New effective technologies and materials for production of heavy-duty gearboxes

Full Text

Создание тяжелонагруженных зубчатых редукторов с повышенным ресурсом работы является актуальной задачей для горнодобывающей промышленности. Специалистами ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» и ОАО «Юргинский машиностроительный завод» с использованием разработок в области новых материалов, конструкции и технологии разработан и изготовлен опытный образец редуктора для очистного угольного комбайна и проведены его испытания. Для увеличения ресурса работы зубчатых передач в конструкцию нового редуктора и технологию его изготовления, на основе опыта работ выполненных ОАО НПО «ЦНИИТМАШ» [1], введено следующее: · разработана технология финишной обработки обеспечивающая повышение точности зубчатых передач с 7-8 степени точности по ГОСТ 1641-81 до 5 - 6 степени точности; · профильная и продольная модификация зубьев; · шлифование боковых поверхностей зубьев, исключающее образование уступов и формирование остаточных напряжений растяжения на переходной поверхности у основания зуба; · повышение точности центрирования колёс с эвольвентными шлицевыми соединениями в результате замены центрирования по боковым поверхностям зубьев на центрирование по внутреннему диаметру; · применены новые материалы (стали 18Х2Н4МАА и 38ХН3МФАА); · разработана технология химико-термической обработки; · отработка технологии проводилась по следующим направлениям; · разработка конструкции режущего инструмента для профильной модификации зубьев модулем 8, 10 и 12 мм и способа наладки станка для модификации вершин зубьев; · разработка расчёта копиров для продольной модификации зубьев на станке модели 5842; · разработка конструкции режущего инструмента и контрольно-измерительных приборов для изготовления шлицевого эвольвентного соединения с базированием по внутреннему диаметру; · разработка системы контроля зубчатых колёс опытного редуктора; Проведена отработка технологии изготовления шлицевого эвольвентного соединения с центрированием по внутреннему диаметру. Были произведены расчеты на прочность и расчеты геометрии для четырех различных диаметров шнеков в редукторе с различными парами сменных колес Ø1400мм, Ø1600 мм, Ø1800мм, Ø2000 мм. В ходе расчетов была определена контактная выносливость зубчатых передач, контактная прочность при действии максимальной нагрузки, выносливость зубьев при изгибе, прочность при изгибе максимальной нагрузкой. Технология изготовления зубчатых передач должна обеспечивать выполнение высоких требований по точности и качеству изготовления. С учетом этого были даны рекомендации, позволяющие увеличить ресурс работы редуктора, а именно было предусмотрено улучшение условий нагружения в зоне контакта зубьев путем продольной и профильной модификации, устранения уступов у основания зубьев при шлифовании, повышение точности в первую очередь по показателям плавности и контакта. Это позволило увеличить запасы контактной прочности и выносливости в среднем на 20…30%. Создание горных машин нового поколения обусловливает необходимость повышения эксплуатационных характеристик сталей для зубчатых колес [2-3]. Исследованиями [4] показана эффективность качественного изменения служебных свойств конструкционных сталей широкого спектра назначения путем повышения их чистоты по сере, фосфору и неметаллическим включениям, снижающих пластичность металла. На основе производственного опыта и анализа литературных данных [2-3], в качестве базовых марок приняли стали 18Х2Н4МА и 38ХН3МФА (ГОСТ 4543-71) - лучшие по комплексу свойств и перспективные с позиций металловедения для создания сталей нового поколения. Химический состав опытно-промышленных плавок новых и базовых сталей приведен в таблице 1. Таблица 1. Химический состав и балл HB разработанных (18Х2Н4МАА и 38ХН3МФАА) и базовых сталей (18Х2Н4МА и 38ХН3МФА) Таблица 2 иллюстрирует механические свойства разработанных и стандартных сталей после термической обработки, имитирующей цементацию по температуре и времени выдержки, и разработанного комплекса закалок и отпусков. Таблица 2. Механические свойства разработанных (18Х2Н4МАА и 38ХН3МФАА) и стандартных сталей (18Х2Н4МА и 38ХН3МФА) В условиях ОАО «Юргинский машиностроительный завод» проведены сравнительные испытания ранее выпускаемого и нового редуктора (рисунок 1). Рисунок 1. Установка редуктора на стенде Целью исследований вибрационных процессов в редукторах К750Ю.03.01.000 и К750Ю.03.10.000 была оценка эффективности новой конструкции и технологии изготовления. Разработка новой конструкции и технологии изготовления были направлены на повышение плавности работы зубчатых зацеплений, входящих