Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Конструктивно-технологические характеристики зубчатых ко-лес судовых передач 8
1.2 Факторы, влияющие на циклическую прочность зубчатых колес 13
1.3 Цементация как фактор повышения циклической прочности зубчатых колес 21
1.4 Методы определения характеристик сопротивления усталости и параметров упрочнения 3 8
1.5 Цель и задачи исследования 51
2. Теоретические основы исследования влияния параметров упрочнения на циклическую прочность цементируемых деталей 53
3. Разработка методики исследования влияния параметров упрочнения на циклическую прочность зубьев цементируемых колес 59
3.1 Условия исследования и технические требования к образцам и опытным колесам 59
3.2 Методика исследования распределения микротвердости цемен-тированных слоев образцов и зубьев 63
3.3 Методика исследования распределения остаточных напряже-ний в цементированном слое образцов и зубьев зубчатых колес .. 65
3.4 Методика определения изгибных напряжений в опасном сечении образцов и зубьев 69
3.5 Методика исследования влияния физико-механических свойств цементованного слоя на циклическую прочность образцов и зубьев 75
3.6 Методика испытаний на циклическую прочность цементируемых образцов диаметра 10 и 20 мм и зубьев опытных колес модуля 6 мм. Статистическая обработка результатов испытаний 78 3.7 Выводы 85
4. Результаты исследований влияния параметров упрочнения на циклическую прочность цементируемых образцов и зубьев зубчатых колес 86
4.1 Результаты исследования влияния глубины слоя на цикличе-скую прочность цементируемых образцов диаметра 10 и 20 мм 86
4.2 Результаты исследования влияния твердости на циклическую прочность цементируемых образцов диаметра 10 и 20 мм 92
4.3 Результаты исследования влияния параметров упрочнения на циклическую прочность цементируемых опытных колес модуля 6 мм 95
4.4 Результаты циклических испытаний цементируемых образцов диаметра 10 и 20 мм на изгибную выносливость при симметричном цикле нагружения 97
4.5 Результаты циклических испытаний цементируемых зубьев опытных колес на изгибную выносливость при пульсирующем цикле нагружения 104
4.6 Выводы 106
5. Разработка алгоритма расчета оптимальных параметров упрочнения цементируемых натурных зубчатых колес судовых передач 107
5.1 Алгоритм расчета оптимальных параметров упрочнения цемен-тируемых натурных зубчатых колес 109
5.2 Результаты расчета оптимальных параметров упрочнения на-турных зубчатых колес модуля 10 мм 110
5.3 Выводы 112
6. Расчет экономической эффективности от внедрения результатов работы 114
Основные выводы по работе 119
Список использованных источников
- Факторы, влияющие на циклическую прочность зубчатых колес
- Методика исследования распределения остаточных напряже-ний в цементированном слое образцов и зубьев зубчатых колес
- Результаты исследования влияния твердости на циклическую прочность цементируемых образцов диаметра 10 и 20 мм
- Результаты расчета оптимальных параметров упрочнения на-турных зубчатых колес модуля 10 мм
Факторы, влияющие на циклическую прочность зубчатых колес
Зубчатые колеса широко применяются в различных судовых передачах. Они являются наиболее ответственными деталями судовой энергетической установки. Особую роль выполняют зубчатые передачи, работающие на гребной винт, которые передают большую мощность при высоких окружных скоростях, так называемые высоконагруженные. К ним предъявляются высокие требования по изгибной и контактной прочности, поверхностной износостойкости, сопротивлению усталости и надежности в целом. Высокое качество зубчатых передач обеспечивается применением конструктивных и технологических методов.
Зубчатые колеса изготавливаются с различными размерами в зависимости от величины передаваемой ими мощности. Для цементуемых зубчатых колес величина диаметра окружности вершин зубьев находится в пределах до 1000 мм. Превышение верхнего предела диаметра ограничено особенностями процесса цементации [55]. В зависимости от эксплуатационных условий и технических требований выбирается материал зубчатых колес. Для изготовления высоконагруженных зубчатых колес применяются высококачественные легированные стали различных марок 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН3А, 18Х2Н4МА и др. Применение легированных сталей объясняется следующим: в результате цементации механические свойства цементированного слоя легированных и углеродистых сталей одинаковы, но свойства в сердцевине у легированных сталей оказываются выше. Одновременное легирование хромом и никелем повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины. Никель, кроме того, повышает прочность и вязкость цементированного слоя. Высокая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хро-моникелевой стали [3,118,135,138].
