Г.И. МИХАИЛОВ,
ведущий эксперт, АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ», г. Коломна)
Решение сложных научно-технических задач не может обойтись каким-либо одним простым техническим решением без соответствующей технологической поддержки, глубоких теоретических и экспериментальных исследований. Это наглядно продемонстрировал опыт внедрения зацепления Новикова в тяговых передачах локомотивов во второй половине XX века. Его широкое применение могло бы обеспечить высокую несущую способность и долговечность зубчатых передач тяговых приводов подвижного состава железных дорог, стать основой для дальнейшей масштабной работы в области железнодорожного машиностроения. Однако возможности изобретения до конца реализованы не были. История тягового привода с зацеплением Новикова, полученные результаты эксплуатации — в публикуемом материале.
В середине 1950-х годов научным сотрудником Военно-воздушной академии (ВВИА) им. Н.Е. Жуковского инженер-полковником М.Л. Новиковым были теоретически обоснованы и экспериментально доказаны преимущества разработанной им передачи с новым видом зацепления (рис. 1), по сравнению с известной цилиндрической эволь-вентной передачей внешнего зацепления.
Особенность новой передачи заключается в том, что в сечении плоскостью, перпендикулярной осям колес, линия зацепления теоретически обращается в точку, и зубья касаются друг друга только в момент прохождения профилей через эту точку, а непрерывность передачи вращательного движения обеспечивается винтовой формой зубьев, при которой точка их контакта перемещается вдоль линии, параллельной осям колес.
Точечный контакт зубьев обуславливает меньшую чувствительность передачи к перекосу валов. Поскольку основным видом относительного движения зубьев является их перекатывание по длине, потери на трение значительно меньше, чем в эволь-вентном зацеплении. В указанном сечении могут взаимодействовать профили зубьев с очень малой разницей радиусов кривизны, что в сочетании с большими радиусами кривизны соприкасающихся поверхностей в продольном сечении зубьев в реальности обеспечивает большие размеры пятна контакта и, следовательно, малое удельное давление, благоприятные условия смазки, а также приводит к увеличению передаваемой мощности в 1,7 — 2 раза по сравнению с эвольвентной косозубой передачей.
С учетом этих преимуществ, Постановлением Совета Министров СССР от 09.11.1960 № 1170 поручалось всем министерствам и ведомствам активно внедрять новую передачу в машины и оборудование исходя из ведомственной специализации. В ответ на этот призыв за последующие три года появилось множество разработок передач с зацеплением Новикова для разного рода машин. По некоторым данным к тому времени освоением передач Новикова занимались уже более трехсот организаций.
Кроме упомянутой ВВИА им. Н.Е. Жуковского, наибольших успехов добились Научно-исследовательский институт «Редуктор» (НИ И Редуктор), Новокраматорский машиностроительный завод (НКМЗ), Электростальский завод тяжелого машиностроения (ЭЗТМ), Горловский, Донецкий и Александровский заводы горно-шахтного оборудования, Бакинский научно-исследовательский институт нефтяного машиностроения, Горьковский автомобильный завод, Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт горного и обогатительного машиностроения (НИПИГОРМАШ) и ряд других предприятий и организаций.
В локомотивостроительной отрасли также были развернуты работы по оснащению ряда тепловозов и электровозов (табл. 1) тяговыми передачами с зацеплением Новикова. В публикуемом материале, состоящем из трех частей, приведена ретроспектива опытно-конструкторских работ по созданию тяговых передач для тепловозов с электро- и гидропередачами и электровозов. Как и в серийном исполнении, на тепловозах были применены односторонние опытные тяговые передачи, а на электровозах — двухсторонние.
ОПЫТНЫЕ ПЕРЕДАЧИ С ЗАЦЕПЛЕНИЕМ НОВИКОВА НА ТЕПЛОВОЗАХ
С ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧЕЙ
Во Всесоюзном научно-исследовательском тепловозном институте (ВНИТИ, ныне АО «ВНИКТИ», г. Коломна) еще в 1956 г. (первом году функционирования института) приступили к исследованию свойств и определению эффективности применения тяговой передачи с зацеплением Новикова в опорно-осевом приводе грузового тепловоза. При этом преследовались сразу несколько целей — повышение долговечности передачи; замена легированных сталей, из которых изготавливали зубчатые колеса с эвольвентным контуром, на более дешевые углеродистые, соответственно, упрощение технологии их изготовления за счет отказа от цементации, закалки и шлифования ввиду отсутствия необходимости высокой твердости зубьев.
