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

Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева, Казахстан

Методика и результаты определения износа зубьев кремальерной шестерни и рейки

Многообразие существующих методов и средств регистрации износа зубчатых зацеплений, их неупорядоченность и многочисленность, требуют обоснованного решения по выбору способа измерения износа.

В практике применяются следующие методы определения износа зубчатых передач: микрометрирования; эвольвентометром; по потере массы; метод «железо в масле»; метод искусственных баз; метод слепков и др.

Метод микрометрирования основан на измерении толщины зуба концевым или оптическим инструментом.

При измерении износа данным методом возникают ошибки по следующим причинам: трудность измерения в одном и том же месте до и после изнашивания; нестабильность температуры; шероховатость поверхности и геометрической формы; загрязненность или пластическая деформация базы.

Кроме того, данный метод не дает точной и полной картины изнашивания зуба и применять его для измерения износа зубьев напорного механизма, ввиду указанных выше недостатков, нежелательно.

Для определения величины износа тяжелонагруженных зубчатых передач применяют эвольвентометры. Для этого с одного и того же участка поверхности зуба до и после испытаний снимают эвольвентограмму. Для определения износа крупномодульных зубчатых передач применение данного метода нежелательно ввиду трудоемкости снятия эвольвентограмм, неполной картины износа по всей поверхности трения.

Метод определения износа по «потере массы» позволяет достаточно точно определить износ зубьев зубчатого колеса до и после испытаний.

Учитывая, что масса кремальерной шестерни исследуемого экскаватора равна 125 кг, рейки - 325 кг применить его для замера износа зубьев в эксплуатационных условиях считаем нецелесообразным.

Величина износа зубьев колес методом «железо в масле» определяется по концентрации продуктов износа в отработанном масле. Недостатками данного метода являются невозможность построения износа по поверхностям трения, т.к. определяется суммарная величина износа сопряженных деталей; погрешности при отборе характерных средних проб и длительность получения результатов.

Практически данный метод из-за отсутствия закрытой циркуляционной системы зубчатых зацеплений напорного механизма экскаваторов, неприемлем для определения их износа.

Износ зубьев колес методом искусственных баз определяется по изменению геометрических размеров отпечатка различной конфигурации до и после изнашивания.

Метод искусственных баз, по нашему мнению, не дает полной картины износа зубьев зубчатых колес, достаточно трудоемок, требует дополнительного оборудования.

При исследовании износа крупномодульных зубчатых передач удобно пользоваться копией зуба, изготовленной из специальных материалов. Наиболее универсальным методом получения копий зуба является метод позитивных или негативных слепков, получаемых путем заливки твердеющей массой. Суть данного метода заключается в построении эпюры износа путем совмещения профиля зуба, имеющего номинальные размеры с профилем, полученным по слепкам.

Основными достоинствами метода слепков являются: можно исследовать изнашивающую поверхность зуба обычными лабораторными инструментами и приборами; проследить величину износа зуба в зависимости от длительности работы; достаточно полно отражается микро- и макрорельеф поверхности трения; можно измерить толщину зуба на разных расстояниях по высоте зуба от основной окружности.

Методы изготовления слепков с зубьев зубчатых колес различаются по технологии их изготовления и применяемых материалов.

Из вышеприведенного анализа методов определения износа зубчатых колес следует отметить, что каждый способ обладает своими достоинствами и недостатками. Однако, для решения поставленных в настоящей работе задач, в большей мере подходит метод слепков, ввиду указанных выше его достоинств, а также дающий полную картину износа во всех плоскостях и сечениях исследуемого зуба.

В процессе эксплуатации карьерных экскаваторов ЭКГ-5 зафиксирован износ кремальерной шестерни напорного механизма (рисунок 1)

Рисунок 1 – Износ кремальерной шестерни экскаватора ЭКГ-5

Для определения износа зубьев кремальерной шестерни и рейки напорных механизмов одноковшовых экскаваторов в условиях эксплуатации, выбран метод гипсовых слепков, дающий наиболее полную и достоверную картину износа во всех плоскостях и сечениях исследуемого зуба, макро- и микрорельеф поверхности трения во все периоды работы машины.

