Рыбинск, Россия
УДК 621.833 Зубчатые колеса (шестерни). Профили зубьев. Зубчатые передачи. Зубчатые механизмы
УДК 621.83.061.1 Передачи для уменьшения скорости. Понижающие передачи (редукторы)
УДК 621.8 Детали машин. Механизмы. Передачи (механические). Подъемнотранспортное оборудование. Крепежные средства. Смазка
УДК 669 Металлургия. Металлы и сплавы
Ключевое место при производстве газотурбинных двигателей, в том числе и зубчатых колес, как авиационного, так и судового, и энергетического назначения, отводится конструкционным сталям. В связи с этим важна не только физи-ческая природа изготовления зубчатых колес, но прежде всего формализация и управление обеспечением физико-механических свойств материалов с учетом их стабильности. Рассмотрена проблема технологического обеспечения изготовления зубчатых колес газотурбинных двигателей, где конструкция, материал детали и технология изготов-ления анализируются неотъемлемо друг от друга. Разработана взаимосвязь качества рабочих поверхностей с техно-логическими и прочностными характеристиками относительно эксплуатационных свойств. Исследована нестабиль-ность механических свойств конструкционного материала и обосновано их формирование на основе технологической наследственности при соответствии технологического процесса изготовления детали ее материалу и назначению. Наглядно представлена нестабильность физико-механических свойств на примере одной марки стали, но при различ-ных методах получения заготовки и материала в состоянии поставки. Изучено влияние термической обработки на стабилизацию физико-механических свойств материала с учетом наследования свойств. Разработана модель кон-тактного взаимодействия зубчатых колес с учетом внешних и внутренних воздействий, как в процессе изготовления, так и при эксплуатации (свойства материала, силы в зацеплении, температурное поле и т. д.). Кумулятивная модель, ориентированная на реакцию конструкционного материала при обработке и взаимодействия в работе, обобщает функциональное назначение, физико-механические свойства и особенности поведения в условиях эксплуатации. Пред-ставлено управление эксплуатационными свойствами зубчатых колес в неразделимой связи с технологией и их мате-риалами – структурным состоянием и физико-механическими свойствами.
газотурбинный авиационный двигатель, зубчатое колесо, физико-механические свойства, конструкционный матери-ал, упрочненный материал поверхностного слоя, сердцевина материала
Конструкционная сталь имеет наибольшую продолжительность службы в изделиях авиационной, судовой и промышленной технике. При эксплуатации зубчатых механизмов, передающих крутящий момент, требуется – высокая прочность, твердость, сопротивление усталостным нагрузкам при значительном ресурсе наработки узла. В связи с этим является актуальным изучение нарушения работоспособности и выхода из строя зубчатых передач, как на базе работ ученых Старжинского В.Е., Гольдфарба В.И., Морозовой Л.В., Wang Q.J. и других [1 – 6] документов [7], так и личного опыта [8] при статистическом анализе большого объема практических данных по эксплуатации приводов газотурбинных двигателей (ГТД) авиационной, морской и наземной тематики. Статистика повреждений зубчатых колес (рис. 1) иллюстрирует, что около 80 % нарушений работоспособности зубчатых передач возникает из-за усталостных проявлений при циклическом характере нагружения.
Это аргументирует важность методологического обоснования долговечности зубчатых колес с учетом стабильности свойств конструкционных сталей и технологической преемственности процесса изготовления шестерен, основываясь на работах А. С. Васильева, М. Л. Хейфец, А. Г. Суслова, Е. С. Елисеева, В. В. Крымова и др. [9 – 12]. Проблема нестабильности физико-механических свойств конструкционных материалов подробно изложена в работах В. К. Старкова, А. П. Яковлевой, Л.В. Савельевой, В. В. Крымова [10, 13 – 14]. Доказано, что нестабильность физико-механических свойств материалов составляет более 40 %, а стабильность этих свойств важна для обеспечения работоспособности изделий [13].