Первая опытная тяговая передача с зацеплением Новикова с контуром «ВВИА-60» с одной линией зацепления (ОЛЗ) была спроектирована по рекомендациям самого автора М.Л. Новикова уже в конце 1956 г. применительно к приводу тепловоза ТЭЗ в габаритах штатной эвольвентной передачи (aw=468,8 мм, bw = 140 мм), с углом наклона р = 32,6°, торцевым модулем m = 10,19 мм. Радиус кривизны выпуклого зуба составлял 16 мм, радиус кривизны вогнутого 17 мм. Их толщины по начальной окружности составляли 20 и 12 мм, угол давления aG = 25°. Во избежание осевых сил передачу выполнили шевронной, из нормализованной стали марки 45 твердостью НВ 180 ... 200. Нарезание зубьев осуществлялось пальцевыми фрезами на станке 5А342 на Коломенском заводе тяжелых станков (КЗТС).
На стенде с замкнутым контуром нагружения во ВНИТИ были проведены сравнительные испытания на контактную прочность серийной прямозубой эвольвентной передачи тепловоза ТЭЗ (модуль 10 мм, 17 и 75 зубьев) и опытной шевронной передачи с зацеплением Новикова (при постоянной частоте вращения ведомого вала 270 об/мин, что соответствует скорости тепловоза 60 км/ч).
Нагрузка (окружное усилие на зуб) ступенчато повышалась от расчетной (20,5 кН), предельной по контактной прочности для эвольвентных зубчатых колес заданной твердости, до стадии возникновения прогрессирующего выкрашивания зубьев, приводящего к их поломке. Длительность ступени нагружения составляла 3 — 5 млн циклов. В результате стендовых испытаний было выявлено, что шестерни с зацеплением Новикова (исходного контура «ВВИА-60») по контактной прочности в 5 раз, а по износостойкости в 2 раза выше прочности аналогичных по материалу и твердости эвольвентных шестерен.
Показатели изгибной прочности шестерен двух видов зацеплений (Новикова и эвольвентных) были определены путем исследований в поляризационной установке нагруженных моделей торцевых профилей зубьев, изготовленных из оптически активного материала, показавших, что напряжение у корня зубьев шестерен с зацеплением Новикова почти в два раза ниже, чем у эвольвентных. Кроме того, зубья обоих зубчатых колес в передаче Новикова оказались равнопрочны, тогда как концентрация напряжений у корня эвольвентной шестерни оказалась значительно выше, чем у колеса.
С целью уточнения данных о работоспособности шевронной тяговой передачи с зацеплением Новикова в условиях нестабильности межосевого расстояния из-за износа вкладышей моторно-осевого подшипника (МОП), действия динамических нагрузок, перекосов зубьев и упругих деформаций оси с июля 1960 г. в течение двух лет проводились эксплуатационные испытания передач Новикова на тепловозе ТЭЗ на Северо-Кавказской железной дороге. Для этого в июне 1960 г. на Луганском тепловозостроительном заводе (ЛТЗ) две опытных шевронных тяговых передачи с зацеплением Новикова (нормальный модуль 8,6 мм; 17 и 75 зубьев; угол наклона зубьев 32,12°; сталь 45; твердость зубьев НВ 200 ... 250) были установлены в колесно-моторный блок (КМБ) на двух крайних колесных парах (КП) трехосной тележки секции «Б» тепловоза ТЭЗ-2768.
Опытная передача сравнивалась по работоспособности с серийной прямозубой эвольвентной передачей (модуль 10 мм, 17 и 75 зубьев, ширина 140 мм), в которой шестерни были изготовлены из стали 12Х2Н4А (твердость зубьев НВ 500 ... 600), колеса из стали 45ХН (твердость зубьев НВ 450). Серийные передачи были в остальных четырех КМБ секции тепловоза. Все передачи имели межосевое расстояние 468,8 мм, передаточное число 4,412. Перед отправкой тепловоза были проведены обмеры толщин зубьев, диаметров шеек осей и вкладышей МОП для определения их износа и контроля зазоров в процессе эксплуатации.
Через три месяца работы тепловоза ТЭЗ-2768 в пассажирском движении (на участке Дербент — Грозный — Минеральные Воды) и достижении пробега 37570 км, в депо
Грозный был проведен первый визуальный осмотр передач, совмещенный с текущим ремонтом тепловоза. Осмотр показал, что зубья опытных колес и шестерен приработаны по всей длине, их состояние хорошее (рис. 2), впрочем, как и состояние всех четырех серийных эвольвентных зубчатых передач.
После ремонта тепловоз ТЭЗ-2768 был передан в депо Гудермес для вождения грузовых поездов на напряженных участках Гудермес — Астрахань и Гудермес — Невинномысская Северо-Кавказской дороги. В процессе эксплуатационных испытаний были проведены еще два комиссионных осмотра опытных шестерен с необходимыми замерами толщин зубьев и зазоров МОП. В них принимали участие представители ВНИТИ (М.П. Троицкая, А.П. Маньшин), депо Гудермес (В.А. Штильман, Л.П. Кравченко, П.А. Смоляков), ЛТЗ (Р.М. Роберман, С.М. Никитин, А.С. Рылин) и ВВИА им. Н.Е. Жуковского (инженер-подполковник В.А. Чесноков).
Завершение эксплуатационных испытаний было приурочено к плановому подъ-емочному ремонту тепловоза. Испытания закончились в феврале 1962 г. после пробега 299167 км. За период пробега зубья ведущих шестерен получили 400 млн циклов нагружений, зубья ведомых колес — 91 млн циклов (за цикл принят один оборот). Последние находились в хорошем состоянии: контактные поверхности были гладкие, без следов усталостных повреждений, приработаны по всей длине зубьев (рис. 3). Ведущие шестерни имели значительный износ поверхностей зубьев, доходящий на вершинах до заострения, на некоторых вершинах даже наблюдались вырывы металла. На этих передачах зазоры в МОП скольжения достигали 1,2 мм с одной стороны (со стороны коллектора) и 1,65 мм с другой (табл. 2).
Прямозубые эвольвентные колеса серийного исполнения находились в удовлетворительном состоянии, но на шестой колесной паре зубья шестерни имели незначительные повреждения на 1/3 своей длины, а на сопряженном ведомом колесе зубья имели осповидные усталостные выкрашивания на половине длины и почти по всей высоте зубьев (зазоры в МОП составили 0,9 ... 1,0 мм). Износы зубьев на двух опытных шестернях приводов первой и третьей КП составили 4,07 и 4,67 мм, на колесах — около 1 мм, тогда как износ более твердых эвольвентных зубьев (на четвертой и шестой КП) составил 0,33 и 0,5 мм на шестернях и 0,32 и 0,17 мм на колесах.
В результате эксплуатационных испытаний опытной тяговой передачи на тепловозе ТЭЗ были сделаны три основных вывода:
- передача Новикова менее чувствительна к воздействию динамических нагрузок, перекосам осей и деформациям, имеющимся при работе тягового привода, по сравнению с серийной эвольвентной передачей; передача Новикова не столь чувствительна к нарушению межосевого расстояния (несмотря на заметный износ МОП);
- передача обладает высокой несущей способностью и может изготавливаться из
- углеродистых сталей средней твердости, что снижает трудоемкость и стоимость изготовления передач (вместо легированных сталей с высокой твердостью после химикотермической обработки);
- зубья с твердостью менее НВ 200 имеют заметно больший износ, чем серийные эвольвентные твердостью порядка НВ 600, ввиду повышенного коэффициента перегрузки.
- На основании полученных данных было рекомендовано для обеспечения износостойкости повышение твердости зубьев ведущих шестерен до НВ 320 ... 345, ведомых до НВ 230 ... 245, с соблюдением коэффициента перегрузки на уровне 3,0 ... 3,5.
