ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КАРБОНИТРИРОВАННЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

Аннотация

В статье приведены результаты экспериментального и аналитического исследований контактного взаимодействия зубчатых колёс, подвергнутых карбонитрированию.

Ключевые слова

Зубчатое зацепление, коэффициент трения, карбонитрация

При анализе работы зубчатых передач в линии привода валков прокатных станов важное значение имеет знание процессов, протекающих на контактирующих поверхностях зубьев в зубчатых передачах, что позволит принимать конкретные решения по повышению эффективности их работы.

В настоящее время для повышения долговечности зубчатых передач применяются различные методы упрочняющей технологии. За последние годы разработан и находит применение новый метод – карбонитрация, при которой на поверхности детали формируется слой твердого карбонитрида , существенно замедляющего изнашивание. Для оценки эффективности данного метода применительно к зубчатым передачам, были выполнены исследования на экспериментальной установке (ЭУ) кафедры ПиЭММО МГТУ им. Г.И.Носова [1], где были установлены карбонитрированные зубчатые колёса.

Проведённые исследования, показали существенное снижение величины коэффициента трения на контакте в зубчатом зацеплении карбонитрированных зубчатых колёс, рис. 1 [2]

Рисунок 1. Изменение коэффициента трения до и после карбонитрирования на минеральных маслах КВ 46 и КВ 220

На ЭУ фиксировалась мощность электродвигателя, затрачиваемая на преодоление трения в зубчатых зацеплениях и подшипниках качения, на которых установлены валы зубчатых колёс. [3, 4] В этом случае величина коэффициента трения определялась по зависимости

где 𝑈 – напряжение в сети;
𝐽Н – ток нагрузки;
𝐽Х.Х – ток холостого хода двигателя,
𝑁тр.п.к – мощность трения в подшипниках качения;
𝑃зац – окружная сила в зубчатом зацеплении;
𝑉ск - средняя скорость скольжения на контакте.

Мощность на преодоление          трения в        подшипниках качения рассчитывалась по методике, рассмотренной в работах [5, 6, 7, 8, 9 ].

Параметров контактирующих поверхностей до и после карбонитрирования        фиксировались приборами: УЗИТ-3 для измерения твёрдости и TR-100 –шероховатости, и представлены в табл. 1 [2]

Известно, что повышение твёрдости поверхности после карбонитрирования для закалённой стали 40Х ведёт к увеличению числа циклов перемены напряжений до разрушения поверхностного слоя.

Таблица 1 

Параметры поверхностей до и после карбонитрирования

 Снижение величины коэффициента трения после карбонитрирования связано, в первую очередь, с изменением параметров шероховатости контактирующих поверхностей зубьев. Измерения параметров шероховатости проводились в лаборатории Научно-исследовательского центра «Микротопография» МГТУ им. Г.И. Носова. Использовались установки MarSurf XR20 with XT20 (Mahr, Германия) и Contour GT K1 (Bruker, США). [10]

Анализ параметров шероховатости (рис.2) показывает, что в результате карбонитрирования повышаются не только высотные характеристики микропрофиля поверхности, но и изменяется характер распределения микровыступов по поверхности. Увеличивается число пиков, а сама поверхность становится как бы «пористой», увеличивая маслоёмкость микропрофиля. Одной из причин, приводящих к снижению величины коэффициента трения в зубчатом зацепленнии является реализация упругих деформаций в зонах касания микровыступов. Для ненасыщенного упругого контакта (ННУК), величина коэффициента трения определяется зависимостью

Для материалов с высоким модулем упругости последним членом зависимости можно пренебречь, и тогда с ростом контурного давления величина коэффициента трения будет снижаться. На ЭУ были выполнены исследования по изучению влияния контактных напряжений на величину коэффициента трения в зубчатом зацеплении. Результаты исследования представлены на рис. 3

Это подтверждает реализацию в зонах касания контактирующих поверхностях зубьев упругих деформаций. Дополнительно выполнен эластогидродинамический расчёт зубчатого зацепления ЭУ по методике, представленной в работе [4] Результаты расчётов для различных условий нагружения приведены в табл. 2

 Таблица 2

Расчётные значения толщины масляной плёнки

То есть толщина масляной пленки не перекрывает микровыступы и не зависит от нагрузки. Таким образом основной вклад в снижение величины коэффициента трения вносит щероховатость карбонитированных поверхностей. Заключение. Карбонитрация зубчатых колёс позволяет: - повысить твёрдость поверхности зубьев с 46HRC до 53HRC, что обуславливает повышение ресурса зубчатой передачи в 1,44 раза; реализовать упругие деформации в зонах касания поверхностей, обеспечивающие снижение величины коэффициента трения. Всё это обеспечивает работоспособность зубчатых передач в течении более длительного времени и снижает энергозатраты в процессе их эксплуатации.

Список литературы

1.        Стенд для испытания зубчатых передач. Патент на полезную модель RUS 88445 29.06.2009. Платов С.И., Чумиков А.М., Жиркин Ю.В., Железков О.С., Мироненков Е.И., Терентьев Д.В.

2.        Исследование влияния карбонитрирования на снижение коэффициента трения. / Юсупов Р.Р., Жиркин Ю.В., Мироненков Е.И., Губарев Е.В. // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. 2014. Т. 1. № 1. С. 214-216.

3.        Investigation of interaction of carbonitrided teeth friction surfaces in gear wheels /Zhirkin Y.V.,Puzik Y.A., Slavin V.S., Terentyev D.V ||.Journal of Chemical Technology and Metallurgy. 2017. Т. 52. № 4. С.655- 658.

4.        Экспериментальное определение коэффициента трения в зубчатом зацеплении, подвергнутом карбонитрации / Жиркин Ю.В., Пузик Е.А., Чумичёв Е.К. //В сборнике: Инновационные направления в науке, технике, образовании Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции: в 2-х частях. 2016. С. 84-86.

5.        Повышение эффективности подачи смазочного материала в подшипники качения тянущих роликов стана 2000 х/п ОАО «ММК». / Жиркин Ю.В., Мироненков Е.И., Султанов Н.Л., Юсупов Р.Р., Шленкина М.А.// Актуальные роблемы современной науки, техники и образования. 2013. Т. 1. № 71. С. 367-370.

6.        Управление тепловым состоянием подшипниковых опор на стане-тандеме 2000 холодной прокатки ОАО «ММК». / Султанов Н.Л., Мироненков Е.И., Жиркин Ю.В. //Сталь. 2014. № 4. С. 71-73.

7.        Работоспособность подшипников качения рабочих валков чистовой группы клети стана горячей прокатки при их смазывании системой "масло-воздух". / Мироненков Е.И., Жиркин Ю.В., Дудоров Е.А. // Тяжелое машиностроение. 2007. № 2. С. 19-20.

8.        Модернизация подшипникового узла с целью    продления его ресурса     / Дудоров Е.А., Жиркин Ю.В. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2007. № 4. С. 94-96.

9.        Повышение герметизации подшипниковых узлов рабочих валков клети «кварто». / Дудоров Е.А., Жиркин Ю.В., Паршин П.Р. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2009. № 3. С. 58-61.

10.     Исследование влияния карбонитрирования на микрогеометрические параметры поверхностей пар трения / Жиркин Ю.В., Губарев Е.В., Чумичёв Е.К. //В сборнике: Инструменты и механизмы современного инновационного развития Сборник статей Международной научно-практической конференции: в 3 частях. 2016. С. 20-22.