Виды разрушения зубьев

1. Поломка зубьев – появляется из-за повторно-переломных напряжений изгиба. Прямые короткие зубья выламываются полностью, а длинные обламываются по косому сечению. Поломку зубьев предупреждает расчёт на прочность по напряжениям изгиба.

2. Усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев (рисунок 4, 5) – возникает из-за действия повторно-переменных контактных напряжений. В местах постоянного контакта зубьев развивается наибольшая сила трения, появляются микротрещины, что ведёт к образованию маленьких ямок, переходящих в раковины. Предупреждают усталостное выкрашивание расчётом на прочность по контактным напряжениям.

Рисунок 4- Выкрашивание вблизи полюсной линии на ножке зуба.

Рисунок 5- Выкрашивание зубьев.

а) – образование микротрещин; б) – развитие микротрещины; в) – откалывание (выкрашивание) частицы металла поверхности зуба, образование раковины.

3. Износ зубьев. По мере износа утончается зуб, увеличиваются зазоры в зацеплении, что ведёт к поломке зуба, появляется шум при работе передачи. Износ можно уменьшить защитой от попадания абразивных частиц, повышением твёрдости и класса чистоты рабочих поверхностей зубьев.

4. Излом зубьев (рисунок 6). Различают два вида излома зубьев. Излом от больших перегрузок, а иногда от перекоса валов и неравномерной нагрузки по ширине зубчатого венца и усталостный излом, происходящий от длительного действия переменных напряжений изгиба. Усталостные трещины образуются чаще всего у основания зуба (иногда трещина распространяется к вершине зуба) на той стороне, где от изгиба возникают напряжения растяжения. Для предупреждения усталостного излома применяют: колёса с положительным смещением при нарезании зубьев; термообработку; дробеструйный наклёп; жёсткие валы, увеличивают модуль и др.

Рисунок 6 — Излом зубьев.

а) – излом от больших перегрузок; б) – усталостный излом.

1 – усталостный излом; 2 – усталостные трещины.

5. Заедание зубьев (рисунок 7). Происходит привар частиц одного зуба к другому вследствие местного повышения температуры в зоне зацепления, срыва масляной плёнки. После чего происходит задир рабочих поверхностей зубьев. Заедание зубьев предупреждают повышением твёрдости и класса чистоты рабочих поверхностей зубьев, правильным подбором противозадирных масел.

Рисунок 7 — Изнашивание и заедание зубьев.

а) – искажение профиля зуба; б) – образование наростов.

ISopromat.ru

При передаче вращающего момента зубья находятся в сложном напряженном состоянии. Причем эти напряжения являются переменными. Поэтому зубья могут выходить из строя в результате усталостного разрушения:

• излома зубьев от напряжений изгиба;
• выкрашивания рабочих поверхностей зубьев от контактных напряжений.

Поломка зубьев является наиболее опасным видом разрушения. Выходит из строя колесо, а обломки зуба, попадая между вращающимися деталями, могут привести к выходу из строя валов, подшипников и других деталей.

Поломка зубьев может вызываться большими перегрузками или длительной переменной нагрузкой, под действием которой в зонах концентрации напряжений образуется и развивается усталостная трещина. Для предупреждения поломки зубьев их рассчитывают на изгибную прочность (выносливость).

Усталостное выкрашивание поверхностных слоев зубьев является наиболее распространенным видом повреждений зубьев для большинства хорошо смазываемых и защищенных от загрязнений зубчатых колес. Выкрашивание или отрыв от рабочей поверхности зубьев мелких частиц металла приводит к образованию ямок, раковин. Выкрашивание носит усталостный характер.

В результате зацепления зубьев контактные напряжения в каждой точке рабочей поверхности зубьев изменяются по отнулевому циклу. Усталостные трещины обычно зарождаются у поверхности, где возникает концентрация напряжений из-за микронеровностей.

Для предупреждения усталостного выкрашивания зубчатую передачу рассчитывают на контактную выносливость.

Ступенчатое регулирование выполняют в коробках скоростей с зубчатыми колесами, в ременных передачах со ступенчатыми шкивами и т.п. Бесступенчатое регулирование — с помощью фрикционных или цепных вариаторов.

Механические передачи ступенчатого регулирования с зубчатыми колесами обладают высокой работоспособностью и поэтому широко применяются в машиностроении.

Механические передачи бесступенчатого регулирования обладают меньшей нагрузочной способностью и имеют меньшее распространение. Конкурентами этих передач являются гидравлические передачи, которые позволяют передавать большие мощности и иметь сравнительно простую систему автоматического регулирования.