Рекомендовалось также расширить объем исследований передач Новикова на стендах и в эксплуатации, в том числе с применением МОП качения, причем как в опытных приводах, так и в приводах с эвольвентны-ми передачами.
После завершения первых испытаний на тепловозе ТЭЗ опытных образцов передачи Новикова с заполюсным зацеплением (с контуром «ВВИА-60») были развернуты работы по дальнейшему исследованию и совершенствованию тяговых передач, которые привели к реализации контура с двумя линиями зацепления (ДЛЗ). Являясь одной из модификаций зацепления Новикова, до-заполюсная передача, имея две линии зацепления, всегда имеет коэффициент перекрытия более 2, что является явным ее преимуществом перед передачей с ОЛЗ. Благодаря большей высоте, зубья передачи с ДЛЗ более податливы, что способствует их лучшему прилеганию в многопарном зацеплении и компенсации погрешностей профиля и шага, полученных при изготовлении.
Для приводов тепловозов ТЭЗ и 2ТЭ10Л с межосевым расстоянием 468,8 мм конструкторами ВНИТИ в 1962 г. были выполнены расчеты и разработаны чертежи тягового редуктора с передаточным числом 4,93 (два косозубых колеса с числами зубьев z? = 16 и z2 = 79, нормальным модулем тп = 9 мм, углом наклона зубьев р = 23,8°, шириной зубчатых колес b = 90 мм). Были предусмотрены два варианта исполнения редукторов с разными исходными контурами — «ВВИА-60» (ОЛЗ) и «Урал-2Н» (ДЛЗ). Для проведения стендовых испытаний были изготовлены три редуктора: два с исходным контуром «ВВИА-60» и один с контуром «Урал-2Н», содержавших зубчатые колеса из сталей 45 и 40Х, прошедших улучшение до твердости НВ 300... 320, без шлифования зубьев. Варианты исполнения редукторов опытных и серийного (эвольвентного) представлены в табл. 3.
Для разгрузки от действия осевых сил, возникающих в зацеплении косозубых колес, были применены специальные упорные (гребневые) шайбы из стали 38ХМЮА, установленные с обеих сторон шестерни и замыкающие на себя осевые силы при взаимодействии с торцами колеса (рис. 4).
Контактирующие поверхности шайб и торцов колес были выполнены коническими (с углом наклона у = 0,5...2°) для лучшего обеспечения гидродинамического (жидкостного) трения. Их контактирующие поверхности подвергли азотированию до твердости HRC 60...62. Шайбы насаживали на шестерни методом горячей посадки (нагреванием в масляной ванне до 160 °C) с натягом 0,18 ... 0,20 мм.
Изготовление зубчатых колес осуществлялось по чертежам, разработанным во ВНИТИ (Э4.00.001.Шестерня и Э4.00.002. Колесо). Нарезание зубьев выполнялось в механическом цехе ВНИТИ на станке 5К326 (ЕСЗ «Комсомолец») червячными фрезами с исходным контуром «ВВИА-60», изготовленными Московским инструментальным заводом (МИЗ) по чертежам ВНИТИ. Нарезание осуществлялось с глубиной чернового фрезерования до 8 мм, чистового — до 0,6 мм (с подачей 0,6 мм/об, скоростью нарезания 50 ... 60 м/мин), причем нарезание шестерни (модуль 9 мм, 17 зубьев) занимало 9 ч, колеса (79 зубьев) — около 20 ч машинного времени.
Стендовые испытания, проведенные во ВНИТИ на стенде СТ51 по схеме замкнутого контура из двух кинематически связанных редукторов, один из которых работает в режиме редуктора, а другой в режиме мультипликатора, преследовали цель получения данных о работоспособности упорных шайб при восприятии осевых усилий в двух наиболее тяжелых режимах работы тепловоза — длительном и трогания. После 1,3-107 циклов (для шестерни) испытаний редукторов под действием на зубья окружной силы 50 кН (80 % от номинальной) контактные поверхности упорных шайб и зубьев были в хорошем состоянии: площадь контакта была равномерной, на шайбах она занимала около 50 % рабочей высоты. Испытания при номинальной нагрузке Рокр = 62,7 кН, соответствующей нагрузке длительного режима тепловоза, не изменили состояния контактирующих поверхностей упорных шайб. При этом общая площадь контакта составила порядка 80 %.
