Скидка на подшипники из наличия!
Уже доступен
Зубчатые колёса с калёными зубьями представляют собой критически важные компоненты тяжёлых редукторов, применяемых в горнодобывающей, цементной и металлургической промышленности. Основное назначение таких зубчатых передач – обеспечение надёжной передачи крутящего момента в условиях экстремальных нагрузок, характерных для мельниц, дробилок, обжиговых печей и другого крупногабаритного оборудования.
Особенностью зубчатых колёс для тяжёлых редукторов является сочетание высокой поверхностной твёрдости, достигающей HRC 56-62, с вязкой сердцевиной, что обеспечивает сопротивление контактным напряжениям при сохранении изгибной прочности зубьев. Данные характеристики достигаются применением специальных легированных сталей с последующей химико-термической обработкой и финишным шлифованием профиля.
Для изготовления зубчатых колёс, работающих в тяжёлых редукторах, применяются цементуемые легированные стали с содержанием углерода 0,17-0,24 процента. Низкое содержание углерода в сердцевине обеспечивает необходимую вязкость, в то время как науглероженный поверхностный слой после закалки приобретает высокую твёрдость и износостойкость.
Согласно ГОСТ 4543-2016, для изготовления зубчатых колёс тяжёлых редукторов наиболее широко применяются следующие марки легированных конструкционных сталей:
Для зубчатого колеса редуктора шаровой мельницы диаметром делительной окружности 1200 мм, модулем m = 12 мм, работающего в условиях значительных ударных нагрузок, рекомендуется применение стали 20ХН3А. Данная марка обеспечивает глубокую прокаливаемость (критический диаметр 80-100 мм в масле) и высокую вязкость сердцевины при твёрдости поверхности HRC 58-62 после цементации и закалки.
Цементация представляет собой процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя зубьев углеродом при температуре 900-950 градусов Цельсия. Процесс проводится в контролируемой газовой среде с последующей закалкой и низким отпуском. Цементация обеспечивает повышение контактной прочности в 3-4 раза по сравнению с общей термообработкой.
Толщина цементированного слоя выбирается в зависимости от модуля зубчатого колеса и составляет 0,15-0,25 от значения модуля. Недостаточная глубина цементации приводит к выкрашиванию поверхностного слоя, в то время как избыточная глубина может вызвать хрупкое разрушение зубьев.
После цементации зубчатые колёса подвергаются закалке с температуры 820-860 градусов Цельсия в масле. Для снижения внутренних напряжений и предотвращения деформаций применяется низкий отпуск при температуре 150-220 градусов Цельсия. Такой режим термообработки обеспечивает оптимальное сочетание твёрдости поверхности и вязкости сердцевины.
Поверхностная твёрдость цементированных и закалённых зубьев зубчатых колёс для тяжёлых редукторов должна находиться в диапазоне HRC 56-62. Данный диапазон обеспечивает оптимальное сочетание контактной прочности, износостойкости и сопротивления усталостному выкрашиванию.
Характерное распределение твёрдости от поверхности к сердцевине зуба обеспечивает градиентную структуру, способную воспринимать высокие контактные и изгибные нагрузки. Твёрдость сердцевины зуба составляет HRC 30-45, что соответствует значениям HB 285-430.
Контроль твёрдости цементированных зубьев осуществляется методом Роквелла по шкале C с использованием алмазного конуса при нагрузке 150 кгс. Измерения проводятся на боковой поверхности зуба на расстоянии не менее 3 мм от вершины и впадины. Для каждого зубчатого колеса выполняется контроль твёрдости не менее чем на трёх зубьях, равномерно распределённых по окружности.
Шлифование профиля зубьев является финишной операцией механической обработки, предназначенной для устранения деформаций, возникающих при термической обработке, и достижения заданного класса точности. Зубошлифование обеспечивает точность 3-6 степени по ГОСТ 1643-81 и шероховатость поверхности Ra = 0,32-1,25 мкм.
Для зубчатых колёс тяжёлых редукторов применяются следующие методы шлифования профиля зубьев:
При шлифовании зубьев с твёрдостью HRC 58-62 рекомендуется применение абразивных кругов на основе электрокорунда белого зернистостью 40-60 на керамической связке с твёрдостью СМ1-СМ2. Для предотвращения прижогов и образования шлифовочных трещин используется обильное охлаждение содовой эмульсией с концентрацией 3-5 процентов.
Для зубчатого колеса модулем m = 10 мм, числом зубьев z = 48, материал 18ХГТ с твёрдостью после цементации HRC 58-60, рекомендуются следующие режимы шлифования методом обкатки червячным кругом: окружная скорость круга 25-30 м/с, продольная подача 2-3 мм/оборот заготовки, глубина резания на сторону 0,03-0,05 мм, число проходов 4-6. Время обработки одной впадины составляет 8-12 минут.