Технология изготовления гипсовых слепков при определении износа зубьев кремальерной шестерни и рейки следующая: исследуемый зуб промывается в бензине, протирается ветошью, смазывается техническим вазелином; вокруг измеряемого зуба создается форма в которую заливается гипсовый раствор. Полученный гипсовый негативный слепок зуба разрезается лобзиком на темплеты по сечениям (рисунок 2) в направляющих при сохранении взаимоперпендикулярности выше указанных сечений.

Рисунок 2 - Контрольные сечения зуба кремальерной шестерни и рейки.

На каждой машине были взяты под наблюдение по 2 зуба кремальерной шестерни и по 4 зуба рейки. На кремальерной шестерне под наблюдение брался один из зубьев, ось симметрии которого совпадала с осью симметрии шлицевых пазов, отмеченных специальной риской на заводе-изготовителе; второй зуб - через 180^о. На рейке исследовались зубья под порядковыми номерами 4, 29, 30, 55, считая со стороны крепления ковша, т.е. основная рабочая зона движения рукояти.

Контрольные зубья подвергаются измерению в четырех сечениях (рисунок 2) по длине рабочей поверхности. Измерение износа зубьев проводится в динамике через каждые 15 суток, вплоть до их выбраковки.

Экспериментальная выборка достаточна, репрезентативна, обладает полнотой и достоверностью информации в допустимых пределах.

По рисункам, наложенных темплетов на исходный контур зуба планиметром, определяется площадь изношенной поверхности зуба в динамике развития износа и с учетом геометрических размеров зацепления - объемный износ в течение всего периода эксплуатации.

При обработке результатов исследования износа определяли линейный износ зуба, изменение площади поперечного сечения зуба и его объемный износ, за период до их выбраковки или по рекомендуемому заводом-изготовителем сроку службы зацепления «кремальерная шестерня – рейка».

Линейный износ определяли по высоте зуба для кремальерной шестерни на радиусе окружности выступов колеса ROBK=187 мм, радиусе делительной окружности колеса RDOK=168 мм и радиусе основной окружности колеса ROOK=158 мм в динамике его развития до предельного состояния.

Аналогично определяли линейный износ для рейки по высоте зуба при Н=43 мм, 26 мм и 14 мм.

Также определяли линейный износ по ширине зуба в определенных сечениях на тех же радиусах и высотах и определили форму изношенной поверхности зуба. Измерение линейного износа по ширине позволило выявить изменение износа зуба по краям и в центральной части.

Таким образом определена картина износа, как по высоте, так и по ширине зуба с учетом выработки экскаватора при его эксплуатационном режиме работы, т.е. определен износ в двух взаимоперпендикулярных плоскостях во всех точках соприкасающихся поверхностей.

Площади поперечного сечения изношенных зубьев определяли планиметром в определенных сечениях по ширине и высоте зуба и рассчитали коэффициент трансформации зуба по площадям через отношения площадей изношенной поверхности к номинальной.

Определили объемный износ в динамике его развития с учетом выработки экскаватора, горно-геологических и горнотехнических условий эксплуатации.

Таким образом, мы определили линейный, по площади и объемный износ в динамике их развития до предельного состояния и фактический ресурс зацепления «кремальерная шестерня-рейка.

Наиболее характерные виды износа зубьев кремальерной шестерни и рейки представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Характерные виды износа зубьев кремальерной шестерни

Здесь следует отметить, что основной износ происходит на стороне зуба, которым производится давление через зубья ковша на грунт. По высоте зуба износ начинается от основной окружности колеса к головке зуба. После износа закаленного слоя происходит пластическая деформация зуба и наплывы металла на головку и у корня зуба с обеих сторон.

Анализируя линейный износ зубьев кремальерной шестерни и рейки следует отметить, что износ в основном происходит по высоте зуба от основной окружности колеса и увеличивается к окружности выступов колеса.

При работе в течение 3-3,5 месяцев в двухсменном режиме работы линейный износ кремальерной шестерни на радиусе выступов колеса (RОВК=187мм) достигает 11мм, радиусе делительной окружности (RDОК=168мм) - 8мм, радиусе основной окружности колеса (RООК=158мм) – 4-6мм.

Характер и вид линейного износа зубьев рейки аналогичен кремальерной шестерне, но численные значения отличаются и достигают 9мм при Н=43мм, 5мм при Н=24мм и 3мм при Н=14мм, т.е. в среднем изменяются от 3 до 9мм по высоте зуба.

