Колеса зубчатые тяговых передач тягового подвижного состава (КЗТП) представляют собой элементы, передающие и преобразующие механическую энергию тягового двигателя на колесные пары локомотива.
Зубчатая передача (ЗП) – механизм для передачи вращательного движения и мощности с помощью зубчатых колес между двумя валами.
Виды зубчатых колес
Среди множества ЗП в тяговых передачах подвижного состава наиболее широкое применение нашли три вида:
- Цилиндрические;
- Конические;
- Червячные.
Цилиндрические КЗТП различаются формой зубьев.
Прямозубые – отличаются простотой конструкции и высокой надежностью. Зубья располагаются параллельно оси вращения, с наружной или внутренней стороны колеса (шестерни).
Прямозубые
Косозубые, где зубья располагаются под углом к оси. Такое конструктивное решение способствует уменьшению шума при работе и обеспечивает увеличение плавности хода.
Косозубые
Шевронные. Имеют более сложное конструктивное исполнение (состоят из двух рядов косых зубьев, располагающихся под углом в разные стороны). Достоинство такой ЗП заключается в передаче мощности без осевой нагрузки.
Шевронная
Конические зубчатые передачи применяются для передачи крутящего момента в пересекающихся осях. Между собой различаются формой зубьев.
Виды конических шестерен
Червячные ЗП бесшумны в работе, имеют большое значение передаточного числа (1:110), обладают эффектом самоторможения (при остановке вращения червячного вала ведомый вал провернуть невозможно никакими усилиями).
Червячная ЗП
Главный «минус» состоит в том, что в зацеплении создается повышенное трение, вызывающее относительно быстрый износ зубьев. Явление частично компенсируется работой в смазке.
Требования, предъявляемые к зубчатым колесам
Зубчатые колеса эксплуатируются в условиях применения повышенных нагрузок. Соответственно, при их изготовлении и дальнейшем использовании к ним применяются высокие требования по соответствию нормативным документам.
С целью проверки качества ЗП разработан ряд соответствующих стандартов. Например, ГОСТ 30803-2014 предъявляет требования не только к готовым изделиям, но и к материалам, из которых они изготавливаются.
Так, по химическому составу сталь 55Ф (применяется при изготовлении зубьев колес) должна соответствовать табличным значениям (см. табл. 1).
| Массовая доля элементов, % | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Mn | Si | V | S | P | Cr | Ni | Cu |
| Не более | ||||||||
| 0,53-0,60 | 0,50-0,80 | 0,20-0,42 | 0,10-0,17 | 0,040 | 0,040 | 0,25 | 0,30 | 0,30 |
Таблица 1
После проверки на соответствие содержания химических элементов из стали производят заготовки для производства зубчатых передач. Требования к механическим свойствам заготовок сведены в таблицу 2 (см. табл. 2).
| Механические свойства, не менее | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Временное сопротивление, МПа (кгс/мм²) | Предел текучести, МПа (кгс/мм²) | Относительное удлинение, % | Относительное сужение, % | Ударная вязкость KCU, Дж/см² (кгс*м/см²) | Твердость по Бринеллю, HB |
| 930 (95) | 590 (60) | 12 | 22 | 30 (3,0) | 280-320 |
Таблица 2
Непосредственно к ЗП предъявляются следующие требования.
По геометрическим параметрам и точности:
- Шероховатость (менее 0,8 мкм для активных поверхностей зуба, не более 3,2 мкм для впадин);
- Допуски (не более 0,05 мм по непостоянству диаметров отверстий);
- Степень точности (устанавливается по ГОСТ 30803-2014).
К механическим свойствам, включая термообработку предъявляются требования:
- Твердость (упрочненный слой зуба и его сердцевина должны соответствовать значениям, заданным нормативными документами);
- Механические свойства (определяются испытаниями на образцах-свидетелях);
- Термообработка (осуществляется в соответствии с требованиями конструкторской документации – например, проведение объемной закалки и высокого отпуска);
- Дефектность (отсутствие трещин, раковин и др. дефектов).
По контролю качества и проведению испытаний:
- Контроль макроструктуры (исследуется толщина и конфигурация упрочненного слоя);
- Контроль микроструктуры (проводится сравнением с эталонными);
- Механические испытания (проводятся на образцах, вырезанных из колеса);
- Условия испытаний (проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ 34510-2018).
Отдельные требования стандарт устанавливает к защите от коррозии, маркировке, упаковке и транспортировке.
Испытания зубчатых передач
Оценка параметров изгибной и контактной усталостной прочности зубчатых тяговых передач производится в соответствии с требованиями ГОСТ 34510-2018. Стандарт устанавливает методы испытаний указанных параметров на эвольвентные цилиндрические прямозубые, косозубые и шевронные шестерни ведущих и ведомых колес в тяговых передачах локомотивов.
Испытания должны проводиться при температуре от 15 до 30 °С и относительной влажности 30-60 %. Кондиционирование испытываемых образцов производится при температуре испытания не менее 4 часов.
Для проведения испытаний используется Разрывная испытательная машина МИМ.4-600 (600 кН) универсальная испытательная машина или испытательный стенд, обеспечивающие максимальную амплитуду динамической нагрузки не менее 600 кН с погрешностью измерения не более ± 3 % и одну из схем нагружения образца – качение без проскальзывания, качение с проскальзыванием или качение с внешней касательной нагрузкой.
Кроме того, испытательное оборудование должно обеспечивать автоматическое отключение при резком увеличении либо уменьшении нагрузки, прекращении подачи смазки и при возникновении дефектов в образце (трещин, выкрашивании рабочей поверхности).
Определение изгибной усталостной прочности проводится на зубчатом колесе нагружением пары зубьев. Суть испытания заключается в определении максимального напряжения, не вызывающего излома зуба.
База испытаний – 4 * 106 циклов. При этом полоса контакта (расстояние от вершины зуба до точки приложения нагрузки) должна быть в пределах 2-5 мм. Испытаниям подвергаются не менее 5 пар зубьев.
Метод испытания. Колесо устанавливается на стол испытательной машины (стенда) и фиксируется захватами специального приспособления. Включением машины создается нагрузка на зуб через прижимное устройство.
Нагрузку увеличивают до момента поломки зуба или до прохождения базового числа циклов нагружений. Величины нагрузки и число циклов испытания фиксируют КИП машины.
После завершения испытания полученные результаты обрабатываются и высчитывается значение изгибной усталостной прочности.
Определение контактной усталостной прочности проводится при базе испытаний 108 циклов.
Испытания проводятся согласно требованиям ГОСТ 21354-87 «Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность».
После завершения испытаний полученные результаты заносятся в протокол испытаний, форма которого приводится в Приложении В настоящего стандарта.