9. Виды повреждений зубьев колес

Основными элементами, определяющими работоспособность зубчатых передач, являются зубья их колес. Различают два наиболее общих вида разрушений зубьев: полное разрушение (поломка) и поверхностные повреждения.

Поломка зубьев – наиболее опасный вид разрушения, так как в большинстве случаев она приводит к немедленному выходу передачи из строя, нередко сопровождающемуся повреждениями смежных узлов и деталей машины (валов, подшипников и др.), вследствие заклинивающего действия выломавшихся кусков зубьев.

Различают два вида поломки зубьев: поломка от однократных перегрузок ударного или статического воздействия и усталостные поломки. В свою очередь, усталостная поломка бывает малоцикловая, вызываемая действием многократных перегрузок, и многоцикловая — от действия в течение довольно длительного времени переменных напряжений. Изломы происходят по сечению у основания зуба. Прямые короткие зубья выламываются полностью по всей своей длине. Длинные прямые зубья, а особенно косые и шевронные, обычно выламываются по косому сечению (рис. 9.1). При усталостном разрушении излом имеет вогнутую форму, при разрушении от перегрузок — выпуклую.

Рис. 9.1. Излом зуба колеса

Появление поломки от однократных перегрузок предупреждают защитой привода от этого вида нагрузок специальными предохранительными устройствами (например, муфтами предельного момента), поэтому в дальнейшем этот вид разрушений более не рассматривается.

Усталостная поломка зубьев колес является конечным результатом зарождения в них и развития до своих критических размеров усталостной трещины.

Усталостные трещины появляются у корня зуба со стороны его растянутых волокон, где действуют наибольшие растягивающие напряжения, связанные с концентрацией напряжений, возникающей в переходной зоне зуба.

Усталостные разрушения зубьев предупреждают их расчетом на выносливость при изгибе.

Усталостные поломки наиболее характерны для колес закрытых передач, работающих при наличии в зоне их зацепления достаточного количества жидкого смазочного материала и имеющих зубья, закаленные до высокой (НRC 50) твердости.

Повреждение торцов зубьев (выламывание, смятие) часто получают колеса коробок скоростей при отсутствии у них синхронизаторов – устройств, обеспечивающих предварительное выравнивание окружных скоростей сопрягаемых колес.

По данным эксплуатации выявлены следующие виды поверхностных повреждений зубьев колес.

 Усталостное контактное выкрашивание (питтинг) рабочих поверхностей зубьев (рис. 9.2, а) – наиболее характерный и опасный вид повреждений для колес закрытых зубчатых передач, имеющих поверхностную твердость зубьев не более 50 НRC и работающих при наличии в их зацеплении интенсивной жидкой смазки.

Рис. 9.2. Виды поверхностных повреждений зубьев:

а – контактное выкрашивание; б – истирание; в – заедание

Выкрашивание заключается в появлении на рабочих поверхностях зубьев вблизи полюсной линии небольших углублений, напоминающих оспинки, которые потом растут, распространяясь на всю поверхность ножки зуба, превращаясь в раковины. Этот вид повреждений носит усталостный характер. Его появление обусловлено тем, что в результате зацепления зубьев контактные напряжения в каждой точке рабочей поверхности зуба периодически изменяются по пульсирующему циклу.

Выкрашивание может быть ограниченным или прогрессирующим. Ограниченное выкрашивание связано с концентрацией нагрузки по длине зубьев, а в косозубых передачах еще и с неполным использованием контактных линий, вследствие неизбежных погрешностей шагов зубьев.

В хорошо прирабатывающихся передачах (когда перепад твердостей зубьев колес пары составляет не менее 40 НВ) выкрашивание после приработки может прекратиться, причем оно практически не отражается на работе передачи, так как образовавшиеся ямки постепенно завальцовываются.

Опасность представляет прогрессирующее выкрашивание, распространяющееся на всю или значительную часть длины зубьев. Такое выкрашивание приводит к повышению давления на еще не выкрошенных участках поверхности зубьев, выжиманию смазки в ямки и, наконец, к пластическому обмятию или заеданию зубьев.

