Оценка остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин на основе измерения их поверхностной твердости

Звонарев, Иван Евгеньевич

автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Оценка остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин на основе измерения их поверхностной твердости

кандидата технических наук: Звонарев, Иван Евгеньевич
город: Санкт-Петербург
год: 2013
специальность ВАК РФ: 05.05.06

Диссертация по транспортному, горному и строительному машиностроению на тему «Оценка остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин на основе измерения их поверхностной твердости»

Автореферат диссертации по теме "Оценка остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин на основе измерения их поверхностной твердости"

На правах рукописи

ЗВОНАРЕВ Иван Евгеньевич

ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА КРУПНОМОДУЛЬНЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ГОРНЫХ МАШИН ПО ИЗМЕНЕНИЮ ТВЕРДОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗУБЬЕВ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00553ЮП

/ /

Санкт-Петербург - 2013

005531011

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Иванов Сергей Леонидович

Официальные оппоненты:

Александров Виктор Иванович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра горных транспортных машин, заведующий кафедрой

Бурак Андрей Ярославович кандидат технических наук, ООО «Карьер-Сервис», отдел сервисного обслуживания, сервис-инженер горного оборудования

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Защита состоится 2 июля 2013 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Автореферат разослан 31 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ГАБОВ

диссертационного совета Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ремонт и замена крупномодульных зубчатых передач горных машин сопровождается выводом из эксплуатации основного производственного оборудования технологической цепи машин, что ведет к значительным потерям. Достоверная оценка остаточного ресурса зубчатых передач горных машин, по результатам проводимой в рамках технического обслуживания диагностики состояния крупномодульных зубчатых колес, способствует сокращению времени аварийных отказов оборудования. Для этого на момент принятия решения о продолжении эксплуатации оборудования необходима научно обоснованная методика оценки остаточного ресурса деталей и узлов, находящихся в эксплуатации горных машин, например, экскаваторов, и на ее основе осуществить выбор рекомендаций организационного характера по технологии и условиям эксплуатации механической части оборудования с целью минимизации возможных потерь от снижения его долговечности.

Вопросами повышения надежности горных машин, расчетом ресурса трансмиссий, совершенствования привода посвящены работы многих исследователей: В.А. Бреннера, A.B. Гетопанова, Л.Б. Глатмана, В.Г. Гуляева, В.Н. Дмитриева, A.B. Докукина, М.Д. Коломийцова, И.П. Иванова, Л.И. Кантовича, Н.Г. Картавого, Ю.Д. Красникова, В.И. Морозова, Р.Ю. Подэрни, Е.З. Позина, В.М. Рачека, Г.И. Рахутина, П.В. Семенчи, В.И. Солода, Г.И. Солода, A.B. Топчиева, 3.JI. Хургина и др.

Вместе с тем, отсутствует простая и достоверная система оценки технического состояния в период эксплуатации зубчатых передач машин. Сложность оценки остаточного ресурса крупномодульных передач этих машин заключается в том, что основные элементы зубчатого колеса - их зубья, в процессе эксплуатации испытывают совместные контактные и изгибные нагрузки, усугубляемые износом рабочих профилей зубьев. При этом возможная причина выхода из строя конкретного зубчатого колеса достоверно не определима и носит вероятностный характер. В тоже время диагностические признаки различных видов разрушения зубьев зубчатых колес не имеют общего критерия, удобного при диагностировании остаточного ресурса.

Известно, что в процессе эксплуатации изменяются свойства

поверхностного слоя зубьев зубчатых колес, и оценка характера этого изменения может являться исходным обобщенным диагностическим критерием крупномодульных зубчатых передач горных машин, но это требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований по поиску и обоснованию критериев, более точно отражающих выработку ресурса.

Цель работы: выявление научно обоснованных закономерностей изменения свойств поверхностного слоя зубьев крупномодульных зубчатых колес для выбора единого интегрального критерия оценки их работоспособности при прогнозировании остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин.

Основная идея работы заключается в определении остаточного ресурса зубчатого колеса крупномодульной зубчатой передачи горной машины по изменению твердости поверхностного слоя зубьев в характерных зонах и сравнении полученных значений с предельно достижимой величиной, определяемой экспериментально.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1. Проведен анализ методов теоретической и экспериментальной оценки остаточного ресурса зубчатых передач;

2. Разработан и изготовлен лабораторный экспериментальный маятниковый стенд для оценки работы разрушения образцов в режиме малоцикловой и многоцикловой нагрузок (положительное решение по заявке на изобретение №2011132230 от 29.07.2011 «Устройство для испытания образцов материалов при циклическом нагружении»);

3. Выявлена тенденция повышения локальной твердости поверхностного слоя зубчатых колес крупномодульных зубчатых передач горных машин с номинальной твердостью зубьев до 350 НВ, а так же разрушенных образцов из различных материалов при нагрузках, соответствующих многоцикловой и малоцикловой усталости, растяжению, ударному изгибу;

4. Экспериментально установлено, что твердость поверхностного слоя образцов в непосредственной близости к зоне разрушения является характеристическим показателем остаточного ресурса и не изменяет свои величины для заданного материала;

5. Разработаны основы методики оценки остаточного ресурса открытых крупномодульных зубчатых колес трансмиссий горных машин и даны рекомендации по диагностированию их состояния.

Методы исследования. Использовался комплексный метод исследований, включающий системный анализ, экспериментальные исследования, проведенные на оригинальных стендах и высокоточном современном оборудовании.