Это приводит к необходимости более достоверного определения эксплуатационных свойств деталей, зависящих от физико-механических свойств материала из которого они изготовлены, начиная с их проектирования, а также обуславливает большой интерес к проблеме технологического обеспечения изготовления зубчатых колес ГТД при циклическом нагружении, которое связано с учётом физико-механических свойств материала и их стабильности.
Качество материала детали и его физико-механические свойства зависят от технологического процесса ее изготовления. Деталь состоит из поверхностного слоя, содержащего поверхность, сформированную механической обработкой, шлифованием с учетом химико-термической обработки, и слоем основного материала.
Эксплуатационные свойства зубчатых колес (контактная и изгибная прочность, износостойкость, коррозионная стойкость и др.) зависят от качества поверхностного слоя рабочих поверхностей сопрягаемых деталей. При разработке, расчете и производстве зубчатой передачи для его работоспособности значительное внимание уделяется технологической наследственности изготовления.
Эксплуатационные свойства зубчатой передачи формируются в рамках двух основных процессов системы менеджмента качества, которые дополняют друг друга:
- на этапе проектирования и разработки (с последующим отражением в конструкторской документации) зубчатого зацепления назначаются материал, точность изготовления, качества рабочих поверхностей и сердцевины материала, обеспечивающие требуемые параметры норм прочности. Расчетчик использует зависимости прочностных показателей с физико-механическими свойствами материалов шестерен, параметрами качества рабочих поверхностей и условиями эксплуатации. Напряжения в зубчатом зацеплении зависят от геометрии профиля, свойства материала и обработки, в том числе габаритов, величины зазора в соединении и степени точности;
- на этапе технологической подготовки производства при выпуске пакета технологической документации. Технолог задает виды, способы и условия производства шестерен с учетом требуемый точности обработки и показателей качества рабочих поверхностей. На совокупность свойств поверхностного слоя рабочих поверхностей зубчатых колес первоначально влияет механическая обработка. И технологический процесс обработки шестерни должен формироваться с учетом поводки детали после химико-термической обработки и параметров сердцевины для обеспечения качества.
По функциональному назначению эксплуатационные свойства зубчатых колес включают в себя показатели выносливости на контакт и изгиб, износостойкость и коррозионную стойкость. Следовательно, технологическая наследственность качества поверхностного слоя рабочих поверхностей представляет собой систему связей от комплекса прочностных и технологических параметров, а эксплуатационных свойств от качества поверхностного слоя, что представлено на рис. 1:
(1)
где ПП – показатели прочности; КПС – качество поверхностного слоя; ПТ – параметры технологические; – технологическая наследственность эксплуатационных свойств.
Технологический процесс производства детали формирует физико-механические свойства материала и соответствующие им прочностные параметры. Изменение свойств, начиная от исходного состояния полуфабриката материала (СИ – исходные свойства материала) при производстве до получения окончательно готовой детали (СЭ – эксплуатационные свойства материала) необходимо анализировать с точки зрения технологической наследственности, т. к. качество детали формируется всеми операциями технологического процесса. Конечно, в разных долях.
Управление влиянием каждой отдельной операции технологического процесса изготовления детали на изменение свойств материала с учетом тенденций современного производства и особенно внедрения концепции цифрового двойника на производстве делает возможным учет взаимодействия операций через коэффициент наследования [11]:
, (2)
где КСВ – коэффициент наследования свойств материала; Сi – значение свойства материала на текущей операции; Ci–1 – значение свойства материала на предшествующей операции (исходное состояние – для заготовки).
Коэффициент наследования свойств материала определяет положительную (КСВ > 1) или отрицательную (КСВ < 1) эволюцию свойств на данной операции относительно их значений на предшествующей операции или в состоянии поставки.