Привет студент

При работе цилиндрических зубчатых передач возможны различные повреждения зубьев колес.

Механическое изнашивание включает:

□ выкрашивание рабочих поверхностей. Наиболее частая причина выхода из строя зубчатых передач, работающих со смазкой, имеет усталостный характер. Трещины развиваются в основном на ножке зубьев в местах неровностей, оставшихся после окончательной обработки. Появляющиеся в процессе работы наклонные трещины заполняются смазочным материалом, в котором при нагружении может возникнуть большое давление, вызывающее развитие трещины и выход ее на поверхность (отрывается частица металла). При дальнейшем нагружении зуба число ямок растет и размеры их увеличиваются. Профиль зуба искажается, поверхность становится неровной, уменьшается точность, возрастают динамические нагрузки. Процесс выкрашивания усиливается, и рабочая поверхность на ножке зуба разрушается. Опасно прогрессивное выкрашивание, при котором образование ямок быстро распространяется и поражает всю поверхность ножек. Если смазка отсутствует или ее количество незначительно, выкрашивание наблюдается редко, так как образовавшиеся повреждения сглаживаются из-за износа поверхности. Сопротивление выкрашиванию возрастает с увеличением твердости поверхности зубьев и чистоты обработки, правильным подбором смазки;

□ износ зубьев. Он возникает вследствие изнашивания рабочих поверхностей зубьев, что связано с разрушением поверхностного слоя. Изнашивание возрастает с увеличением контактных напряжений и удельного скольжения. При износе искажается эвольвентный профиль, что вызывает уменьшение точности, возрастание динамических нагрузок. Так как наибольшее скольжение происходит в начальных и конечных точках контакта зубьев, то наибольший износ наблюдается на ножках и головках зубьев. Износ сильно увеличивается при наличии на рабочих поверхностях зуба неровностей после обработки, а также при загрязнении зубчатой передачи абразивными частицами. Он наблюдается при работе у открытых механизмов и при ресурсной (одноразовой) смазке. Износ уменьшается, если неровности меньше толщины масляной пленки, а при недостаточной смазке увеличивается. Износ зубьев можно понизить уменьшением контактных напряжений qн и увеличением износостойкости поверхности зубьев. Этого добиваются повышением твердости рабочих поверхностей зубьев и правильным выбором смазки. У мелкомодульных колес механизмов КА с большим передаточным числом 900) быстро изнашиваются входные, быстроходные пары. Их нужно рассчитывать на износостойкость. При наличии большого износа зубьев необходимо проводить расчет ресурса или определять его экспериментально.

Молекулярно-механическое изнашивание проявляется как заедание при действии высоких давлений в зоне, где нет масляной пленки. Сопряженные поверхности зубьев сцепляются настолько сильно, что частицы поверхности более мягкого зуба привариваются к поверхности зуба другого колеса. Образовавшиеся наросты наносят на рабочие поверхности других зубьев борозды. Заедание особенно интенсивно в вакууме из-за отсутствия окисных пленок, а также часто происходит, когда рабочие поверхности зуба подвергаются высокому давлению. Заедание исключают повышением твердости и снижением шероховатости поверхностей, правильным подбором противозадирных масел.

Пластическое деформирование наблюдается в тяжело нагруженных тихоходных передачах, когда под действием сил трения и давления частицы поверхностного слоя смещаются. Это также возможно при малом ресурсе и высоком давлении, которое должно быть ограничено.

Проведение расчета передачи на контактную прочность и следование полученным данным предотвращают выкрашивание и пластическую деформацию рабочих поверхностей зубьев.

Поломка зубьев — наиболее опасный вид разрушения. Носит усталостный характер и обычно отсутствует у зубчатых колес редукторов, рабочие поверхности которых не упрочнены. Излом зубьев является следствием возникающих в них повторно-переменных напряжений от изгиба при нагрузках. Усталостные трещины образуются у основания зуба на той стороне, где от изгиба возникают наибольшие напряжения растяжения. Излом происходит в сечении зуба у основания. Чтобы избежать поломки, обязательно проводится расчет и а прочность по напряжениям изгиба.

Используемая литература: Детали машин и основы конструирования : учеб. для ву-
Д38 зов / Г. И. Рощин, Е. А. Самойлов, Н. А. Алексеева и др.; под
ред. Г. И. Рощинн и Е. А. Самойлова. — М. : Дрофа, 2006. —
415, [1] с.: ил. — (Высшее образование).

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Классификация повреждений зубчатых передач

материал предоставил к.т.н. СИДОРОВ Владимир Анатольевич

Безотказность зубчатых передач – определяющий фактор надёжности работы механического оборудования. Для определения причин их повреждения необходимо соблюдать последовательность осмотра, определять возможность использования при различных видах износа. Зубчатое колесо необходимо заменять в случае обнаружения классифицированного дефекта, характеристики которого выходят за пределы установленных значений.