При изготовлении высоконагруженных зубчатых колес необходимо соблюдать жесткие требования на всех этапах производственного процесса, начиная с проектирования и заканчивая его изготовлением. Поэтому производство зубчатых колес является очень трудоемким и сложным процессом.
Для изготовления тяжелонагруженных зубчатых колес необходимо применять прецизионные зуборезные станки, техническое состояние которых соответствует особым требованиям. При их использовании должны соблюдать жесткие правила эксплуатации. Резание зубьев колеса выполняется с помощью прецизионных червячных фрез, конструкция которых отличается от стандартных инструментов. Станки и оборудование устанавливаются на виброустойчивых фундаментах в специально изолированном помещении, в котором должны сохраняться термоконстантные условия.
В качестве заготовок для изготовления зубчатых колес используют поковки. Качество зубчатых колес в значительной степени зависит от качества и точности изготовления заготовок. Поэтому изготовление заготовок должно обеспечивать следующие требования: высокая стабильность размеров, отсутствие градиента твердости зон сечения заготовок, жесткие допуски на изготовление поверхностей, применяемых в качестве технологических баз [30]. С этой целью заготовки подвергаются предварительной термической обработке для снятия остаточных внутренних напряжений, вызывающих неравномерные деформации материала. Кроме того, в результате термической обработки улучшается обрабатываемость заготовок.
Заготовки предварительно обрабатывают с припуском под чистовую обработку и с расточенным сквозным отверстием. Качество заготовки после термической обработки проверяется механическими испытаниями на образцах, вырезающихся с двух сторон заготовки. Если результаты испытания являются неудовлетворительными, проводится повторная термическая обработка и последующие механические испытания новых образцов. Кроме того, необходимо проверять равномерность распределения твердости по длине и сечению заготовки, поскольку наличие разброса твердости является причиной неравномерной деформации частей зуборезного станка и его цепи обката при дальнейшем нарезании зубьев колес.
В технических документах, оформленных для принятых заготовок, указываются основные параметры и характеристики о материале, термической обработке и механических испытаниях.
Перед нарезанием зубьев заготовки подвергаются чистовой обработке. Для получения более точных зубчатых колес дополнительно применяются доводочные операции. В результате обеспечивается точность заготовок по овальности, радиальному и торцевому биению.
Зубчатые колеса нарезаются на зубофрезерных станках класса Н или П с помощью многозаходных червячных фрез. Зубчатые колеса с модулем до 4…5 мм обрабатывают за один рабочий ход, а с модулем более 5 мм – за два рабочих хода [80]. После установки фрезерной оправки в шпинделе станка необходимо проверять радиальное и торцевое биение. Допустимое радиальное биение при чистовом фрезеровании ниже 0,01 мм, торцевое – ниже 0,005 мм. В качестве режущего инструмента используются специальные червячные трехзаходные и однозаходные фрезы, изготовленные из быстрорежущих марок сталей с поверхностной твердостью 63…66 HRC. Эти фрезы отличаются от стандартных по геометрическим характеристикам, точности изготовления и большим числом режущих зубьев. Увеличение диаметра фрезы способствует повышению точности профиля фрезы и нарезаемого колеса, прочности и производительности фрезы. Для создания равномерной нагрузки на зубья фрезы снабжаются заборным конусом. Головки режущих зубьев червячных фрез имеют выступы закругленной формы – усики, придающие переходной кривой и дну впадины требуемую форму.
Методика исследования распределения остаточных напряже-ний в цементированном слое образцов и зубьев зубчатых колес
Наиболее тесная связь наблюдается между пределом выносливости и шириной царапины. При определении b шероховатость поверхности должна быть не грубее Ra 0,63. Для определения предела выносливости по ширине царапины с целью повышения точности рекомендуется применять переносный прибор МЭИС-1, который позволяет определять b на образцах и готовых изделиях.
