ОПЫТНЫЕ ТЯГОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ С ЗАЦЕПЛЕНИЕМ НОВИКОВА НА ЭЛЕКТРОВОЗАХ
Работы по применению тяговых передач с зацеплением Новикова на электровозах начались в 1962 г. с изготовления на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ) двух комплектов опытных образцов тяговых передач Новикова (модуль 11 мм, числа зубьев 21 и 81, межосевое расстояние 619,12 мм, угол наклона зубьев 25°1') с исходным контуром с двумя линиями зацепления (ДЛЗ, рис. 14).
Нарезание зубьев на НЭВЗ проводилось червячными фрезами производства Московского инструментального завода (МИЗ), причем шестерни — на станке 5А326, а колеса — на станке 5330. Контроль профиля и толщины зубьев выполнялся штанген-зубоме-ром и профилографом БП-020. Глубину врезания при формировании профиля зубьев контролировали по индикаторной головке, установленной на специальной траверсе, опирающейся на вершины зубьев. До испытаний проводилась приработка передачи в течение 12 ч при моменте 0,5МТР и окружной скорости 7 м/с.
Испытания опытных образцов выполнялись на стенде Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения (ВЭлНИИ, г. Новочеркасск) с замкнутым контуром на двух режимах (при моментах нагружения на колесе МТР и 1,5МТР с окружной скоростью 11 м/с) длительностью по 106 оборотов (циклов). Моменты нагружения задавались величиной момента трогания электровоза ВЛ60 МТР = 25,15 тс-м.
Поломка зуба шестерни (при нагрузке на зуб 6,4 тс) произошла после 4,5-106 циклов. Для уточнения показателей прочности были проведены отдельные испытания зубьев на изгибную прочность обоих видов передач. Зубья показали фактически одинаковую прочность, выдержав 0,675-106 циклов при коэффициенте асимметрии цикла г = 0,1.
При этом на эвольвентной шестерне возникли трещины у основания зубьев, направленные в обод. На шестерне передачи Новикова появился питтинг в околополюсной зоне вдоль всего зуба и наплывы металла на головках зубьев. Результаты испытаний передач Новикова сравнивали с данными испытаний серийной эвольвентной передачи (модуль 10 мм, числа зубьев 23 и 88, межосевое расстояние 617,5 мм, угол наклона зубьев 24°37'). После этого была назначена сравнительная проверка работы передач (с теми же параметрами) в эксплуатационных условиях.
В октябре 1962 г. НЭВЗ выпустил электровоз ВЛ60 с двумя комплектами опытных тяговых зубчатых передач с зацеплением Новикова с одной линией зацепления (ОЛЗ). Предполагалось сравнить новую передачу с серийной эвольвентной в условиях стабильного межосевого расстояния в зубчатой паре с использованием МОП качения. Тогда по проекту, разработанному ВЭлНИИ и НЭВЗ, на электровозе ВЛ60-801 на каждой из двух трехосных тележек, оборудованных колесно-моторными блоками (КМБ) с тяговыми электродвигателями (ТЭД) типа НБ-412Р, было установлено по две колесных пары (КП) с моторно-осевыми подшипниками (МОП) качения, а в двух КМБ на осях пятой и шестой КП были установлены опытные тяговые передачи с зацеплением Новикова и МОП качения (на остальных четырех КП — серийные двухсторонние косозубые эвольвентные передачи).
Колесные пары с МОП качения и передачами Новикова находились в опытной эксплуатации в депо Батайск Северо-Кавказской дороги до постановки электровоза ВЛ60-801 на ремонт при пробеге 315269 км. В ходе обследования опытных узлов после разборки всех колесных пар на НЭВЗ в конце 1965 г. было лишь одно замечание по посадке подшипников и общее замечание по всем лабиринтным уплотнениям — проникновение редукторной жидкой смазки в МОП.
После улучшения уплотнений эксплуатационные испытания продолжились на тех же колесных парах, но уже на электровозе ВЛ60-608 в депо Кавказская. При этом опытные МОП качения были установлены на первой, второй, пятой и шестой КП, а передачи Новикова только на крайних (первой и шестой) колесных парах.
Испытания МОП и опытных передач на электровозе ВЛ60-608 продолжались еще в течение 490 тыс. км (достигнув суммарного пробега 805 тыс. км), после чего КМБ были сняты по дефектам колесных пар, но при удовлетворительном состоянии всех подшипников и зубчатых передач (как штатных эвольвентных, так и опытных с зацеплением Новикова).