Для предотвращения выкрашивания зубья рассчитывают на контактную выносливость их рабочих поверхностей.

 Заедание (схватывание) рабочих поверхностей зубьев (рис. 9.2, в) возникает при высоких контактных напряжениях и разрыве или отсутствии масляной пленки, разъединяющей взаимодействующие зубья колес.

Разрушение масляной пленки происходит из-за выдавливания масла из зоны контакта под действием значительных контактных напряжений или понижения вязкости и защитных свойств масла от его нагрева, связанного с большими скоростями скольжения. При разрушении масляной пленки в результате взаимодействия материалов зубьев в отдельных контактирующих точках развиваются очень высокие местные давления и температуры, происходит точечное схватывание (сваривание) частиц металла сопряженных поверхностей с последующим отрывом их от менее прочной поверхности. Образовавшиеся на поверхности более прочного зуба наросты задирают (оставляют глубокие узкие борозды) рабочие поверхности зубьев менее прочного колеса в направлении относительного скольжения зубьев.

Заедание наблюдается преимущественно у тяжело нагруженных высокоскоростных передач, а также у тихоходных, но крупномодульных и с малым числом зубьев (именно в таких передачах развиваются большие скорости скольжения и высокие контактные напряжения). Более склонны к заеданию зубья из однородных, термически неупрочненных материалов. Хотя иногда можно наблюдать борозды заедания и на закаленных зубьях.

Для предохранения зубьев от заедания применяют масла с повышенной вязкостью и противозадирными, а так же химически активными, присадками. Желательно интенсивное охлаждение смазочного материала.

 Отслаивание рабочих поверхностей зубьев иногда наблюдают у колес тяжело нагруженных передач при наличии поверхностной химико-термической обработки (азотирования, цианирования, цементации). Вследствие возникновения высоких контактных напряжений усталостные трещины в этом случае появляются не на поверхности зубьев, а под их тонким упрочненным слоем, где металл обладает пониженной выносливостью. Это является причиной отслаивания чешуек металла с рабочей поверхности зубьев колес. Кроме непосредственного интенсивного разрушения поверхности зубьев этот вид их повреждений опасен еще и тем, что отслоившиеся твердые чешуйки оказывают дополнительное абразивное воздействие на зубья, способствующее быстрому выходу передачи из строя.

Для предотвращения данного вида повреждений производят расчет зубьев на контактную выносливость их глубинных слоев.

 Истирание зубьев (рис. 9.2, б) является основной причиной выхода из строя передач при плохой смазке. К таким передачам относят прежде всего открытые передачи, а также закрытые, но недостаточно защищенные от их загрязнения абразивными частицами (пыль, продукты износа и т.п.). Такие передачи можно встретить в сельхозмашинах, горнорудном оборудовании, грузоподъемных машинах и др.

Усталостное контактное выкрашивание зубьев в таких передачах не наблюдается, так как истирание опережает процесс образования усталостных повреждений в поверхностном слое. Износ приводит к искажению профиля зубьев и увеличению зазоров в зацеплении, вследствие чего возрастают динамические нагрузки. В то же время прочность изношенного зуба понижается из-за уменьшения размеров его поперечного сечения. Все это может привести к поломке зубьев, если изношенные колеса своевременно не будут заменены новыми.

Основные меры предупреждения износа: повышение твердости поверхностей зубьев и эффективности их защиты от загрязнения, применение модифицированных профилей зубьев и масел с повышенной вязкостью.

 Пластическое деформирование поверхностного слоя зубьев характерно для тяжелонагруженных тихоходных передач при невысокой твердости зубьев. Так как при малых скоростях скольжения затруднено образование на зубьях устойчивой масляной пленки, то в этом случае на их рабочих поверхностях развиваются значительные силы трения, вызывающие пластические деформации поверхностного слоя с последующим их сдвигом в направлении скольжения зубьев. В результате у полюсной линии зубьев ведомого колеса образуется выступ, а у ведущего – канавка, приводящие к нарушению правильности зацепления зубьев.