В прямых методах образцы разрушаются в результате усталостных испытаний. Усталостные испытания проводятся на образцах с разнообразным профилем сечения: круглым, прямоугольным и другим. Для изготовления образцов используются заготовки, изготовленные из материала, из которого изготовлены натурные детали. Образцы обрабатывают на токарных, фрезерных, шлифовальных и других станках. Точность рабочей части образцов не должна быть ниже, чем по 7-8 квалитетам. Шероховатость поверхности гладких и надрезанных образцов должна быть не грубее Ra 0,3…Ra 0,16 мкм по ГОСТ 2789-73[37] и ГОСТ 2.309-73 [32]. На поверхности не должна быть следов коррозии, окалины и других дефектов. Технология изготовления образцов одной серии из однотипных материалов должна быть одинаковой. Вырезка, маркировка и изготовление образцов не должны оказывать существенного влияния на усталостные свойства исходного материала. После механической обработки образцы подвергаются стабилизирующему нагреву с целью снятия остаточных напряжений. Для исследования влияния различных факторов на предел выносливости изготавливают образцы с разными диаметрами и концентрацией напряжений. В некоторых случаях используются сборные образцы с целью экономии материала при проведении испытаний крупногабаритных образцов. Установка и закрепление образцов должны соблюдать жесткие требования по биению и несоосности образцов и захватов. Все образцы намеченной серии испытываются на однотипных машинах или лучше на одной и той же машине. При испытании образцов допускается как мягкое, так и жесткое нагружение. В пределах намеченной серии испытаний все образцы нагружают по одному из указанных способов. В процессе испытаний образцов контролируется стабильность максимальных и минимальных значений задаваемых нагрузок.
База испытания для определения предела выносливости принимается в зависимости от вида материалов: 107 циклов для черных металлов; 108 для цветных металлов. Эта величина при сравнительных испытаниях принимается соответственно, равная 5.106 и 20.106 циклов.
Температура и влажность окружающей среды при обычных испытаниях должны соответствовать ГОСТ 25.502-79 [35].
В качестве основных критериев разрушения при определении характеристик циклической прочности используется полное разрушение или появление макротрещины протяженностью по поверхности, равной 0,5…1 мм.
По результатам испытаний можно построить кривую усталости и определить предел выносливости образцов.
Ускоренные малообразцовые методы применяют при наличии уникальных, весьма дорогостоящих объектов испытаний; при невозможности подбора группы совершенно идентичных образцов. Применение методов ускоренной оценки позволит снизить затраты и сокращать время на испытания. Ускоренные испытания на ограниченном количестве образцов или конструкций могут обеспечить оперативную оценку принятых технологических или конструктивных изменений.
Малообразцовые методы могут быть разделены на две группы: - согласно методам первой группы, испытания проводятся на одном уровне напряжений. Положение левой ветви кривой усталости выявляется по результатам испытаний образцов на долговечность на достаточно высоком уровне напряжений с малыми долговечностями. Правая ветвь кривой усталости устанавливается экстраполяцией, а значение предела выносливости определяется на основании аналитических выражений кривой усталости с использованием экспериментально подтвержденных констант; - согласно методам второй группы, испытания проводятся с непрерывно или ступенчато увеличивающейся амплитудой напряжений. Оценка предела выносливости производится на тех или иных представлениях о сопротивлении усталости, в частности, на условиях суммирования усталостных повреждений.
Результаты исследования влияния твердости на циклическую прочность цементируемых образцов диаметра 10 и 20 мм
Расчетная схема для определения максимальных напряжений изгиба для круглого образца представляет собой балку, жестко заделанную с одного конца и нагруженную силой Р, Н на другом конце.
Изгибные напряжения, возникающие в опасном сечении образца в результате действия внешних сил определяются по формуле:
Методика расчета максимальных рабочих изгибных напряжений в опасном сечении на переходной поверхности зуба предложена в работе [123]. В расчетах цилиндрических зубчатых колес зуб рассматривают как балку, жестко защемленную одним концом. Силу считают приложенной к вершине зуба под углом 200 к поверхности, перпендикулярной к оси зуба, силу трения не учитывают.
