|
[10-2023] Привод упущенных возможностей
Привод упущенных возможностей Опыт применения зацепления Новикова в тяговых передачах локомотивов Г.И. МИХАИЛОВ, ведущий эксперт, АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ», г. Коломна) (Продолжение, начало см. «Локомотив» № 9,2023 г.) ПЕРЕДАЧИ НОВИКОВА НА ТЕПЛОВОЗАХ С ГИДРОПЕРЕДАЧЕЙ Согласно Распоряжению Министерства тяжелого и транспортного машиностроения (Минтяжмаш) в начале 1960-х годов были интенсифицированы работы по повышению надежности тепловозов с гидропередачей и в первую очередь — их тяговых приводов. В связи с этим уделялось больше внимания внедрению передачи Новикова на магистральных тепловозах с гидропередачей серий ТГ102 производства Ленинградского (Пролетарского) тепловозостроительного завода (ЛенТЗ) и маневровых тепловозах серии ТГМЗ(А,Б) Людиновского тепловозостроительного завода (ЛТЗ). Не дожидаясь окончания испытаний тепловоза ТЭЗ, оснащенного опытными шевронными передачами с зацеплением Новикова, во Всесоюзном научно-исследовательском тепловозном институте (ВНИТИ) приступили к созданию подобных передач для тепловозов с гидропередачами, в первую очередь, для грузопассажирского тепловоза ТГ102. Вначале были спроектированы и изготовлены тяговые передачи Новикова с исходным контуром «ВВИА-60». Так, в 1962 г. появилась тяговая передача Новикова с одной линией зацепления (ОЛЗ) для магистрального двухсекционного восьмиосного грузопассажирского тепловоза ТГ102 мощностью 3280 л.с., принятого в 1959 г. к серийному производству на ЛенТЗ. Опытные тяговые передачи были разработаны в отделе гидропередач ВНИТИ (руководитель работ М.П. Троицкая). Зубчатые колеса с зацеплением Новикова (по чертежам ПР61-68 и ПР61-69) изготавливались во ВНИТИ червячными фрезами с исходным контуром «ВВИА-60» на станке модели 5К326. Основные параметры осевых редукторов (опытного и серийного эвольвентного) тепловоза ТП 02 представлены в табл. 5. На протяжении 1962 — 1963 гг. на ЛенТЗ шесть секций двухсекционных тепловозов серии ТГ102 (№ ЮЗА, 012Б, 154А, 154Б, 156А, 156Б) были оборудованы опытными осевыми редукторами с цилиндрическими тяговыми передачами с зацеплением Новикова, с исходным контуром «ВВИА-60» (с ОЛЗ). На рис. 7 представлены шестерни и колеса опытной передачи. Одна секция тепловоза ТГ102 (№ 103Б) для сравнения была оборудована редукторами с серийными эволь-вентными передачами. В соответствии с программой испытаний № В-04-62, разработанной ВНИТИ совместно со специалистами ЛенТЗ и согласованной с Главным управлением локомотивного хозяйства (ЦТ) МПС СССР, сравнительные испытания осевых редукторов проходили на тепловозах ТГ102 приписки депо Ленинград-Сортировочный-Витебский, находившихся в рядовой эксплуатации и использовавшихся на участках от Ленинграда до Пскова, Нарвы и Луги с грузовыми поездами массой 2800 — 3000 т со скоростями около 50 км/ч и пассажирскими поездами со скоростями движения до 100 км/ч. Комиссионные осмотры в начальный период эксплуатации проводились через 5, 30, 50,100 и 150 тыс. км пробега. Далее при подъ-емочных ремонтах тепловозов (после пробегов 300 ... 350 тыс. км). В ходе четырехлетней эксплуатации пробеги секций № 154А, 154Б, 156А, 156Б и 012Б тепловозов ТП 02 на 01.12.1967 г. составили, соответственно, 446058, 508076, 461711, 515524, 315558 км. За этот период было проведено 16 комиссионных осмотров опытных редукторов, которые дали подробную информацию об опытных и штатных редукторах. Выяснилось, что после пробегов от 30 до 70 тыс. км контактные площадки зубьев шестерен занимали всю их длину и 90 — 100 % высоты их рабочей поверхности, на которых каких-либо дефектов (наплывов, задиров, питтинга) не наблюдалось. В ходе эксплуатации передачи Новикова показали достаточно высокую надежность. После пробега 394747 км зубья шестерен имели средний износ 0,16 мм, зубья колес — 0,06 мм (рис. 8). При этом было замечено, что износ, в основном, происходит в начальный период посредством сглаживания следов зубофрезерования. Затем поверхности зубьев за счет наклепа получали упрочнение, и износ нарастал медленно. Эвольвентные передачи тепловоза работали не столь надежно. Их работа сопровождалась различными повреждениями зубьев, в том числе изломами, даже при пробегах в пределах 300 тыс. км (рис. 9). На некоторых эвольвентных зубчатых колесах закаленные зубья имели повреждения в виде питтинга глубиной 0,5 — 1,0 мм в середине зуба и до 3 мм по торцам. Кроме того, в конструкции серийных осевых редукторов проявились системные недостатки, приводящие к разрушению шариковых и роликовых подшипников, а затем и зубчатых колес. Это потребовало троекратной модернизации осевых редукторов с изменением конструкции стопорения фланцев, подшипников и конических зубчатых колес. После пробегов от 160 до 260 тыс. км в нескольких опытных редукторах произошло разрушение подшипников серий 32230,176228, 92328 из-за проворотов их внутренних колец и шестигранника тор-сиона, вследствие чего возникали перекос вала-шестерни и нарушение контакта конических шестерен. В итоге поломанные зубья конических шестерен попадали в зацепления цилиндрических зубчатых колес и повреждали их, но в одном случае — в тяговом редукторе № 109 секции тепловоза ТГ102 №103А, поломка зубьев опытной шестерни была связана не с разрушением подшипников или каких-либо других деталей, а вследствие усталостного излома, как выяснилось при проведении металлографических исследований во ВНИТИ. К моменту заводского ремонта на Даугавпилсском локомотиворемонтном заводе (ДЛРЗ) в 1969 г. тепловозы ТГ102 имели пробеги около 700 тыс. км. К этому времени на них находилось 10 осевых редукторов в исправном состоянии (из 24 первоначально установленных), зубчатые колеса которых были в хорошем состоянии — зубья были приработаны по всей длине. Эти редукторы были отправлены в дальнейшую эксплуатацию. Остальные 14 редукторов были отставлены по таким причинам, как разрушения подшипников 32230, 176228 и последовавших за этим повреждений конических и цилиндрических шестерен (7 редукторов), износы шлицов вала-шестерни (на 4 редукторах) и усталостное разрушение зубьев (на цилиндрических парах 3 редукторов). Из-за разрушения подшипников входного вала и вала-шестерни за время испытаний вышли из строя 10 редукторов (в пределах пробегов до 600 тыс. км). С нарастанием пробегов более 600 тыс. км участились случаи чрезмерного износа шлицевых соединений (было отставлено 9 редукторов), несмотря на удовлетворительное состояние цилиндрических зубчатых колес Новикова. Из-за усталостных повреждений (выкрашивание, излом) цилиндрических шестерен Новикова были отставлены 5 редукторов (после пробегов 700 — 800 тыс. км). После достижения пробега 800 тыс. км и необходимости проведения второго заводского ремонта, в 1971 г. испытания тепловозов ТГ102 с передачами Новикова были закончены, поскольку запасные зубчатые колеса не были предусмотрены программой испытаний, а также по причине общей низкой надежности тепловозов ТГ102 (через несколько лет их стали выводить из эксплуатации и списывать). В дополнение к предыдущим разработкам тяговых передач с зацеплением Новикова на тепловозах ТГ102 по плану новой техники Главного управления тепловозостроения Минтяжмаша на Людиновском заводе были также развернуты работы по созданию тяговых передач Новикова для маневровых тепловозов ТГМЗ(А,Б). Опытные цилиндрические передачи изготавливались на ЛТЗ по чертежам ТГМ3.35.27.241 и ТГМ3.35.10.149, разработанным конструкторами завода с участием специалистов ВНИТИ. Зубчатые колеса