Этот опыт был признан успешным, поэтому такими же МОП со сферическими подшипниками в 1969 г. были оснащены КМБ с ТЭД типа НБ-418К на четырех электровозах серии ВЛ80К с эвольвентными зубчатыми передачами. Однако далее опытные работы с передачами Новикова на электровозах типа ВЛ60 и ВЛ80 продолжены не были. Вслед за проектом ВЭлНИИ и НЭВЗ, в 1964 г. Уральским отделением Центрального научно-исследовательского института Министерства путей сообщения СССР (УО ЦНИИ МПС, ныне Уральское отделение АО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта», УрО ВНИИЖТ) был выполнен проект тяговой передачи Новикова с дозаполюсным зацеплением для электровоза постоянного тока серии ВЛ22М (руководитель работ С.И. Проскуряков) с учетом высокого коэффициента перекрытия в передаче с ДЛЗ с исходным контуром «Урал-2Н», разработанным в Научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте горного и обогатительного машиностроения (НИПИГОРМАШ, г. Свердловск), который всегда больше двух единиц и в полтора раза выше, чем в передаче с заполюсным зацеплением (с контуром «ВВИА-60» с ОЛЗ).
К этому времени, по итогам предварительных исследований, проведенных с участием НИПИГОРМАШ и Научно-исследовательского и проектно-технологического института по автоматизации и механизации машиностроения (НИПТИМАШ), разработчики выяснили, что коэффициент перекрытия в зацеплении Новикова не зависит от диаметров колес, угла зацепления и высоты зубьев, как в эвольвентной передаче, а зависит от угла наклона зубьев, ширины колес и модуля передачи. Кроме того, в передаче с ДЛЗ он зависит еще и от радиуса выпуклой части исходного контура.
Исследования показали, что для передач с ДЛЗ с зубьями твердостью HRC 60 (а также HRC 45) наиболее эффективным для тягового привода по контактной и изгибной прочности является исходный контур с отношением радиуса выпуклой части к нормальному шагу, равным 0,25, а для передач с твердостью зубьев HRC 32 — с отношением 0,5.
При выборе исходного контура учитывалась чувствительность передачи к изменению межосевого расстояния, поскольку зазоры между осью колесной пары и вкладышами МОП скольжения при эксплуатации КМБ могут достигать 2,5 мм и межосевое расстояние в связи с этим может увеличиться на 1,25 мм. Проведенными в УрО ВНИИЖТ исследованиями было установлено, что с изменением межосевого расстояния площадки контакта перемещаются по высоте зубьев и изменяются в размерах, причем как на выпуклом, так и на вогнутом участках профилей зубьев. С увеличением этого расстояния площадка контакта уменьшается и перемещается ближе к зоне делительной окружности, а с уменьшением — увеличивается и удаляется от зоны делительной окружности в сторону центра зубчатого колеса на вогнутой части и в сторону вершины зуба на выпуклой части зуба.
На Челябинском электровозоремонтном заводе (ЧЭРЗ) были изготовлены опытные передачи, которые были установлены на проходившем там ремонт электровозе ВЛ22М (номер в архивах не сохранился) взамен серийных косозубых передач. При этом были сохранены числа зубьев, ширина венцов, все габариты и посадочные места штатной передачи. В отличие от заполюсной передачи (ОЛЗ) зубонарезание шестерен и колес производилось одной и той же фрезой, что является одним из преимуществ передачи с ДЛЗ. Технология изготовления опытных передач почти полностью соответствовала технологии серийной эвольвентной передачи. Изменился лишь режим нарезания зубьев — были уменьшены скорость вращения заготовки и глубина подачи фрезы. Зубья не термообрабатывались и не шлифовались, тогда как эвольвентные зубчатые колеса обязательно подвергались контурной закалке токами высокой частоты с последующей шлифовкой зубьев.
Эксплуатационные испытания данного электровоза ВЛ22М проходили в локомотивном депо Чусовская Свердловской дороги на участках сложного профиля с большим количеством уклонов и кривых малого радиуса. Осмотр передач проводился каждые три месяца. При осмотре после 160 тыс. км пробега было обнаружено, что распределение износа по высоте зуба на опытной и серийной передачах не одинаково. В эвольвентной передаче преобладал износ у вершины и основания зуба, а в опытной максимальный износ наблюдался в зоне делительных окружностей. В течение пробега от 160 до 215 тыс. км интенсивность износа опытных передач резко сократилась и к 350 тыс. км стабилизировалась (рис. 15).
