Badania zużycia powierzchni zębów kół walcowych

Transkrypt

1 GOŁĘBSKI Rafał 1 PASZTA Piotr 2 Badania zużycia powierzchni zębów kół walcowych WSTĘP W praktyce przemysłowej większość awarii współpracujących kół zębatych jest spowodowana uszkodzeniami warstwy wierzchniej współpracujących elementów. Stan warstwy wierzchniej, wybór metody procesu obróbki kół, właściwy dobór parametrów obróbki wykańczającej mają istotny wpływ na przebieg procesów tarcia występujących w parach współpracujących elementów. Konieczne zatem staje się aby w procesie produkcji i projektowania kół zębatych uwzględnić charakter ich pracy oraz w sposób prawidłowy przeciwdziałać występującym bardzo często nadmiernym wpływom zużycia eksploatacyjnego. niszczącym działaniu warunków pracy. Do głównych czynników wpływających na zużycie przekładni można zaliczyć: rodzaj samej przekładni, moment obrotowy, rodzaj zastosowanego smarowania wraz z różnorodną geometrią uzębienia, wszystkie te elementy powinny być brane są pod uwagę przy projektowaniu przekładni. Kształt zębów decyduje o przebiegu linii styku, o jej ułożeniu względem powierzchni przyporu, co w konsekwencji wpływa na warunki smarowania w obszarze współpracy zębów [4], sprawności przekładni i jej zużyciu. Kształt zębów decyduje również o wielkości występujących naprężeń kontaktowych [5,6]. Intensywny postęp w konstruowaniu przekładni bardzo często wpływa na wzrost ich wysilenia. Tendencje do konstruowania zespołów napędowych o mniejszych rozmiarach powodują, że przekładnie są narażone na większe obciążenia cieplne i mechaniczne. Prawidłowe użytkowanie maszyn zależy również od zastosowania bardziej wydajnych płynów eksploatacyjnych, wśród których ogromną rolę odgrywają oleje. Odpowiednia jakość oleju przekładniowego jest niezbędnym warunkiem sprawnej i długotrwałej pracy zespołu [7]. W przypadku uszkodzenia współpracujących elementów przekładni niezbędne jest szybkie i prawidłowe rozpoznanie przyczyn pojawiającej się awarii. W prezentowanym artykule opisano przebieg badań zębatych walcowych z zakresu badań niszczących kół, które uległy uszkodzeniu w wyniku wyłamania zębów [3]. W celu ustalenia przyczyny uszkodzenia kół zębatych przeprowadzono szereg badań z zakresu określenia struktury metali i stopów z jakiego są wykonane, grubości i struktury warstw powierzchniowych oraz topografii powierzchni. 1 OPIS PROBLEMU, PRZYGOTOWANIE MATERIAŁU DO BADAŃ Analizowana przekładnia jest jednym z podzespołów dużej maszyny, w której znajduje się kilka identycznych par współpracujących kół, do badań zostało wybrane koło o średnicy podziałowej d=160mm, moduł koła wynosi m=5mm rys2.a). Parametry pracy maszyny są stałe, koła nie są poddawane nadmiernym i zmiennym obciążeniom, wszystkie przekładnie poddawane są rygorystycznym procedurom przeglądu i serwisu. Po około 24 miesiącach eksploatacji pojawił się problem łuszczenia rys. 1.a), wyrywania warstwy wierzchniej lub też fragmentu zęba koła rys.1.b) Zjawisko zaobserwowano na wielu przekładniach, problem jednak dotyczył cały czas tej samej maszyny. Producent obarczył winą właściciela urządzenia twierdząc iż przyczyną awarii jest brak właściwej eksploatacji i konserwacji, co nie pokrywało się ze stanem faktycznym. Podjęto wówczas decyzję o przeprowadzeniu analizy występującego problemu. 1 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Częstochowa, Al.Armii Krajowej 21, Tel , Fax: , golebski@itm.pcz.pl 2 Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Częstochowa, Al.Armii Krajowej 21, Tel Fax: , paszta@itm.pcz.pl 4001

