Библиографическое описание:

Динь Л. Д., Мамонтов В. А. Исследование влияния качества цементованного слоя на эксплуатационные характеристики зубчатых колес // Молодой ученый. — 2013. — №11. — С. 90-92.

В данной работе проведено исследование влияния физических свойств цементованного слоя на прочность зубчатых колес. Основными параметрами, определяющими физические свойства слоя, являются модуль нормальной упругости, модуль сдвига, плотность и коэффициент Пуассона. Результаты исследования позволяют оценить их влияние на эксплуатационные характеристики зубчатых колес.

Ключевые слова: цементованный слой, модуль упругости, модуль сдвига, коэффициент Пуассона, плотность.

In this case research the influence of the physical properties of the cemented layer on the strength of gear-wheels. The main parameters determining the physical properties of the layer are normal elastic modulus, shear modulus, density and Poisson’s ratio. The results of the research allow to assess their impact on the operational characteristics of gear-wheels.

Keywords: cemented layer, elastic modulus, shear modulus, Poisson’s ratio, density.

Одним из наиболее ответственных деталей судовой энергетической установки является зубчатые колеса. Поэтому к ним предъявляются высокие требования по прочности, износостойкости и надежности в целом. С этой целью зубчатые колеса подвергаются поверхностному упрочнению. Выбор метода упрочнения зависит от материала детали и требуемой эксплуатационной характеристики детали. Зубчатые колеса, изготовленные из среднелегированных сталей типа 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН3А и подобных марок, подвергаются цементации. В результате цементации образуется цементованный (диффузионный) слой, отличающийся от сердцевины по химическому составу, структуре и свойствам.

Качество диффузионного слоя оказывает большое влияние на прочность детали. Влияние глубины слоя, распределения углерода, твердости и остаточных напряжений по слою на прочность деталей исследовано достаточно во многих работах Серенсена С. В., Когаева В.П., Сагарадзе В. С. и других авторов. Но при этом отсутствуют в литературе результаты исследования влияния физических свойств цементованного слоя на прочность детали. Поэтому в данной работе проведен анализ влияния физических свойств цементованного слоя на прочность зубчатых колес. Основными параметрами, определяющими физические свойства слоя, являются модуль нормальной упругости Е, модуль сдвига G, плотность ρ и коэффициент Пуассона μ.

Объектом исследования является зубчатое колесо модулем 6мм, изготовленное из среднелегированной стали 12ХН3А. Зубчатое колесо подвергается цементации на глубину 1,2 мм и последующей объемной закалке и низкому отпуску.

Для определения модуля Юнга в цементованных слоях использован метод ударного вдавливания сферического индентора. Предложенный метод основан на частном решении задачи Герца о динамическом контакте сферы и пластины в предположении отсутствия пластической деформации и релаксационных процессов в зоне соударения. По данному методу существует взаимосвязь между продолжительностью контакта индентора и пластины с геометрическими и кинетическими характеристиками соударяющихся тел.

Эта взаимосвязь выражается по формуле (1):

,                                 (1)

где: υu — скорость индентора в момент ударения;

mu, m — массы соответственно индентора и образца;

Ru — радиус индентора;

µu, µ — коэффициенты Пуассона соответственно для индентора и образца;

Еu, Е — модули упругости материала соответственно индентора и образца.

Учитывая, что коэффициенты Пуассона для стали различных марок незначительно отличаются друг от друга, а масса индентора существенно меньше массы образца, формула (1) после сокращения имеет следующий вид:

,                                                                (2)

Отсюда следует, что:

,                                                                         (3)

В формуле (3) известны характеристики индентора (mu,Eu,Ru), а скорость в момент соударения vи ивремя упругого взаимодействия tkопределены экспериментально. Значение модуля упругости Е цементованного слоя определяется по формуле (3), которое равно 180*109 Па (модуль упругости Е стали 12ХН3А — 204*109 Па [1]).

Модуль сдвига G определяется через Е по формуле сопротивления материалов:

,                                                                                                            (4)

где μ — коэффициент Пуассона цементованного слоя.

В процессе цементации происходит диффузия углерода в глубь детали, в результате которого увеличивается содержание углерода в поверхностном слое до 1 % и приводит к снижению плотности материала. Так как снижение плотности цементованного слоя незначительное, то в расчетах на прочность зубчатых колес можно пренебречь ее влиянием. Коэффициент Пуассона цементованного слоя и сердцевины детали один и тот же, и равен 0,28.

При работе на зуб действует сила, направленная под углом 200 к поверхности, перпендикулярной к оси зуба. Изгибные рабочие напряжения определены методом конечных элементов по программе FEMAP.

Описание: E:\Аспирантура\Конференция\Конференция 53\профиль зуба 1.png

Рис. 1. Схема расчета изгибных рабочих напряжений в корне зуба

В результате расчета определены значения изгибных рабочих напряжений с учетом и без учета влияния физических свойства цементованного слоя соответственно равные 487МПа и 518МПа.

Таким образом, данные расчета показывают, что учет физических свойств цементованного слоя материала позволяет увеличить рабочие изгибные рабочие нагрузки на зуб примерно на 5–6 %.

По данным исследования можно сделать вывод о том, что физические свойства цементованного слоя способствуют увеличению рабочих нагрузок и в конечном итоге надежности зубчатых колес в эксплуатации.

Литература:

1.      Зубченко А. С. Марочник сталей и сплавов. –М.: Машиностроение, 2003г. -784с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle