К.т.н. Ахмедьянов А.У., к.т.н. Киргизбаева К.Ж., магистр Ахмедьянов К.К., магистр Джаксымбетова М.А., студент Турумов А.

Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, Казахстан

Модернизация установки по моделированию процесса изнашивания зубчатых передач

Основной причиной, ограничивающей долговечность зубчатых передач напорных механизмов карьерных экскаваторов, является изнашивание рабочих поверхностей зубьев, проявляющееся в абразивном изнашивании, поверхностном выкашивании и пластической деформации.

Исходя из этого, необходимо выявить методы, пути и способы их экспериментального исследования, определиться с выбором экспериментального стенда, внести в него некоторые усовершенствования для создания реальных условий эксплуатации.

Существующие стендовые установки трения для исследования износа зубчатых передач подразделяются на машины с номинальной площадью контакта и на машины с переменной площадью контакта. Так как изнашивание - это процесс постепенного изменения размеров детали, происходящий при трении, то в данной работе рассматриваются установки с переменной площадью контакта.

Для испытания зубчатых колес на изнашивание в лабораторных условиях обычно применяют роликовые машины, позволяющие проводить испытания при трении качения или качения с проскальзыванием. Образцами в таких машинах служат ролики, цилиндры, диски с площадью контакта, изменяющиеся в процессе испытания. Изменения площади контакта происходит как из-за упругой деформации деталей, так и вследствие износа поверхностей при испытаниях. Площадь контакта зависит от нагрузки, скоростей скольжения, качения и от упругих характеристик материала.

Роликовые машины получили широкое распространение при исследовании явлений изнашивания зубчатых колес, при питтинге, заедании и других проявлений износа. Достоинством роликовых машин является простота изготовления испытательных образцов в виде роликов, чем в виде зубчатых колес, возможность достигать значительного ускорения самого процесса испытания вследствие применения большего числа циклов повторных контактных нагружений в единицу времени, широкое варьирование параметров нагружения и скоростей.

Аналогия между условиями трения на поверхности зубьев зубчатых передач и на поверхности роликов заключается в том, что в обоих случаях возможность развития износа связано с нарушением сплошности поверхностного слоя зубьев, нагревом соприкасающихся участков поверхностей, одинаковой зависимостью явления от сочетания свойств материалов, его твердости и термической обработки. Таким образом, в основе применения роликовой машины лежит аналогия в механизмах износа на роликах этой машины и на зубьях зубчатых передач. Это позволяет говорить о применении метода роликовой аналогии для испытаний на износ зубчатых передач.

Для испытания образцов зубчатых передач на трение и изнашивание в лабораторных условиях наибольшее распространение получило износовая машина типа МИ-1М (рисунок 1).

Рисунок 1 – Установка для определения износа зубчатых передач методом роликовой аналогии МИ-1М

Кинематическая схема МИ-1М изображена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Кинематическая схема установки для определения износа зубчатых передач МИ-1М

На этой машине можно проводить испытания пары цилиндрических образцов - роликов при трении скольжения, качения, качения с принудительным проскальзыванием, при наличии или отсутствии поперечного перемещения, при непрерывном контакте образцов или при периодическом их разобщении, а также испытания пары цилиндрический ролик-вкладыш при трении скольжения, поэтому такую машину называют универсальной.

При испытании пары цилиндрических роликов образец 2 (рисунок 2) закрепляют на нижнем шпинделе машины V, образец 3 - на валу каретки IV. Вращение нижнему шпинделю V передается от двигателя 1 (n_дв=1410 об/мин) через зубчатые передачи z₁¸z₂, z₄¸z₅, вал I и зубчатую передачу с внутренним зацеплением z₇¸z₈, а валу каретки IV - через зубчатые передачи z₁¸z₂, z₃¸z₆, вал II и пару зубчатых колес z₉¸z₁₀. Нижний шпиндель V вращается с постоянной скоростью 440 об/мин, вал каретки IV - cо скоростью 420 об/мин. Верхний ролик 3 также может увлекаться во время вращения нижним роликом 2 (испытания при фрикционном вращении).Корпус каретки III может поворачиваться вокруг оси вала II на угол до 90⁰, что позволяет при испытаниях варьировать в некоторых пределах наружными размерами (диаметрами) роликов. Величину проскальзывания передачи можно менять в пределах от 10 до 20% двумя способами: меняя диаметры испытуемых образцов; меняя сочетание зубьев передачи z₉¸z₁₀, а именно, при z₉=59 и z₁₀=76 величина проскальзывания равна 10%, при z₉=57 и z₁₀=78 - 15%, при z₉=55 и z₁₀=80 - 20%.