2 Rys. 1. Fotografia uszkodzonego koła zębatego a) uszkodzony wieniec koła zębatego, b) uszkodzona ewolwentowa powierzchnia zęba W celu przeprowadzenia badań niezbędne było odpowiednie przygotowanie próbek. W tym celu koło zębate zostało poddane zabiegowi wytoczenia otworu w celu uzyskania lepszego dostępu do wycięcia próbek zębów rys.2.a). Podczas obróbki niezbędne było zadbanie o intensywne chłodzenie aby ograniczyć wpływ strefy ciepła Rys.2.Fotografia koła zębatego poddanego badaniu, a) po wstępnym przygotowaniu do badań z wytoczonym otworem, b) widok próbki inkludowanej w żywicy Następnym krokiem było wycięcie czterech sztuk zębów. Próbki zostały oznakowane 1,2,3,4. W celu ułatwienia badania i łatwiejszego zamontowania próbek w mikroskopie, próbki zostały inkludowane w żywicy - rys.2.b). Powierzchnia zgładu została odpowiednio przygotowana. Ostatnią fazą było trawienie chemiczne powierzchni. Odczynniki do trawienia zachodzą w reakcję na granicy ziaren, pod mikroskopem będą one widoczne jako ciemniejsze linie gdyż ziarna bardziej wytrawione będą silniej rozpraszały światło. Powyższa metodyka ma zastosowanie do stopów jednofazowych zgodnie z opisywanym przypadkiem. Podczas badania padające światło ulega na nich rozproszeniu i pod mikroskopem granice ziaren widoczne są jako kontrastujące ze sobą granice. 2 PRZEBIEG BADAŃ Zostaną przeprowadzone w danej kolejności następujące badania: Badanie makroskopowe z powiększeniem do 30x. Badanie składu chemicznego. Po analizie tej otrzymamy skład chemiczny materiału, czyli procentową zawartość pierwiastków stopowych. Analizę chemiczną próbek pobranych z badanego koła zębatego wykonano za pomocą kwantometru. Badanie przeprowadzono na wszystkich próbkach żeby określić dokładny skład chemiczny materiału. Analiza spektralna umożliwia wykrycie i oznaczenie w stopach żelaza wszystkich domieszek stopów oraz fosforu. 4002

3 Badanie twardości. Badanie zostanie wykonany za pomocą twardościomierza Vickersa. W zakresie twardość do 300HV wyniki pomiarów Vickersa i Brinella są porównywalne [8]. Zmierzono twardość HV powierzchni bocznej i czołowej wszystkich czterech zębów. Wgłębnikiem jest diamentowy ostrosłup, za pomocą którego możemy dokonywać badań bardzo twardych powierzchni. Badanie metalograficzne. Badanie będzie przeprowadzone na mikroskopie świetlnym. Jest to badanie topografii odpowiednio przygotowanej powierzchni próbki. Badanie mikroskopowe pozwoli określić struktury metali i stopów, grubości oraz struktury warstwy wierzchniej. Ze względu na małą głębie ostrości mikroskopu świetlnego, próbka musiała być przygotowana w postaci zgładu metalograficznego i może być obserwowana w stanie trawionym lub też nie trawionym 2.1 Badanie makroskopowe Klasyfikację uszkodzenia zębów koła zębatego przedstawione na rysunku 3.a,b. przeprowadzono w oparciu o PN 91/M Na powierzchniach ewolwentowych zidentyfikowano pitting i częściowe wykruszenia warstwy utwardzonej [2,13]. Rysunek 3.a,b przedstawia fotografię zębów w przekroju poprzecznym wytrawionych nitalem. W niewielkim powiększeniu możemy zobaczyć na krawędziach widoczną cienką strefę materiału zahartowanego rys.3.b). Jest to efekt hartowania indukcyjnego. Grubość warstwy zahartowanej w pewnych miejscach na zębie jest różna. Rys.3. Fragmenty zęba koła z widocznymi mikropęknięciami i ubytkami a) widoczne wykruszenie warstwy utwardzonej oraz strefa materiału zahartowanego, b) widoczna cienka strefa materiału zahartowanego Przyczyny tak nierównomiernej grubości warstwy zahartowanej mogą być różne. Mogą one tkwić w samej technice hartowania (niewłaściwe parametry), niejednorodności i składzie chemicznym materiału lub w złym rozłożenie naddatków na powierzchniach bocznych zęba do szlifowania jako operacji wykańczającej po hartowaniu indukcyjnym [9]. 