Results of Investigating the Scuffing in Spiroid Gears

Kovalenko R.K., Anferov V.N.

Abstract


The paper is devoted to assessment of scuffing in spiroid gears. The main requirements to performing investigations on the scuffing resistance of a spiroid gearing at a physical model are formulated. The dimensionless criterion of scuffing is determined on the basis of factor analysis. This criterion characterizes the relation between factors that influence the scuffing process in a spiroid gearing. The proposed criterion accounts for two main groups of factors: the temperature at contact and carrying capacity of the oil film. Based on analysis of existing friction units applied at scuffing resistance tests, the choice of a physical model of a spiroid gearing is further substantiated. Results of investigations carried out at laboratory stands are given, the stands being constructed on the basis of the “disk - roller” scheme of the friction unit. Results of tests of the physical model are given, namely, relations between the friction factor of a spiroid gearing and the specific load for material combinations “steel - bronze” and “steel - steel” for the range of sliding speeds and temperatures. Laws of behavior of a friction couple with material combinations “steel - bronze” and “steel - steel” are revealed at the specific load up to 400 % of the nominal one, at sliding velocities up to 205 % of the nominal one within the temperature range from 40 to 100 °С.

Keywords


spiroid gear; scuffing; scuffing resistance; gearing; physical modeling

Full Text

В последнее десятилетие все бóльшее применение в механизмах и приводах машин находят спироидные передачи вследствие основных преимуществ в сравнении с червячными передачами, описанными в работах В. И. Гольдфарба, А. К. Георгиева, Е. С. Трубачева, А. С. Кунивера, В. Н. Анферова и др. [1, 2]. Одним из недостатков, присущих передачам червячного класса, в том числе и спироидных, является высокая склонность к заеданию поверхностей из-за высоких значений скоростей скольжения. Заедание происходит вследствие того, что при относительном скольжении частицы одной поверхности при некоторых условиях прочно сцепляются с другой. Заедание может наступить и на смазанных рабочих поверхностях зубьев, если между ними не образуется непрерывная масляная пленка [3]. Расчета на заедание спироидных передач на данный момент нет. Косвенно эту задачу может решить тепловой расчет спироидных передач, но он не учитывает некоторые факторы, оказывающие влияние на заедание [4]. В связи с этим актуальной задачей является установление условий, при которых в спироидном зацеплении будет происходить заедание, чтобы еще на стадии проектирования его предотвратить. Тем самым появятся возможности изготовления спироидных передач из более экономичных материалов, а также возможность уменьшить запас по нагрузочной способности при проектировании передач. Исследования спироидного зацепления на заедание проводились на физической модели, что позволило существенно сократить материальные затраты на изготовление испытательных образцов и временные затраты на подготовку к испытаниям. Для проведения испытаний на физической модели необходимо решить две задачи [5]: 1. Выделить безразмерный критерий для оценки задиростойкости спироидного зацепления. 2. Обосновать выбор физической модели соблюдением условий подобия между моделью и спироидной передачей. Выбор безразмерного критерия производился на основе методов теории подобия и моделирования [6, 7]. Для его формулирования был проведен анализ существующих критериев заедания для различных видов передач, и на его основе выделены основные факторы, влияющие на процесс развития заедания [8]. Исследователи, изучающие вопросы заедания в других передачах, выделяют две основных причины начала развития этого процесса [9, 10]. В большинстве передач заедание наступает вследствие больших температур в контакте и оценивается критериями на основе теории Блока. Согласно этой теории заедание наступает, когда масляная пленка при достижении критической температуры tкр теряет смазывающие свойства и заедание достигает третьей стадии, т. е. непосредственного контакта металлов. Суммарная температура масляной пленки tS по формуле Блока равна сумме температуры поверхностей трения tп и температуры вспышки tmax: (1) Второй причиной развития процесса заедания, выделяемой исследователями, является нагрузочная способность масляной пленки, т. е. разрыв масляной пленки происходит вследствие высоких нагрузок при температуре ниже критической. Критерии, основанные