Конструкционная сталь имеет наибольшую продолжительность службы в изделиях авиационной, судовой и промышленной технике. При эксплуатации зубчатых механизмов, передающих крутящий момент, требуется – высокая прочность, твердость, сопротивление усталостным нагрузкам при значительном ресурсе наработки узла. В связи с этим является актуальным изучение нарушения работоспособности и выхода из строя зубчатых передач, как на базе работ ученых Старжинского В.Е., Гольдфарба В.И., Морозовой Л.В., Wang Q.J. и других [1 – 6] документов [7], так и личного опыта [8] при статистическом анализе большого объема практических данных по эксплуатации приводов газотурбинных двигателей (ГТД) авиационной, морской и наземной тематики. Статистика повреждений зубчатых колес (рис. 1) иллюстрирует, что около 80 % нарушений работоспособности зубчатых передач возникает из-за усталостных проявлений при циклическом характере нагружения.
Это аргументирует важность методологического обоснования долговечности зубчатых колес с учетом стабильности свойств конструкционных сталей и технологической преемственности процесса изготовления шестерен, основываясь на работах А. С. Васильева, М. Л. Хейфец, А. Г. Суслова, Е. С. Елисеева, В. В. Крымова и др. [9 – 12]. Проблема нестабильности физико-механических свойств конструкционных материалов подробно изложена в работах В. К. Старкова, А. П. Яковлевой, Л.В. Савельевой, В. В. Крымова [10, 13 – 14]. Доказано, что нестабильность физико-механических свойств материалов составляет более 40 %, а стабильность этих свойств важна для обеспечения работоспособности изделий [13].
Это приводит к необходимости более достоверного определения эксплуатационных свойств деталей, зависящих от физико-механических свойств материала из которого они изготовлены, начиная с их проектирования, а также обуславливает большой интерес к проблеме технологического обеспечения изготовления зубчатых колес ГТД при циклическом нагружении, которое связано с учётом физико-механических свойств материала и их стабильности.
Качество материала детали и его физико-механические свойства зависят от технологического процесса ее изготовления. Деталь состоит из поверхностного слоя, содержащего поверхность, сформированную механической обработкой, шлифованием с учетом химико-термической обработки, и слоем основного материала.
Эксплуатационные свойства зубчатых колес (контактная и изгибная прочность, износостойкость, коррозионная стойкость и др.) зависят от качества поверхностного слоя рабочих поверхностей сопрягаемых деталей. При разработке, расчете и производстве зубчатой передачи для его работоспособности значительное внимание уделяется технологической наследственности изготовления.
Эксплуатационные свойства зубчатой передачи формируются в рамках двух основных процессов системы менеджмента качества, которые дополняют друг друга:
- на этапе проектирования и разработки (с последующим отражением в конструкторской документации) зубчатого зацепления назначаются материал, точность изготовления, качества рабочих поверхностей и сердцевины материала, обеспечивающие требуемые параметры норм прочности. Расчетчик использует зависимости прочностных показателей с физико-механическими свойствами материалов шестерен, параметрами качества рабочих поверхностей и условиями эксплуатации. Напряжения в зубчатом зацеплении зависят от геометрии профиля, свойства материала и обработки, в том числе габаритов, величины зазора в соединении и степени точности;
- на этапе технологической подготовки производства при выпуске пакета технологической документации. Технолог задает виды, способы и условия производства шестерен с учетом требуемый точности обработки и показателей качества рабочих поверхностей. На совокупность свойств поверхностного слоя рабочих поверхностей зубчатых колес первоначально влияет механическая обработка. И технологический процесс обработки шестерни должен формироваться с учетом поводки детали после химико-термической обработки и параметров сердцевины для обеспечения качества.
По функциональному назначению эксплуатационные свойства зубчатых колес включают в себя показатели выносливости на контакт и изгиб, износостойкость и коррозионную стойкость. Следовательно, технологическая наследственность качества поверхностного слоя рабочих поверхностей представляет собой систему связей от комплекса прочностных и технологических параметров, а эксплуатационных свойств от качества поверхностного слоя, что представлено на рис. 1:
(1)
где ПП – показатели прочности; КПС – качество поверхностного слоя; ПТ – параметры технологические; – технологическая наследственность эксплуатационных свойств.
Технологический процесс производства детали формирует физико-механические свойства материала и соответствующие им прочностные параметры. Изменение свойств, начиная от исходного состояния полуфабриката материала (СИ – исходные свойства материала) при производстве до получения окончательно готовой детали (СЭ – эксплуатационные свойства материала) необходимо анализировать с точки зрения технологической наследственности, т. к. качество детали формируется всеми операциями технологического процесса. Конечно, в разных долях.
Управление влиянием каждой отдельной операции технологического процесса изготовления детали на изменение свойств материала с учетом тенденций современного производства и особенно внедрения концепции цифрового двойника на производстве делает возможным учет взаимодействия операций через коэффициент наследования [11]:
, (2)
где КСВ – коэффициент наследования свойств материала; Сi – значение свойства материала на текущей операции; Ci–1 – значение свойства материала на предшествующей операции (исходное состояние – для заготовки).
Коэффициент наследования свойств материала определяет положительную (КСВ > 1) или отрицательную (КСВ < 1) эволюцию свойств на данной операции относительно их значений на предшествующей операции или в состоянии поставки.
В табл. 1 проведены экспериментальные исследования механических свойств материала зубчатых колес – на примере образцов из стали 18Х2Н4МА – применительно к различным методам получения заготовки, как исходное состояние, с последующей термической обработкой. Представленное сравнение механических свойств материала при различном методе получения заготовки доказывает, что вид заготовки существенно влияние на механические свойства материала, и наглядно показывает нестабильность его свойств, как с учетом исходного состояния материала, так и последующей термической обработки. В табл. 2 определены величины наследственности механических свойств конструкционной стали на примере двух последовательных операций – заготовительная и термическая обработки.
Изготовление зубчатых колес из сортового прутка формирует растягивающие напряжения, которые при эксплуатации суммируются с напряжениями, возникающими при изгибе зуба под действием сопряженного колеса. Они направлены поперек волокон материала и способствуют снижению работоспособности деталей. Следует отметить, что метод обработки давлением не только формирует волокна материала, направленные вдоль зуба относительно наибольших растягивающих напряжений в зубьях, но и благоприятно влияет на производительность механической обработки детали. Последующая нормализация образует структуру материала с измельчённым зерном. В совокупности данные мероприятия положительно влияют на механические свойства материала и работоспособность детали, увеличивая его прочностные показатели.
Широкий ассортимент полуфабриката сортового проката, марок конструкционных сталей и способов обработки содействуют тому, что металлопрокат из стали – это высоко востребованный материал для современных элементов металлических конструкций и механизмов, которые эксплуатируются при различных нагрузках, климатических и других условиях. Следовательно, долговечность готового изделия из сортового проката нельзя оценивать только по свойствам полуфабриката.
Оценка коэффициента наследования механических свойств материала показывает целесообразность проведения термической обработки и ее позитивное влияние на механические свойства материала, на примере стали 18Х2Н4МА, как для обеспечения наилучших свойств обрабатываемости резанием, так и для сокращения нестабильности механических свойств материала. Отмечается стабилизация по пределу прочности более 18 %, а по пределу текучести – более 11 %. Это подтверждает и коэффициент наследования свойств материала.
При эксплуатации зубчатой передачи зубья пересопрягаются между собой. При этом ведущее звено (шестерня) увлекает за собой ведомое (колесо). На этапе проектирования с учетом эксплуатационных норм по зубчатым зацеплениям предъявляют высокие требования к качеству материала, рабочей поверхности и сердцевине материала, точности обработки. В связи с этим материал, из которого изготавливают зубчатые колеса, должен обладать такими свойствами, как сопротивление явлениям усталости с возможностью воспринимать значительные нагрузки рабочей поверхностью без разрушения определенное число циклов. Таким образом, материал зубчатых колес должен обеспечить необходимый и достаточный предел выносливости согласно требуемого ресурса наработки. Зубчатые колеса в обязательном порядке проходят термическую обработку, а зубчатые передачи силовых приводов – химико-термическую обработку.
Зуб силовой зубчатой передачи (рис. 2) состоит из рабочей поверхности, включающей в себя поверхность 1 контакта и упрочненный слой 2, и сердцевины 3 материала шестерни. Каждый элемент зуба (поверхность 1, упрочненный слой 2 и сердцевина 3) характеризуется физическими, механическими и технологическими свойствами материала, как упрочненного слоя, так и сердцевины. Именно физико-механические свойства каждого слоя материала и их сочетание определяют восприимчивость детали к силовым циклическим нагрузкам. Обрабатываемость конструкционных сталей характеризуются технологическими свойствами материалов подвергаться различным видам обработки. Природа этих характеристик заключается в физико-механических свойствах материалов, влияющих на технологичность заготовок и деталей, а также стратегию обработки детали.