2.2 Badanie składu chemicznego Badanie składu chemicznego przeprowadzono metoda spektralnej analizy chemicznej ustalając rzeczywisty gatunek stali, z jakiej zostało wykonane koło zębate. Biorąc pod uwagę pierwiastki stopowe, które występują w próbkach stali oraz ich zawartość procentową tabela 1, można stwierdzić, iż koło zębate zostało wykonane z gatunku stali 40HM [12]. Nie znając założeń konstruktora i nie mając dokumentacji konstrukcyjno technologicznej nie wiemy jaki gatunek materiału dopuszcza konstruktor do użycia. Można jednak z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić że gatunek materiału z jakiego zostało wykonane koło zębate może być poddany procesowi hartowania, w opisywanym przypadku było to hartowanie indukcyjne. 4003

4 Tabl.1. Skład chemiczny pobranych próbek zębów C Mn Si P S Cr Ni Mo Cu Al. 0,415 0,510 0,231 0,021 0,007 0,984 0,171 0,188 0,122 0, Badanie twardości Pomiar twardości wykonany został na zębach oznaczonymi numerami 1,2,3,4. Pomiaru dokonano w głąb powierzchni bocznej zęba na głębokość 9mm,w analizowanym przekroju, oraz w kierunku prostopadłym do głowy zęba od strony zewnętrznej wieńca na głębokość 16mm. Rys.4. Wyniki pomiaru twardości w kierunku powierzchni bocznej zęba W pierwszym przypadku pomiar wykazał iż twardość maksymalna przy powierzchni jest bardzo zróżnicowana, dla zębów nr 2, 3 i 4 wynosi około 650HV Natomiast, maksymalna twardość zęba nr1 w stosunku do pozostałych jest niska i waha się w granicy 370HV rys.4. W drugim przypadku rozkład twardości jest analogiczny rys.5. Zróżnicowany przebieg twardości zęba może stanowić pewnego rodzaju karb strukturalny [1]. Duże naciski działające na powierzchnię zębów koła mogą wpływać na pęknięcia cienkiej warstwy utwardzonego materiału, która ugina się na zbyt miękkim rdzeniu zęba. Wydaje się, że twardość rdzenia przy tych parametrach koła zębatego powinna być większa. Grubość zniszczonej warstwy bocznej zęba jest prawie identyczna do grubości warstwy utwardzonej. Ponadto można stwierdzić iż pomiar twardości, w znacznym stopniu odbiega od twardości w danej grupie materiałowej, gdzie głębokość hartowania jest zdefiniowana jako odległość od powierzchni zęba do punktu, w który twardość jest równa 80% twardości powierzchni. Powodem tak różnorodnej twardości koła zębatego może być wiele przyczyn: nierównomierne rozłożenie naddatków do szlifowania zębów, które jest ostatnią operacją obróbki koła zębatego, niejednorodność materiału, z którego zostało wykonane koło zębate, oraz niewłaściwie przeprowadzony proces hartowania indukcyjnego koła zębatego. 4004

5 Rys.5. Wyniki pomiaru twardości w kierunku głowy zęba 2.4 Badanie metalograficzne mikroskopowe Badania metalograficzne zostały przeprowadzone na mikroskopie świetlnym Le Chateliera. Do trawienia próbek użyto 4% roztwór kwasu azotowego w alkoholu etylowym zwanego nitalem. W celu uzyskania odpowiedniej powierzchni zgładu zastosowano polerowanie elektrolityczne, katodą był tutaj element ze stali kwasoodpornej, zaś badana próbka w odległości kilku milimetrów od katody połączona była z dodatnim biegunem prądu. Uzyskano idealnie gładką powierzchnię bez wpływów zniekształceń. Rys.6. Próbka 1. Widoczne mikropęknięcia zęba koła. Powiększenie x

