Исследование характеристик упрочненных боросилицированием зубчатых колес при проведении стендовых испытаний

УДК 621.785.532

М. Н. Пищов, кандидат технических наук, ассистент (БГТУ);

С. Е. Бельский, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УПРОЧНЕННЫХ БОРОСИЛИЦИРОВАНИЕМ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ПРИ ПРОВЕДЕНИИ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ

Показана необходимость повышения эксплуатационного ресурса зубчатых передач трансмиссии трелевочного трактора ТТР-401 методом упрочнения комплексным борированием. Описаны методика проведения сравнительных испытаний зубчатых колес и конструкция стенда. Определены основные причины разрушения поверхности зубчатых колес, упрочненных различными методами.

The article highlights the need to rise the service life of the skidder's TTP - 401 gear drive transmission by means of complex borating strengthening. The author describes the ways of comparative tests investigations of gear wheels and test desk construction. The main reasons of destruction of the gear wheels surfaces which are strengthened in different methods. The reduction of gear wheels wear rate is determined.

Введение. Условия эксплуатации ряда слож-нонагруженных деталей лесных машин характеризуются значительным трением, интенсивным износом на их рабочих поверхностях, а также вибрациями широкого амплитудно-частотного диапазона. В связи с этим возникает необходимость в их дополнительном упрочнении деталей методами, позволяющими получать их более высокую поверхностную твердость. Для повышения износостойкости деталей машин, а также их восстановления при ремонте широко применяют различные виды поверхностного упрочнения: цементацию, азотирование, цианирование и др. Однако в условиях максимальных нагрузок, возникающих при работе ряда лесных машин, например трелевочных тракторов, твердость зубчатых колес трансмиссии является недостаточной. Так, было установлено, что для переднего ведущего моста трелевочного трактора ТТР-401 производства МТЗ характерна пластическая деформация зубьев конической передачи, которая приводит к необходимости проведения внеплановых ремонтов или ее замены [1].

Борирование позволяет получить твердость и износостойкость выше, чем при проведении базовой цементации и азотирования. Однако основным недостатком боридных слоев, прежде всего, является их повышенная хрупкость. Доказано, что при высоких нагрузках происходит выкрашивание упрочненного борированно-го слоя, которое приводит к потере работоспособности детали в целом. Для того чтобы решить данную проблему, было предложено дополнительно ввести в состав упрочняющей смеси кремний, который при диффузионном насыщении создает менее хрупкие фазы. Это позволяет избежать охрупчивания упрочненного слоя и способствует его лучшей приработке [2].

На основании лабораторных исследований износостойкости, а также усталостных испытаний упрочненных образцов был разработан состав для проведения комплексного бори-рования, оптимизированы температурно-вре-менные параметры процесса и определена необходимая толщина упрочненного слоя 200-250 мкм. Эти данные подтверждаются и расчетами на контактную прочность теоретической модели напряженного состояния зубьев при действии максимальных нагрузок с учетом остаточных напряжений. Однако для практической реализации нового процесса упрочнения деталей трансмиссии трелевочных тракторов необходимо проведение сравнительных стендовых испытаний зубчатых колес, упрочненных цементацией и комплексным борированием.

1. Методики проведения стендовых испытаний. Сравнительные испытания были проведены на стенде с замкнутым силовым контуром СИ-4. На практике в основном для проведения ресурсных испытаний зубчатых передач используются стенды, работающие по схеме с замкнутым силовым контуром или схеме с циркулирующей мощностью, при которой испытываемые зубчатые колеса или целые узлы включаются в замкнутую силовую цепь, нагружаемую с помощью различных устройств, а электродвигатель служит для приведения зубчатых колес во вращение. Такие стенды просты конструктивно, так как в них отсутствует дополнительное тормозное устройство, и весьма экономичны, поскольку мощность привода расходуется только на преодоление внутренних потерь в замкнутом силовом контуре. При реализации одинакового крутящего момента на испытываемых зубчатых колесах для привода стенда, работающего по схеме двигатель - зуб-

чатая передача - тормозное устройство, расход энергии в 6-10 раз больший, чем для привода стенда, работающего по схеме замкнутого силового контура.

Принципиальная схема стенда СИ-4 для ресурсных испытаний зубчатых колес показана на рис. 1. Стенд состоит из двух редукторов 1 и 3, зубчатые колеса которых и являются объектами испытаний. Редуктор 1 может свободно качаться вокруг оси 2. Обе пары зубчатых колес соединены в замкнутый контур карданными валами 2 и 6. Редуктор 3 жестко закреплен на станине с помощью болтов. Редуктор 1 является загрузочным. С помощью закрепленного на нем рычага 7 и груза 8 происходит поворот корпуса редуктора 1 на некоторый угол относительно оси вала 2 до тех пор, пока нагружающий момент не будет уравновешен силой упругой деформации закручивающихся осей замкнутого контура.

