Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Зубчатые колеса являются основными силовыми элементами редукторов, обеспечивающими передачу крутящего момента с изменением частоты вращения. В редукторах строительного, горнодобывающего и промышленного оборудования эти детали работают в условиях высоких нагрузок, часто ударного характера, при значительных колебаниях температуры и запыленности окружающей среды.
Надежность работы редуктора напрямую зависит от правильного выбора геометрических параметров зубчатых колес, материала, вида термообработки и соблюдения норм точности изготовления. При эксплуатации неизбежно происходит износ рабочих поверхностей зубьев, что требует периодического контроля состояния передачи и своевременной замены изношенных деталей.
В данной статье рассмотрены основные параметры зубчатых колес редукторов, методы определения модуля при отсутствии документации, критерии оценки износа и рекомендации по подбору аналогов при замене.
Модуль зубчатого колеса (m) представляет собой основной параметр зубчатой передачи, определяющий размеры зубьев и общие габариты колес. Физически модуль равен отношению диаметра делительной окружности (d) к числу зубьев (z):
Модуль определяет высоту зуба (h = 2,25m для стандартного исходного контура), толщину зуба по делительной окружности (s = πm/2) и другие геометрические параметры. Стандартизация модулей позволяет унифицировать зуборезный инструмент и обеспечить взаимозаменяемость зубчатых колес.
Согласно ГОСТ 9563-60 (СТ СЭВ 310-76), установлены два ряда стандартных модулей для эвольвентных цилиндрических и конических зубчатых колес. Первый ряд является предпочтительным.
Согласно ГОСТ 13755-2015 (ISO 53:1998), который заменил ГОСТ 13755-81 с 1 января 2017 года, для модулей более 1 мм применяется стандартный исходный контур со следующими параметрами:
При ремонте оборудования часто возникает задача определения модуля зубчатого колеса при отсутствии конструкторской документации. Существует несколько практических методов.
Наиболее простой и распространенный метод. Измеряется диаметр окружности выступов (da) штангенциркулем и подсчитывается число зубьев (z). Модуль рассчитывается по формуле:
Метод основан на свойстве эвольвентного зацепления: нормаль к любой точке эвольвентного профиля является касательной к основной окружности. Измеряется расстояние между зубьями по нормали к профилям, охватывая определенное число зубьев.
Данный метод дает достоверные результаты даже для изношенных колес и колес с коррекцией (смещением исходного контура).
При измерении необходимо учитывать следующие факторы:
Для колес с четным числом зубьев диаметр выступов измеряется непосредственно по противоположным зубьям. Для колес с нечетным числом зубьев измерение производится косвенно, и показания штангенциркуля будут несколько меньше реального диаметра.
При износе рабочих поверхностей диаметр выступов уменьшается. Для изношенных колес следует учитывать величину износа (обычно 0,05-0,2 мм) или использовать метод измерения по основному шагу.
Выбор материала зубчатых колес определяется условиями эксплуатации, передаваемой мощностью, требованиями к долговечности и технологическими возможностями производства. Основными материалами служат термически обрабатываемые стали.
В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев зубчатые колеса разделяют на две группы:
Применяется в слабо- и средненагруженных передачах. Термообработка (улучшение или нормализация) производится до нарезания зубьев. Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению.
Применяется в тяжелонагруженных передачах. Высокая твердость достигается поверхностной закалкой, цементацией, азотированием или нитроцементацией. Зубья не прирабатываются, требуется высокая точность изготовления.
Для передач с твердостью зубьев менее 350 HB рекомендуется обеспечивать разность твердостей шестерни и колеса не менее 20-50 HB (шестерня тверже). Это улучшает приработку и выравнивает долговечность пары. Для передач с твердостью более 350 HB разность твердостей не требуется.
Улучшение (закалка с высоким отпуском при 550-650°C) применяется для сталей 40, 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. Обеспечивает твердость 235-302 HB и структуру сорбита отпуска, сочетающую достаточную прочность с хорошей вязкостью. Обработка производится до нарезания зубьев, что позволяет получить высокую точность профиля без последующей шлифовки.
Закалка токами высокой частоты применяется для среднеуглеродистых сталей (0,35-0,55% углерода). Нагрев зуба происходит за 20-50 секунд, после чего производится охлаждение спреем или в масле. Обеспечивает твердость поверхности 45-55 HRC при сохранении вязкой сердцевины (30-45 HRC).