6 Widoczne mikropęknięcia na fotografii 4 spowodowane mogą być naciskami powierzchniowymi podczas pracy koła zębatego. Zahartowana warstwa wierzchnia zęba jest zbyt cienka i pozwala na uginanie się rdzenia. Powodem takiego zachowania jest na przykład zebranie nadmiernych naddatków podczas obróbki szlifowaniem lub też niewłaściwy proces hartowania w wyniku którego powierzchnia została zahartowana nierównomiernie i płytko. Głębokość warstwy zahartowanej została przyjęta jako odległość od powierzchni do miejsca w którym twardość wynosi 520 HV [11]. W badanym przypadku możemy ją określić na poziomie 0,6-0,7mm. Rys.7. Próbka 3. Widoczne odkształcenie plastyczne warstwy wierzchniej zęba koła. Powiększenie x800 Na rysunku 7 widoczne są mikropęknięcia na powierzchni zęba próbka 3, ponadto możemy zauważyć odkształcenie plastyczne warstwy wierzchniej widoczne na krawędzi. W trakcie tworzenie odkształcenia plastycznego widoczne są linie pasm poślizgu, w końcowym etapie pojawia się zjawisko ścinania i w konsekwencji odwarstwienia strefy odkształconej [10]. Zaobserwowano strukturę banityczną z niewielka ilością ferrytu co w danej klasie materiałowej nie powinno mieć miejsca [14]. WNIOSKI Z analizy badań można wyciągnąć dwa wnioski dotyczące badanych uszkodzeń zębów kół zębatych. Jedną z przyczyn występujących uszkodzeń kół mogą być zbyt duże naddatki usunięte podczas obróbki szlifowaniem, lub też nierównomierne rozłożenie naddatków podczas samego procesu szlifowania. Drugą najbardziej prawdopodobną przyczyna może być zbyt płytko utwardzona warstwa wierzchnia koła zębatego błędy w procesie hartowania indukcyjnego kół. Przy zdecydowanie bardziej miękkim rdzeniu kół płytko zahartowana warstwa ugina się, wskutek czego ulega wykruszeniu. Nasuwa się więc wniosek, że uszkodzenia kół zębatych wynikają z braku należytej kontroli wymiarów przed wykonaniem obróbki cieplnej, lub niedokładnej kontroli grubości utwardzonej warstwy wierzchniej po obróbce cieplnej i po operacji wykańczającej, jaką jest szlifowanie. Należy sądzić, że zbyt duży naddatek na obróbkę cieplną spowodował, że zbyt płytko zahartowana warstwa wierzchnia, została usunięta w procesie szlifowania. Grubość warstwy utwardzonej jest jednym z czynników wywierających duży wpływ na bezawaryjność eksploatacji kół. Zasadniczo należy dążyć do wyznaczenia minimalnej grubości warstwy niezbędnej do zapewnienia prawidłowej pracy danej części, nieuniknione występowanie zmian wymiarowych po obróbce cieplnej zmusza do pozostawienia naddatków na wykańczającą obróbkę mechaniczną (szlifowanie), co z kolei powoduje konieczność zwiększania grubości warstwy. W praktyce ustala się duże naddatki na obróbkę wykańczającą, lecz zawsze powinna istnieć obawa przed całkowitym usunięciem warstwy utwardzonej podczas szlifowania wskutek nadmiernych naddatków lub zbyt płytkiego hartowania powierzchniowego, co miało miejsce w tym przypadku. 4006

