Поэтому в научной работе [3] предложена методика, которая позволяет определить параметры упрочнения расчетным способом без проведения усталостных испытаний на образцах и на опытных зубчатых колесах.

Целью работы является аналитическая оценка эффективности экспериментальных и теоретических методов определения параметров упрочнения цементируемых зубчатых колес.

Объектом исследования является образцы диаметра 10 мм и опытные зубчатые колеса модуля 6мм. Образцы и зубчатые колеса изготовлены из стали 12ХН3А, химический состав и механические свойства которой приведены в таблице [4]. Образцы и зубья опытных зубчатых колес цементуются на глубину, составляющую 0,2...0,24 от характерного размера детали, и имеют поверхностную твердость 60.62 ИЯС.

Таблица

Химический состав и механические свойства стали 12ХН3А

Марка материала по ГОСТ 4543-71

Химический состав и механические свойства

12ХН3А

Содержание элементов, %

С Мп Сг N1 Р 5 Си

Сталь 0,090,16 0,300,60 0,170,37 0,600,90 2,753,15 < 0,025 < 0,025 < 0,30

Механические свойства

стТ, МПа

685

ств, МПа

930

5, %

11

У, %

55

ан,

кгс • м

2

см

8,8

НВ

<217

Сущность экспериментального метода определения предела выносливости заключается в следующем. Образцы и зубья колес испытываются на специальных установках при симметричном цикле изменения напряжений для образцов и пульсирующем цикле - для зубьев

:

колес. С точки зрения надежности результатов усталостных испытаний образцов база испытания принята выше рекомендуемых и равна 10 циклов. При испытании цементируемых зубьев колес принята база испытаний, равная 2.106 циклов. Предел выносливости образцов и зубьев колес определяется методом «лестницы». По этому способу образцы и зубья колес испытываются на усталость последовательно один за другим при повышенном или пониженном уровнях рабочих напряжениях в зависимости от состояния образцов и зубьев колес. Число циклов до разрушения определяется с помощью счетчиков, установленных на экспериментальных установках. По результатам испытаний построены кривые усталости, выраженные в зависимости уровня напряжений от числа циклов до разрушения (рис.1 и 2).

Рис. 1. - Кривые усталости цементируемых образцов диаметра 10 мм

Рис. 2. - Кривые усталости цементируемых зубьев колес модуля 6 мм

По предложенной методике [3] предел выносливости определяется в результате анализа взаимного расположения эпюр изменения по сечению деталей механических свойств, остаточных и рабочих напряжений. Для этого

необходимо проводить исследования распределения микротвердости, остаточных и рабочих напряжений по сечению детали.

Исследование распределения микротвердости в цементованном слое детали проведено на микрошлифах. Величины микротвердости измерены с помощью микротвердомера ПМТ-3 при нагрузке 20г. Шаг измерения принят равным 0,05 мм у края микрошлифа и 0,1мм при переходе к сердцевине.

Для исследования распределения остаточных напряжений по опасному сечению детали использован прибор Скан-идентификатор технологических остаточных напряжений СИТОН. Принцип работы прибора основан на корреляции между интегральными электрическими и механическими характеристиками металлов и сплавов. Можно также использовать методы, предложенные в работах [5,6]. Согласно этому методу величины остаточных напряжений определяются по величинам деформаций, возникающих при удалении упрочненного слоя зубьев колес.

........-.....

и-ми, | Ц

и и. ш _... _ __^1,-11.

Рис. 3. - Распределение напряжений в элементах зуба Под действием внешних нагрузок в детали возникают изгибные напряжения. Величины изгибных напряжений в опасном сечении детали определены методом конечных элементов с помощью специальной

программы Бешар и КХ Кав1хап [7-10]. Пример схемы расчета изгибных напряжений в корне зуба показан на рис.3.

По результатам исследований построены эпюры их распределения по сечению детали. Ниже приведен пример схемы определения эффекта упрочнения (рис.4).

остаточных напряжений; 2- эпюра предельных амплитуд напряжений с учетом влияния остаточных напряжений; 3- эпюра предельных рабочих напряжений (эпюры выражены в относительных единицах по отношению к соответствующим свойствам в сердцевине); Рис. 4. - Схема определения эффекта упрочнения цементируемых образцов диаметра 10 мм При построении эпюр на схеме упрочнения необходимо отметить, что кривые распределения пределов выносливости 1 (без учета влияния

1- эпюра твердости и пределов выносливости без учета влияния

остаточных напряжений) построены по кривым распределения твердости в

а ч Н

предположении, что —^^ = цемен , где а-1цемен, Нцемен соответственно предел

а-1исх Нисх

выносливости и микротвердость образца, подвергнутого цементации; а-1исх,Нисх тоже, для образца из исходного металла [11].