Следует отметить, что ресурс данного зацепления, заложенный заводом-изготовителем (УЗТМ), равный 4,5 месяца в эксплуатационных условиях, не

вырабатывается, в виду различных причин и фактический ресурс достигает только 3-3,5 месяца, т.е. 66-77% от теоретического.

При сравнении скоростей износа зубьев кремальерной шестерни и рейки, очевидны их меньшие значения у рейки, и данное соотношение достигает 1,05÷1,15.

На радиусах RОВК=187мм линейный износ кремальерной шестерни в средней части зуба L_ср достигает 9мм, по краям L_кр=13мм, при RDОК=168мм - L_ср=7мм, L_кр=9 мм; при RООК=158мм - L_ср=7мм, L_кр=6мм.

Форма износа зубьев рейки аналогична, но численные значения линейного износа отличаются от кремальерной шестерни и достигают при Н=43мм - L_ср=7мм, L_кр=11мм, при Н=24мм - L_ср=4мм, L_кр=6мм, при Н=14мм - L_ср=2мм, L_кр=4мм.

Скорость износа зубьев кремальерной шестерни по ширине больше рейки в 1,1 раза, что подтверждает ведомую роль рейки. Больший износ по краям зубьев объясняется действием боковой силы Р₀₃ на зубья ковша, что приводит к перекосу балок рукояти, приводящей к перераспределению усилия напора по балкам или работа крайними зубьями ковша при разработке неоднородной массы породы.

Анализ износа по площади поперечного сечения зуба кремальерной шестерни и рейки по сечениям позволяет сделать вывод, что в процессе эксплуатации в основном изнашивается рабочая поверхность зубьев с рабочей стороны (рисунок 3а,б,в), появляются наплывы у ножек зуба с рабочей стороны (рисунок 3в), и с не рабочей стороны (рисунок 3а), а также на головке зуба (рисунок 3а,б,в). Потери площади поперечного сечения зуба в процессе износа составляют в среднем от 14,15% до 20,44%, причем по крайним сечениям зуба от 19,2% до 21%, по средним сечениям – от 14% до 15%, что также подтверждает овальность по длине зуба, вызванное действием несимметричных нагрузок на зубья ковша.

Коэффициент трансформации К_тр.s зуба кремальерной шестерни и рейки в основном находится в пределах от 0,79 до 0,87, причем по краям зуба изменяется от 0,79 до 0,83, в среднем сечении от 0,85 до 0,87, т.е. износ в средней части зуба меньше, чем по его краям.

Изменение объема зуба кремальерной шестерни и рейки, в процессе эксплуатации показывает, что в течение 3-4 месяцев эксплуатации экскаваторов при двухсменном режиме работы потери в объеме зуба у кремальерной шестерни достигают 27%, у рейки – 25%. Коэффициент объемной трансформации зубьев К_тр.v изменяется в течение 3–4 месяцев от 0,98 до 0,83 у шестерни и от 0,99 до 0,86 у рейки.

На основании экспериментальных данных результатов измерения линейного износа зубьев кремальерной шестерни и рейки установлены их следующие (таблица 1) величины и соответствующие им наработки экскаватора.

Таблица 1 – Результаты износа зуба S и наработки экскаватора Т_н

Кремальерная шестерня
Тн, дн	30	60	90	120
RОВК=187 мм
S,мм	1,2	3,0	5,0	8,0
RDОК=168 мм
S,мм	0,6	1,3	2,6	5,0
RООК=158 мм
S,мм	0,4	1,0	2,0	3,8
Рейка
Тн, дн	30	60	90	120
Н=43 мм
S,мм	1,0	2.5	4,2	6,6
Н=26 мм
S,мм	0,5	1,1	2,2	4,2
Н=14 мм
S,мм	0,3	0,83	1,6	3,2

Литература:

1. Рещиков В.Ф. Трение и износ тяжелонагруженных передач. - М.: Машиностроение, 2001. – 232 с.

2. Чудаков К.П., Домбровская И.К., Волдос В.В. Определение износа деталей машин методом негативных слепков //Вестник машиностроения. – 2002. - № 1. – 7-12 с.

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