Основные теоретические результаты получены с использованием подходов, базирующихся на классических методах расчета деталей машин, теории механизмов и машин, трибологии и триботехники, кинетической теории разрушения материалов. Для обработки экспериментальных данных использованы методы математической статистики.

Научная новизна работы. Экспериментально подтверждено, что твердость поверхностного слоя в зоне, прилегающей к поверхности разрушения, является неизменной величиной вне зависимости от способа нагружения и может являться диагностическим критерием для оценки остаточного ресурса крупномодульных передач горных машин, при этом удельная работа разрушения, равная отношению энергии разрушения к твердости поверхностного слоя в зоне разрушения, также является величиной постоянной.

Защищаемые положения:

1. Твердость поверхностного слоя материала зуба с исходной твердостью до 350 НВ крупномодульного зубчатого колеса передачи горной машины изменяется в деформационных зонах, возникающих под действием нагрузок, при этом повышение твердости поверхностного слоя зуба больше в тех зонах, где выше расчетные напряжения, а предельная величина твердости поверхностного слоя в зоне, прилегающей к поверхности разрушения, не зависит от способа нагружения и определяется свойствами материала.

2. Величина остаточного ресурса зубчатого колеса горной машины, исходя из значений, зафиксированных диагностических параметров в виде градиента твердости, может быть определена в зависимости от ведущего критерия разрушения, а характерными зонами для диагностирования крупномодульных зубчатых колес являются зоны, расположенные на рабочих поверхностях зубьев колес по их ширине и

торцах зубьев вдоль рабочей поверхности в районе начального диаметра колеса, а также у ножки зубьев в районе переходной кривой.

Соответствие паспорту специальности.

Работа посвящена исследованию и совершенствованию существующих горных машин и их элементов, обладающих повышенной долговечностью (надежностью), в частности крупномодульных зубчатых колес карьерных экскаваторов и соответствует п.5 области исследований: «Повышение долговечности и надежности горных машин и оборудования».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается их согласованностью с общепризнанными представлениями о закономерности и механизме износа и деградации поверхностей деталей горно-металлургического оборудования, корректностью построения расчетных моделей, а также удовлетворительным согласованием прогнозируемых оценок с экспериментальными.

Практическая значимость работы:

Разработана инженерная методика оценки остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач по обобщенному интегральному критерию оценки - твердость поверхностного слоя зуба в характерных точках.

Разработан лабораторный стенд для испытания образцов при циклическом нагружении.

По материалам диссертационной работы выигран грант в конкурсе Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук 2012 г. «Оценка остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин на основе измерения их поверхностной твердости».

Апробация работы. Результаты работы используются в ООО «Эпицентр» в оценке остаточного ресурса оборудования по переработке торфа. Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на 9-ой, 10-ой и 11 -ой международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2011, 2012, 2013 гг.), Международная научно-техническая конференция «Процессы и средства добычи и переработки полезных ископаемых» (г. Минск, 2012 г.), V Всероссийской конференции

«Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых» (г. Пермь, 2012 г.); XIV Международной научно-практической конференции «Инновации в науке» (г. Новосибирск, 2012 г.); VI Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия. Инновации в современном мире» (г. Москва, 2012 г.); XIV Международной научно-практической конференции «Технические науки - от теории к практике» (г. Новосибирск, 2012 г.);

IV Международной научно-практической конференции «Научная дискуссия. Вопросы технических наук» (г. Москва, 2012 г.); Научная конференция в Центре Трансфера Технологии ЭМАГ (г. Катовице, Польша, 2012 г.); 7-я международная конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011 г.), VI международная научно-техническая конференция «Современные проблемы машиностроения» (г. Томск, 2011 г.), 9-ая международная научно-техническая конференция «Наука - образованию, производству, экономике» (г. Минск, 2011 г.),

V международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии» (г. Липецк, 2011 г.), VI международная научно-техническая конференция «Проблемы исследования и проектирования машин» (г. Пенза, 2010 г.).

Личный вклад автора. Поставлена задача исследований, проведен обзор существующих методик определения остаточного ресурса работы зубчатых передач, создан лабораторный стенд, выполнены теоретические исследования и проведены экспериментальные исследования с использованием современного высокоточного оборудования, в ходе которых выявлены тенденции деградации материала образцов и зубчатых колес; выявлены закономерности изменения твердости поверхностного слоя исследуемых образцов в функции нагрузки. Разработаны основы методики оценки остаточного ресурса открытых крупномодульных зубчатых колес трансмиссий горных машин; даны рекомендации по диагностированию состояния крупномодульных зубчатых колес трансмиссий этих машин.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научные работы в рецензируемых научных журналах и изданиях, в том

числе 3 статьи в двух журналах перечня ВАК Министерства образования и науки РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, 2 приложений, общим объемом 183 страницы печатного текста, содержит 16 таблиц и 88 рисунков, список литературы из 98 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации представлен обзор и анализ открытых крупномодульных зубчатых передач горных машин, применяемых в горной промышленности для добычи полезных ископаемых открытым способом. Показано, что выход из строя открытых крупномодульных передач горных машин является одним из наиболее частых видов отказов горной техники. На основании анализа определены основные цели и задачи исследования.

Во второй главе диссертации рассмотрены теории энергоресурса и кинетики разрушения; показана взаимосвязь накопления повреждений структуры и увеличения твердости поверхностного слоя материала; представлен анализ существующих методов оценки остаточного ресурса зубчатых передач горных машин; предложены оригинальные зависимости по определению остаточного ресурса зубчатых передач в функции изменения твердости их поверхностного слоя.