Когда каретка III находится в опущенном положении, цилиндрические поверхности роликов соприкасаются. Нагрузка на образцы передается от пружины пригружающего устройства через корпус каретки. Действующая величина нагрузки фиксируется по шкале. Для измерения момента трения имеется маятниковый силоизмеритель. На нижней части маятника 5 устанавливают грузы 4, в верхней части в опорных подшипниках установлен вал I.

Ось вращения маятника совпадает с осями блока зубчатых колес z₂¸z₄ и нижнему шпинделю машины V вследствие сопротивления при трении образцов зубчатые колеса z₅¸z₇ вала I могут обкатываться по зубчатому колесу блока z₂¸z₄ и колесу с внутренним зацеплением z₈. В результате маятник поворачивается вокруг оси вращения на определенный угол, величина которого зависит от силы трения между испытуемыми образцами. С маятником связано регистрирующее устройство, состоящее из пера 6 и барабана 7, с помощью которого записывается диаграмма изменения момента трения во время испытания.

Учитывая, что исследуемая зубчатая передача «кремальерная шестерня-рейка», как правило, работает в абразивной запыленной среде, необходимо смоделировать подачу абразива в зону контакта роликов при испытании на износовой машине.

Для этого, при испытании цилиндрических роликов при трении качения с принудительным проскальзыванием предлагается специальное приспособление, позволяющее подводить в место контакта взвешенный в воде абразив. Принципиальная схема приспособления приведена на рисунке 3.

1 - абразив; 2 - вода; 3 - ванна;4 - крыльчатки; 5 - ролики; 6 – капельница

Рисунок 3 - Приспособление для подачи абразива в место контакта роликов

На нижнем шпинделе машины типа МИ-1М с обеих сторон цилиндрического ролика 5 устанавливаем крыльчатки 4. Под образец подводим ванночку 3, в которую наливаем воду 2 и насыпаем абразив 1.Нижний ролик при этом находится выше уровня осевшего абразива. Вследствие того, что лопасти крыльчатки имеют размеры, превышающие диаметр испытуемого ролика, они при вращении углубляются в абразив и взмучивают абразивную смесь. Второй ролик закрепляется на валу каретки. Из капельницы 6 пополняется испаряющаяся во время испытания вода. Постоянство числа оборотов нижнего шпинделя и состава смеси обеспечивает одинаковые условия взмучивания и, как следствие, одинаковое условие подвода абразивных частиц в зону контакта испытуемых образцов.

Взмученная смесь подается к контактирующим поверхностям при захвате ее крыльчатками установленными на нижнем шпинделе машины и погруженные в смесь.

Таким образом, предложенная модернизация практически полностью физически моделирует эксплуатационные условия, что достаточно важно для результатов исследования.

Литература:

1. Хрущев М.М. Лабораторные методы испытания на изнашивание материалов зубчатых колес. - М.: Машиностроение, 2000. – 152 с.

2. Иванов Г.П., Картонова Л.В., Кадушкин Ю.В. Устройство для испытаний материалов зубчатых колес на изнашивание //СДМ. – 1999. - № 3. – 9-11 с.

3. Балабанов В.И. Безразборное восстановление трущихся соединений автомобиля. Методы и средства. М: ООО «Издательство Астрель»: ООО «Издательсво ACT», 2002. - 64 с.