Проблемы формообразования профилей зацепления крупномодульных зубчатых колес тяжело нагруженных технологических машин

УДК 622.232

ПРОБЛЕМЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПРОФИЛЕЙ ЗАЦЕПЛЕНИЯ

КРУПНОМОДУЛЬНЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ТЯЖЕЛО НАГРУЖЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Л.В. Лукиенко, К.В. Гальченко

Рассмотрены технологические особенности изготовления различных конструкций крупномодульных тяжело нагруженных зубчато-реечных передач. Показано, что при проектировании необходимо учитывать фактор технологичности разрабатываемой конструкции зубчато-реечной передачи посредством учёта длины сварных швов и коэффициента использования металла.

Ключевые слова: крупномодульные зубчато-реечные передачи, технологичность изготовления, коэффициент использования материала.

Для перемещения тяжело нагруженных ответственных технологических машин (очистные комбайны, стволопроходческие комплексы, подъёмные установки, ворота шлюзные, экскаваторы) находят применение крупномодульные (от 31,85 до 47,746 мм) зубчато-реечные передачи. При их изготовлении возникают немалые проблемы, связанные с недостатком оборудования. Одним из практически реализуемых решений является переход на технологичный радиусный профиль зацепления (движители зубчато-реечных систем перемещения очистных комбайнов) и применение станков с числовым программным управлением. Для работы механизмов перемещения тяжело нагруженных технологических машин, кроме колеса необходима рейка, жёстко закреплённая на неподвижных направляющих. Обкатываясь по рейке, колес.

При проектировании реечных тяговых органов для перемещения тяжело нагруженных технологических машин конструкторам приходится решать сложную многофакторную задачу, при решении которой вопрос технологичности изготовления зачастую уходит на второй план. Поэтому, цель работы состоит в выборе наиболее технологичного способа изготовления крупномодульных тяжело нагруженных зубчато-реечных передач на основе анализа их конструкций с точки зрения технологичности изготовления.

Рейка РКД (шаг зацепления 138 мм, угол зацепления 80) представляет собой полосу проката толщиной 60 мм из стали 35ХГСА, из которой плазменной резкой сформирована секция зубчатой рейки длиной 1500 мм, имеющая по краям крепёжные отверстия. Из секций рейки монтируют реечный став последовательным их соединением с помощью и-образных проушин, закреплённых на навесном оборудовании скребкового конвейера. Фиксация звеньев реечного става от осевого смещения в ходе эксплуатации осуществлена крепёжными пальцами, снабженными шплинтами. Таким образом, затраты на механическую обработку зубчатого модуля звена рейки РКД минимальны.

Следует отметить, что особенностью стали 35ХГСА, которая достаточно хорошо обрабатывается резанием, является повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Второй её особенностью является зависимость предела выносливости от предела прочности, причём, с повышением предела прочности уменьшается предел выносливости высокопрочных сталей. Изготовление реечного звена осуществляется методом плазменной резки из полосы соответствующего размера, позволяющей получить одновременным раскроем за один ход плазмотрона две заготовки звеньев, при незначительных потерях отходов в основном в виде расплавленного металла.

Применение плазменной резки при высокой плотности и мощности излучения позволяет обеспечить высокопроизводительную интенсивную технологию резки путём нагрева металла до точки плавления и его выдувания из зоны резания, что позволяет получать высокое качество поверхности реза. После вырезки заготовка подвергается улучшению когда структура состоит из продуктов распада мартенсита, что дает эффект сочетания высших прочностных и пластичных свойств металла рейки, а, следовательно, её высокие эксплуатационные показатели.

Рейка 3БСП (шаг зацепления 100 мм, диаметр цевок 50 мм) состоит из двухполозной направляющей угловой конструкции специального профиля, которая при работе воспринимает силу тяжести перемещаемого комбайна. В вертикальных бортах этих направляющих выполнен ряд чередующихся отверстий с шагом 100 мм, в которых закрепляются сваркой полуавтоматической в среде углекислого газа цилиндрические цевки рейки. Нижний пояс, рассматриваемой угловой конструкции усилен полосой металла по всей длине рейки для восприятия усилия подачи очистного комбайна закреплённой на корпусе сваркой. Кроме того, короткая полка угловой направляющей подвергается с рабочей стороны плазменной закалке на глубину 1...2 мм до ИЯС 70-40 при 320. Цилиндрические отверстия, выполненные по краям направляющей угловой конструкции, предназначены для соединения секций между собой при сборе реечного става.