Зубчатые передачи широко используют в механическом оборудовании для преобразования параметров вращательного движения. Срок их службы определяет показатели безотказности работы механизма и является одним из критических звеньев дерева отказов. Отказы механического оборудования из-за износа или разрушения зубчатых колес приводят к наиболее длительным простоям и требуют больших затрат для восстановления работоспособности. Предупредить аварийное разрушение зубьев и увеличить срок службы передачи позволяют своевременные ремонтные мероприятия, обоснованные результатами визуального износа.

В процессе эксплуатации невозможно контролировать физические процессы, происходящие в зоне контакта зубчатого зацепления. В тоже время вид износа, характер разрушения и распределение действующих сил позволяют получить информацию о параметрах их эксплуатации и характере старения.

В научной литературе и стандартах различного уровня описаны виды повреждений зубчатых передач и требования, обеспечивающие длительную работу зубчатого зацепления. Известная классификация повреждений зубчатых передач не является единой, а при определении причин и характера разрушения используют различную терминологию. Опыт решения практических задач определения причин повреждений и разрушений требует разработки классификации повреждений зубчатых передач на единой методической основе.

Классификация повреждений зубчатых передач с целью определения причин разрушения или износа и предупреждения их развития на стадии эксплуатации должна учитывать следующие варианты соотношения сроков службы самих передач и узлов, в которые они входят:

1. Срок службы зубчатой передачи превышает сроки службы опорных подшипников и вала, что наиболее приемлемо для длительной эксплуатации. При этом о существовании зубчатой передачи “забывают” и поломка происходит неожиданно, через значительный промежуток времени (5-15 лет с начала эксплуатации).
2. Срок службы зубчатой передачи соизмерим со сроком службы опорных подшипников и вала, что приводит к увеличению объёма ремонтных работ и снижению наработки на отказ. Этот вариант требует постоянного контроля за состоянием зубчатых передач, для исключения внезапных отказов и предупредительной замены зубчатых колес.
3. Срок службы зубчатой передачи меньше срока службы опорных подшипников и вала, что требует изменения качества изготовления, монтажа или условий эксплуатации. Если причины ускоренного износа не установлены и принятые меры не эффективны, тогда ежеквартальные замены становятся постоянными.

Определение причины повреждения позволяет разработать рациональные методы воздействия на зубчатые передачи для повышения их долговечности. В практике работы ремонтных служб промышленных предприятий основным методом оценки степени работоспособности и состояния зубчатых передач является визуальный осмотр. Вибрационный контроль в данном случае является индикаторным методом, позволяющим зафиксировать отклонения в работе зубчатого зацепления. Более эффективно оценивать степень повреждения и обосновывать необходимость замены зубчатых колес путем непосредственного осмотра зубьев (рисунок 1). При этом большее внимание уделяют характеру повреждений и расположению пятна контакта на рабочих поверхностях зубьев.

Рисунок 1 – Общий вид мультипликатора, подготовленного к визуальному осмотру

На работоспособность зубчатых передач влияют как внешние факторы, определяющие передаваемые крутящие моменты и характер вращения зубчатых колес, так и внутренние, зависящие от технического состояния механизма. Взаимодействие внешних и внутренних факторов создает многообразие возможных повреждений зубчатых передач. Несмотря на неизменность в процессе эксплуатации передаточного отношения зубчатой передачи, данные факторы изменяются, приводя к преобладанию определенного вида износа или повреждения. При определении причин повреждения необходимо рассматривать зубчатое колесо как деталь, имеющую посадочную поверхность, несущие элементы и контактную взаимодействующую поверхность. Необходимо соблюдать следующую последовательность осмотра: посадочная поверхность, торцевая и рабочая поверхность зубьев, осмотр противоположной стороны зубчатого колеса.