нарезались там же — червячными фрезами исходного контура «ВВИА-60». Основные параметры цилиндрических передач Новикова и штатных эвольвентных тепловоза ТГМЗ представлены в табл. 6. На ЛТЗ в 1965 — 1967 гг. осевыми редукторами с опытными цилиндрическими тяговыми передачами Новикова было оборудовано 48 осевых редукторов на 12 маневровых тепловозах серии ТГМЗА, которые были направлены на разные промышленные предприятия в разные регионы СССР. Их испытания проходили в рядовой эксплуатации в режимах маневровой службы. В соответствии с упомянутой ранее программой № В-07-64 периодически проводились комиссионные осмотры (визуальные осмотры без измерений) передач через открытые лючки с проворотом колесных пар без их выкатки. Замечаний по работе редукторов на тепловозах ТГМЗА № 870,1252, 1344 выявлено не было. В июне 1967 г. на тепловозе ТГМЗА № 1287 (при пробеге всего лишь 18 тыс. км) произошло повреждение шестерен в трех осевых редукторах. При осмотре было установлено, что две шестерни имеют излом зубьев, а на одной обнаружена трещина. На всех зубьях этих шестерен имелся наплыв металла на вершину зуба. Контактные поверхности при этом гладкие, с небольшими следами задиров. Ведомые зубчатые колеса находились в удовлетворительном состоянии. Вид излома на всех зубьях идентичен и характерен для разрушения под действием циклических сжимающих нагрузок. Аналогичный излом зубьев произошел на тепловозе ТГМЗА № 1377. В заключении Военно-воздушной инженерной академии (ВВИА, авторы — инженеры-подполковники, кандидаты технических наук Р.В. Федякин и В.А. Чесноков, одни из первых исследователей зацепления Новикова, авторы диссертаций и многих публикаций на эту тему) было указано, что: «Характер разрушения, когда верхушка зуба отламывается по плоскости, составляющей угол в 45° к оси зуба, говорит о том, что нагрузка на зуб была сосредоточена у его вершины. В этом случае от сил сжатия зуба возникают максимальные касательные напряжения как раз в указанной плоскости, которые вызывают сдвиг и разрыв металла в локальной зоне. При последующих нагружениях зона разрыва развивается, что приводит к поломке. Наличие наплыва в виде гребня у вершины зуба служит подтверждением того, что нагрузка была приложена к вершине. Сосредоточение нагрузки у вершины выпуклого зуба может иметь место вследствие погрешностей изготовления. А именно, когда суммирование погрешностей межосевого расстояния и глубины врезания инструмента дает смещение точки начального контакта к вершине выпуклого зуба. Это может быть и при значительном уменьшении межосевого расстояния при правильно изготовленных зубчатых колесах, и при значительном уменьшении глубины врезания (инструмента) на зубчатых колесах при правильном межосевом расстоянии». Этим заключением специалисты подчеркнули исключительную важность соблюдения точности обработки зубьев и выдерживания межосевого расстояния для передач с зацеплением Новикова. На конец 1968 г. тепловозы выпуска 1965 — 1967 гг., оборудованные зубчатыми передачами Новикова с контуром «ВВИА-60», имели пробеги от 25 до 99 тыс. км. На зубчатых колесах двух редукторов тепловозов ТГМЗА № 870 и 1422 после пробегов, соответственно, 87683 и 48800 км, было обнаружено начальное выкрашивание, сосредоточенное на головках зубьев. На тепловозе ТГМЗ № 1377 произошел излом зубьев на вале-шестерне. К концу 1969 г. на разных предприятиях в опытной эксплуатации находились 12 тепловозов ТГМЗА, оборудованных 48 осевыми редукторами с цилиндрическими зубчатыми передачами Новикова с ОЛЗ. Тепловозы имели пробеги от 45 до 160 тыс. км, при этом опытные передачи находились в нормальном состоянии, которое постоянно контролировалось службами эксплуатации и, периодически, сотрудниками ВНИТИ. Наиболее полную информацию исследователи