При этом физико-механические свойства материала в состоянии поставки широко представлены в литературе, а физико-механические свойства поверхностного слоя и сердцевины детали, которые, по сути, после химико-термической обработки детали значительно отличаются от целостных полуфабрикатов в состоянии поставки, требуют изучения и систематизации знаний.
Рабочие условия зубчатых зацеплений при передаче крутящего момента при циклическом от нулевом нагружении характеризуются трением скольжения при наличии определенных скоростей, силовой нагрузки и температуры, особенно в зоне контакта. Условия эксплуатации зубчатого зацепления требуют обязательной подачи смазочной жидкости в зону контакта. Выделяют два способа подвода смазочной жидкости в зону контакта:
- погружение – масло заполняет картер корпуса на определенную величину;
- принудительная смазка через жиклеры и систему трубопроводов маслосистемы.
В процессе работы в зоне контакта при сопряжении зубьев вырабатывается энергия в результате трения зубьев шестерен. Для охлаждения зоны контакта для защиты от теплового потока подается смазочная жидкость – масло. Это необходимо в виду того, что чрезмерное тепло в зоне контакта может вызвать изменения структурно-механических свойств рабочих поверхностей зубьев. Увеличения данных изменений негативно сказывается на эффективности отведении тепла в сопрягаемой зоне. Повреждения рабочих поверхностей в зоне контакта при трении негативно влияют на процесс охлаждения.
Следовательно, в модели контактного взаимодействия зубьев можно выделить базовые рабочие условия зубчатого механизма: тепловое поле в зоне контакта; материал шестерен; силовая нагрузка в зубчатом зацеплении.
Затем анализируем факторы использования зубчатой передачи – эксплуатационные, конструкционные, технологические и механические (рис. 3).
Структурно-причинная модель контактного взаимодействия зубчатого зацепления демонстрирует физику вращательного движения зубчатых колес. На рис. 3 приняты следующие обозначения: Рout – напряжения в поверхностном слое (внешняя нагрузка); Рin – напряжения в упрочненном слое (внутренняя нагрузка); QХИМ – энергия химического взаимодействия; Qt – энергия теплового поля; Е – мера интенсивности воздействия; dРout, dРin, dQХИМ, dQt – работа соответствующего параметра; dl – длина пути зацепления; sВ – предел прочности при растяжении; s0,2 – предел текучести; Е – модуль упругости материала детали; n – число Пуанссона; HV (НRC) – твёрдость материала поверхностного слоя; – глубина упрочненного слоя; Rа – шероховатость рабочих поверхностей; НВ – твердость сердцевины; sН – контактные напряжения; sНг – глубинные контактные напряжения; f – коэффициент трения; Кк – концентрация нагрузки.
В процессе эксплуатации рабочие поверхности зубьев шестерен подвергаются не только механическому, но и молекулярному воздействию в зоне контакта рабочих поверхностей. При передаче крутящего момента материал деталей в зоне контакта поверхностей сжимается под действием сил, а до и после зоны контакта растягивается в результате упругопластических деформаций. Работа зубчатой передачи характеризуется площадью контакта рабочих поверхностей. Площадь контакта сопрягаемых зубьев определяют параметры профилей, физико-механические свойства материала шестерен (модуль упругости, твердость, предел прочности и др.), а также напряжения в поверхностном и упрочнённом слоях, механизм трения и повреждаемости. Физическая сущность эксплуатации зубчатых колес заключается в том, что при пересопряжении зубьев механизма в зоне их контакта образуются механические и молекулярные процессы, которым сопутствуют тепловые, окислительные и другие явления.
Тепловое поле в зоне контакта может оказывать влияние в первую очередь на физико-механические свойства поверхностного упрочненного слоя, а потом и на физико-механические свойства сердцевин материала шестерен. Поверхностный упрочненный слой материала при росте температуры в зоне контакта имеет склонность к охрупчиванию или упрочнению при росте температуры и это вызвано технологией производства деталей. Влияние теплового поля до 90 °С с его быстротечностью на макро- и микроструктуру, физико-механические свойства материала несущественно с учетом достаточности охлаждения и смазки зоны контакта. Наиболее часто применяемым смазочным средством для зубчатых колес ГТД служит масло авиационное МС-8П по ОСТ 38.01163-78 или его аналог по физико-механическим и химическим свойствам масло для судовых газовых турбин по ГОСТ 10289-79. Служебные свойства масла сохраняются до 120 °С.
