Срок службы зубчатых муфт ограничивается скоростью износа ее зубьев.
Это изнашивание во многом зависит от смазки и типа возникающего износа. Вот некоторые факты, которые могут помочь вам избежать сбоев в соединении важнейших вращающихся частей машины.
Зубчатыми муфтами называют "зубчатые" соединения, так как они передают энергию от одного вала к другому с помощью эвольвентного профиля зубьев. Сходство между зубчатыми колесами и зубчатыми муфтами здесь заканчивается. Зубчатые муфты больше похожи на сплайны передач; но в отличие от сплайнов, муфты проектируются с относительно большим делительным диаметром, меньшей длиной зуба и большим зазором.
Для муфт характерно:
Коэффициент скорости всегда равен единице.
Входной и выходной валы фактически находятся на одной оси.
Схема зацепления не меняется, каждый зуб контактирует только с соответствующим зубом.
Существует относительное движение между зубьями в осевом направлении.
Так как муфты функционально отличаются от зубчатых передач, зубчатые муфты имеют свои собственные причины изнашивания, а также они имеют проблемы со смазкой, которые не встречаются в передачах.
Некоторые из этих особенностей являются предметом настоящей статьи.
ДВИЖЕНИЯ И СКОРОСТИ В ЗУБЧАТЫХ МУФТАХ
Рис. 1 представляет собой половину зубчатой муфты в повернутом состоянии. Также показано относительное положение всех зубьев. Эта иллюстрация показывает, что реальное относительное движение состоит из осевого колебательного движения и качения. Скорость колебательного движения имеет максимальное значение, которое определяется по формуле:
Vs = ω • α • R
где, Vs - максимальная скорость скольжения (дюйм/сек);
ω – угловая скорость (рад/сек);
α – угол перекоса (радиан);
R – радиусный шаг (дюйм).
Следующие численные примеры дают читателю представление о порядке величины скорости скольжения;
• Высокоскоростные муфты: 10 000 об/мин; 2ˊ смещение; R = 3 дюйма, Vs = 1,8 дюйма/сек.
Рис. 1- Развернутая схема перекоса зубчатой муфты
Рис. 2- Влияние смазки на скорость скольжения в зубчатой муфте
WAERRATE – СКОРОСТЬ ИЗНОСА
VUSCOSITY (SSUAT 210˚F) – ВЯЗКОСТЬ ПРИ 98˚С (4.63SSU= 1cCт)
MG/DAY – МИЛИГРАММ В ДЕНЬ
ИЗНОС В ЗУБЧАТЫХ МУФТАХ
• Стандартные муфты: 1800 об/мин; смещение 20ˊ; R - 3 дюйма, Vs = 3,3 дюйма/сек.
• Шпиндельные муфты: 900 об/мин, смещение 3˚; R - 3 дюйма, Vs = 15 дюйма/сек.
Скольжение является основной причиной износа или отказа муфты. Пределы скоростей скольжения можно найти в литературе2, и использовать при изготовлении муфт. Колебательное движение, с другой стороны, это движение, которое помогает в смазке зубьев и, как таковое, является желательным. Угол качания при движении равен углу смещения, и не зависит от скорости. Это колебательное движение позволяет шпиндельной муфте удовлетворительно работать при больших скоростях скольжения, но высокоскоростные муфты могут выйти из строя даже при пониженных скоростях. Так как на колебательное движение влияет смазка, скорость скольжения нельзя использоваться исключительно в качестве критерия условий работы муфты.
Рис. 3- Состояние муфты при разрушении
CUMULATIVEWEAR – НАКОПЛЕННЫЙ ИЗНОС
TEMPERATURE ABOVE AMBIENT – ВЫШЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
˚F – MG – ТЕМРАТУРА В ˚F – МИЛИГРАММЫ
DAYS - ДНИ
Рис. 4- Влияние изменения скорости на износ муфты
WEAR/ REVOLUTON - РАЗРУШЕНИЕ / ОБОРОТ
GRAMMS (x10-15) – ГРАММЫ (x10-15)
TANGENTIAL VELOCITY (IN/SEC) - ТАНГЕНЦИАЛЬНАЯ (КАСАТЕЛЬНАЯ) СКОРОСТЬ (ДЮЙМ /СЕК)
Рис. 5 - Скорость износа муфты в зависимости от скорости
GRAMMS / YEAR – ГРАММ / ГОД
RPM - ОБОРОТЫ В МИНУТУ
СМАЗКА ЗУБЧАТЫХ МУФТ
Зубчатые муфты требуют смазки, чтобы предотвратить быстрый износ, который может быть вызван нормальными силами и относительным скольжением. Двумя наиболее распространенными методами смазки является смазка отдельными партиями и смазка непрерывным потоком. При смазке партиями, муфты при установке заполняются жидкой или густой смазкой. Муфты (для пакетного смазки) имеет затвор, который выполняет двоякую роль сохранения смазки и предотвращения попадания внутрь загрязняющих веществ. Со временем, смазка или ухудшается или просачивается, следовательно этот вид муфт требует периодической смазки. Непрерывная смазка имеет ряд преимуществ. Она охлаждает муфту и, следовательно, позволяет работать при высоких температурах. Кроме того, муфты могут быть привязаны к той же системе смазки, что и другие соединения в машине. При этом типе связи смазки, однако, должны быть приняты меры предосторожности для предотвращения попадания загрязняющих веществ в смазку и их накопления вокруг зубьев муфты под действием центробежной силы. 3
ИЗНОС ЗУБЧАТЫХ МУФТ
В надлежащих условиях эксплуатации и при хорошей смазке, зубчатых муфт может удовлетворительно работать в течение многих лет. Хорошие гидродинамические пленки смазки, вряд ли будут получены в результате колебательного движения с малой амплитудой, которая свойственна большинству зубчатых муфт. Тем не менее, с помощью больших центробежных сил возможно обеспечить полное погружение в смазку зубьев в смазку. При неправильной эксплуатации или не соблюдении условий смазки возникает износ схватывания, и муфта становится неработоспособной в сравнительно короткие сроки.