получали уже при вскрытии редукторов в ходе заводских ремонтов. Там обнаруживались дефекты и повреждения зубчатых колес, возникшие за время последнего пробега. Так, в ходе комиссионного осмотра на ДЛРЗ тепловоза ТГМЗА № 1513, который с 1967 г. использовался на тяжелой маневровой работе на Челябинском металлургическом заводе и имел пробег около 57 тыс. км, было установлено, что во всех четырех осевых редукторах на семи (из восьми) конических шестернях имеются трещины на контактной площадке выпуклой стороны зубьев, а на одной — пластическая деформация зубьев с выдавливанием металла на вершины и торцы зубьев. Подшипники этих шестерен (№ 32230, 92230) были забракованы ввиду задиров колец и ослабления заклепок сепараторов. В двух редукторах зубья колес цилиндрических передач Новикова имели пластическую деформацию. На шестерне один зуб был сломан (рис. 10). Смятие вершин и излом зубьев стали следствием их кромочного контакта, действовавшего с самого начала эксплуатации, причиной которого стала недостаточная глубина врезания инструмента в заготовку. При правильном (точном) исполнении зубчатые колеса на других тепловозах серии ТГМЗ достигали пробегов 160 тыс. км и более. К середине 1971 г. тепловозы имели пробеги от 75 до 280 тыс. км. Более половины из них по срокам подошли к заводскому ремонту. При ремонте тепловозов ТГМЗА № 870 и 1252 было установлено, что цилиндрические опытные передачи Новикова находятся в удовлетворительном состоянии и поэтому их оставили для дальнейшей эксплуатации. Все конические опытные шестерни из-за выкрашиваний и излома зубьев были заменены на новые. Лишь в одном редукторе тепловоза ТГМЗА № 1383 (после пробега 157948 км) произошло усталостное разрушение одного зуба на цилиндрическом вале-шестерне (из стали 40Х) на длине 80 мм (рис. 11). Как показали дальнейшие исследования, начало излома (очаг) находилось на расстоянии 40 мм от торца, посредине толщины зуба, на глубине 10 — 12 мм от его вершины. Направления трещин (изнутри зуба с развитием в обе стороны под углами 45° к средней плоскости) и вид излома были характерны для разрушения под действием циклических напряжений сжатия. На рабочих поверхностях зубьев были замечены небольшие следы питтинговых выкрашивании. Твердость поверхности зубьев составила НВ 280 — 300 (НВ 291 — 320 по чертежу). По мнению участников обследования, поломка была связана с неточностями при нарезании зубьев. Вал-шестерню вместе с сопряженным колесом заменили на новую пару из новой опытной партии передачи Новикова, изготовленной уже с другим контуром — «Урал-2Н». Дальнейшим развитием работ по внедрению зацепления Новикова стало применение цилиндрических передач Новикова с двумя линиями зацепления (ДЛЗ) в осевых редукторах тепловозов с гидро передачей серии ТГМЗБ. На основании опыта эксплуатации передач Новикова с ОЛЗ на тепловозах ТП 02 и ТГМЗА на Людиновском заводе партию тепловозов ТГМЗБ оборудовали осевыми редукторами с опытными цилиндрическими передачами Новикова с исходным контуром зацепления «Урал-2Н». Качественное отличие этого вида зацепления состояло в том, что при его применении поочередно работают то головка, то ножка каждого выпукло-вогнутого зуба, поэтому на зубьях имеются по две контактных полосы, а это равнозначно удвоению числа пар зубьев, одновременно находящихся в зацеплении, благодаря чему эти передачи могут передавать большие нагрузки. Техническая документация (расчет, чертежи) на цилиндрические шестерни Новикова с ДЛЗ для осевых редукторов тепловозов ТГМЗ, ТГМ5,ТГ16 и ТП 02 была разработана во ВНИТИ. Основные параметры опытных зубчатых колес Новикова с исходным контуром «Урал-2Н» соответствовали указанным в табл. 6 (кроме размеров, указанных в скобках). Высота зубьев в зацеплении Новикова составляла 