В табл. 1 проведены экспериментальные исследования механических свойств материала зубчатых колес – на примере образцов из стали 18Х2Н4МА – применительно к различным методам получения заготовки, как исходное состояние, с последующей термической обработкой. Представленное сравнение механических свойств материала при различном методе получения заготовки доказывает, что вид заготовки существенно влияние на механические свойства материала, и наглядно показывает нестабильность его свойств, как с учетом исходного состояния материала, так и последующей термической обработки. В табл. 2 определены величины наследственности механических свойств конструкционной стали на примере двух последовательных операций – заготовительная и термическая обработки.
Изготовление зубчатых колес из сортового прутка формирует растягивающие напряжения, которые при эксплуатации суммируются с напряжениями, возникающими при изгибе зуба под действием сопряженного колеса. Они направлены поперек волокон материала и способствуют снижению работоспособности деталей. Следует отметить, что метод обработки давлением не только формирует волокна материала, направленные вдоль зуба относительно наибольших растягивающих напряжений в зубьях, но и благоприятно влияет на производительность механической обработки детали. Последующая нормализация образует структуру материала с измельчённым зерном. В совокупности данные мероприятия положительно влияют на механические свойства материала и работоспособность детали, увеличивая его прочностные показатели.
Широкий ассортимент полуфабриката сортового проката, марок конструкционных сталей и способов обработки содействуют тому, что металлопрокат из стали – это высоко востребованный материал для современных элементов металлических конструкций и механизмов, которые эксплуатируются при различных нагрузках, климатических и других условиях. Следовательно, долговечность готового изделия из сортового проката нельзя оценивать только по свойствам полуфабриката.
Оценка коэффициента наследования механических свойств материала показывает целесообразность проведения термической обработки и ее позитивное влияние на механические свойства материала, на примере стали 18Х2Н4МА, как для обеспечения наилучших свойств обрабатываемости резанием, так и для сокращения нестабильности механических свойств материала. Отмечается стабилизация по пределу прочности более 18 %, а по пределу текучести – более 11 %. Это подтверждает и коэффициент наследования свойств материала.
При эксплуатации зубчатой передачи зубья пересопрягаются между собой. При этом ведущее звено (шестерня) увлекает за собой ведомое (колесо). На этапе проектирования с учетом эксплуатационных норм по зубчатым зацеплениям предъявляют высокие требования к качеству материала, рабочей поверхности и сердцевине материала, точности обработки. В связи с этим материал, из которого изготавливают зубчатые колеса, должен обладать такими свойствами, как сопротивление явлениям усталости с возможностью воспринимать значительные нагрузки рабочей поверхностью без разрушения определенное число циклов. Таким образом, материал зубчатых колес должен обеспечить необходимый и достаточный предел выносливости согласно требуемого ресурса наработки. Зубчатые колеса в обязательном порядке проходят термическую обработку, а зубчатые передачи силовых приводов – химико-термическую обработку.
Зуб силовой зубчатой передачи (рис. 2) состоит из рабочей поверхности, включающей в себя поверхность 1 контакта и упрочненный слой 2, и сердцевины 3 материала шестерни. Каждый элемент зуба (поверхность 1, упрочненный слой 2 и сердцевина 3) характеризуется физическими, механическими и технологическими свойствами материала, как упрочненного слоя, так и сердцевины. Именно физико-механические свойства каждого слоя материала и их сочетание определяют восприимчивость детали к силовым циклическим нагрузкам. Обрабатываемость конструкционных сталей характеризуются технологическими свойствами материалов подвергаться различным видам обработки. Природа этих характеристик заключается в физико-механических свойствах материалов, влияющих на технологичность заготовок и деталей, а также стратегию обработки детали.
При этом физико-механические свойства материала в состоянии поставки широко представлены в литературе, а физико-механические свойства поверхностного слоя и сердцевины детали, которые, по сути, после химико-термической обработки детали значительно отличаются от целостных полуфабрикатов в состоянии поставки, требуют изучения и систематизации знаний.