Общая длина реечного става, сформированного из цевочных реек 2УКПК (шаг зацепления 100 мм, диаметр цевок 50 мм, материал цевок -сталь 40Х), формируется из отдельных звеньев, скреплённых между собой замком специальной конструкцией, которая закреплена на навесном оборудовании скребкового конвейера. Звено рейки 2УКПК изготовлено из двух полос, соединённых между собой в две параллельные направляющие, расстояние между которыми и параллельность обеспечивается мерными по длине и короткими по ширине пластинами, а жесткость наружной направляющей - продольной пластиной приваренной перпендикулярно по нижнему поясу и снабженной двумя ребрами жесткости в виде треугольных косынок. Противоположная (внутренняя) направляющая усилена гнутым профилем в виде тупого уголка, одной стороной приваренного непосредственно к направляющей. Пальцы рейки установлены в гнёзда направляющих и зафиксированы сваркой.

Для соединения звеньев в реечный став сконструирован замок, снабженный двумя пальцами закрепленными в направляющих и двумя отверстиями, для связи со стыкуемыми звеньями. Внутренняя часть замка имеет пластину жесткости, снабженную четырьмя ребрами с отверстиями для центровки с отклонением от соосности не более 0,5 мм. Противоположная, наружная полка замка снабжена полосой жесткости в два раза больше толщины и имеющей сложный контур, к которой с внешней стороны приварена одна центрирующая втулка, также достаточно сложной формы и закрепляемая сваркой в строго определённом положении относительно базовой детали. Пальцы замка представляют собой ступенчатый валик с буртами для фиксации направляющих и связанных с ними сваркой.

Для реек 3БСП и 2УКПК, где используется электродуговая сварка в защитных газах и ручная электродуговая покрытым электродом, имеет место наличие достаточно широкой зоны термического влияния сварного шва. Это способствует появлению сварочных деформаций и напряжений во время процесса производства самих работ, и, что особенно существенно, после полного остывания соединения. Кроме того, температурные поля оказывают непосредственное влияние на металлургические процессы при сварке, что сказывается на прочности. Поэтому сварку высокопрочных сталей следует сопровождать предварительным, сопутствующим и последующим подогревом свариваемых деталей для получения более надёжного соединения столь ответственной конструкции рейки.

Говоря об изготовлении каркасной сварной металлоконструкции не следует забывать о том, что при её сборке необходимо обеспечивать симметрию и взаимные перпендикулярность и параллельность полок и стенок, прижатие деталей друг к другу и последующие закрепление прихватами, а затем контрольную операцию и только потом окончательную сварку всей конструкции. Для фиксации заготовок при сборке сварных коробчатых конструкций приходится использовать сборочные кондукторы специального назначения. При производстве реек 3БСП и 2УКПК требуется изготовление нескольких специальных конструкций кондукторов и стапелей, что существенным образом удорожает стоимость конечного продукта и снижает его технологичность.

Звено зубчатой рейки 8БСП изготовлено из стали 25 ГСРД методом пластического деформирования. Причём направляющие и зубья выполнены как единое целое. Перегородки между зубьями, в виде технологического напуска приходится выфрезеровывать для придания заготовке рабочей формы.

Проведённый конструктивный анализ позволяет сделать вывод о том, что наиболее технологичной является последняя рассмотренная конструкция. К её основным достоинствам можно отнести: рейка формируется методом проката с соблюдением требуемой параллельности направляющих формой самого инструмента. Зубья являются единым целым с направляющими и благодаря особенностям деформационной структуры самого

металла в местах соединения зуба с направляющей, обеспечивается эксплуатационная надёжность крепления. Легированная сталь 25ГСРД относится к хорошо деформируемым в горячем состоянии и хорошо сваривающимся материалам. Сама гребёнка после пластического деформирования требует минимум механической обработки со снятием стружки. Да и необходимость в удалении перегородок фрезерованием может быть заменена вырубкой на ковочном молоте.

Таким образом, конструкция рейки 8БСП имеет ряд преимуществ с технологической точки зрения перед рейками РКД, 3БСП и 2УКПК, обладает гораздо меньшей себестоимостью, а процесс её изготовления может быть максимально механизирован, что позволит обеспечить наибольшую производительность труда.