16,9 мм, в эвольвентной передаче — 21,82 мм. Зубчатые колеса изготавливали по заводским чертежам ТГМ3.35.27.243 и ТГМ3.35.10.153, скорректированным в соответствии с рекомендациями ВНИТИ и Центрального научно-исследовательского института технологии машиностроения (ЦНИИИТМАШ). Нарезание зубьев опытных шестерен осуществлялось на станках типа «Модуль» производства ГДР и 5К326 червячными фрезами с исходным контуром «Урал-2Н», изготовленными Свердловским инструментальным заводом. Контроль точности нарезания зубьев осуществлялся по глубине врезания фрезы прибором, состоящим из траверсы с индикаторным указателем. Комплексная проверка правильности монтажа передачи в собранном редукторе контролировалась по расположению двух контактных полос, наблюдавшихся после приработки редукторов на обкаточном стенде. Опытными редукторами были оборудованы 6 тепловозов ТГМЗБ (№ 2064, 2070, 2090, 2098, 2126 и 2161), которые содержали 24 осевых редуктора с цилиндрическими зубчатыми колесами Новикова. Тепловозы проходили обкаточные испытания на участках МПС Людиново — Дятьково, Людиново — Фокино, Людиново — Верещевка с поездами весом от 1000 до 2000 т. Затем они были отправлены в эксплуатацию на пять промышленных предприятий в разных регионах страны. После пробегов 25 — 45 тыс. км были проведены осмотры и обмеры опытных и штатных (эвольвентных) передач, зафиксировавшие их нормальное состояние и быстрые темпы приработки зубьев опытных зубчатых колес. Наиболее уязвимыми оказались конические эвольвентные зубчатые колеса, зубья которых подверглись усталостному выкрашиванию и возникновению трещин (в предположении исследователей, из-за шлифовочных прижогов). Также выявились нарушения целостности крепления валов и повреждения подшипников № 2228 и 228 вследствие ослабления их фиксации, а в осевых цилиндрических передачах больше всего повреждений обнаружилось на ведомых колесах, подлежавших замене из-за усталостных трещин и раковин от выкрашивания зубьев, тогда как валы-шестерни браковали, в основном, по износу шлицев. Всего с 1962 по 1969 гг. было изготовлено и установлено на тепловозах серий ТГ102 и ТГМЗ 96 осевых редукторов, в которых цилиндрические пары были выполнены с зацеплением Новикова с заполюсным («ВВИА-60») или дозаполюсным («Урал-2Н») исходным контуром. Опытная эксплуатация этих тепловозов показала, что зубчатые колеса с такой формой зубьев, даже изготовленные из стали 40Х при твердости зубьев не выше НВ 320, обладают работоспособностью и сроком службы не ниже, чем серийные эвольвентные зубчатые колеса, изготовленные из легированной стали 20Х2Н4А. Получив положительные, в целом, результаты испытаний и стремясь к более полному использованию преимуществ зацепления Новикова применительно к тяговым передачам тепловозов, конструкторы Людиновского завода совместно со специалистами ВНИТИ приступили к разработке осевых редукторов с передачами Новикова с высокотвердыми цилиндрическими и коническими зубчатыми колесами с целью значительного повышения их срока службы на маневровых тепловозах ТГМЗ Б, оснащенных гидропередачами. Для этого пришлось решить ряд непростых задач, и главная из них — выбор оптимального исходного контура с ДЛЗ, отличного от «Урал-2Н», поскольку этот контур (и разработанный на его основе контур по ГОСТ 15023-69) был разработан специально для зубчатых колес малой и средней твердости, способных к быстрой приработке контактирующих зубьев. Для зубчатых колес с высокой твердостью требовался исходный контур с малой чувствительностью зацепления к погрешностям изготовления, особенно к деформациям зубьев при термообработке, наряду с достаточным уровнем контактной и изгибной прочности. Другой проблемой являлась низкая производительность и определённая сложность известных способов зубонарезания для формирования зубьев конических колес с зацеплением Новикова. Эта задача решалась с использованием рекомендаций, опыта и технической помощи специалистов Научно-исследовательского и проектно-конструкторского института горного и обогатительного машиностроения (НИПИГОРМАШ) и Научно-исследовательского и проектно-технологического института по автоматизации и механизации машиностроения (НИПТИМАШ), разработавших под руководством канд. техн, наук Ю.