Рабочие условия зубчатых зацеплений при передаче крутящего момента при циклическом от нулевом нагружении характеризуются трением скольжения при наличии определенных скоростей, силовой нагрузки и температуры, особенно в зоне контакта. Условия эксплуатации зубчатого зацепления требуют обязательной подачи смазочной жидкости в зону контакта. Выделяют два способа подвода смазочной жидкости в зону контакта:
- погружение – масло заполняет картер корпуса на определенную величину;
- принудительная смазка через жиклеры и систему трубопроводов маслосистемы.
В процессе работы в зоне контакта при сопряжении зубьев вырабатывается энергия в результате трения зубьев шестерен. Для охлаждения зоны контакта для защиты от теплового потока подается смазочная жидкость – масло. Это необходимо в виду того, что чрезмерное тепло в зоне контакта может вызвать изменения структурно-механических свойств рабочих поверхностей зубьев. Увеличения данных изменений негативно сказывается на эффективности отведении тепла в сопрягаемой зоне. Повреждения рабочих поверхностей в зоне контакта при трении негативно влияют на процесс охлаждения.
Следовательно, в модели контактного взаимодействия зубьев можно выделить базовые рабочие условия зубчатого механизма: тепловое поле в зоне контакта; материал шестерен; силовая нагрузка в зубчатом зацеплении.
Затем анализируем факторы использования зубчатой передачи – эксплуатационные, конструкционные, технологические и механические (рис. 3).
Структурно-причинная модель контактного взаимодействия зубчатого зацепления демонстрирует физику вращательного движения зубчатых колес. На рис. 3 приняты следующие обозначения: Рout – напряжения в поверхностном слое (внешняя нагрузка); Рin – напряжения в упрочненном слое (внутренняя нагрузка); QХИМ – энергия химического взаимодействия; Qt – энергия теплового поля; Е – мера интенсивности воздействия; dРout, dРin, dQХИМ, dQt – работа соответствующего параметра; dl – длина пути зацепления; sВ – предел прочности при растяжении; s0,2 – предел текучести; Е – модуль упругости материала детали; n – число Пуанссона; HV (НRC) – твёрдость материала поверхностного слоя; – глубина упрочненного слоя; Rа – шероховатость рабочих поверхностей; НВ – твердость сердцевины; sН – контактные напряжения; sНг – глубинные контактные напряжения; f – коэффициент трения; Кк – концентрация нагрузки.
В процессе эксплуатации рабочие поверхности зубьев шестерен подвергаются не только механическому, но и молекулярному воздействию в зоне контакта рабочих поверхностей. При передаче крутящего момента материал деталей в зоне контакта поверхностей сжимается под действием сил, а до и после зоны контакта растягивается в результате упругопластических деформаций. Работа зубчатой передачи характеризуется площадью контакта рабочих поверхностей. Площадь контакта сопрягаемых зубьев определяют параметры профилей, физико-механические свойства материала шестерен (модуль упругости, твердость, предел прочности и др.), а также напряжения в поверхностном и упрочнённом слоях, механизм трения и повреждаемости. Физическая сущность эксплуатации зубчатых колес заключается в том, что при пересопряжении зубьев механизма в зоне их контакта образуются механические и молекулярные процессы, которым сопутствуют тепловые, окислительные и другие явления.
Тепловое поле в зоне контакта может оказывать влияние в первую очередь на физико-механические свойства поверхностного упрочненного слоя, а потом и на физико-механические свойства сердцевин материала шестерен. Поверхностный упрочненный слой материала при росте температуры в зоне контакта имеет склонность к охрупчиванию или упрочнению при росте температуры и это вызвано технологией производства деталей. Влияние теплового поля до 90 °С с его быстротечностью на макро- и микроструктуру, физико-механические свойства материала несущественно с учетом достаточности охлаждения и смазки зоны контакта. Наиболее часто применяемым смазочным средством для зубчатых колес ГТД служит масло авиационное МС-8П по ОСТ 38.01163-78 или его аналог по физико-механическим и химическим свойствам масло для судовых газовых турбин по ГОСТ 10289-79. Служебные свойства масла сохраняются до 120 °С.