на данной теории, применяются только для тяжелонагруженных узлов трения [11]. В спироидной передаче, благодаря специфичности расположения зоны зацепления, условия для затягивания масла в контакт в разы лучше в сравнении с червячными передачами. Это способствует как повышению нагрузочной способности передачи, так и отводу тепла из зоны зацепления. Поэтому для спироидного зацепления предложено учитывать два комплекса факторов, оказывающих влияние на развитие процесса заедания. Первый комплекс факторов учитывает влияние температуры по формуле Блока. Температура поверхностей трения при расчетах передач принимается равной температуре масла в редукторе. Мгновенная температура определяется согласно условию распределения температур в термическом контакте при локальном трении. Согласно работам профессора М. В. Коровчинского при стационарном термическом контакте распределение температур в области контакта и в ее окрестностях пропорционально ньютоновскому потенциалу простого слоя с плотностью, равной произведению скорости скольжения и контактных напряжений [12]. В общем случае температура вспышки пропорциональна мощности трения и обратно пропорциональна суммарной удельной теплопроводности l материалов звеньев передачи, которые характеризуют отдачу тепла от образцов в масло: (2) где q - удельная нагрузка в контакте, Н/м; f - коэффициент трения; vск - скорость скольжения, м/с; l1, l2 - удельная теплопроводность материала звеньев пары, Вт/(м∙К). Разделив обе величины на температуру tmax и выразив ее из формулы (1), мы получили безразмерный критерий, оценивающий влияние температуры на заедание поверхностей: (3) Ниже приведен анализ размерностей величин, составляющих критерий K1: (4) Второй критерий основан на контактно-гидродинамической теории смазки, согласно которой толщина масляной пленки в контакте между двумя упругими цилиндрами прямо пропорциональна динамической вязкости масла, скорости движения масляного слоя и обратно пропорциональна удельной нагрузке в контакте [13]. В спироидной передаче масло в контакт образцов затягивается с суммарной скоростью качения, равной сумме окружных скоростей звеньев передачи. Соответственно этому составлен второй критерий, оценивающий кинематические параметры масляной пленки: (5) где vS - суммарная скорость качения, Вт/(м∙К); h - динамическая вязкость жидкости, Па · с. Поскольку в каталогах и свободном доступе приводятся сведения о кинематической вязкости масел и вязкостно-температурные характеристики масел, то в формулу (5) подставим зависимость кинематической вязкости μ0 масла от динамической h: (6) где m0 - кинематическая вязкость, м2/с; r - удельная плотность жидкости, кг/м3; (7) Ниже приведен анализ размерностей величин, составляющих критерий K2: (8) Согласно первой теореме подобия перемножаем критерии 3 и 7 [14, 15]. Поскольку степень влияния каждого фактора на начало процесса заедания неизвестна, возведем критерии в степени a и b: (9) где a, b - коэффициенты, учитывающие влияние комплексов факторов на заедание поверхностей; - критическое значение критерия, при котором происходит разрыв масляной пленки. Для выбора узла трения для моделирования спироидного зацепления был проведен анализ существующих схем узлов трения, используемых для испытаний на заедание [16]. По результатам проведенного анализа предложено использовать для физического моделирования спироидной передачи узел трения по схеме «диск - ролик», поскольку эта схема обеспечивает функциональное подобие. Подобие трибологических взаимодействий обеспечивается линейным контактом звеньев, а также типом, сортом и способом подачи смазочного материала в контакт. Для обеспечения подобия физических величин между моделью и моделируемой спироидной передачей необходимо при создании лабораторной установки предусмотреть регулирование этих параметров в необходимых пределах. Испытания проводились на установке трения, созданной на основе узла трения по схеме «диск - ролик» на кафедре «Подъемно-транспортные, путевые, строительные и дорожные машины» Сибирского государственного университета [17, 18]. Стенд позволяет моделировать и менять в широких диапазонах следующие необходимые параметры работы спироидного зацепления. 1. Скорость скольжения в зацеплении - установкой соответствующего расчетного значения угловой скорости ролика. 2. Длину контактного отрезка - путем изменения ширины ролика и ширины кольцевой дорожки диска. 3. Удельную нагрузку на единицу длины контактной линии - путем навешивания дополнительных грузов расчетной массы на рычаги балансирной нагрузочной системы. 4. Приведенный радиус кривизны в зацеплении определяется двумя путями: - изменением диаметра ролика при моделировании передач с малым значением межосевого расстояния; повышением нагрузки в контакте при 5. Контактное напряжение sн в зацеплении - подбором соответствующих значений параметров 2, 3, 4. 6. Эксплуатационные свойства и параметры смазочного масла (при его наличии) - полностью путем замены масла в бачке системы смазки. 7. Температуру смазочного масла - нагреванием до заданной величины при помощи электрического нагревателя. 8. Материалы звеньев пары - подбором соответствующих материалов ролика и диска соответственно. 9. Твердость поверхностей витка червяка и зуба колеса - заданием соответствующей твердости поверхностей ролика и диска. 10. Параметры шероховатости поверхностей витка червяка и зуба колеса - соответствующей механической обработкой поверхностей ролика и диска. Целью проводимых на дисково-роликовом стенде исследований являлось определение условий возникновения заедания для двух сочетаний материалов пары («сталь - бронза» и «сталь - сталь») в условиях идентичных работе спироидной передачи. В качестве моделируемой передачи принята цилиндрическая спироидная передача со следующими исходными данными: межосевое расстояние aw = = 31,5 мм; передаточное число u = 49; номинальный вращающий момент на валу колеса T2 = 30 Н∙м. Образцы и звенья спироидной передачи были изготовлены из одних и тех же материалов. Параметры шероховатости рабочей поверхности ролика и боковых поверхностей витков спироидных червяков соответствовали одному и тому же классу. В первом случае материал диска, являющегося аналогом колеса, - бронза БрА9Ж4 ГОСТ 1628-78, а материал ролика, являющегося аналогом червяка, - сталь 40Х (HRCЭ 48…53). Во втором случае материал диска - сталь 45 (HRCЭ 48…53), а материал ролика - сталь 40Х (HRCЭ 48…53). Начало процесса заедания фиксировалось с помощью измерительной рычажной системы, служащей для определения коэффициента трения в контакте образцов. При возникновении заедания, а именно при контакте микронеровностей, происходит резкое увеличение коэффициента трения более чем на 30 %, что также сопровождается вибрацией лабораторного стенда. Коэффициент трения тем самым служит параметром отклика или индикатором для отслеживания возникновения заедания поверхностей. При испытании образцов с сочетанием материалов «сталь - бронза» заедание в резкой форме не было выявлено в принятом диапазоне нагрузок, скоростей скольжения и температур. При удельной нагрузке 255 кН/м, что равняется 400 % от номинальной для моделируемой передачи скорости скольжения 3,429 м/с (205 % от номинальной) и температуре масла 100 °С значения удельных нагрузок и скоростей скольжения были близко к граничным. Но на практике процесс заедания не начинался, так как при контакте материал с поверхности диска, выполненного из менее твердой, чем сталь, бронзы, переносился на поверхность ролика, выполненного из стали. Тем самым при разрыве масляной пленки менее твердый материал изнашивается под действием нагрузок, передаваемых посредством образца, выполненного из более твердого материала. Ролик в данном случае исполнял роль фрезы, формируя в бронзовом диске дорожку катания. Это приводило к быстрому износу образцов без начала процесса заедания поверхностей. При испытании образцов с сочетанием материалов «сталь - сталь» начало процесса заедания рабочих поверхностей образцов было зафиксировано при температурах 60 °С, 80 °С и 100 °С при нагрузках свыше 161 кН/м (250 % от номинальной) и при скоростях скольжения свыше 2,539 м/с (152 % от номинальной). На графике зависимостей коэффициентов трения (рис. 2, б, в, г) это можно увидеть по резкому увеличению коэффициента. а б в г Рис. 1. Графики зависимостей коэффициента трения от скоростей скольжения при различных удельных нагрузках для сочетания материалов «сталь - сталь»: а - при температуре масла 40 °С; б - при температуре масла 60 °С; в - при температуре масла 80 °С; г - при температуре масла 100 °С На основе полученных результатов эксперимента методами математической статистики были определены коэффициенты степеней a и b, оценивающие влияние групп факторов на процесс заедания в спиродной передаче под принятое критическое значение критерия [19]. Предложенный нами критерий позволяет еще на стадии проектирования производить проверку передачи на склонность к заеданию поверхностей, а также оценивать и сравнивать по степени опасности влияния на возникновение заедания, как различные сочетания материалов для звеньев пары, так и различные смазочные материалы.