Главными источниками погрешностей при изготовлении зубчатого колеса и рейки являются следующие: неодинаковые линейные размеры и объемы различных частей деталей, что особенно важно при использовании тепловых технологических процессов; недостаточная надёжность колеса и рейки, приводящая к прогибам под действием внешних сил и термической обработки; фазовые превращения структуры при термическом воздействии - изменение удельного объёма сердечника детали; изменение удельного объёма поверхностного слоя при образовании закалочных структур; погрешности размеров и формы деталей после механической обработки; напряжённое состояние материала детали: глубина и степень механического наклёпа; полная или частичная релаксация остаточных напряжений, возникающих в ходе заготовительных операций.

Рассмотрим конструктивные особенности и технологию изготовления детали цевочного узла именно с вышеперечисленных позиций. Начнём со звена рейки РКД. Конструкция предполагает использование для изготовления звена стали 30 ХГСА; либо возможности замены на сталь 45 или 30Г. В качестве исходной заготовки предложим листовой материал, толщиной 60 мм, полученный в виде горячекатанного проката обычной точности в нормализованном состоянии с твёрдостью 280-321 НВ.

Сталь 30ХГСА относится к улучшенным среднелегированным сталям, обладающая достаточно высокой прокаливаемостью и поэтому после изготовления рейки детали должны быть подвержены улучшению с целью получения структуры зернистого сорбита с твёрдостью порядка 280321 НВ, что нельзя гарантировать, применяя в качестве заменителя конструкционные стали 45 и 30Г.

Наибольшая точность размеров при изготовлении приводного зубчатого колеса соответствует девятому квалитету. Коэффициент использования материала составляет порядка 68-70 %, что можно считать приемлемым для условий мелкосерийного производства.

Несколько снижает технологичность изготовления приводного колеса необходимость проведения цементации всей детали и последующей её термической обработки для получения твердости поверхности зуба и шли-

цев порядка HRC 57-63. Указанный вид термической обработки несущественно влияет на изменение шероховатости исполнительных поверхностей детали и не требует последующей отделочной механической обработки.

Таким образом, сравнивая технологию изготовления реечного звена и приводного колеса с изготовлением аналогичных деталей [1] можно удовлетворением отметить явные преимущества описанной нами технологии.

Список литературы

1. В.П. Кондрахин, В.В. Косарев, Н.И. Стадник. Электрические механизмы перемещения очистных комбайнов. Донецк: Технопарк ДонНТУ УНИТЕХ, 2010. 257 с.

2. Горбатов П. А. Горные машины для подземной добычи угля. Донецк: Норд Компьютер, 2006. 669 с.

3. Геллер Б.М., Лукиенко В.Г., Семёнов Ю.Н. Бесцепные системы подачи очистных комбайнов. М.: Недра, 1988. 152 с.

4. Мирошниченко О.А. Технологическое обеспечение элементов колёсно-реечных движителей: дис. ... ДонНТУ, Донецк, 2010.

5. Бреннер В. А. Стационарные и тормозные режимы работы бесцепных систем перемещения очистных комбайнов / В. А. Бреннер, К. А. Головин, Т.В. Ковалёва [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 220с.

Лукиенко Леонид Викторович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, lukienko_lv@,mail.ru, Россия, Тула, ТГПУ им. Л.Н. Толстого,

Гальченко Константин Викторович, асп., lukienko lv@mail.ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт РХТУ им. Д.И. Менделеева

PROBLEMS OF THE FORMA TION OF A PROFILE OF TOOTH OF A PINION WITH BIGGEST MODULE OF HARD LOADED TECHNOLOGICAL MACHINES

L.V. Lukienko, K.V. Galchenko

Technological features of production of various designs the big module of hard loaded rack and pinion systems are considered. It is shown that at design it is necessary to consider a factor of manufacturability of the developed design of rack and pinion systems by means of the accounting of length of welded seams and efficiency of metal.

Key words: big module of hard loaded rack and pinion systems, manufacturability of production, material efficiency.

Lukienko Leonid Viktorovich, doctor of technical science, professor, head of department, lukienko_lv@,mail.ru, Russia, Tula, TGPUnamed by L.N. Tolstoy,

Galchenko Konstantin Viktorovich, postgraduate, lukienko_lv@,mail.ru, Russia, Novomoskovsk, RHTU Novomoskovsk of institute named by D. I. Mendeleev