В ходе испытаний на одном КМБ проводился эксперимент по определению износостойкости зубьев опытной передачи (с ДЛЗ) без термообработки. Уже через 10 тыс. км обе передачи этого КМБ вышли из строя по причине пластической деформации зубьев шестерен. Остальные передачи находились в хорошем состоянии. Несмотря на то, что степень точности и чистота обработки рабочих поверхностей зубьев опытных колес на одну-две степени были грубее эвольвент-ных, а шлифование зубьев вообще не производилось, износостойкость опытной передачи оказалась в 1,5 — 2 раза выше серийной эвольвентной передачи. К огорчению авторов разработки, работы не были продолжены с аргументацией неперспективности электровозов ВЛ22М и отсутствия надежных подшипников для МОП качения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
После рассмотрения проведенных опытно-конструкторских работ по тяговым передачам с зацеплением Новикова с сожалением приходится констатировать, что, несмотря на большой объем исследований, зацепление Новикова на локомотивах и моторвагонном подвижном составе железнодорожного транспорта внедрено не было.
Однако остается ощущение недоработки этой темы, которая, как представляется, могла бы быть продолжена с применением более совершенного профиля смешанного зацепления. Вероятно, к этому можно было бы прийти, если бы удалось в период максимального интереса к новой передаче сконцентрировать усилия разных организаций и предприятий на создании унифицированного контура зацепления из нескольких пробных вариантов, с его убедительным теоретическим обоснованием ведущими институтами машиностроения и академической науки.
К сожалению, задача решалась распыленными отраслевыми силами применительно к локальным объектам. Причем, не получая основательного решения на одном из них, исследователи и разработчики перебрасывались на другой, начиная весь цикл работ практически заново. То же происходило и в других отраслях — в период пика интереса внедрением передачи Новикова занималось более 300 организаций, но их количество не перешло в качество: массового применения не последовало. Но есть несколько объектов, где передачи Новикова все-таки «прижились». В первую очередь, это относится к нефтяным станкам-качалкам, которых было выпущено несколько сот тысяч.
Причины прекращения дальнейших работ могут быть сведены к двум основным.
- Теоретическая предрасположенность и практически подтвержденная чувствительность передачи Новикова к изменению (нестабильности) межосевого расстояния, несмотря на некоторые отступления локального характера. При наличии МОП скольжения, интенсивно изнашивающихся в ходе эксплуатации, невозможно обеспечить сохранение межосевого расстояния в допустимых пределах.
- Введение более строгого ограничения величины износа вкладышей (в пределах 1 мм) могло бы привести к частым переборкам МОП, расточке и заливке вкладышей, что потребовало бы дополнительных расходов. Предпринятые в 1962 — 1966 гг. попытки применения опытных конструкций КМБ с МОП качения для обеспечения стабильного межосевого расстояния не дали ожидаемых быстрых результатов, главным образом, из-за отсутствия отечественных подшипников необходимой несущей способности.
Зубчатые колеса опытных передач, даже изготовленные из стали 40Х при твердости зубьев не выше НВ 320, обладали работоспособностью и сроком службы не ниже, чем серийные эволь-вентные зубчатые колеса, изготовленные из легированной стали 20Х2Н4А. По истечении периодов быстрой приработки зубьев и стабилизации их состояния в передаче Новикова, по мере увеличения пробегов более 300 ... 400 тыс. км наступал период нарастающего износа нетвердых (до НВ 320) рабочих поверхностей зубьев.
Попытки использования контура «Урал-1 К» с более износостойкими закаленными зубьями (твердостью НВ 450 и более) привели к необходимости решения сопутствующей проблемы —
вероятности возникновения, даже при незначительных погрешностях профилей зубьев, очагов контактных глубинных разрушений, которые не возникали на нетвердых зубьях. Повышение точности исполнения за счет применения оборудования более высокого класса возможно, но тогда не достигается изначальная цель — упрощение технологии и снижение стоимости изготовления зубчатых передач Новикова за счет снижения твердости и точности формообразования зубьев. В связи с этим появились теоретические разработки компромиссных профилей (в частности, смешанного зацепления), которые до сих пор ждут своей реализации.
Библиография
1. Новиков М.Л. Зубчатые передачи с новым зацеплением. Издание Военно-воздушной академии им. Н.Е. Жуковского, М., 1958.
2. Федякин Р.В., Чесноков В.А. Расчет передач с зацеплением Новикова. М., Машгиз, 1959.
3. Сергиенко П.Е. Опыт применения передач Новикова на электровозе / Труды НИИТМ, вып. X. Ростов-на-Дону, 1964.
4. Троицкая М.П. Исследование нагрузочной способности зубчатых передач Новикова для тяговых редукторов тепловозов с электропередачей / Тр. ВНИТИ, вып. 23, Коломна, 1965.