На работоспособность зубчатого зацепления влияют такие внешние факторы:

Значение прилагаемой силовой нагрузки определяет следующий характер повреждений на рабочей поверхности:
номинальная нагрузка не приводит к изменению формы зуба и не оставляет значительных следов деформации на рабочей поверхности зубчатой передачи (рисунок 2);

Рисунок 2 – Отсутствие деформаций – признак воздействия номинальной нагрузки:

а) рабочая поверхность зубьев;

б) торцевая поверхность зубьев

переменные или знакопеременные силы, приводят к появлению на площадках контакта напряжений, превышающих предел выносливости материала, оставляют на рабочей поверхности осповидные углубления, вызываемые усталостью материала (рисунок 3);

Рисунок 3 – Превышение предела выносливости материала приводит к осповидному выкрашиванию рабочей поверхности: а) начальная стадия; б) дальнейшее развитие; в) предельное состояние

пластические сдвиги на рабочей поверхности зубчатой передачи происходят при превышении напряжений действующих на площадках контактов предела текучести, поверхностный слой металла перемещается от делительного диаметра к вершине зуба, образуя выступ (рисунок 4);

Рисунок 4 – Пластические сдвиги на рабочей поверхности зубчатой передачи – напряжения на площадках контактов превысили предел текучести: а) начальная стадия; б) дальнейшее развитие Промежуточными проявлениями действующих сил являются: отслаивание частиц металла с рабочей поверхности зубьев; наклёп из-за сильных ударов при наличии зазора в зацеплении. Характер прилагаемой силовой нагрузки связан с постоянством или непостоянством частоты вращения, изменением направления вращения, значением динамической составляющей. Динамические удары часто приводят к изломам зубьев (рисунок 5). При увеличении частоты вращения увеличиваются требования к точности изготовления и установки зубчатых передач, в противном случае – увеличивается износ зубьев. В нереверсивных передачах в обязательном порядке следует осматривать обратную (нерабочую) поверхность зуба. На ней могут проявляться ошибки изготовления или монтажа. Например, из-за малого бокового зазора на обратной поверхности зуба могут появиться следы контакта (рисунок 6). Рисунок 5 – Излом зубьев из-за воздействия динамических ударов Рисунок 6 – Пятно контакта на нерабочей поверхности зуба колеса Наличие абразивных частиц или веществ вызывающих коррозию приводит к абразивному износу, коррозии поверхности зубьев, способствует возникновению газовой или жидкостной эрозии. Основная причина коррозии — наличие воды в смазочном материале – проявляется в виде равномерного (рисунок 7а) или неравномерного слоя (рисунок 7б) ржавчины на поверхности зубьев. Степень коррозии может быть различной. Её легко оценивать визуально. Рисунок 7 – Следы коррозии на поверхности зубьев: а) равномерный слой; б) неравномерный слой Первоначальное проявление абразивного износа – появление царапин или рисок на рабочей поверхности в направлении движения абразивного материала (рисунок 8). В данном случае поверхность рабочего колеса шестерённого маслонасоса, повреждена продуктами износа, присутствующими в смазочном материале. Развитию абразивного износа способствует использование пластичной или загрязнённой смазки, являющейся аккумулятором абразивных частиц. В дальнейшем у изношенных передач повышаются зазоры в зацеплении, усиливаются шум, вибрация и динамические перегрузки; искажается форма зуба; уменьшаются размеры поперечного сечения и прочность зуба. Основные меры предупреждения — защита от загрязнения, применение магнитных фильтров и повышение качества фильтрации масла. Несвоевременно обнаруженный абразивный износ ликвидируют заменой колеса (рисунок 9). Рисунок 8 – Начальная стадия абразивного износа колеса шестерённого насоса – появление рисок на рабочей поверхности зубьев исунок 9 – Предельная стадия абразивного износа кремальерной шестерни На работоспособность зубчатого зацепления влияют такие внутренние факторы: Неподвижность посадочных поверхностей зубчатого колеса и вала удовлетворяет проектным требованиям в том случае, если сопрягаемые детали неподвижны при приложении нагрузки (рисунок 10а). Появление малых перемещений сопрягаемых деталей приводит к фреттинг-коррозии, проявляющейся в виде темных пятен на посадочной поверхности детали (рисунок 10б). Рисунок 10 – Состояние посадочных поверхностей зубчатого колеса и вала: а) неподвижная посадка; б) малые перемещения сопрягаемых деталей В дальнейшем появляются следы взаимного перемещения сопрягаемых поверхностей в виде блестящих полированных участков поверхности. Это увеличивает скорость развития процессов износа, создавая предпосылки для возникновения ударов на последней стадии развития повреждения. При раскрытии стыка сопрягаемых деталей жёсткость соединения уменьшается, возникают динамические удары, приводящие к наклепу и разрушению. Характер взаимодействия контактирующих поверхностей определяется видом трения на контактирующих поверхностях. Если преобладает жидкостное трение, обеспечивающее минимальный коэффициент трения, и происходит полное разделение