Коэффициент нагрузки KF представляет собой произведение двух коэффициентов KF и KFv. Коэффициент KF учитывает неравномерность распределения нагрузки по длине зуба (коэффициент концентрации нагрузки), а коэффициент KFv учитывает динамическое действие нагрузки (коэффициент динамичности). По данным [123] определяется KF = KF . KFv = 1,03.1,25 = 1,29.
Для зубчатых колес, выполненных без смещения, в зависимости от количества зубьев z определяется коэффициент YF. В нашем случае z = 25 и YF = 3,9. Для исследования распределения изгибных напряжений в опасном сечении образцов и зубьев применяется несколько методов. Ниже рассмотрены основные методы, основанные на различных гипотезах и теориях.
Одним из них является метод, основанный на гипотезе о неискривляе-мости при изгибе балки плоских сечений, нормальных ее оси. По данному методу при определении номинальных суммарных напряжений изгиба и сжатия можно пренебречь напряжения от касательных сил и концентрации напряжений. Основной недостаток метода заключается в том, что для зубьев, представляющих короткие балки с большими размерами поперечного сечения переменными по длине, применение гипотезы плоских сечений допустимо лишь условно.
По гипотезе А.В. Верховского, при упругой деформации зубьев плоскими остаются «ломаные» сечения, нормальные к переходной поверхности зуба, что дает возможность вычислить близкие к действительным значения местных напряжений. Однако, гиперболическое распределение существенно отклоняется от действительного в зоне максимальных напряжений и не может служить основанием к определению абсолютных величин изгибных напряжений [117]. В последнее время наибольшее распространение получили методы, основанные на теории упругости. Методы позволяют определить изгибные напряжения в опасном сечении образцов и зубьев с наиболее высокой точностью. Попытки вычислить напряжения изгиба методами теории упругости известны давно. Однако, пригодным для инженерных расчетов можно считать лишь метод, предложенный В.Л. Устиненко [117]. Ему удалось найти удачное отображение профиля зуба, близко совпадающее с его действительной формой. Единственным недостатком метода является округление вершины выступа, что не оказывает заметного влияния на напряжения в опасном сечении зуба.
В данной работе использован метод конечных элементов (МКЭ) для определения изгибных напряжений в опасном сечении образцов и зубьев колес. Метод основан на принципе Лагранжа, согласно которому из всех возможных систем перемещений упругого тела перемещения, действительно имеющие место, соответствуют минимуму потенциальной энергии этого тела. Исходя из этого определение перемещений узловых точек тела связано с минимизацией функционала его потенциальной энергии. Зная выражения для энергии деформаций бесконечно малого объема получают формулу, определяющую энергию систем, и минимизируя ее, приходят к системе линейных алгебраических уравнений, решая которые, определяют перемещения и через них напряжений [131-134,139].
Результаты расчета оптимальных параметров упрочнения на-турных зубчатых колес модуля 10 мм
По результатам исследований разработан алгоритм расчета оптимальных параметров упрочнения и эффекта упрочнения:
1. Исследовать распределение рабочих напряжений от внешних нагрузок по опасному сечению деталей. Для исследования используются эмпирические формулы сопротивления материалов или компьютерные программные продукты.
2. Исследовать распределение микротвердости по упрочненному слою на образцах-свидетелях. Исследование проводится на микрошлифах, технические требования к микрошлифам и методика проведения испытаний предусмотрены в ГОСТ 9450-76.
3. Исследовать распределение остаточных напряжений, возникающих в результате механической, термической и химико-термической обработок по опасному сечению деталей. Для исследования могут быть использованы различные механические и физические методы. Выбор метода зависит от вида и характера распределения остаточных напряжений. Могут быть применять также современные электронные приборы, принцип работы которых основан на взаимосвязи между электрическими и механическими характеристиками металлов и сплавов.
4. По результатам исследований построить эпюры распределения микротвердости, остаточных и рабочих напряжений по сечению детали.
5. Величина эффекта упрочнения определяется при касании эпюр распределения предельных рабочих напряжений и предельных амплитуд напряжений. Глубина слоя, величина твердости и остаточных напряжений, при которых величина эффекта упрочнения достигает максимального значения, являются оптимальными параметрами упрочнения.
Алгоритм расчета оптимальных параметров упрочнения цементируемых зубчатых колес судовых передач
Входными данными алгоритма являются 2 матрицы: матрица предельных рабочих напряжений М1 и матрица пределов выносливости М2 (данные матриц приведены в приложении А). Выходные данные является матрицей результатов М3. В алгоритме использованы переменные N1 (длина матрицы М1) и N2 (длина матрицы М2).
Алгоритм осуществляется сравнением каждого элемента М1[К] матрицы М1 с каждым элементом М2[Т] матрицы М2. М1[К] является элементом матрицы результатов М3, если удовлетворяет следующим условиям: М2[Т]-a М1[К] М2[Т ]+a. В обратном случае значение каждого элемента матрицы М1 увеличивается на величину V и повторно осуществляется сравнение элементов матриц М1 и М2. Результаты сохраняются в матрице результатов М3.
Результаты расчета оптимальных параметров упрочнения натурных зубчатых колес модуля 10 мм
Наиболее ответственными являются главные передачи, которые передают мощность от одного или нескольких главных двигателей к гребным винтам. Надежность и долговечность СЭУ в большей степени определяется техническим состоянием и долговечностью зубчатых колес главных передач. Поэтому при разработке технологического процесса изготовления или ремонта зубчатых колес возникает вопрос определения оптимальных параметров упрочнения, обеспечивающих максимальное значение предела выносливости.
Расчет оптимальных параметров и эффекта упрочнения осуществляется в следующей последовательности.
Во избежание разрушения натурных зубчатых колес исследование распределения микротвердости и остаточных напряжений проводится на образцах-свидетелях.
Для исследования распределения микротвердости изготовлены микрошлифы. Микротвердость измерена на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,2Н с шагом 0,05 мм и затем – 1 мм. По результатам измерений построена эпюра 1 распределения микротвердости и пределов выносливости (без учета остаточных напряжений) по опасному сечению зубьев (рисунок 5.2).
Для определения остаточных напряжений в цементованном слое зубьев применяется прибор СИТОН, принцип работы которого основан на корреляции между интегральными электрическими и механическими характеристиками металлов и сплавов. Так же можно применять экспериментальный метод, предложенный М.Л. Туровским [114]. Методика проведения испытаний приведена в главе 3. По величинам остаточных напряжений определяются коэффициенты влияния остаточных напряжений на предельные амплитуды напряжений по диаграмме (рисунок 1.19). Эпюра распределения пределов выносливости 2 (с учетом влияния остаточных напряжений) получена умножением величины эпюры 1 на эти коэффициенты.
Величина эффекта упрочнения определяется при касании эпюр распределения предельных амплитуд напряжений и предела выносливости.
В качестве примера для исследования используется натурное зубчатое колесо модуля 10 мм, конструкция которого представлена на рисунке 5.3. Зубчатое колесо изготавливается из высококачественной стали 12ХН3А, механические свойства и химический состав которой приведены в таблице 3.1. Для упрочнения колеса, изготовленного из этой марки стали, применяется газовая цементация. При этом необходимо определить оптимальные параметры упрочнения: глубину слоя и поверхностную твердость и назначить в связи с этим виды и режимы термической обработки.
По данным в таблице А.15 построены эпюры распределения микротвердости 1, пределов выносливости с учетом влияния остаточных напряжений 2 и рабочих изгибных напряжений 3 (рисунок 5.2).
В результате определен максимальный эффект упрочнения, равный 1,72. Для достижения данного значения эффекта упрочнения необходимо обеспечить оптимальные параметры упрочнения: глубина слоя 2…2,2 мм и твердость поверхности - 60…62 HRC.
Конструкция зубчатого колеса модуля 10 мм По установленным параметрам назначены виды и режимы химико-термической и термической обработок. В качестве карбюризатора применялся керосин. Зубчатое колесо науглероживалось в шахтной цементационной печи при температуре 920 0С в течение 20 часов. Контроль температуры осуществлялся автоматическим потенциометром с вычерчиванием термограмм «верх-низ». После цементации колесо непосредственно закалялось в масле при температуре 860 0С с выдержкой часа. С целью уменьшения коробления деталей и повышения поверхностной твердости до закалки необходимо проводить предварительное подстуживание. После закалки колесо проходило операцию низкого отпуска при температуре 180 0С в течение 45 минут и последующим охлаждением на воздухе.