Ф. Коубы серию исходных контуров для дозаполюсных передач Новикова с высокой твердостью зубьев и освоивших новую эффективную технологию зубонарезания конических колес Новикова по системе «Рига», созданной в Рижском политехническом институте (РПИ) канд. техн, наук К.К. Паулиньшем. Работы проводились в соответствии с планом новой техники Минтяжмаша 1970 г. по теме Г.70.4.02.019. Проектирование опытных конических и цилиндрических колес с ДЛЗ для осевых редукторов тепловозов проводилось на основе геометрического расчета, исходя из принципа полной габаритной взаимозаменяемости опытных колес со штатными (серийными), причем с выполнением их из той же стали и с прежней термообработкой. Операции окончательной механической обработки зубьев (шлифование для цилиндрических и притирка для конических колес) не применялись ввиду хорошей прирабатываемости зубьев в передаче Новикова. Геометрический расчет конических пар производился по методике, разработанной НИПИГОРМАШ, расчет дозаполюсных цилиндрических пар — по методике, заложенной ВНИТИ в расчете «Р-02-66». В последнем были изменены три параметра, определяющие высоту зуба, что стало необходимым в результате введения нового исходного контура «Урал-1 К» для дозаполюсных передач Новикова с высокой твердостью зубьев. Результаты геометрического расчета конических и цилиндрических шестерен Новикова с исходным контуром «Урал-1К» для осевого редуктора тепловоза ТГМЗ (рис. 12) приведены в табл. 7 и 8. На основании расчета ВНИТИ конструкторами ЛТЗ были разработаны чертежи зубчатых колесТГМ3.35.10.401, ТГМ3.35.27.401, ТГМ3.35.27.402 и ТГМ3.35.27.403. Разработка и проектирование червячной фрезы для нарезания цилиндрических шестерен Новикова, а также специальной зуборезной головки и резцов диаметром 240 мм с модулем 8 мм для нарезания конических шестерен по системе «Рига» производились в НИПИГОРМАШ при участии автора системы К.К. Паулиньша. Зуборезные головки системы «Рига» (по авторским свидетельствам № 395194,550247) имеют большие преимущества перед головками системы «ЭНИМС-Глиссон» вследствие их простоты и универсальности (3 типоразмера головок «Рига» заменяют 15 типоразмеров головок «Глиссон»), так как круглые незатылованные резцы проще затылованных как в изготовлении, так и в заточке. Также устраняется необходимость в черновой резцовой головке, обязательной при системе «Глиссон», а также повышается производительность на 15 — 20 %. Для первого опытного нарезания конических колес применялись четырех- и восьмирезцовые головки. Настройка резцовых головок типа «Рига», а также расчеты наладок зуборезных станков осуществлялись по инструкции, разработанной НИПИГОРМАШ. Цилиндрические шестерни изготавливали по чертежам ЛТЗ (ТГМ3.35.10.401 «Колесо» и ТГМ3.35.27.401 «Вал-шестерня»). Червячные фрезы исходного контура «Урал-1 К» были изготовлены Свердловским инструментальным заводом. Валы-шестерни нарезались червячными фрезами на станке «Neils» производства ГДР, а зубчатые колеса на станке модели 5861, изготовленном Московским станкостроительным заводом. После нарезки зубьев колеса термообрабатывали и подвергали контролю. Зубья не шлифовали. В связи с отсутствием на ЛТЗ соответствующего станочного оборудования зубонарезание конических колес по системе «Рига» производилось на опытном заводе