Введение к работе
Актуальность работы. Ремонт и замена крупномодульных зубчатых передач горных машин сопровождается выводом из эксплуатации основного производственного оборудования технологической цепи машин, что ведет к значительным потерям. Достоверная оценка остаточного ресурса зубчатых передач горных машин, по результатам проводимой в рамках технического обслуживания диагностики состояния крупномодульных зубчатых колес, способствует сокращению времени аварийных отказов оборудования. Для этого на момент принятия решения о продолжении эксплуатации оборудования необходима научно обоснованная методика оценки остаточного ресурса деталей и узлов, находящихся в эксплуатации горных машин, например, экскаваторов, и на ее основе осуществить выбор рекомендаций организационного характера по технологии и условиям эксплуатации механической части оборудования с целью минимизации возможных потерь от снижения его долговечности.
Вопросами повышения надежности горных машин, расчетом ресурса трансмиссий, совершенствования привода посвящены работы многих исследователей: В.А. Бреннера, А.В. Гетопанова, Л.Б. Глатмана, В.Г. Гуляева, В.Н. Дмитриева, А.В. Докукина, М.Д. Коломийцова, И.П. Иванова, Л.И. Кантовича, Н.Г. Картавого, Ю.Д. Красникова, В.И. Морозова, Р.Ю. Подэрни, Е.З. Позина, В.М. Рачека, Г.И. Рахутина, П.В. Семенчи, В.И. Солода, Г.И. Солода, А.В. Топчиева, З.Л. Хургина и др.
Вместе с тем, отсутствует простая и достоверная система оценки технического состояния в период эксплуатации зубчатых передач машин. Сложность оценки остаточного ресурса крупномодульных передач этих машин заключается в том, что основные элементы зубчатого колеса – их зубья, в процессе эксплуатации испытывают совместные контактные и изгибные нагрузки, усугубляемые износом рабочих профилей зубьев. При этом возможная причина выхода из строя конкретного зубчатого колеса достоверно не определима и носит вероятностный характер. В тоже время диагностические признаки различных видов разрушения зубьев зубчатых колес не имеют общего критерия, удобного при диагностировании остаточного ресурса.
Известно, что в процессе эксплуатации изменяются свойства поверхностного слоя зубьев зубчатых колес, и оценка характера этого изменения может являться исходным обобщенным диагностическим критерием крупномодульных зубчатых передач горных машин, но это требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований по поиску и обоснованию критериев, более точно отражающих выработку ресурса.
Цель работы: выявление научно обоснованных закономерностей изменения свойств поверхностного слоя зубьев крупномодульных зубчатых колес для выбора единого интегрального критерия оценки их работоспособности при прогнозировании остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин.
Основная идея работы заключается в определении остаточного ресурса зубчатого колеса крупномодульной зубчатой передачи горной машины по изменению твердости поверхностного слоя зубьев в характерных зонах и сравнении полученных значений с предельно достижимой величиной, определяемой экспериментально.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
1. Проведен анализ методов теоретической и экспериментальной оценки остаточного ресурса зубчатых передач;
2. Разработан и изготовлен лабораторный экспериментальный маятниковый стенд для оценки работы разрушения образцов в режиме малоцикловой и многоцикловой нагрузок (положительное решение по заявке на изобретение №2011132230 от 29.07.2011 «Устройство для испытания образцов материалов при циклическом нагружении»);
3. Выявлена тенденция повышения локальной твердости поверхностного слоя зубчатых колес крупномодульных зубчатых передач горных машин с номинальной твердостью зубьев до 350 HB, а так же разрушенных образцов из различных материалов при нагрузках, соответствующих многоцикловой и малоцикловой усталости, растяжению, ударному изгибу;
4. Экспериментально установлено, что твердость поверхностного слоя образцов в непосредственной близости к зоне разрушения является характеристическим показателем остаточного ресурса и не изменяет свои величины для заданного материала;
5. Разработаны основы методики оценки остаточного ресурса открытых крупномодульных зубчатых колес трансмиссий горных машин и даны рекомендации по диагностированию их состояния.
Методы исследования. Использовался комплексный метод исследований, включающий системный анализ, экспериментальные исследования, проведенные на оригинальных стендах и высокоточном современном оборудовании.
Основные теоретические результаты получены с использованием подходов, базирующихся на классических методах расчета деталей машин, теории механизмов и машин, трибологии и триботехники, кинетической теории разрушения материалов. Для обработки экспериментальных данных использованы методы математической статистики.