Увеличении температуры рабочей среды свыше 120 °С приводит к окислительным процессам и нарушению целостности рабочих поверхностей в результате адгезии сопрягаемых поверхностей. Это влечет прирост сил в зацеплении и ухудшает условия трения, и как следствие – структурно-механические изменения материала в упрочненном слое.
В целом, тепловое поле в зоне контакта сопрягаемых зубьев изменяет условия сопряжения деталей с определенными метаморфозами механических свойств упрочнённого слоя детали. Так, например, под действием сил в зацеплении и тепла в зоне контакта поверхностный слой материала под влиянием пластической деформации становится мягче. При температурном поле более 200 °С снижается предел текучести материала при небольшом увеличении предела прочности при снижении свойств используемых масел. Это требует применения более прочных конструкционных материалов, а иногда и увеличения габаритов передачи.
Зубчатые колеса ГТД изготавливаются из высоколегированных сталей. И для обеспечения требуемой прочности в сочетании с необходимой пластичностью зубчатые колеса проходят обязательную химико-термическую обработку. Именно химико-термическая обработка, формирующая упрочненный поверхностный слой, создает возможность зубчатым передачам работать при относительно высокой температуре (до 120 °С) в зоне контакта при подаче масла для отвода тепла.
Также рабочая поверхность зубьев с упрочненным слоем, достаточно твердым и необходимой толщины, обладает выносливостью относительно достаточно высоких усилий без каких-либо деформаций и повреждений контактирующих поверхностей. Грамотно назначенная и технологически правильно выполненная химико-термическая обработка – это гарантия успешного функционирования зубчатой передачи в сочетании с относительно мягкой сердцевиной материала зуба.
Анализируя взаимодействие зубьев при передаче крутящего момента, в зоне контакта возникают силы нормальные и касательные, которые создают напряжения на поверхности и в упрочненном слое с определенной концентрацией нагрузки по профилю. В зоне контакта происходит деформирование слоев материала, сопровождающееся тепловым полем, которое, при стечении определенных обстоятельств, приводит к нарушению целостности структуры рабочей поверхности, и, как следствие, к увеличению контактных напряжений. Стечением определенных обстоятельств можно считать последовательность действий, которые следуют друг за другом – увеличение тепла в зоне контакта изменяет химическое взаимодействие поверхностей, влечет модификацию механических свойств материала и сил в зацеплении.
Это приводит к изменению эксплуатационных свойств материалов зубчатых колес в сопрягаемой зоне. При нарушении условий эксплуатации зубчатых колес процессы, протекающие в зацеплении при пересопряжении зубьев, могут «мутировать» свойства материала, в первую очередь, рабочей поверхности, созданные при изготовлении детали. И в консервативном случае могут привести к повреждению поверхности.
Систематизация воссоздания управления контактным взаимодействием зубьев в рамках структурно-причинной модели с отражением эксплуатационных, конструктивных и технологических процессов работы зубчатого механизма, а также физико-механических свойств материала сердцевины и упрочненного слоя, которые формируются при изготовлении деталей, изображена на рис. 3.
В заключение следует отметить, что определение механических свойств стали 18Х2Н4МА, как в состоянии поставки и при изготовлении различных заготовок, так и в сочетании с термической обработкой применялись серийные технологические процессы по обеспечению качества продукции. Использование метода прототипа изготовления образцов обеспечивает непредвзятость разработанного метода управления стабильностью физико-механических свойств материала детали. Наглядно представлена нестабильность механических свойств (более 20 %) конструкционного материала в базе полуфабриката, поковки и штамповки при последующей термической обработке, в том числе, для стабилизации свойств материала. На основе результатов исследований и их обработки сформирована практическая структурно-причинная модель контактного взаимодействия зубчатых колес с аргументированной методикой по управлению стабильностью физико-механических свойств материала, позволяющая учесть параметры и упрочненного рабочего слоя, и сердцевины материала с учетом технологической наследственности изготовления детали, что возможно воплотить на производстве в рамках концепции цифрового двойника.