Согласно ГОСТ 1643-81, точность зубчатых передач характеризуется двенадцатью степенями точности, обозначаемыми в порядке убывания точности цифрами от 1 до 12. Для каждой степени точности устанавливаются нормы кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев.
Зубчатые колёса 6 степени точности применяются в тяжёлых редукторах, работающих при окружных скоростях до 10 м/с и передающих значительные крутящие моменты. Данная степень точности обеспечивает надёжную работу передачи при умеренных динамических нагрузках и отсутствии повышенных требований к уровню шума.
ГОСТ 1643-81 устанавливает шесть видов сопряжений зубчатых колёс в передаче, обозначаемых латинскими буквами от А до Н. Для тяжёлых редукторов наиболее характерным является вид сопряжения С, обеспечивающий гарантированный боковой зазор, достаточный для компенсации температурных деформаций и погрешностей монтажа.
Редукторы шаровых мельниц работают в условиях переменных нагрузок с частыми пусками и остановками. Зубчатые колёса с калёными зубьями обеспечивают высокую контактную прочность при передаче крутящих моментов до 4000 кНм. Применяются цилиндрические прямозубые или шевронные зубчатые колёса диаметром делительной окружности до 2500 мм с модулем 16-28 мм.
В приводах конусных и щёковых дробилок зубчатые передачи испытывают значительные ударные нагрузки при дроблении твёрдых горных пород. Особенностью работы является высокая инерционность вращающихся масс и возможность заклинивания рабочих органов при попадании недробимых материалов. Зубчатые колёса с твёрдостью HRC 58-62 обеспечивают сопротивление усталостному выкрашиванию и задирам при пиковых нагрузках.
Использование зубчатых колёс с калёными зубьями в тяжёлых редукторах обеспечивает следующие преимущества: увеличение нагрузочной способности передачи в 2-3 раза по сравнению с улучшенными зубьями, снижение массогабаритных показателей редуктора на 30-40 процентов, повышение ресурса работы зубчатых передач до капитального ремонта в 1,5-2 раза, сохранение работоспособности при кратковременных перегрузках до 200-250 процентов от номинального крутящего момента.
Для обеспечения надёжной работы тяжёлых редукторов и зубчатых передач требуется применение качественных комплектующих и элементов трансмиссии:
Прецизионные зубчатые колёса с цементированными зубьями для высоконагруженных редукторов
Упрочнённые звёздочки для цепных передач тяжёлого оборудования
Конические передачи для редукторов с пересекающимися осями валов
Широкий ассортимент цилиндрических зубчатых колёс различных модулей
Зубчатые венцы для крупногабаритных тихоходных передач
Прецизионные рейки для реечных передач подъёмного оборудования
Малогабаритные зубчатые рейки для прецизионных систем позиционирования
Зубчатые шкивы для ременных передач с возможностью подгонки под требуемый диаметр вала
Шкивы с коническими втулками для быстрого монтажа и демонтажа
Синхронные зубчатые ремни для передач с точным соблюдением передаточного отношения
Бесконечные зубчатые ремни для линейных приводов и транспортёров
Особенности применения зубчатых передач в строительной технике
Подбор и эксплуатация подшипниковых узлов мельничных редукторов
Технические требования к зубчато-реечным передачам подъёмников
Зубчатые передачи в сварочном оборудовании и системах позиционирования
Модуль зубчатого колеса выбирается из стандартного ряда по ГОСТ 9563-60 на основе предварительного расчёта на изгибную прочность или контактную выносливость. Для зубчатых колёс с твёрдостью более HRC 45 рекомендуется применение модулей не менее 1,5 мм для обеспечения достаточной жёсткости зубьев.
Рекомендуемая толщина цементированного слоя определяется по формуле:
h = (0,15...0,25) × m
где h - глубина цементированного слоя в мм, m - модуль зубьев в мм.
Пример: Для зубчатого колеса с модулем m = 12 мм толщина цементированного слоя составит h = 0,2 × 12 = 2,4 мм.
Допускаемые контактные напряжения для зубчатых колёс с цементированными зубьями при твёрдости HRC 58-62 составляют 1400-1650 МПа. Данные значения обеспечивают долговечность зубчатой передачи не менее 25000 часов при базовом числе циклов нагружения.
Межосевое расстояние для цилиндрической передачи определяется по формуле:
aw = (z1 + z2) × m / 2
где aw - межосевое расстояние в мм, z1 и z2 - числа зубьев шестерни и колеса, m - модуль в мм.
Пример: Для передачи с z1 = 28, z2 = 112, m = 10 мм межосевое расстояние составит aw = (28 + 112) × 10 / 2 = 700 мм.