8

Р + Ро

Рис. 1. Схема стенда для испытания зубчатых колес: 1 и 3 - редукторы с испытываемыми зубчатыми

колесами; 2 и 6 - соединительные валы; 4 - электродвигатель; 5 - устройство измерения КПД стенда; 7 - рычаг; 8 - груз

При этом замкнутый контур оказывается нагруженным статическим моментом, определяемым длиной плеча Ь, а также суммарным действием груза 8 и части веса самого редуктора.

Из условия равновесия моментов в замкнутом контуре следует:

Р _ м(я + Я2) _ р _ м(1+о _ Р

Р _ Ро _ ,т Ро,

для загрузки испытываемой пары зубчатых колес; Я\ и Я2 - радиусы начальной окружности испытываемых зубчатых колес; Ь - плечо рычага; Р0 - составляющая веса редуктора, приведенная к точке приложения груза Р; г = Я2 / Я\ -передаточное отношение испытываемой пары зубчатых колес.

При наладке стенда зубчатые колеса и карданные валы монтируются таким образом, чтобы редуктор 1 занимал строго горизонтальное положение. После нагружения стенда выбранным моментом путем установки на рычаг груза, величина которого рассчитывается по формуле (1), ведут испытания зубчатых передач. Стабильность загрузки стенда во время его работы контролируется постоянством горизонтального положения нагрузочного рычага. Вращение зубчатых колес в замкнутом контуре осуществляется с помощью электродвигателя 4 постоянного тока, позволяющего плавно установить необходимое число оборотов испытываемых зубчатых колес. Статор электродвигателя установлен в подшипниках (т. е. выполнен балансирным) для контроля реализуемого вращающего момента и точных измерений изменений КПД стенда. Электромотор 4 соединяется с редуктором 3 упругой муфтой. Общий вид стенда приведен на рис. 2.

ЬЯ2

Ь

где Р - величина требуемого груза для создания расчетного момента; М - расчетный момент

Рис. 2. Стенд с замкнутым силовым контуром для испытаний зубчатых передач СИ-4

Испытывались зубчатые колеса с модулем т = 3 мм и числом зубьев г = 20. Испытываемые колеса смазывались трансмиссионным маслом, поступающим под давлением из масляной станции в зону зацепления и по стоку возвращающимся в масляную станцию. Возможно также осуществление смазки по схеме окунания в масляную ванну. Масло охлаждается водой, протекающей через змеевики, расположенные в масляной станции.

Сравнительные испытания проводились при частоте вращения п = 1500 об/мин и моменте нагружения М = 100 Нм до начала появления существенной деформации на поверхности зубьев цементованных колес. Этому соответствует 1,8 х 107 циклов нагружения.

Для определения величины износа в ходе проведения сравнительных испытаний было предложено некоторое смещение зубьев (рис. 3). Данное смещение повышает нагрузку на зуб, что позволяет приблизить параметры испытаний на стенде с режимом работы трелевочного трактора.

Также при проведении сравнительных испытаний периодически визуально контролировалось состояние рабочих поверхностей зубьев и с помощью пьезоакселерометра и виброанализатора «Кварц» - общий уровень и амплитудно-частотные спектры виброускорений на подшипниковых узлах испытательных редукторов.

2. Основные результаты испытаний цементированных зубчатых колес. Основной задачей при проведении сравнительных испытаний было установление преобладающих механизмов разрушения поверхности зубьев (изнашивание, пластическая деформация поверхности, усталостное выкрашивание, заедание).

г

Рис. 4. Изношенные поверхности цементированных зубчатых колес после 1,8 х 107 циклов нагружения при моменте М = 100 Нм

Рис. 3. Смещение зубчатых колес при проведении сравнительных испытаний

Установлено, что заедание имеет место в тя-желонагруженных зубчатых передачах, которые работают при высоких динамических нагрузках.

Изнашивание при заедании является наиболее опасным видом разрушения поверхностей, которое приводит к нарушению зацепления зубчатых колес и потере их работоспособности. Схватывание и глубинное вырывание материала при заедании способствует переносу материала с одной поверхности трения на другую, что приводит к образованию неровностей на поверхности зуба (рис. 4, а). Заедание главным образом проявляется в виде глубоких борозд, выровов, наростов, рисок и т. д.

Также в ходе проведения сравнительных испытаний на поверхности зубьев цементированных колес было установлено наличие зади-ров и пластической деформации (рис. 4, б-г). Основной причиной возникновения этого является недостаточная твердость поверхности цементированных зубчатых колес, что подтверждается расчетами при моделировании напряженного состояния зубчатых колес.

После окончания сравнительных испытаний на поверхности зубьев цементированных колес также было обнаружено выкрашивание. Доказано, что усталостное выкрашивание поверхности цементированных зубьев происходит при максимальных пиковых нагрузках. На рис. 5 представлены поверхности зубьев цементованных зубчатых колес с усталостным выкрашиванием после 1,8 х 107 циклов нагружения при нагрузке М = 100 Нм.