контактирующих поверхностей слоем масла, то состояние оценивают как хорошее. В этом случае преобладающим является окислительный износ (рисунок 11). Возникновение граничного трения приводит к контакту двух деталей, проявляясь в полировании рабочей поверхности зубчатых передач (рисунок 12). Наиболее часто граничное трение проявляется на начальной стадии приработки новых зубчатых колёс. Рисунок 11 – Окислительный износ поверхности зубчатой передачи при жидкостном трении Рисунок 12 – Полированная поверхность зуба – признак граничного трения Отсутствие смазки между контактирующими поверхностями приводит к повышению температуры, разрушению поверхностных твёрдых плёнок окислов и возникновению адгезионных связей между контактирующими зубьями. Силы на площадках контактов должны быть достаточными для разрушения твёрдых плёнок окислов. Для тяжелонагруженных высокоскоростных зубчатых передач наиболее характерное проявление – вырывы металла на вершинах зубьев (рисунок 13). Рисунок 13 – Вырывы металла на вершинах зубьев – схватывание поверхности при отсутствии разделительной масляной пленки Для их предотвращения рекомендуют обеспечить постоянное смазывание контактирующих поверхностей, в том числе, путем правильного выбора смазочного материала. Такие повреждения нарушают характер зацепления зубьев, увеличивают скорость износа и создают концентраторы напряжений на поверхности зубьев, способствующие развитию усталостных трещин и сколов. Взаимное расположение деталей оценивают по пятну контакта, характеристики которого обычно приведены в правилах технической эксплуатации, учебниках и пособиях. Необходимо отметить, что повлиять на расположение пятна контакта в редукторе (при нерегулируемых валах) невозможно. Пятно контакта является одним из критериев качества изготовления и сборки зубчатой передачи. Правильное, равномерно расположенное по высоте и длине зуба расположение пятна контакта показано на рисунке 14. Непараллельное расположение осей зацепления при уменьшенном расстоянии между осями зубчатых колёс происходит из-за износа посадочных мест подшипников валов зубчатых передач и приводит к сокращению пятна контакта до недопустимых размеров (рисунок 15). Несоосность валов можно зафиксировать по характеру износа элементов зубчатой муфты (рисунок 16). Рисунок 14 – Равномерное расположение пятна контакта по длине и высоте зуба Рисунок 15 – Сокращение пятна контакта из-за непараллельного расположение осей зацепления при уменьшенном расстоянии между осями зубчатых колес Рисунок 16 – Неравномерный износ зубьев зубчатой муфты при несоосности валов Отклонения в расположении валов и зубчатых колес приводит к нарушению равномерности воздействия прилагаемых сил. Она может проявляться в неравномерном распределении сил по длине зуба (рисунок 17) и равномерном по окружности зубчатого колеса. Неравномерное распределение сил по окружности зубчатого колеса возможно из-за его эксцентричного расположения. Отклонения могут быть настолько велики, что приведут к нарушению контакта зубчатого зацепления (рисунок 18). Неравномерность распределения сил приводит к образованию локальных сколов зубьев в ограниченном секторе (рисунок 5). Рисунок 17 – Неравномерное распределение действующих сил по длине зуба и равномерное распределение по окружности зубчатого колеса Рисунок 18 – Повреждения конического колеса при выходе зубьев из зацепления Накопление усталостных повреждений проявляется в зарождении, развитии и реализации трещин. Приводит к разрушению зубьев (рисунок 19). Рисунок 19 – Локальные разрушения зубьев из-за реализации усталостных трещин Часто зубчатые зацепления испытывают комбинированное воздействие нескольких факторов, один из которых становится доминирующим. Например, вид рабочей поверхности зубчатой передачи редуктора бесцентрового токарного станка (рисунок 20) позволил установить следующее: в масле, применяемом для смазки, присутствует вода, используемая в качестве охлаждающей жидкости при резании, о чём свидетельствуют следы коррозии; напряжения, возникающие на площадках контакта при трении качения, превышают предел выносливости. Этому способствует снижение несущей способности масляной пленки из-за наличия воды в масле. В результате на рабочей поверхности зубьев возникло осповидное выкрашивание; напряжения, возникающие на площадках контакта, не превышают предел текучести, о чем свидетельствует отсутствие следов пластической деформации; при работе зубчатой передачи возникало трение скольжения из-за возможности относительного смещения контактирующих поверхностей в процессе взаимодействия, на что указывает полированная поверхность; при изготовлении зубчатой передачи были отклонения в технологии изготовления, из-за чего появились волнистые линии на рабочей поверхности. Рисунок 20 – Общий вид рабочей поверхности зубчатой передачи редуктора бесцентрового токарного станка Результаты анализа влияния на работоспособность зубчатого зацепления внутренних и внешних факторов позволяют следующим образом классифицировать пределы использования зубчатых передач при различных видах износа. ➤ Adblock detector