Износ шайб (по их толщине) определялся методом накерненных конических лунок (с углом вершины конуса керна, равном 140°). Несмотря на значительные осевые усилия (около 43,2 кН), воспринимаемые упорными шайбами, случаев нарушения прочности тепловой посадки упорных шайб не произошло. Задиров, прихватов или других дефектов обнаружено не было. За полное время испытаний (3,43-107 циклов, эквивалентных 113000 км пробега тепловоза) износа упорных шайб не было, хотя работа их протекала при нагрузках, значительно превышающих рабочие нагрузки на тепловозе. Износ контактных поверхностей торца зубчатых колес составил не более 0,1 мм.
После испытаний при номинальной нагрузке в течение 2,2-106 циклов на вершинах вогнутых зубьев опытных колес появился начальный питтинг, распространенный на 50... 75 % длины зубьев. Величина отдельных раковин от выкрашивания со стороны подшипников составляла 1,5 ... 2,0 мм, а по мере удаления от опор их размер уменьшался до еле заметной величины, остальная рабочая часть зубьев имела блестящую гладкую контактную поверхность. Шестерни имели полный контакт по длине и высоте зубьев, но на ножках зубьев были обнаружены начальные раковины выкрашиваний, составлявшие цепочку, вытянувшуюся вдоль одного края со стороны опор, размерами 2 ... 3 мм, постепенно уменьшаясь до точек.
В то же время на двух шестернях (из шести) со стороны опор имелись раковины размерами от 5 до 12 мм. После увеличения нагрузки (окружной силы) на 25 % до почти 80 кН (в течение 80 ч) на шестернях появилось наползание металла на вершины зубьев, загладившие питтинг. На зубьях колеса раковины размером 1,0... 1,5 мм были сосредоточены у вершин вогнутых сторон зубьев. При нагрузке 98 кН (160 % от номинальной) испытания длились в течение 6,3-106 циклов (подсчет по шестерне) на прежних скоростях тихоходного вала 50 и 350 об/мин. К концу испытаний температура редукторов повысилась до 80... 98 °C, заметно усилились шум и вибрация корпусов. Осмотр показал, что их причиной явилось усталостное выкрашивание зубьев, образовавшиеся раковины достигли значительных размеров (рис. 5), провоцируя развитие усталостных трещин.
В 1965 г. был завершен этап испытаний опытных редукторов с упорными шайбами. По результатам был сделан вывод о целесообразности применения упорных шайб в тяговой односторонней передаче с зацеплением Новикова, что позволило отказаться от шевронных зубчатых колес и упорных подшипников, существенно упростить технологию изготовления и повысить точность зубчатых колес. Также был сделан вывод о том, что косозубая передача Новикова с исходным контуром «ВВИА-60», с уменьшенной со 140 до 90 мм шириной зубчатых колес и твердостью зубьев НВ 290 ... 320 имеет достаточную контактную и изгибную прочность при работе на режиме длительной скорости тепловоза (рокр = 6270 КГС' Мш = 495 КГС'М>-Завершение данного этапа работ совпало «Эс выпуском Приказа Государственного комитета тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения при Госплане СССР от 03.04.1964 г. № 79, в котором была дана оценка проведенных в отрасли работ, выполненных, в частности, в Центральном научно-исследовательском институте технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ), НИПИГОРМАШ, Научно-исследовательском и проектно-технологическом институте по автоматизации и механизации машиностроения (НИПТИМАШ) и др., в основном с использованием первичного исходного контура «ВВИА-60», с заполюсным зацеплением (с ОЛЗ).
В целях активизации и повышения эффективности работ предлагалось перейти к освоению передач Новикова с более совершенным дозаполюсным зацеплением и до разработки единого исходного контура для разработки новых передач использовать исходный контур «Урал-2Н», разработанный в НИПИГОРМАШ. В связи с этим Свердловскому инструментальному заводу (СИЗ) поручалось обеспечить предприятия режущим инструментом. Выделялись средства для проведения опытных работ, в том числе на усиление отдела механических передач НИПИГОРМАШ. В соответствии с Приказом и последовавшими рекомендациями Научно-исследовательского и проектно-технологического института машиностроения (НИИПТМАШ) работы по передаче Новикова были скорректированы в сторону освоения передач с ДЛЗ.