в редуктор, создание предпосылок к повышению надежности работы агрегата в целом. Факторами, определяющими достижение этих целей, являются снижение шума, сопровождающего работу редуктора, и снижение вибраций на корпусе агрегата. Для выполнения сравнительного анализа результатов замера шума и вибраций старого и нового редукторов испытания проводились в одинаковых условиях, а замеры шума и вибраций делались в одних и тех же точках. Таблица 3. Сравнение уровней звуковой мощности редукторов при работе без нагрузки с отключенным стендом (без шумоизоляции редуктора) Ср. геом. окт. полосы частот, Гц С вращением в левую нерабочую сторону С вращением в правую рабочую сторону К750Ю.03.01.000 зав.№ 01; 30.01.13 К750Ю.03.10.000 зав.№ 01; 29.09.13 Допустимые уровни по мощности К750Ю.03.01.000 зав.№ 01; 30.01.13 К750Ю.03.10.000 зав.№ 01; 29.09.13 Допустимые уровни по мощности 31,5 Уровни звуковой мощности LW и LWА, дБ и дБА 88,2 81,2 124 90,4 81,1 124 63 84 80,8 112 86,8 81,3 112 125 85,7 85,5 104 89,3 85,0 104 250 90,4 84,1 99 92,8 85,6 99 500 86,4 84,6 95 88,5 84,4 95 1000 89,9 86,8 92 90,6 87,2 92 2000 82,8 77,9 90 81,4 78,1 90 4000 72,8 70,6 88 71,6 68,4 88 8000 63 61,9 86 63,4 63,2 86 дБА 92,9 88,8 97 92,9 89,9 79 Исследования вибраций редуктора старой и новой конструкции проводились на стенде на испытательном участке Юргинского машиностроительного завода (рисунок 1). Проведен сравнительный анализ шумовых характеристик старой и новой конструкции. В таблице 3 результаты замеров шумовых характеристик старого и нового редукторов сравниваются между собой. Сравнение велось для разных направлений вращения редукторов. Из таблицы 3 следует, что новый редуктор во всех случаях имеет более низкие шумовые характеристики для всех октавных полос. Снижение в основных октавных полосах и по шкале А составляет 3…4 дБ. Это означает, что звуковая мощность модернизированного редуктора в 2…2,5 раза меньше старой модели. Этот факт обеспечивает более комфортные условия работы операторов и позволяет рассчитывать на снижение динамических нагрузок на детали редуктора. Проведен сравнительный анализ (рисунок 2) вибраций старого и нового редукторов. Рисунок 2. Сравнение записей сигналов виброускорения для старого (верх) и нового редукторов Анализ вибраций заключается в определении спектра вибрационного сигнала и сопоставлении частот спектра с большими амплитудами с оборотными частотами валов, зубцовыми частотами зубчатых колес, с частотами, присущими подшипникам (частоты прохождения тел качения по внутренним и наружным дорожкам качения, частоты сепараторов и т.д.). Кроме спектров широкополосного сигнала, могут строиться спектры огибающих высокочастотного сигнала, записанного, например, в октаве 4 кГц, а также и в других октавах. Для анализа сигналов использовалась программа ExpDyna, разработанная в МГТУ «СТАНКИН». Анализ вибраций показал, что плавность работы зубчатых передач значительно возросла. Испытания старой и новой конструкций редукторов показало, что проведенные мероприятия дали положительный эффект относительно снижения виброакустической активности нового образца. Заключение Разработана новая конструкция и технология изготовления зубчатого привода с применением новых материалов, режущего инструмента, специальной технологической оснастки и контрольно-измерительных приборов, включающая технологию выплавки, ковки, химико-термической и механической обработки зубчатых колес. По разработанной технологии с использованием новых материалов изготовлен и испытан в широком диапазоне нагрузок опытный образец редуктора очистного комбайна с мощностью привода 350 кВт. По результатам стендовых испытаний установлено снижение шума в основных октавных частотах на 3-4 дБ и вибраций на корпусе редуктора до пяти раз. По комплексу служебных и технологических характеристик новые стали превосходят стандартные стали 18Х2Н4МА и 38ХН3МФА (ГОСТ 4543-71) и их зарубежные аналоги. Комплекс выполненных работ может обеспечить повышение ресурса работы редуктора до двух раз и снижение удельной металлоемкости на единицу мощности 20%.

About the authors

G. G Ovumyan

PJSC RPA “CNIITMASH”, Moscow

Email: Daniil.nsv@mail.ru
Dr. Eng.; +7 495 675-85-05

D. N Klauch

PJSC RPA “CNIITMASH”, Moscow

Email: Daniil.nsv@mail.ru
Ph.D.; +7 495 675-85-05

D. P Nosov

PJSC RPA “CNIITMASH”, Moscow

Email: Daniil.nsv@mail.ru
+7 495 675-85-05

S. V Dumilin

PJSC RPA “CNIITMASH”, Moscow

Email: Daniil.nsv@mail.ru
+7 495 675-85-05

N. B Malysheva

PJSC RPA “CNIITMASH”, Moscow

Email: Daniil.nsv@mail.ru
+7 495 675-85-05

A. L. Mosyuk

PJSC RPA “CNIITMASH”, Moscow

Email: Daniil.nsv@mail.ru
+7 495 675-85-05

References

Supplementary files