Увеличении температуры рабочей среды свыше 120 °С приводит к окислительным процессам и нарушению целостности рабочих поверхностей в результате адгезии сопрягаемых поверхностей. Это влечет прирост сил в зацеплении и ухудшает условия трения, и как следствие – структурно-механические изменения материала в упрочненном слое.
В целом, тепловое поле в зоне контакта сопрягаемых зубьев изменяет условия сопряжения деталей с определенными метаморфозами механических свойств упрочнённого слоя детали. Так, например, под действием сил в зацеплении и тепла в зоне контакта поверхностный слой материала под влиянием пластической деформации становится мягче. При температурном поле более 200 °С снижается предел текучести материала при небольшом увеличении предела прочности при снижении свойств используемых масел. Это требует применения более прочных конструкционных материалов, а иногда и увеличения габаритов передачи.
Зубчатые колеса ГТД изготавливаются из высоколегированных сталей. И для обеспечения требуемой прочности в сочетании с необходимой пластичностью зубчатые колеса проходят обязательную химико-термическую обработку. Именно химико-термическая обработка, формирующая упрочненный поверхностный слой, создает возможность зубчатым передачам работать при относительно высокой температуре (до 120 °С) в зоне контакта при подаче масла для отвода тепла.
Также рабочая поверхность зубьев с упрочненным слоем, достаточно твердым и необходимой толщины, обладает выносливостью относительно достаточно высоких усилий без каких-либо деформаций и повреждений контактирующих поверхностей. Грамотно назначенная и технологически правильно выполненная химико-термическая обработка – это гарантия успешного функционирования зубчатой передачи в сочетании с относительно мягкой сердцевиной материала зуба.
Анализируя взаимодействие зубьев при передаче крутящего момента, в зоне контакта возникают силы нормальные и касательные, которые создают напряжения на поверхности и в упрочненном слое с определенной концентрацией нагрузки по профилю. В зоне контакта происходит деформирование слоев материала, сопровождающееся тепловым полем, которое, при стечении определенных обстоятельств, приводит к нарушению целостности структуры рабочей поверхности, и, как следствие, к увеличению контактных напряжений. Стечением определенных обстоятельств можно считать последовательность действий, которые следуют друг за другом – увеличение тепла в зоне контакта изменяет химическое взаимодействие поверхностей, влечет модификацию механических свойств материала и сил в зацеплении.
Это приводит к изменению эксплуатационных свойств материалов зубчатых колес в сопрягаемой зоне. При нарушении условий эксплуатации зубчатых колес процессы, протекающие в зацеплении при пересопряжении зубьев, могут «мутировать» свойства материала, в первую очередь, рабочей поверхности, созданные при изготовлении детали. И в консервативном случае могут привести к повреждению поверхности.
Систематизация воссоздания управления контактным взаимодействием зубьев в рамках структурно-причинной модели с отражением эксплуатационных, конструктивных и технологических процессов работы зубчатого механизма, а также физико-механических свойств материала сердцевины и упрочненного слоя, которые формируются при изготовлении деталей, изображена на рис. 3.
В заключение следует отметить, что определение механических свойств стали 18Х2Н4МА, как в состоянии поставки и при изготовлении различных заготовок, так и в сочетании с термической обработкой применялись серийные технологические процессы по обеспечению качества продукции. Использование метода прототипа изготовления образцов обеспечивает непредвзятость разработанного метода управления стабильностью физико-механических свойств материала детали. Наглядно представлена нестабильность механических свойств (более 20 %) конструкционного материала в базе полуфабриката, поковки и штамповки при последующей термической обработке, в том числе, для стабилизации свойств материала. На основе результатов исследований и их обработки сформирована практическая структурно-причинная модель контактного взаимодействия зубчатых колес с аргументированной методикой по управлению стабильностью физико-механических свойств материала, позволяющая учесть параметры и упрочненного рабочего слоя, и сердцевины материала с учетом технологической наследственности изготовления детали, что возможно воплотить на производстве в рамках концепции цифрового двойника.