Толщина закаленного слоя при закалке ТВЧ рассчитывается по формуле:
Цементация представляет собой насыщение поверхностного слоя углеродом (до 0,9-1,1% C) с последующей закалкой. Применяется для низкоуглеродистых легированных сталей (15Х, 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ, 12ХН3А). Обеспечивает твердость поверхности 56-63 HRC при сохранении вязкой сердцевины (30-45 HRC).
Глубина цементованного слоя зависит от модуля колеса и рассчитывается ориентировочно как (0,15-0,25)m:
Азотирование обеспечивает высокую поверхностную твердость (58-67 HRC, до HV 1100-1200 для стали 38ХМЮА) и износостойкость при минимальных деформациях. Процесс проводится при температурах 500-620°C, что значительно ниже температур закалки. Азотированные колеса не требуют финишного шлифования зубьев и обеспечивают 6-7 степень точности.
Наиболее распространенный вид повреждения закрытых, хорошо смазываемых передач. Проявляется в виде мелких раковин на рабочих поверхностях зубьев вследствие усталости поверхностного слоя под действием циклических контактных напряжений. Различают начальное выкрашивание (в период приработки) и прогрессирующее.
Характерен для открытых передач и передач, работающих в условиях загрязненной смазки. Проявляется в виде мелких параллельных рисок на поверхности зубьев, перпендикулярных оси колеса. Приводит к уменьшению толщины зуба и увеличению бокового зазора.
Возникает при разрушении масляной пленки в зоне контакта при высоких удельных нагрузках и скоростях скольжения. Сопровождается схватыванием металла и образованием борозд в направлении скольжения.
Наиболее опасный вид разрушения. Возникает при значительных перегрузках или в результате развития усталостной трещины у основания зуба. Обломки зубьев могут вызвать повреждение других элементов передачи.
Контроль состояния зубчатых колес осуществляется визуальным осмотром, измерением бокового зазора, проверкой пятна контакта и вибродиагностикой.
Проверка пятна контакта производится по краске: на зубья ведущего колеса наносится тонкий слой краски, колеса прокручиваются, и по отпечаткам на ведомом колесе оценивается качество зацепления. Высота отпечатка должна составлять не менее 60% высоты зуба.
При необходимости замены изношенного зубчатого колеса выполняется следующая последовательность работ:
Определение геометрических параметров изношенного колеса: модуль, число зубьев, диаметры окружностей выступов и впадин, ширина венца, угол наклона зубьев (для косозубых колес), тип зацепления (внешнее или внутреннее).
Измерение посадочных размеров: диаметр отверстия, размеры шпоночного паза или шлицевого соединения, размеры ступицы.
Проверка состояния сопряженного колеса и принятие решения о замене пары или одного колеса.
При подборе аналога изношенного зубчатого колеса необходимо обеспечить соответствие следующих параметров:
При отсутствии готового аналога зубчатое колесо изготавливается по образцу. Для этого производится полный обмер изношенного колеса с определением всех геометрических параметров, выбором материала и назначением термообработки.
Основные методы изготовления зубьев:
Фрезерование червячной фрезой - наиболее производительный метод, применяемый для цилиндрических колес с внешним зацеплением. Зубодолбление применяется для колес с внутренним зацеплением и блочных колес. Строгание долбяком-рейкой используется для крупномодульных колес.
Стандартом установлены 12 степеней точности зубчатых колес и передач, обозначаемых цифрами от 1 до 12 в порядке убывания точности. Допуски для степеней 1 и 2 не установлены (предусмотрены для будущего развития). Для каждой степени устанавливаются три группы норм:
Нормы кинематической точности определяют погрешности передачи углов поворота. Нормы плавности работы характеризуют циклические погрешности, вызывающие вибрации и шум. Нормы контакта зубьев определяют полноту прилегания поверхностей зубьев. Допускается комбинирование норм разных степеней точности.
Боковой зазор - расстояние по нормали между нерабочими профилями зубьев колес, находящихся в зацеплении. Необходим для компенсации теплового расширения, обеспечения условий смазки и предотвращения заклинивания.
ГОСТ 1643-81 устанавливает шесть видов сопряжений зубчатых колес: H, E, D, C, B, A (в порядке увеличения гарантированного бокового зазора). Сопряжение B обеспечивает минимальный зазор, исключающий заклинивание при разности температур колес и корпуса до 25°C.
Для эффективной работы оборудования важен правильный подбор всех компонентов:
Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и предназначена для общего информирования технических специалистов о зубчатых колесах редукторов, их параметрах и методах обслуживания. Автор и издатель не несут ответственности за любые последствия использования представленной информации. При проектировании, изготовлении или ремонте зубчатых передач необходимо руководствоваться действующими нормативными документами и привлекать квалифицированных специалистов.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.