Вязкость смазочного материала оказывает существенное влияние на скорость износа, особенно на низких и средних скоростях. На протяжении многих лет считалось, что высокая вязкость желательна.4 Исследования влияния вязкости смазки на износ муфты был недавно проведен автором. Результаты приведенные на рис. 2 показывают, что высокая вязкость смазки может существенно уменьшить износ. Единственным исключение рассмотрено далее. Износ может повлиять на производительность муфты по двум направлениям:
На сколько уменьшается толщина зуба при износе, на столько уменьшается его прочность. Коэффициент безопасности, учитываемый при конструировании, позволяет муфте по-прежнему передавать крутящий мо-мент даже с тонкими зубьями. Тем не менее, при неправильной эксплуатации или при плохих смазочных условиях, зубья могут стать настолько тонкими, что выходят из строя.
Многие конструкторы зубчатых муфт воспользоваться этими советами и добавили в зубчатую втулку плавающий элемент. Когда муфта работает на высокой скорости, она должна быть динамически сбалансирована, и для правильного баланса плавающей элемент имеет решающее значение. При нормальных условиях, рекомендуется такую зубчатую втулку не использовать, потому что центробежные силы в обойме создают очень маленькие зазоры между зубьями зубчатой втулки и обоймы. Однако, если загрязняющие вещества, в частности вода, попали вовнутрь муфты, они могут разъедать зубья зубчатой втулки и, следовательно, увеличивать зазор. В результате увеличение дисбаланса может потребовать замены муфты, даже несмотря на то, что возможность передачи крутящего момента не была нарушена.
Износ относительно высокий в период разрушения любой муфты. В зависимости от точности изготовления, не все зубья в равной степени участвовать в передаче крутящего момента в течение первых часов работы, поэтому давление на зуб не одинаково по всей делительной окружности. Зубья, имеющие высокие давления на поверхности, как правило, изнашиваются быстрее, чем остальные. Поскольку эти зубья изнашиваются, другие зубы передавать больший крутящего момента, а суммарная скорость износа постепенно уменьшается. В конце концов все зубья передают крутящий момент в равной степени и скорости износа становится постоянной. Рис. 3 представляет собой варианты износа и рабочую температуру в первые дни работы муфты из углеродистой стали не имеющей термической обработки.
Завершение процесса приработки можно легко заметить. Для муфт с твердой поверхностью зубьев, продолжительность приработки длиннее, и можно наблюдать высокие первоначальные температуры. Это объясняется, более высокой износостойкостью поверхностей и искажениями, которые обычно происходят во время термической обработки, что еще больше уменьшает число зубьев, находящихся в контакте в первоначальный момент времени работы муфты. В дополнение к твердости поверхности и перекосу, скорость работы муфты оказывает существенное влияние на износ. Рис. 4 показывает зависимость износа за один оборот от линейной скорости на делительном диаметре. Тот же график показывает зависимость износа от оборотов в минуту, для одной конкретной муфты, как показано на рис. 5. Он позволяет увидеть, что муфты будет работать дольше, а скорость вращения увеличивается.
ИЗНОС ПРИ НИЗКИХ СКОРОСТЯХ
Производители зубчатых муфт и многие нефтяные компании рекомендуют использовать густую смазку на малых скоростях и твердые смазки на высоких скоростях. Иногда, однако, обслуживающий механик будет использовать жесткую смазку в муфте работающей на малой скорости, как следствие, с быстрым износом. Для того, чтобы определить, точнее, когда необходимо переходить от жестких к густым смазкам, было проведено исследование, в котором муфты различных размеров были смазаны жесткой смазкой и работать на скорости, которая постепенно уменьшалась. Когда скорость опустилась ниже заданной, износ резко изменился, и муфта быстро вышла из строя. Внешний вид зуба муфты, которая работала в этих условиях показана на рис. 6. Была разработана эмпирическая формула, который дает минимальную скорость, при которой муфту необходимо смазывать жесткой смазкой (коэффициент проникновения меньше, чем 310), она может работать и не страдать от этого типа быстрого износа.