Galleys

PDF (Русский)
References References

Гольдфарб В. И. Спироидные редукторы для работы в экстремальных условиях / В. И. Гольдфарб, В. Н. Анферов, Д. В. Главатских, Е. С. Трубачев. - Ижевск, 2013. - 159 с.

Гольдфарб В. И. Спироидные редукторы трубопроводной арматуры / В. И. Гольдфарб, Е. С. Трубачев, А. С. Кузнецов Е. В. Лукин, Д. Е. Иванов, В. Ю. Пузанов. - М. : Вече, 2011. - 222 с.

Генкин М. Д., Кузьмин Н. Ф., Мишарин Ю. А. Вопросы заедания зубчатых колес. - М. : Изд-во АН СССР, 1959. - 296 с.

Ковальков А. А. Проектирование механизмов подъемно-транспортных машин на основе спироидных передач с учетом теплового режима работы : автореф. дис. … канд. техн. наук. - Новосибирск, 2006. - 98 с.

Веников В. А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электротехники) : учеб. пособие для вузов. - М. : Высш. шк., 1976. - 480 с.

Там же.

Евдокимов Ю. А., Гудима В. В., Щербаков А. В. Основы теории инженерного эксперимента : учеб. пособие. - Ростов : Изд-во РГУПС, 1994. - Ч. 1. Методы математического планирования эксперимента. - 83 с.

Коваленко Р. К. Выбор критерия заедания зацепления в спироидной передаче // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. - 2016. - С. 92-97.

Генкин М. Д., Кузьмин Н. Ф., Мишарин Ю. А. Указ. соч.

Голего Н. Л. Схватывание в машинах и методы его устранения. - Киев : Техника, 1965. - 231 с.

Дроздов Ю. Н., Туманишвили Т. И. Расчет на заедание по предельной толщине смазочного слоя // Вестник машиностроения. - 1982. - № 4. - С. 19-24.

Коровчинский М. В. Основы теории термического контакта при локальном трении // Новое в теории трения. - М. : Наука, 1966.

Петрусевич А. И. Основные выводы из контактно-гидродинамической теории смазки // Известия академии наук СССР. Отделение технических наук. - 1951. - № 2. - С. 209-223.

Веников В. А. Указ. соч.

Евдокимов Ю. А., Гудима В. В., Щербаков А. В. Указ. соч.

Анферов В. Н., Коваленко Р. К. Выбор физической модели для исследования заедания в зацеплении спироидной передачи // Вестник Моск. автомобильно-дорожного гос. техн. ун-та (МАДИ). - 2016. - № 4(47). - С. 33-39.

Там. же.

Коваленко Р. К. К вопросу методики проведения испытаний спироидных передач на заедание // Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке : IX Междунар. науч.-техн. конф. «Политранспортные системы» : тезисы конференций. - Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2016. - С. 229-231.

Евдокимов Ю. А., Гудима В. В., Щербаков А. В. Указ. соч.




DOI: http://dx.doi.org/10.22213/2413-1172-2017-1-17-20

Article Metrics

Metrics Loading ...

Metrics powered by PLOS ALM


Copyright (c) 2017 Bulletin of Kalashnikov ISTU

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


ISSN 1813-7903 (Print)
ISSN 2413-1172 (Online)