Зубчатые колёса с калёными зубьями обеспечивают высокую контактную прочность и износостойкость, необходимые для работы в условиях значительных нагрузок. Твёрдость поверхности HRC 58-62 повышает несущую способность передачи в 2-3 раза по сравнению с улучшенными зубьями, что позволяет уменьшить габариты редуктора и массу зубчатых колёс при сохранении требуемого ресурса. Вязкая сердцевина зуба обеспечивает сопротивление ударным нагрузкам, характерным для дробилок и мельниц.
Для крупногабаритных зубчатых колёс тяжёлых редукторов применяются цементуемые легированные стали 20ХН3А, 18ХГТ и 25ХГМ. Сталь 20ХН3А обеспечивает наилучшее сочетание прокаливаемости и вязкости для колёс диаметром более 800 мм. Сталь 18ХГТ применяется для зубчатых колёс средних размеров и характеризуется хорошей обрабатываемостью. Сталь 25ХГМ используется при необходимости повышенной прокаливаемости сердцевины.
В процессе цементации и закалки происходят структурные превращения в металле, сопровождающиеся объёмными изменениями. Это приводит к короблению зубчатых колёс и снижению точности на 1-2 степени. Шлифование профиля зубьев устраняет деформации и обеспечивает достижение заданного класса точности 6 по ГОСТ 1643-81. Кроме того, шлифование уменьшает шероховатость рабочих поверхностей зубьев до Ra = 0,63-1,25 мкм, что снижает контактные напряжения и повышает ресурс передачи.
Глубина цементированного слоя выбирается в зависимости от модуля зубчатого колеса и составляет 0,15-0,25 от значения модуля. Недостаточная глубина цементации приводит к выкрашиванию поверхностного слоя под действием контактных напряжений. Избыточная глубина цементации может вызвать хрупкое разрушение зубьев при ударных нагрузках вследствие низкой пластичности науглероженного слоя. Для модуля 10 мм оптимальная глубина составляет 1,5-2,0 мм.
Для тяжёлых редукторов мельниц и дробилок применяются зубчатые колёса 6-7 степени точности по ГОСТ 1643-81. Шестая степень точности обеспечивает надёжную работу при окружных скоростях до 10 м/с и является оптимальной по соотношению между эксплуатационными характеристиками и технологичностью изготовления. Более высокие степени точности требуются только при повышенных окружных скоростях или специальных требованиях к уровню шума и вибрации.
Цементация обеспечивает науглероживание поверхностного слоя с последующей закалкой, достигая твёрдости HRC 58-62 на глубине 1,0-2,5 мм. Азотирование насыщает поверхность азотом без последующей закалки, обеспечивая твёрдость до 70 HRC при глубине упрочнённого слоя 0,2-0,8 мм. Для тяжёлых редукторов предпочтительна цементация, так как она обеспечивает лучшую изгибную прочность зубьев и меньшую склонность к отслаиванию упрочнённого слоя при ударных нагрузках. Азотирование применяется реже из-за длительности процесса и меньшей толщины упрочнённого слоя.
Долговечность зубчатых колёс с цементированными зубьями при правильно выбранных параметрах термообработки и соблюдении режимов эксплуатации составляет 25000-40000 часов работы. Для шаровых мельниц непрерывного действия это соответствует 3-5 годам эксплуатации. Основным критерием выхода из строя является усталостное выкрашивание рабочих поверхностей зубьев, достигающее 30 процентов площади. Для дробилок с переменным режимом работы ресурс может составлять 5-8 лет.
Контроль качества зубчатых колёс с калёными зубьями включает: измерение твёрдости поверхности методом Роквелла (HRC) на боковых поверхностях зубьев; контроль глубины цементированного слоя металлографическим методом на темплетах; проверку геометрических параметров зубьев (окружного шага, профиля, радиального биения) на координатно-измерительных машинах; магнитопорошковую дефектоскопию для выявления шлифовочных трещин; контроль пятна контакта в собранной передаче методом краски. Все параметры должны соответствовать требованиям конструкторской документации и ГОСТ 1643-81.
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационный характер. Представленная информация о зубчатых колёсах с калёными зубьями предназначена для технических специалистов и инженеров, работающих в области проектирования и эксплуатации тяжёлого оборудования. Автор не несёт ответственности за любые последствия, которые могут возникнуть в результате применения информации, содержащейся в статье. Все проектные, технологические и эксплуатационные решения должны приниматься на основании действующей нормативно-технической документации, стандартов и с учётом конкретных условий эксплуатации оборудования. Перед внедрением любых технических решений необходима консультация с квалифицированными специалистами и проведение необходимых расчётов и испытаний.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.