Научная новизна работы. Экспериментально подтверждено, что твердость поверхностного слоя в зоне, прилегающей к поверхности разрушения, является неизменной величиной вне зависимости от способа нагружения и может являться диагностическим критерием для оценки остаточного ресурса крупномодульных передач горных машин, при этом удельная работа разрушения, равная отношению энергии разрушения к твердости поверхностного слоя в зоне разрушения, также является величиной постоянной.
Защищаемые положения:
1. Твердость поверхностного слоя материала зуба с исходной твердостью до 350 HB крупномодульного зубчатого колеса передачи горной машины изменяется в деформационных зонах, возникающих под действием нагрузок, при этом повышение твердости поверхностного слоя зуба больше в тех зонах, где выше расчетные напряжения, а предельная величина твердости поверхностного слоя в зоне, прилегающей к поверхности разрушения, не зависит от способа нагружения и определяется свойствами материала.
2. Величина остаточного ресурса зубчатого колеса горной машины, исходя из значений, зафиксированных диагностических параметров в виде градиента твердости, может быть определена в зависимости от ведущего критерия разрушения, а характерными зонами для диагностирования крупномодульных зубчатых колес являются зоны, расположенные на рабочих поверхностях зубьев колес по их ширине и торцах зубьев вдоль рабочей поверхности в районе начального диаметра колеса, а также у ножки зубьев в районе переходной кривой.
Соответствие паспорту специальности.
Работа посвящена исследованию и совершенствованию существующих горных машин и их элементов, обладающих повышенной долговечностью (надежностью), в частности крупномодульных зубчатых колес карьерных экскаваторов и соответствует п.5 области исследований: «Повышение долговечности и надежности горных машин и оборудования».
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается их согласованностью с общепризнанными представлениями о закономерности и механизме износа и деградации поверхностей деталей горно-металлургического оборудования, корректностью построения расчетных моделей, а также удовлетворительным согласованием прогнозируемых оценок с экспериментальными.
Практическая значимость работы:
Разработана инженерная методика оценки остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач по обобщенному интегральному критерию оценки – твердость поверхностного слоя зуба в характерных точках.
Разработан лабораторный стенд для испытания образцов при циклическом нагружении.
По материалам диссертационной работы выигран грант в конкурсе Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук 2012 г. «Оценка остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин на основе измерения их поверхностной твердости».
Апробация работы. Результаты работы используются в ООО «Эпицентр» в оценке остаточного ресурса оборудования по переработке торфа. Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на 9-ой, 10-ой и 11-ой международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2011, 2012, 2013 гг.), Международная научно-техническая конференция «Процессы и средства добычи и переработки полезных ископаемых» (г. Минск, 2012 г.), V Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых» (г. Пермь, 2012 г.); XIV Международной научно-практической конференции «Инновации в науке» (г. Новосибирск, 2012 г.); VI Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия. Инновации в современном мире» (г. Москва, 2012 г.); XIV Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (г. Новосибирск, 2012 г.); IV Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия. Вопросы технических наук» (г. Москва, 2012 г.); Научная конференция в Центре Трансфера Технологии ЭМАГ (г. Катовице, Польша, 2012 г.); 7-я международная конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011 г.), VI международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 2011 г.), 9-ая международная научно-техническая конференция «Наука - образованию, производству, экономике» (г. Минск, 2011 г.), V международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2011 г.), VI международная научно-техническая конференция «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2010 г.).
Личный вклад автора. Поставлена задача исследований, проведен обзор существующих методик определения остаточного ресурса работы зубчатых передач, создан лабораторный стенд, выполнены теоретические исследования и проведены экспериментальные исследования с использованием современного высокоточного оборудования, в ходе которых выявлены тенденции деградации материала образцов и зубчатых колес; выявлены закономерности изменения твердости поверхностного слоя исследуемых образцов в функции нагрузки. Разработаны основы методики оценки остаточного ресурса открытых крупномодульных зубчатых колес трансмиссий горных машин; даны рекомендации по диагностированию состояния крупномодульных зубчатых колес трансмиссий этих машин.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы в рецензируемых научных журналах и изданиях, в том числе 3 статьи в двух журналах перечня ВАК Министерства образования и науки РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, 2 приложений, общим объемом 183 страницы печатного текста, содержит 16 таблиц и 88 рисунков, список литературы из 98 наименований.