7 Streszczenie W prezentowanym artykule przedstawiono wyniki badań zębów kół zębatych pobranych z uszkodzonego wieńca koła zębatego. Na próbkach przeprowadzono badania mające na celu ustalić przyczyny pękania zębów kół przekładni. Wykonano badania makroskopowe potwierdzające występowanie pittingu i wykruszania się warstwy wierzchniej. Badanie składu chemicznego pozwoliło mi ustalić rzeczywisty gatunek stali. Według PN 89/M 84030/04 skład chemiczny stali pokazał iż jest to gatunek 40HM. W badaniach stwierdzono dużą niejednorodność twardości powierzchni zębów w przedziale HV. Na zgładach metalograficznych w powiększeniu 800 x zaobserwowano niedopuszczalny w obszarze warstwy wierzchniej zęba ferryt. Na licznych fotografiach można zauważyć popękaną warstwę przypowierzchniową zęba, oraz duże ubytki warstwy wierzchniej utwardzonej. Widać także strukturę ferrytyczną przy powiększeniu x800. W klasie materiałowej przeznaczonej na koła zębate, struktura materiału w strefie uzębienia nie powinna zawierać ferrytu. Wear surface investigation of spur gear teeth Abstract The article presents the results of the research of gear teeth taken from a damaged cylindrical tooth gear. Conducted on samples of several studies, ie: macroscopic examination, chemical composition, hardness, and metallographic microscopic examination. Macroscopic investigations confirmed the existence of pitting and chipping of the teeth surface layer The study of the chemical composition allowed me to determine the actual composition of the alloy components, and consequently the grade of steel from which the wheels were made of. Made measurement of hardness is very different for all four samples, teeth No. 2,3,4 are in the range HV, whereas a tooth No. 1 differs from the other, since the hardness is at the limit of 285HV. The research shows that there is a very large inhomogeneity gear hardness. The final step was to study metallographic microscope. These studies helped to determine the structure of metals and alloys and the thickness and structure of the surface layer. For many photographs it can be seen the selvedge cracked tooth, and a large loss of surface layer of hardened. Ferritic structure can also be seen at a magnification of x800. In the class of materials intended for gears, the structure of the material in the area of teeth should not contain ferrite. BIBLIOGRAFIA 1. Burakowski T., Roliński E., Wierzchoń T.: Inżynieria powierzchni metali. Politechnika Warszawska, Warszawa 1992r. 2. Dziama A., Przekładnie zębate, PWN, Warszawa 1995r 3. Farys E.: Badanie przekładni zębatych. Politechnika Częstochowska, Częstochowa Gołębski R., Modelowanie śladu dolegania przekładni zębatej z wykorzystaniem technik MES Mechanik R.84 nr r 5. Gołębski R., Model MES analizy naprężeń kontaktowych przekładni zębatej walcowej, Mechanik R.85 nr r. 6. Gołębski R., Budowa modelu MES 2D analizy naprężeń kontaktowych przekładni zębatej walcowej, Mechanik R.86 nr r. 7. Hebla M., Jarecki J.: Tarcie, smarowanie i zużycie części maszyn, WNT, Warszawa Leda H., Wprowadzenie do Inżynierii Materiałowej, Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań 1993r 9. Malkiewicz T., Metaloznawstwo stopów żelaza PWN, Warszawa 1976r. 10. Pacyna J., Metaloznawstwo, Uczelniane wydawnictwo Naukowo Techniczne, AGH, Kraków 2005r 11. PN-ISO 3754:1999 Określanie umownej grubości warstwy zahartowanej płomieniowo lub indukcyjnie 12. PN-93/H Stal niestopowa do utwardzania powierzchniowego i ulepszania cieplnego. Gatunki. 13. PN-91/M Uszkodzenie kół zębatych 14. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo WNT Warszawa 1994r 4007