где, N – скорость муфты (об/мин)
Было установлено экспериментально, что быстрое разрушение на низких скоростях, не зависят от момента, перекоса зубьев и их геометрии, но процесс износа может быть замедлен при упрочнении зубьев. Было также установлено, что этот тип отказа является очень быстрым когда используемая смазка содержит более 8% мыла.
Рис. 6 – Разрушение зуба в результате работы муфты, смазанной жесткой смазкой, на слишком низкой скорости
Рис. 7 - "Червячный след" на разрушенной детали
Рис. 8 - "Червячный след" при выходе из строя сопрягаемых деталей
ИЗНОС В ЗУБЧАТОЙ МУФТЕ
Рис. 9 – Схема, иллюстрирующая конгруэнтности в разрушениях в виде "червячного следа"
Рис. 10 – Выкрошенный металл на поверхности зуба
РАЗРУШЕНИЯ В ВИДЕ «ЧЕРВЯЧНОГО СЛЕДА»
На протяжении многих лет, особый тип повреждения поверхности зубьев вызывал недоумение пользователей муфт. Из-за странного вида разрушения, этот тип износа известен как "червячный след". Рис. 7 иллюстрирует зубья муфты с «червячным следом». Проблема была подробно изучена ВМС США,5 и был сделан вывод, что "разрушение в виде червячного следа происходит, когда скорость скольжения попадает в диапазоне от 5 до 8 кадров в секунду".
В том же докладе говорится: «Исследование показало, что появление червячного следа на муфте является следствием усталости металла; точный механизм его образования остается тайной. Наша оценка муфты поврежденной в процессе эксплуатации, а также наши лабораторные эксперименты, пролили свет на механизм образования червячного следа».
Рис. 11 - Механизм образования "червячного следа"
Рис. 12 - Разрез "втулки"
Первый поразительный факт наблюдаемый при анализе числа разрушенных муфты в том, что червячные следы всегда перпендикулярны к направлению относительного движения, и что они всегда появляются на обоих сопрягаемых поверхностях обоймы и зубчатой втулки. Эти червячные следы равны, как показано на рис. 8 и 9. Червячные следы появляются не постепенным стиранием, а путем смещения больших кусков металла. Рис. 10 иллюстрирует такой кусок металла, отслоенный у торца одного зуба.
Механизм образования червячного следа последовательно показан на рис. 11. положение "а" показывает, что два зуба зацепления сопрягаются. Это положение не было определено, что вызывает схватывание, но это, вероятно, из-за неправильного сочетания смазки и условий перекоса.
О локализация высоких температур, которые породили схватывание свидетельствует изменение цвета зубов. Схватывание сильно сдерживает движение между частями муфты, что, в свою очередь, вызывает вибрации в системе. Имитационные испытания продемонстрировали это явление, а короткий срок схватывания был проконтролирован с помощью акустических, температурных и фрикционных измерений, а также электрических измерений сопротивления между зубьями.1
В рамках этого необычного состояния высокие силы сдвига генерируются в сварной шов. Как следствие, поверхностные трещины появляются на том или ином зубе (последовательность "б"), в конце концов трещины встречаются, как показано в последовательности "c." Часть от первого зуба, следовательно, передается в другую, имеющие вид "горба". Разделение происходит через "горб" показанный на рис. 12. Поверхностные трещин и зону схватывания можно легко заметить. Этот горб по-прежнему препятствует относительному движению зубьев, и он подвергается быстрому удару с обеих сторон. Возможны три случая:
При определенных условиях, горб буквально из экструдируется между зубами, как показано на рис. 7.
Если трещины под горбом достаточно глубокие, горб, освобождается от зубов, как показано в последовательности " d " и " e " на рис. 11. Последовательность " d " также может быть проиллюстрирована на рис. 13. Под действием центробежных сил, освободившийся кусок металла выходит в радиальном направлении и, в данном случае, червячный след распространяется по зубу зубчатой втулки.
Рис. 13 - Частица попавшая в след износа
Возможно также, что освободившийся кусок металла остается между зубьями, пока муфту не разберут.
Все червячные следы в муфте, которые отметил автор, подтверждают этот механизм формирования. Была проведена работа в нашей лаборатории, чтобы определить условия, которые порождают образование червей. В экспериментах, выполненных на сегодняшний день, мы получили червячный след только тогда, когда условия смазки были неправильными.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Скорость оказывает существенное влияние на износ муфты: высокая скорость снижает износ, в то время как низкие скорости могут в сочетании, с некоторыми смазочными материалами, привести к отказу муфты. Мы можем лишь заключить, что увеличение скорости вращения помогает в улучшении условий смазки. Червячные следы вызваны очень локализованным схватыванием, как таковую скорости скольжения в одиночку нельзя обвинить в такого рода разрушениях. Вполне вероятно, что червячный след вызван сочетанием неблагоприятных моментов, несбалансированностью и скоростью скольжения. Так как мало что можно сделать с крутящим момент и, так как выравнивание перекоса часто невозможно, лучший способ, чтобы избежать появления червячных следов это улучшение смазки. Это может быть сделано либо путем использования большего количества смазки в муфте, или с помощью лучшего качества смазки.
Calislrat.M.M., Koppers Co.Inc., Baltimore, Md.