В третьей главе описаны разработанные экспериментальные стенды, приведены методики экспериментальных исследований оценки твердости поверхностного слоя зубчатых колес и разрушения образцов на разработанном стенде и современном высокоточном оборудовании, представлены результаты и анализ проведенных экспериментальных исследований.

В четвертой главе описана методика оценки остаточного ресурса зубчатых передач трансмиссий горных машин по изменению локальной твердости поверхностного слоя их зубьев в характерных точках.

Основные результаты работы отражены в следующих защищаемых научных положениях:

1. Твердость поверхностного слоя материала зуба с исходной твердостью до 350НВ крупномодульного зубчатого колеса пе-

редачи горной машины изменяется в деформационных зонах, возникающих под действием нагрузок, при этом повышение твердости поверхностного слоя зуба больше в тех зонах, где выше расчетные напряжения, а предельная величина твердости поверхностного слоя в зоне, прилегающей к поверхности разрушения, не зависит от \

способа нагружения и определяется свойствами материала. I

При измерении твердости поверхностного слоя зубьев шестерни (z = 18, т = 8 мм) лебедки подъема ковша экскаватора ЭКГ-12К были выявлены локальные изменения твердости их поверхностного слоя. Для выявления локального изменения твердости поверхностных слоев |

зубьев их торцевой поверхности были разделены на 76 секторов для |

каждого зуба, в пределах которых проводились соответствующие измерения в 3...5 точках. Усредненная картина изменения твердости поверхностных слоев зубьев представлена на рисунке 1. Сравнение выявленных локальных областей повышения твердости поверхностных ело- I ев зубьев, которые с результатами моделирования напряженно- | деформированного состояния зуба при работе передачи было выявлено подобие расположения областей повышенной твердости поверхностных слоев зубьев шестерни с зонами максимальных напряжений при его работе. Измерения твердости поверхностного слоя проводились стационарным твердомером Zwick Roell ZHU 187,5 и портативным Константа ТД с преобразователем £>+15.

Рисунок 1 - Изменение твердости поверхностного слоя зуба крупномодульного зубчатого колеса (г = 18, т = 8 мм). Номинальная

твердость 173 НУ.

>220 210- 220 200-210 190-200 180- 190

Для выяснения причин локального повышения твердости поверхностного слоя и оценки остаточного ресурса были проведены дополнительные лабораторные испытания, разработана программа экспериментальных исследований, спроектирован и изготовлен специализированный стенд, выбрано лабораторное оборудование.

Были подготовлены образцы - стальные периодического профиля с едиными физико-механическими свойствами для получения статистически достоверной информации. Кроме того образцы периодического профиля позволили создать различные по величине напряжения и соответствующие деформации в однородном силовом поле воздействия. В качестве образцов использовалась лента ЛВП-12x0,5, изготовленная из Ст 10.

Образцы подвергались разрушению знакопеременным изгибом в широком диапазоне нагрузок, соответствующих малоцикловой и многоцикловой усталости на маятниковом стенде, совместным действием изгиба и растяжения. Измерения твердости поверхностного слоя проводились на твердомере Zwick Roell ZHU 187,5; зоны измерения каждого полузвена образцов представлены на рисунке 2.

Ппслп пп чгм mifiLii in «

Пссле разрушения L.

До разрушения

ш-

Tb ТЙ

Зоны (выноска НУ) измерения твердости поверхностного слоя: 1 - вдоль малой оси эллипса Ь;2- линия минимальной толщины перемычки /г; 3 - по отрезкам линий вдоль отверстий в каждом из полузвеньев образцов, эквидестентным внутренней поверхности этих отверстий, равноудаленных друг от друга; 0-0 - поверхность (плоскость) разрушения; п - номер отверстия от поверхности (плоскости) разрушения; п = 0 - зона разрушения; «=1,2- первое и второе отверстия от зоны разрушения; ажк (а), 6ИСХ (Ь) - малая и большая оси эллипса до (после) разрушения; /гисх (И) - ширина перемычки образца до (после) разрушения; Ьттисх (Ьт1П), Ьтахисх (Ьтах) - минимальные и максимальные расстояния между эллипсами до (после) разрушения Рисунок 2 - Зоны измерения твердости поверхностного слоя и размеры образцов

На рисунке 3 (вставка) показан характер изменения твердости поверхностного слоя по длине образцов, начиная от поверхности разрушения (0-0), разрушенных на маятниковом стенде при различных углах отклонения маятника от положения равновесия, равных соответственно 30°3', 20°36' (малоцикловая усталость) и 15°46' (многоцикловая усталость), чистым изгибом - семейство кривых 2, изгибом и растяжением с нагрузкой 51,15 Н - семейство кривых 3. Указанные условия нагружения вызывают в образцах расчетные эквивалентные напряжения, равные соответственно 79,89; 53,05; 50,15 МПа (семейство 2) и 703,99; 472,79; 361,60 МПа (семейство 3).

До наступления разрушения в каждом случае требовалось разное число циклов колебаний маятника. Позицией 1 на рисунке 3 обозначена исходная твердость образцов. Как видно, при разрушении изгибом на маятниковом стенде образцы имеют явно выраженную тенденцию - все образцы в области поверхности разрушения имеют одинаковую (в пределах точности эксперимента) твердость поверхностных слоев, амплитуда колебаний мало влияет на характер изменения кривых, а осевое дополнительное усилие способствует проявлению более крутого формата кривых, что можно объяснить большей компактностью зоны деформирования. Для уточнения этих тенденций аналогичные образцы были подвергнуты испытаниям на маятниковом стенде, вплоть до разрушения в диапазоне изменяющихся нагрузок 0; 21,15; 31,15; 41,15; 51,15 Н при отклонении маятника от положения равновесия 30°3\ а так же ряд образцов был подвергнут разрушению растяжением на машине Zwick Roell ВТ\-FRl 00TEW.A2K (далее Zwick Roell ВТ\). Изменение величины твердости поверхностных слоев образцов от поверхности разрушения к периферии при разрушении растяжением представляет собой волнообразную, слабо ниспадающую кривую с максимальными значениями в плоскости разрушения и соответствующими пиками повышенной локальной твердости. Минимальная твердость имеет место быть в области сужения звеньев образцов. Аналогично значениям твердости изменяются и расчетные напряжения, возникающие в образцах при растяжении.

Вместе с тем были оценены геометрические размеры образцов, путем одновременного сканирования новых и растянутых образцов совместно с мерой длины по ГОСТ 427-75, результаты которых

представлены на рисунке 4 (на примере размера отверстий образца). Сопоставляя результаты измерений деформированных образцов с исходными геометрическими размерами и учитывая характер изменения твердости образцов по их длине, очевидно, что области наибольшей деформации согласуются с повышением твердости поверхностного слоя, максимум которых приходится на зону разрушения.

Таким образом, не зависимо от способа нагружения (рисунок 5), а так же от величины приложенной нагрузки, в непосредственной близости от поверхности разрушения, твердость поверхностного слоя является постоянной величиной для данных образцов, а именно (136,0± 1,5) HV.

Чистая работа разрушения образцов, полученная пересчетом измерений общей работы с учетом диссипации системы при движении маятника в воздухе при его отклонении на угол 30°3' составили: 1,69 Дж (51,15 Н); 2,288 Дж (41,15 Н); 2,81 Дж (31,15 Н); 3,032 Дж (21,15 Н); 4,112 Дж (0 Н); 3,069 Дж (чистое растяжение) (в скобках указаны дополнительные осевые усилия растяжения образцов).

Предполагая, что работа разрушения пропорциональна плотности дислокаций, возникающих в образце под действием внутренних напряжений, а напряжения, в свою очередь, есть суть реакции на внешнее силовое воздействие, которое пропорционально вызывает соответствующие деформации, была проведена оценка удельной работы для создания критической плотности дислокаций в непосредственной близости к поверхности разрушения. При этом, учитывался тот факт, что плотность дислокаций пропорциональна твердости поверхностного слоя. Воспользовавшись результатами экспериментов, представленными на рисунке 4, интегрированием была определена площадь ограниченная кривыми 2-7, 1 и сечением I-I и полученные результаты для единичной площади (объема) отнесем к соответствующей работе разрушения образцов.

Выполнив необходимые вычисления, было установлено, что удельная работа разрушения, отнесенная к плотности дислокаций, выраженная через значение твердости поверхностного слоя в зоне близкой к зоне разрушения, во всех случаях равная (2,3±0,1 )• 10"2 Дж, что можно считать величиной постоянной в пределах точности эксперимента. Полученный результат не противоречат теории энерго-

ресурса и кинетики разрушения.

Для оценки влияния предварительной деформации на процесс изменения твердости поверхностных слоев использовался другой тип образцов в виде сплошной ленты 0,5x20 ГОСТ 3560-73 длинной 210 мм, изготовленной из стали 20. Данные образцы, за исключением образца №0, изначально были подвергнуты изгибу ±90° соответственно 1 (образец №1), 3 (образец №2), 5 (образец №3) и 8 (образец №4) раз, после чего были разрушены растяжением на машине Zwick Roell ВТ1. Результаты экспериментов представлены на рисунках 6 и 7 соответственно. Деформированные изгибом образцы были изучены под микроскопом Leica DMILM. Анализируя рисунок 6, можно сказать, что чем большим деформациям подвержен образец, тем выше значения твердости поверхностного слоя материала в этой зоне образца. Максимальное значение твердости соответствует образцу с максимальным числом изгибов. После разрушения растяжением, представленным на рисунке 8, образцы 3 и 4 разрушились в плоскости предварительной деформации, а образцы 1 и 2 - в плоскости, отличной от плоскости предварительной деформации, причем твердость в зоне, прилегающей к поверхности разрушения, для всех образцов оказалась примерно равной, а именно (15 7±2) HV.

Образцы из медной ленты 0,5x38 М1 ГОСТ 1173-2006 были так же подвержены разрушению на маятниковом стенде чистым изгибом и растяжением на машине Zwick Roell ВТ\. Для данных образцов тенденции, зафиксированные ранее, были подтверждены и значения твердости в зоне, близкой к поверхности разрушения также оказались одинаковыми и равными (108,0±1,5) HV.

Партии стандартных образцов из СтЗ, в соответствии с ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 9454-78, так же был разрушены соответственно растяжением на машине Zwick Roell ВТ 1 и ударным изгибом на маятниковом копре Zwick Roell RKP 450. Значения твердости поверхностного слоя в непосредственной близости к поверхности разрушения оказались равными (176±3)#F, вне зависимости от вида разрушения образца.

Таким образом, первое научное положение можно считать доказанным.

