К оценке контактно-усталостной долговечности химико-термоупрочненных зубчатых колес

Введение. Статья посвящена уточнению прочностных характеристик диффузионного слоя цементованных (Ц) и нитроцементованных (Нц) эвольвентных зубчатых колес. Регламентируемые ГОСТ 21354-87 зависимости предела контактной выносливости стальных деталей от твердости в области ограниченной (до 10-12 млн циклов) долговечности завышены.Цель работы - определить максимально допустимый уровень нагрузки эвольвентных зубчатых передач в условиях действия альтернативных форм отказа и область корректного применения рекомендаций ГОСТ 21354-87. Материалы и методы. В поверхностно упрочненных деталях протекают одновременно глубинные и поверхностные процессы контактного разрушения с принципиально различными механизмами контактно-усталостной долговечности. Лидирующий вид разрушения определяется комплексом факторов, основные из которых - уровень напряженности и свойства приповерхностных слоев материала. Нагрузочная способность диффузионного слоя исследована на основе экспериментальных данных по методике оценки прочности структурно неоднородного материала с использованием обобщенного критерия предельного состояния Писаренко - Лебедева. Результаты исследования. Учет влияния пластических свойств материала и его изменения в пределах диффузионного слоя позволил существенно повысить достоверность прогнозирования уровня нагрузочной способности цементованных и нитроцементованных зубчатых передач по контактной прочности. Подтверждено наличие порогового значения твердости рабочей поверхности зубьев колес на уровне 60-61 единиц по Роквеллу, превышение которого ведет к снижению контактно-усталостной долговечности. Приведена оценка влияния параметра пластичности на уровень нагрузочной способности и варьирование величины этого параметра при различных видах химико-термической обработки (ХТО). В области ограниченной долговечности опережающими являются глубинные контактные разрушения. И пределы контактно-усталостной долговечности по показаниям поверхностного выкрашивания должны быть ориентированы на допускаемое нормальное контактное глубинное напряжение. Обсуждение и заключение. С экспериментальными данными полученные результаты качественно согласуются, но в ряде случаев несколько превышают их. Необходимы исследования по величине параметра пластичности и его изменению в зависимости от химического состава стали и вида ХТО. Но уже на данном этапе полученные результаты могут быть использованы при проектировании тяжело нагруженных поверхностно упрочненных зубчатых передач при назначении твердости поверхности и толщины диффузионного слоя. Область применения - передачи бортовых редукторов тракторов, нефтедобывающих станков-качалок, горнодобывающего и подъемно-транспортного оборудования.

убчатая передача, контактная прочность, химико-термическая обработка, конкурирующие виды отказов, упрочненный слой, твердость, критерии прочности, gear, contact strength, thermo-chemical treatment, competing failure modes, hardened layer, hardness, strength criteria

1. ГОСТ 21354-87. Передачи зубчатые, цилиндрические, эвольвентные. Расчет на прочность / Государственный комитет по стандартам. - Москва : Издательство стандартов, 1988. - 125 с.

2. British standard. Implementation of ISO 6336-1:1996. Calculation of load capacity of spur and helical gears / Technical Committee MCE/5, Gears. - London : BSI. - 92 p.

3. Зинченко, В. М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико-термической обработки / В. М. Зинченко. - Москва : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002. - 303 с.

4. Effect of case dept of fatigue strength / A. Yoshida [et al.] // Bulletin of JSME. - 1986. - № 247. - P. 228-234.

5. Коновалов, Л. В. Особенности циклической прочности конструкционных сталей в области длительной долговечности / Л. В. Коновалов, И. М. Петрова // Вестник машиностроения. - 1998. - № 9. - С. 3-11.

6. Калашников, А. С. Современные методы обработки зубчатых колес / А. С. Калашников, Ю. А. Моргунов, П. А. Калашников. - Москва : Спектр, 2012. - 238 с.

7. Короткин, В. И. К оценке глубинной контактной выносливости эвольвентных зубчатых передач с поверхностно упрочненными зубьями / В. И. Короткин, Н. П. Онишков, А. В. Гольцев // Вестник машиностроения. - 2008. - № 5. - С. 9-14.

8. Онишков, Н. П. Об учете фактора твердости в контактных расчетах деталей машин / Н. П. Онишков, В. И. Короткин, К. В. Гузнов // Вестник НТУ «ХПИ». - 2008. - № 28. - С. 76-84.

9. Фудзита, К. Влияние глубины цементованного слоя и относительного радиуса кривизны на долговечность при контактной усталости цементованного ролика из хромомолибденовой стали / К. Фудзита, А. Иосида // Конструирование и технология машиностроения. -1981. - № 2. - С. 115-124.

10. Короткин, В. И. Зубчатые передачи Новикова. Достижения и развитие / В. И. Короткин, Н. П. Онишков, Ю. Д. Харитонов. - Москва : Машиностроение-1, 2007. - 384 с.

11. Сопротивление контактной усталости тяжелонагруженных зубчатых колес из стали 20ХН3А, упрочняемых ХТО / В. И. Шапочкин [и др.] // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1987. - № 5. - С. 12-15.

12. Зубарев, Н. И. Оптимизация качественных параметров зацепления зубчатой передачи / Н. И. Зубарев, М. П. Игдалов // Тракторы и сельхозмашины. - 1989. - № 2. - С. 41-69.

13. Писаренко, Г. С. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии / Г. С. Писаренко, А. А. Лебедев. - Киев : Наукова думка, 1976. - 415 с.

14. Обеспечение на стадии производства заданной долговечности групп роликовых подшипников в зависимости от твердости их деталей / В. Е. Касьянов [и др.] // Вестник машиностроения. - 2000. - № 8. - С. 15-18.

15. Онишков, Н. П. Местное напряженное состояние и оценка глубинной контактной прочности поверхностно-упрочненных зубчатых передач Новикова : дис. … канд. техн. наук / Н. П. Онишков. - Харьков, 1991. - 164 с.

16. Сталь ШХ-15 [Электронный ресурс] / Центральный металлический портал РФ. - Режим доступа: metallicheckiyportal.ru/marki_metallov/stk/SHX15 (дата обращения: 14.08.17).

17. Сахонько, И. М. Контактная выносливость закаленной стали в зависимости от геометрических параметров соприкасающихся тел / И. М. Сахонько // Контактная прочность машиностроительных материалов. - Москва : Наука, 1964. - С. 52-59.

18. Геллер, Ю. А. Инструментальные стали / Ю. А. Геллер. - Москва : Машиностроение, 1983. - 525 с.

19. Котов, О. К. Поверхностное упрочнение деталей машин химико-термическими методами. - Москва : Машиностроение, 1969. - 344 с.

20. Расчеты на прочность в машиностроении. [Том] I / С. Д. Пономарев [и др.]. - Москва : Машгиз, 1956. - 884 с.

21. Орлов, А. В. Испытания конструкционных материалов на контактную усталость / А. В. Орлов, О. Н. Черменский, В. М. Нестеров. - Москва : Машиностроение, 1980. - 110 с.