1. Титов В.И., Тарасенко Л.В., Уткина А.Н., Шальке-вич А.Б. Фазовый анализ новой композиции высоко-прочной конструкционной стали // Заводская лабора-тория. 2015. Т. 81, № 2. С. 35-39. ID: 23024391.
2. Орлов М.Р., Оспенникова О.Г., Наприенко С.А., Морозова Л.В. Исследование усталостного раз-рушения конических шестерен редуктора центрального привода газотурбинного двигателя, изготовленных из стали 20Х3МВФ //Деформация и разрушение материа-лов. 2014. № 7. С. 18-26. ID: 21716093.
3. Морозова Л.В., Орлов М.Р. Исследование причин разрушения зубчатых колес в процессе эксплу-атации //Авиационные материалы и технологии. 2015. № S1. С. 37-48. ID: 24722080.
4. Rudenko S.P., Val’ko A.L. Contact fatigue re-sistance of carburized gears from chromium-nickel steels // Metal science and heat treatment. 2017. Vol. 59, iss. 1-2. P. 60-64. ID: 31036421.
5. Туманов, Н.В., Воробьев, Н.А., Калашнико-ва, А.И., Калинин, Д.В., Кожаринов, Е.В. Комплексная фрактодиагностика авиационных конических зубчатых колес // Заводская лаборатория. Диагностика материа-лов. 2018. Т. 84. № 2. С. 55-63. ID: 32494588.
6. Старжинский В.Е., Гольдфарб В.И., Шилько С.В., Шалобаев E.В., Тескер E.И. Развитие терминологии в области зубчатых передач и трансмис-сий. Часть 3. Идентификация понятий по видам повре-ждений зубчатых колес // Энергетическое, металлурги-ческое и химическое машиностроение. 2017. Т. 15. № 3. С. 51-61. ID: 29991991.
7. Wang Q.J., Chung Y-W. Encyclopedia of Tribology // Springer New York Heidelberg Dordrecht London, 2013. 4190 p.
8. ANSI/AGMA 1010-F14. Appearance of Gear Teeth - Terminology of Wear and Failure. Alexandria, USA. 2014. 89 p.
9. Шеховцева Т.В., Шеховцева Е.В. Особенно-сти повреждения рабочих поверхностей зубчатых ко-лес ГТД // Известия Тульского государственного уни-верситета. Технические науки. 2019. № 6. С. 406-416. ID: 41117325.
10. Хейфец М.Л., Васильев А.С., Кондаков А.И., Танович Л. Технологическое управление насле-дованием эксплуатационных параметров качества де-талей машин // Весцi нацыянальнай акадэмшш навук Беларусi. 2015. № 3. С. 10-22. ID: 24339707.
11. Суслов А.Г. Развитие учения о контактной жесткости и инженерия поверхности деталей машин // Вестник Брянского государственного технического университета. 2018. № 11 (72). С. 12-17. ID: 36557013.
12. Фомина Л.П., Крымов В.В. Совершенство-вание технологий упрочнения зубчатых колес авиадви-гателей // Двигатель. 2016. № 2 (104). С. 6-8. ID: 26211047.
13. Антипов Д.В., Гушян Ю.Г., Клочков Ю.С., Елисеев Ю.С., Чекмарев А.Н. Оценка функционирова-ния системы логистического управления качеством технологического процесса // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2016. Т. 18. № 4. С. 45-48. ID: 26684252.
14. Старков В.К. Физика и оптимизация резания материалов. М.: Машиностроение, 2009. 640 с. ID: 20240788.
15. Яковлева А.П., Савельева Л.В., Наумов В.А., Шарапов С.Н., Бессуднов Л.И. Причины разру-шения зубчатых колес // Главный механик. 2017. № 1. С. 43-48. ID: 29461233.