В результате определены величины эффекта упрочнения образцов и зубьев колес, которые соответственно равны 1,6 и 1,66. Эти величины приближены к величинам эффекта упрочнения, полученным экспериментальным методом. Расхождение величин эффекта упрочнения составляет примерно 3.5%. Это подтверждает целесообразность использования предложенной методики для исследования влияния параметров упрочнения и других факторов на сопротивление усталости деталей.

Методика позволяет расчетным путем определить оптимальные параметры упрочнения и существенно снизить трудоемкость и затраты на подготовку производства при ремонте или изготовлении зубчатых колес. Применение предложенной методики имеет перспективу при разработке упрочняющих технологий в отраслях машиностроения.

Литература

1. Рубан А.Р. Повышение технологичности судовых планетарных зубчатых редукторов при ремонте путем изменения норм шероховатости переходных поверхностей зубьев цементируемых колес: дис. ... канд. техн. наук: 05.08.04. Астрахань, 2004. 150 с.

2. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний: Справочник. М.: Металлургия, 1978. 304 с.

3. Динь Д.Л. Разработка методики определения параметров упрочнения цементацией зубчатых колес при ремонте/Д.Л. Динь//Молодой ученый. 2013. № 8(55). С. 85-88.

4. Зубченко А.С. и др. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 2003. 784 с.

5. Туровский М.Л. Остаточные напряжения во впадинах зубьев цементованных шестерён. Вестник машиностроения. 1971. К2 9. C. 38-40.

6. Акуличев А.Г. Остаточные напряжения в нитроцементованной стали 20Х3МВФ-ш // Инженерный вестник Дона, 2010, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2010/264/.

7. Ляшков А.А. Формообразование винтовой поверхности детали угловой фрезой // Инженерный вестник Дона, 2012, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/978/.

8. O.C. Zienkiewicz and R.L. Taylor. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2005. 752 p.

9. Young W. Kwon, Hyochoong Bang. The Finite Element Method Using MATLAB. Florida: CRC Press, 2000. 599 p.

10. Tran Ich Thinh, Ngo Nhu Khoa. Phuong phap phan tu huu han. HN.: NXB Ha Noi, 2007. 289 p.

11. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. М.: Машиностроение, 1979. 191с.

References

1. Ruban A.R. Povyshenie tehnologichnosti sudovyh planetarnyh zubchatyh reduktorov pri remonte putem izmenenija norm sherohovatosti perehodnyh poverhnostej zubev cementiruemyh koles [Increasing technological adaptability in repairing marine planetary gear reduction by changing the standard of the surface roughness of carbon impregnated gears]: dis....kand. tekhn. Nauk: 05.08.04. Astrahan, 2004. 150 p.

2. Shkolnik L.M. Metodika ustalostnyh ispytanij: Spravochnik [Fatigue testing methodology: A Guide]. M.: Metallurgija, 1978. 304 p.

3. Dinh D.L. Molodoj uchenyj. 2013. № 8(55). pp. 85-88.

4. Zubchenko A.S. i dr. Marochnik staley i splavov [Database of steel and alloy]. M.: Mashinostroenie, 2003. 784 p.

5. Turovskij M.L. Vestnik mashinostroenija. 1971. K2 9. pp. 38-40.

6. Akulichev A.G. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2010, №4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n4y2010/264/.

7. Lyashkov A.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №3 URL: ivdon.ru/magazine/archive/ n3y2012/978/.

8. O.C. Zienkiewicz and R.L. Taylor. The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2005. 752 p.

9. Young W. Kwon, Hyochoong Bang. The Finite Element Method Using MATLAB. Florida: CRC Press, 2000. 599 p.

10. Tran Ich Thinh, Ngo Nhu Khoa. Phuong phap phan tu huu han [The Finite Element Method]. HN.: NXB Ha Noi, 2007. 289 p.

11. Markovets M.P. Opredeleniye mekhanicheskikh svoystv metallov po tverdosti [Determination of mechanical properties of metals in hardness]. M.: Mashinostroenie, 1979. 191 p.