Возникновению микротрещин при циклических контактных воздействиях способствует влияние концентраторов напряжений. К поверхностным концентраторам напряжений относятся дефекты в виде царапин, вмятин, рисок, при-жогов и т. д. Существуют еще и подповерхностные концентраторы напряжений - неметаллические включения, микропоры, раковины, карбиды. Большое влияние оказывают значения максимальных касательных напряжений, которые главным образом возникают при резком трогании трелевочного трактора либо при наезде на препятствие. Доказано, что первичная трещина чаще возникает на поверхности контакта, но может зарождаться и в приповерхностных слоях материала. Установлено, что скорость развития усталостного изнашивания зависит от многих факторов: механических свойств материала, физико-механических свойств поверхности, качества обработки поверхности, остаточных напряжений в приповерхностных и поверхностных слоях материалов, концентрации напряжений и степени приработки, частоты изменения напряжений, уровня температуры; химической активности окружающей среды.

в

Рис. 5. Усталостное выкрашивание поверхности цементованных зубчатых колес после 1,8 х 107 циклов нагружения

Установлено, что при проведении упрочнения зубчатых колес основной задачей являются выбор необходимой глубины упрочненного слоя и крепкая связь его с основным металлом. В некоторых случаях при высокой глубине упрочненного слоя (150-280 мкм) происходит его выкрашивание с поверхности зубьев [3].

3. Основные результаты испытаний зубчатых колес, упрочненных комплексным борированием. При исследовании упрочненных комплексным борированием зубчатых колес на поверхности зубьев было выявлено наличие двух фаз. Первая фаза БеБ, перенасыщенная бором, обладает высокой твердостью (1500-2000 НУ) по сравнению со второй Бе2Б. Данная фаза (Бе2Б), обладая меньшей твердостью, является и менее хрупкой. Наличие на поверхности зубьев двух фаз приводит к снижению общего охрупчивания упрочненного слоя и препятствует его выкрашиванию с поверхности зубьев. Также установлено, что с добавкой в состав упрочняющей смеси кремния лучше происходит приработка зубчатых колес и повышается возможность их работы при высоких динамических нагрузках.

б

Рис. 6. Изношенные поверхности при упрочнении комплексным борированием зубчатых колес после 1,8 х 107 циклов нагружения

После проведения сравнительных испытаний упрочненных зубчатых колес было установлено наличие на поверхности зубьев небольших вмятин, которые разместились на менее твердой фазе Бе2Б (рис. 6). Наличие на поверхности зубьев менее твердой фазы способствует лучшей приработке зубчатых колес и повышает их ресурс.

Также при проведении сравнительных испытаний было показано, что на зубчатых колесах, упрочненных комплексным борирова-нием пластической деформации, выкрашивание и задиры на поверхности зубьев не наблюдаются.

Заключение. Результаты проведенных сравнительных испытаний на износ зубчатых колес подтверждают возможность упрочнения комплексным борированием с использованием разработанного состава [4] рабочих поверхностей зубьев деталей трансмиссии трелевочных тракторов для повышения их износостойкости.

По данным визуального анализа пятна контакта с использованием микроскопов МБС-9 и 1БОЬ установлено, что на рабочих поверхностях зубьев, упрочненных цементацией, имеют место явно выраженные следы контактного взаимодействия с образованием мелких царапин, вмятин и задиров. Также отмечено развитие процесса усталостного выкрашивания поверхности зубьев, а в некоторых случаях и заедание. На рабочих поверхностях зубьев, упрочненных комплексным борированием, видимых изменений состояния упрочненного поверхностного слоя не установлено.

Литература

1. Пищов, М. Н. Причины разрушения и возможность повышения долговечности конической передачи переднего ведущего моста трелевочного трактора / М. Н. Пищов, С. Е. Бель-ский // Наука и инновации вузов - производству: взаимодействие, эффективность, перспективы. - Минск, 2008. - С. 88-89.

2. Григоров, П. К. Методика определения хрупкости борированного слоя / П. К. Григоров, А. И. Катханов // Повышение надежности и долговечности деталей машин. - 1972. - Вып. 16. -С. 97-98.

3. Ворошнин, Л. Г. Борирование промышленных сталей и чугунов / Л. Г. Ворошнин. -Минск, 1981. - С. 55-56.

4. Состав для борирования металлов: пат. 11380, 09.05.2008 / С. Е. Бельский, М. Н. Пищов, А. И. Су-рус, В. А. Симанович, С. Н. Пищов; заявитель Белорус. гос. технол. ун-т. - № а 20061174; заявл. 23.11.2006; опубл. 05.09.2008 // Афщыйны бюл. / Нац. цэнтр штэлектуал. уласнасщ. - С. 34.

Поступила 14.03.2011