Вскоре вышло еще одно специальное Постановление Государственного комитета по науке и технике при Совете Министров СССР от 03.02.1966 «О состоянии и перспективах внедрения зубчатых передач с зацеплением Новикова в народное хозяйство СССР», в котором, с целью ускорения получения результатов, было рекомендовано «считать важнейшей задачей определение возможности эффективного применения дозаполюсных передач Новикова с твердыми поверхностями зубьев взамен эвольвентных с твердыми зубьями путем выпуска опытных узлов на основе расчетов без обязательных длительных сравнительных испытаний».
Откликом на указанные документы стал новый вариант тяговой передачи Новикова с контуром «Урал-2Н» (ДЛЗ), который был разработан и изготовлен во ВНИТИ, где шестерня (черт. РЛ233.00.000) была из стали 40Х, а колесо (черт. РЛ234.00.000) из стали 45. Передача предназначалась для грузового тепловоза 2ТЭ10Л. Параметры зубчатых колес передачи указаны в табл. 4. Заготовки (поковки) после предварительной механической обработки подвергали улучшению до твердости НВ 290 ... 320. Затем следовали окончательная обработка и нарезание зубьев червячными фрезами (завода СИЗ) на станке 5К326 во ВНИТИ. Контроль точности нарезания зубьев проводился по глубине врезания инструмента, а в сборе передача проверялась по расположению двух контактных полос (на расстояниях от 0,3 до 0,5 рабочей высоты зуба), проявлявшихся в ходе обкатки передачи (приработки для закатывания микронеровностей) в течение 20 ч.
Испытания передачи, как и прежде, проводились на стенде СТ51 с замкнутым контуром нагружения, с нагрузками (в долях окружной силы Рокр и момента на шестерне Мш) на режимах:
> номинальной нагрузки, соответствующей длительной скорости тепловоза и допускаемой по контактной прочности зубьев (при Рокр = 61,1 кН, Мш = 4,82 кН-м);
> нагрузки, соответствующей моменту трогания тепловоза и предельной по контактной прочности зубьев (Рокр = '\,25-РН0М = 76,81 кН, Мш = 6,1 кН-м);
> Рокр = 1,6-РН0М = 96,1 кН, Мш = 7,6 кН-м.
На каждом режиме нагружения испытывали 3 пары зубчатых колес с базой испытаний (по шестерне 107 циклов, на колесе соответственно, 2-Ю6 циклов). Как показали результаты испытаний, зубчатые передачи с контуром «Урал-2Н» (рис. 6) обеспечивают надежную, без усталостных повреждений, работу при нагрузках, на 25 % превышающих номинальную, соответствующую моменту трогания тепловоза.
По результатам испытаний было подтверждено преимущество передачи с контуром «Урал-2Н» по несущей способности в 1,25 — 1,3 раза и по темпам износа по сравнению с передачей с контуром «ВВИА-60» (ОЛЗ). Также были сделаны выводы о том, что передача с ДЛЗ обеспечивает надежную работу при нагрузках, соответствующих моментам (Мш) 6,1 и 4,82 кН-м, но не обеспечивается равнопрочность шестерни и колеса — шестерня не выдержала нагрузки при Мш = 7,6 кН-м. В связи с этим рекомендовались увеличение модуля до 11 — 12 мм; высокий перепад твердости зубьев шестерни (с азотированием зубьев) и ко
леса (с улучшением), а также продолжение натурных стендовых испытаний по исследованию нагрузочной способности вариантов передачи Новикова (с ОЛЗ и ДЛЗ) и серийных эвольвентных передач. Однако в дальнейшем работы по тяговым передачам Новикова на тепловозах с электропередачей не были продолжены, а по распоряжению Министерства тяжелого и транспортного машиностроения были сосредоточены на тепловозах с гидропередачей.