2. Величина остаточного ресурса зубчатого колеса горной машины, исходя из значений зафиксированных диагностических параметров в виде градиента твердости, может быть определена в зависимости от ведущего критерия разрушения, а характерными зонами для диагностирования крупномодульных зубчатых колес являются зоны, расположенные на рабочих поверхностях зубьев колес по их ширине и торцах зубьев вдоль рабочей поверхности в районе начального диаметра колеса, а так же у ножки зубьев в районе переходной кривой.

При длительной эксплуатации горных машин неизбежно возникают повреждения или нарушения работоспособности элементов их трансмиссий, в частности зубчатых колес, что обусловлено особенностями условий эксплуатации машин. На основании ранее доказанного положения, износ рабочих поверхностей зубьев может быть использован в качестве критерия деградационных процессов при оценке наработки крупномодульных зубчатых колес горных машин.

Не смотря на тот факт, что накопление повреждений, а, следовательно, и твердость поверхностного слоя не являются процессом обязательно монотонно изменяющимся, можно считать, что он (процесс) имеет некоторую постоянную скорость на отрезке времени (или наработки) значительно превышающий цикл силового воздействия. Тогда в предположении, что предельная величина твердости, определяемая предельной величиной повреждений накопленных в единичном объеме, есть величина постоянная для заданного материала, а процесс - стационарен. Зная действительное значение данной твердости, например, зоны переходной линии зуба, выявленной при проведении диагностических процедур и, имея предельное значение этой твердости для разрушенного образца этого материала, можно оценить величину условного остаточного ресурса зуба по критерию усталостной изгибной прочности:

(1)

Т =Т

1 У^Рост *

где АНУр - величина изменения твердости, по сравнению с базовой; АН¥мах - максимально возможное (опасное) приращение твердости торцевой поверхности зуба по отношению к исходному состоянию; Т - ресурс работы передачи, может быть рассчитан по

стандартным методикам или определяться экспериментально для конкретных условий работы, час.

Аналогично, условная величина остаточного ресурса по критерию износа будет определяться:

(2)

Т = Т

А ИРоос

1-М И

где [5] - допускаемый износ, мм; А5- величина износа на момент проведения мероприятий по диагностике, мм.

Контроль твердости рабочей поверхности зуба позволяет оценить соотношение процессов изнашивания и разрушения по критерию контактной усталости поверхностного слоя зубьев. Если твердость рабочих поверхностей зубьев не меняется, следовательно, превалирует процесс износа.

В случае, если требуется оценить условный остаточный ресурс по критерию контактной выносливости, его следует оценивать аналогично выражению 1, но с учетом того, что процесс износа и накопления повреждений контактной усталости происходит в пределах одной и той же поверхности:

(3)

т =т

1 Ш>ост 1

Л/Ж,

чЛ^иа- у

Так как все три деградационных процесса идут одновременно, то для оценки коэффициента влияния одного их трех видов разрушения зубчатого колеса (выражения 1-3) целесообразно воспользоваться соотношение

тг _ ^КРост (4)

Л«г 'У гр

2-1 Г/Рост

Прогнозирование надежности горного оборудования обычно осуществляется по схеме. Через определенные периоды эксплуатации ¿ь ¿2, — и т.д. измеряют максимальные величины возникших повреждений (износа, твердости поверхностных слоев зубьев в критических точках) Икг, ... и т.д. и экстраполируют зависимость до предельно допустимой величины повреждений к„. Такой метод позволяет получить достаточно точные оценки показателей надежности, если известен вид зависимости к (/) и при измерениях значений к определяются действительно максимальные значения поврежде-

ний.

Предельным состоянием открытой зубчатой передачи, работающей в запыленной среде, является:

1. Уменьшение толщины зуба более чем на 0,2 модуля зацепления. При эксплуатации периодически осуществляется контроль толщины зуба;

2. Увеличение твердости поверхностных слоев зубьев зубчатых колес (при их исходной твердости не более 350 НВ) более чем 0,8 НУпР в характерных точках зуба.

Диагностические мероприятия проводятся в рамках ТО, а их результаты заносят в штатные источники данных. Контролируя изменение этих параметров, можно по мере приближения их значений к предельно допустимым, прогнозировать момент наступления следующего отказа.

При оценке технического состояния крупномодульной зубчатой пары горной машины выделены следующие режимы работы: исправный режим, предаварийный режим и аварийный режим. Введя обозначения для описания логических правил, запишем алгоритм последовательности действий

Если ¥=С И 1=С И £>=Г=С

То

Если Г=В ИЛИ 1=В ИЛИ П=-В (5)

То X

Если У=А ИЛИ 1=А ИЛИ П=А

То Л

где V- модель изменения твердости поверхностного слоя зуба; / - модель износа зуба; В - модель диагностики; А - аварийное состояние (режим) работы; В - предаварийное состояние (режим); С - нормальное состояние (режим); Т - дата диагностики; 5 - дата следующей диагностики; Я - проведение ремонта; Х- подготовка к ремонту.

Соответствующие модели предназначены для описания операций сравнения диагностируемых параметров с допустимыми значениями. Определение технического состояния по диагностической модели производится на основании тренда, рисунок 8, вид которого в каждом конкретном случае уточняется.

Функция кривой изменения ресурса в процессе эксплуата-

л

Исходный образец ЯГисх=П5,5 НУ ажисх=0,5 НУ 0Нуиас=0,25 НУ

О 1

п - номер отверстая от поверхности разрушения

1

■ твердость исходного образца; 2 - семейство кривых, разрушенных чистым изгибом; 3 - семейство кривых, разрушенных совместным действием изгиба и растяжения нагрузкой 51,15 Н Рисунок 3 - Распределение твердости по длине исходного образца и разрушенных на маятниковом стенде, с углами угол отклонения: ♦ - 31 °3'; ▲ - 20°36'; ■ - 15°46'

3,0 -I-1-1-1-1-^-ь

0 1 2 3 4 5 6

п - номер отверстия от поверхности разрушения

Рисунок 4 - Изменение размеров образцов относительно плоскости разрушения в сравнении с соответствующими размерами в исходных образцах

105

Исходный образец: НУцСх=115,5 НУ

0

1

д

НУ исх"

=0,25 НУ

п - номер отверстия от поверхности разрушения

1 - твердость исходного образца; 2 - чистый изгиб; 3-6 - изгиб с растяжением при осевой нагрузке 51,15;41,15;31,15и21,15Н соответственно Рисунок 5 - Распределение твердости по длине исходного образца и разрушенных на маятниковом стенде, исходный угол отклонения 31°3'

О//г№4=0,7 НУ Онун, 4=0,5 НУ

Ону»-2=ЪАНУ

ОНУ№2= 0,16 НУ

Ояк№з = 0,5 НУ аНУ№ 1 = 0,2 НУ з = 0,25 НУ Онуж \ ~ 0,04 НУ

Исходный образец: НУт= 115,5 НУ Онгт= 0,5 НУ '„=0,25 НУ

10 20 30 40 50 60

Ь - расстояние от поверхности разрушения, мм

№ 0-4 - номера образцов подвергнутых предварительной деформации Рисунок 6 - Изменение твердости поверхностного слоя образцов после изгиба по их длине, начиная от плоскости изгиба

№0

Расстояние от плоскости предварительного нагружения, мм

Рисунок 7 - Результаты измерения твердости образцов после растяжения

Щн

Ц ММ

НУ,

Шпр

/>3а Тн± Зет /^±3ст

А А ¿Ь

НУ,

да.

6 6 4 4 4

Рисунок 9 - Построение графика для определения ресурса работы зубчатого

колеса

НУ

Зона нормального состояния

_

Зона раз&ития Оефвкта

ЛЙУ

НУ

Шпр

НУ,

НН! изм

Зарождение Эефекта Начало эксплуатации

^ пр т

- Изменения диагностического параметра от времени с

О

Рисунок 8 •

использованием полиномиальной линеаризации второй степени, для оценки остаточного ресурса крупномодульных зубчатых колес открытых передач горных

машин

ции, в силу многочисленных подтверждений, выявленных закономерностей нарастания рассматриваемых деградационных процессов, представлена полиномом вида

у=Ах2 + Вх + С. (6)

Коэффициенты А, В и С определяются по способу наименьших квадратов. Решение осуществляется в среде Excel по экспериментально полученным данным для каждого объекта индивидуально.

Модели изменения твердости поверхностного слоя зуба и его износа представляют собой формальную процедуру сравнения величины фактического измерения контролируемых величин с их допускаемыми значениями в зонах:

- для оценки изгибной усталостной прочности в зоне впадины зуба, вдоль переходной кривой, на максимально близком расстоянии от кромки впадины, не превышающим 2 мм;

- для оценки контактных нагрузок - на торцах зубьев, на максимально близком расстоянии от кромки зуба в районе, прилегающем к начальной окружности на расстоянии ±0,2 т от нее на головке и ножке зуба, а также на рабочих поверхностях зуба по ширине венца, также на расстоянии ±0,2 т выше и ниже начального диаметра;

- для оценки износа контролировать изменения линейных размеров на основном диаметре зуба колеса.

Полученные данные необходимо математически обрабатывать и после этого средние значения измерений серии наносить на график, который показывает зависимость полученных значений (твердость, износ) от времени работы зубчатого колеса (рисунок 9).

Таким образом, установив связь между степенью изменения твердости поверхностных слоев зубьев в характерных точках от наработки, оцениваемой путем контроля изменения твердости поверхности зубьев в процессе пересопряжения, возможно создать методику оценки ресурса зубчатых передач по изменению этого параметра, используя его как единый критерий работоспособности. При этом, полученные расчетным путем, значения наработки по выявленным критериям разрушения являются эталонными для оценки фактического состояния зубчатого колеса при оценке его состояния после проведения процедуры диагностирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой самостоятельную, законченную научно-квалификационную работу, в которой на основании проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований выполнено обоснование оценки остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин на основании оценки измерений локальной твердости поверхностного слоя зубьев зубчатых колес в характерных зонах и сравнении полученных значений с предельно достижимой величиной, которое представляет решение актуальной научно-практической задачи и имеет важное значение для горной промышленности.

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем:

1. Экспериментально установлено, что в зубьях с. твердостью до 350 НВ крупномодульных зубчатых колес горных машин присутствуют локальные зоны повышенной твердости поверхностного слоя зубьев, совпадающих с опасными зонами наибольших напряжений, возникающих при их работе, при этом предельное значение твердости в зоне, прилегающей к поверхности разрушения, является постоянной величиной для данного материала и не зависит от условий нагружения.

2. Установлено, что значение работы разрушения, отнесенные к плотности дислокаций, выраженная через значения твердости поверхностного слоя в зоне, прилегающей к поверхности разрушения, является постоянной величиной.

3. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что остаточный ресурс зубчатого колеса горной машины может быть определен в зависимости от ведущего критерия разрушения, а характерными зонами для диагностирования крупномодульных зубчатых колес являются зоны, расположенные на рабочих поверхностях зубьев колес по их ширине и торцах зубьев вдоль рабочей поверхности в районе начального диаметра колеса, а так же у ножки зубьев в районе переходной кривой

4. Разработан лабораторный стенд для испытания образцов при циклическом нагружении;

5. Предложена методика оценки остаточного ресурса зубчатых колес крупномодульных зубчатых передач с номинальной твердостью до 350 НВ трансмиссий горных машин;

6. Результаты работы используются ООО «Эпицентр» при оценке остаточного ресурса оборудования по переработке торфа;

7. Результаты работы рекомендованы к использованию в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 151000 «Технологические машины и оборудование» и инженеров по специальности 130400 «Горное дело» специальности «Горные машины и оборудование».

Основные результаты по теме диссертации представлены в следующих работах:

1. Звонарев И.Е. К вопросу оценки ресурса механических трансмиссий машин энергетическим методом / И.Е. Звонарев, СЛ. Иванов, A.C. Фокин // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - № 8. - С. 38-41.

2. Фокин A.C. Экспериментальная оценка смазывающей способности консистентных смазок для горных машин / A.C. Фокин, C.JI. Иванов, И.Е. Звонарев // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - № 9. - С. 29-32.

3. Звонарев И.Е. Вероятностный подход при оценке энергоресурса трансмиссий горных машин / И.Е. Звонарев, A.C. Фокин, С.Л. Иванов // Записки Горного института. - СПб, 2012. - Т. 195. - С. 249-254.

4. Звонарев И.Е. Энергоресурс элементов трансмиссий машин и его экспериментальная оценка / И.Е. Звонарев // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики - 7-я Международная конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. -Тула, 2011. - Т. 1. - С. 475-480.

5. Звонарев И.Е. Анализ изменения твердости образцов при их нагружении для моделирования работоспособности зубчатых передач горных машин / И.Е. Звонарев, С.Л. Иванов, A.C. Фокин // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 10-ой Международной научно-практической конференции. - Воркута, 2012.-С. 351-353.

6. Звонарев И.Е. Оценка характера повреждаемости образцов при физическом моделировании диссипативных процессов изнашивания в зацеплении / И.Е. Звонарев, A.C. Фокин, С.Л. Иванов // Процессы и средства добычи и переработки полезных ископаемых:

сборник трудов Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения заслуженного работника высшей школы Беларуси, д.т.н., проф. Кислова Н.В. - Минск, 2011.-С. 308-311.

7. Звонарев И.Е. Оценка удельной работы разрушения не стандартных образцов с учетом локальной твердости в зоне их разрушения / И.Е. Звонарев, C.JI. Иванов, A.C. Фокин, М.А. Семенов // Технические науки - от теории к практике: материалы XIV Международной заочной научно-практической конференции. - Новосибирск, 2012.-С. 56-62.

8. Звонарев И.Е. Изучение разрушения нестандартных образцов с учетом локальной твердости в зоне их разрушения / И.Е. Звонарев // Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых: Тезисы докладов V Всероссийской конференции. - Пермь, 2012. - С. 172.

9. Звонарев И.Е. Изменение величины поверхностной твердости неоднородных образцов при нагружении / И.Е. Звонарев, C.JI. Иванов, М.А. Семенов // Актуальные вопросы современной науки: Материалы Международной научной конференции. - Петрозаводск, 2012. - С. 46-53.

10. Звонарев И.Е. Оценка остаточного ресурса крупномодульных зубчатых передач горных машин на основе измерения их поверхностной твердости / И.Е. Звонарев // Семнадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Сборник тезисов. - СПб, 2012. - С. 133.

11. Звонарев И.Е. Изучение механизма изменения локальной твердости зубьев крупномодульных колес горных машин на имитационном маятниковом стенде / И.Е. Звонарев, C.JI. Иванов, A.C. Фокин, Д.А. Шибанов // Опыт прошлого - взгляд в будущее - 2-я Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов. Материалы конференции. - Тула, 2012. - С. 27-31.

12. Иванов C.JI. Оценка энергоресурса элементов трансмиссий / C.JI. Иванов, A.C. Фокин, И.Е. Звонарев // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 9-ой Международной научно-практической конференции. - Воркута, 2011. - С. 268-272.

РИЦ Горного университета. 29.05.2013. 3.306. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст работы Звонарев, Иван Евгеньевич, диссертация по теме Горные машины

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

04201360210

ЗВОНАРЕВ ИВАН ЕВГЕНЬЕВИЧ

ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА КРУПНОМОДУЛЬНЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ГОРНЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ

ИХ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТВЕРДОСТИ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Иванов С.Л.

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................5

ГЛАВА 1 ГОРНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ ОТКРЫТЫХ ГОРНЫХ РАБОТ.................11

1.1 Нагрузки и условия работы горных машин........................................................15

1.2 Трансмиссии горных машин................................................................................20

1.3 Крупномодульные открытые зубчатые передачи горных машин....................30

1.4 Мероприятия по повышению долговечности трансмиссий горных машин.....40

1.5 Изменение твердости поверхностного слоя элементов зубчатых передач экскаватора типа ЭКГ.................................................................................................45

1.6 Обзор и классификация процессов деградации механических свойств металла.....47

1.7 Кинетика разрушения материалов зубчатых колес...........................................50

1.8 Энергетический подход в оценке остаточного ресурса.....................................54

Выводы по главе..........................................................................................................60

Задачи исследования...................................................................................................61

ГЛАВА 2 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ТРАНСМИССИЙ ГОРНЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТВЕРДОСТИ ИХ ЗУБЬЕВ.....................................................63

2.1 Оценка контактной и изгибной выносливости зубьев.......................................63

2.1.1 Расчет зубьев на контактную прочность..........................................................64

2.1.2 Расчет зубьев на прочность при изгибе............................................................67

2.2 Оценка износа зубьев зубчатого колеса..............................................................68

2.3 Энергетический ресурс зубчатой передачи........................................................72

2.4 Оценка остаточного ресурса зубчатых колес с учетом эволюции поверхностной твердости их зубьев..........................................................................77

2.4.1 Накопление деформационной поврежденности зубьев зубчатых колес горных машин на основе взаимного превращения дефектов кристаллического строения их материла..................................................................................................78

2.4.2 Изменение твердости поверхности, как показатель остаточного ресурса зубчатой передачи........................................ ...............................................................81

2.4.3 Оценка остаточного ресурса зубчатого колеса по результатам измерений

твердости......................................................................................................................83

Выводы по главе..........................................................................................................92

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТВЕРДОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ РАЗРУШЕНИИ........................................................................................93

3.1 Программа экспериментальных исследований. Обработка данных....................94

3.2 Выбор параметров образцов и оборудования.......................................................97

3.3 Маятниковый стенд..............................................................................................105

3.3.1 Описание и принцип работы стенда.................................................................105

3.3.2 Физические и геометрические параметры стенда............................................109

3.3.3 Экспериментальная оценка затухающих колебаний.......................................113

3.4 Оценка геометрических параметров образцов после разрушения растяжением ... 117

3.5 Оценка изменения твердости образцов...............................................................120

3.5.1 Оценка твердости образцов, разрушенных растяжением................................120

3.5.2 Оценка твердости образцов после разрушения на маятниковом стенде.........126

3.5.3 Математическая обработка результатов экспериментов на маятниковом стенде..........................................................................................................................139

3.5.4 Оценка твердости медных образцов после разрушения..................................145

3.5.5 Оценка твердости после разрушения стандартных образцов..........................146

3.6 Оценка твердости шестерен.................................................................................146

3.6.1 Измерения твердости поверхностного слоя зуба шестерни............................146

3.6.2 Измерения твердости поверхностного слоя зуба колеса................................. 152

Выводы по главе.........................................................................................................155

ГЛАВА 4 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС КРУПНОМОДУЛЬНЫХ ОТКРЫТЫХ ПЕРЕДАЧ ТРАНСМИССИЙ ГОРНЫХ МАШИН..................................................................................................................... 156

4.1 Методика определения остаточного ресурса зубчатого колеса крупномодульной зубчатой передачи горной машины.............................. .............................................160

4.2 Методика определения остаточного ресурса зубчатого колеса при эксплуатации трансмиссии в горной машине...................................................................................167

Выводы по главе.........................................................................................................169

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................170

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................172

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................................181

Приложение А...................................................................................................................182

Приложение Б....................................................................................................................183

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Ремонт и замена крупномодульных зубчатых передач горных машин сопровождается выводом из эксплуатации основного производственного оборудования технологической цепи машин, что ведет к значительным потерям. Достоверная оценка остаточного ресурса зубчатых передач горных машин, по результатам проводимой в рамках технического обслуживания диагностики состояния крупномодульных зубчатых колес, способствует сокращению времени аварийных отказов оборудования. Для этого на момент принятия решения о продолжении эксплуатации оборудования необходима научно обоснованная методика оценки остаточного ресурса деталей и узлов, находящихся в эксплуатации горных машин, например, экскаваторов, и на ее основе осуществить выбор рекомендаций организационного характера по технологии и условиям эксплуатации механической части оборудования с целью минимизации возможных потерь от снижения его долговечности.

Вопросами повышения надежности горных машин, расчетом ресурса трансмиссий, совершенствования привода посвящены работы многих исследователей: В.А. Бреннера, A.B. Гетопанова, Л.Б. Глатмана, В.Г. Гуляева, В.Н. Дмитриева, A.B. Докукина, М.Д. Коломийцова, И.П. Иванова, Л.И. Кантовича, Н.Г. Картавого, Ю.Д. Красникова, В.И. Морозова, Р.Ю. Подэрни, Е.З. Позина, В.М. Рачека, Г.И. Рахутина, П.В. Семенчи, В.И. Солода, Г.И. Солода, A.B. Топчиева, 3.J1. Хургина и др. [11, 45, 54, 63, 72].

Вместе с тем, отсутствует простая и достоверная система оценки технического состояния в период эксплуатации зубчатых передач машин. Сложность оценки остаточного ресурса крупномодульных передач этих машин заключается в том, что основные элементы зубчатого колеса - их зубья, в процессе эксплуатации испытывают совместные контактные и изгибные нагрузки, усугубляемые износом рабочих профилей зубьев. При этом возможная причина выхода из строя конкретного зубчатого колеса достоверно не определима и носит вероятностный характер. В тоже время диагностические признаки различных видов разрушения зубьев зубчатых колес не имеют общего критерия,

удобного при диагностировании остаточного ресурса.

Известно, что в процессе эксплуатации изменяются свойства поверхностного слоя зубьев зубчатых колес, и оценка характера этого изменения может являться исходным обобщенным диагностическим критерием крупномодульных зубчатых передач горных машин, но это требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований по поиску и обоснованию критериев, более точно отражающих выработку ресурса.