НИПИГОРМАШ. При этом резцы и заготовки для колес поставлял ЛТЗ. Конические шестерни подвергли термообработке, итоговой мех-обработке и обмерам. Контроль после зубонарезания показал, что все расчетные параметры выполняются в металле с достаточной степенью точности — погрешности профиля зубьев не превышали 0,05 мм, контактные полосы после обкатки конических шестерен на обкатном станке располагались в зонах, близких к теоретическим, с отклонением не более 1,5 мм. Термообработка существенно не изменила основные параметры зацепления у опытных шестерен — степень точности осталась в пределах, указанных в чертежах. После установки редукторов на испытательном стенде было окончательно проверено расположение контактных полос после обкатки под нагрузкой 5,5 кН-м (25 % от номинальной). Их положение сохранилось в заданных пределах. Испытание редукторов с передачей Новикова проводилось по программе, разработанной в соответствии с типовой методикой стендовых испытаний ЦНИИТМАШ, применявшейся на ЛТЗ для испытаний тепловозных осевых редукторов. Редукторы после обкатки под 25 % нагрузки (5,5 кН-м) испытывались при номинальном вращающем моменте 22 кН-м на оси колесной пары. Была задана продолжительность испытаний по 107 циклов (оборотов) конических и цилиндрических шестерен в обе стороны вращения. После 680 тыс. циклов было обнаружено повреждение зубьев конической шестерни в первом редукторе (сколы вершин на трех зубьях со стороны малого торца), которую вместе с сопряженным колесом заменили на другую пару, не имеющую нависающего участка вершин зубьев у внутреннего торца (возможная причина повреждения). Однако после 1,2-106 циклов повреждение зубьев в первом редукторе снова повторилось. Результаты металлографического анализа не показали отклонений по составу металла и качеству термообработки. Предположили, что возможной причиной сколов вершин конических шестерен является концентрация контактных напряжений у края зубьев в зоне входа в зацепление со стороны малого торца, о чем свидетельствует наличие значительного обмятия и увеличенной ширины пятна контакта в этом месте. Этому способствует очень высокая твердость (HRC 60 — 62) цементованного слоя, поскольку твердый хрупкий слой не выдерживает высоких напряжений. Далее закаленные цилиндрические зубчатые колеса Новикова испытывались в сравнении с серийными (октоидными) коническими шестернями с нагружением выходного вала вначале моментом 3,5 кН-м (2,04-107 циклов), а затем 4 кН-м (1,18-107 циклов), когда произошел излом зуба на конической шестерне. В итоге цилиндрические зубчатые колеса Новикова выдержали стендовые испытания, набрав колесо — 7,95-106 и вал-шестерня — 34,03-106 циклов нагружений соответственно. Состояние контактных поверхностей зубьев (рис. 13) было вполне удовлетворительным — гладкие блестящие полосы равномерной ширины, с четким разделением по полюсной зоне, без каких-либо повреждений поверхностей. На основании результатов стендовых испытаний в выводах отчета ВНИТИ была рекомендована конструктивная переработка конических пар Новикова путем увеличения модуля и угла наклона зубьев, снижения концентрации напряжений на концах зубьев фланкированием и понижением твердости поверхности зубьев до HRC 50 — 54. Кроме того, предполагалось провести сравнительные стендовые испытания цилиндрических передач Новикова с закаленными зубьями и серийных зубчатых передач (тоже с закаленными зубьями) тепловозов серии ТГМЗ. (Окончание следует) |
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:
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. |
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.
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. |
| Часовой пояс GMT +3, время: 16:42. |
Powered by vBulletin® Version 3.8.1
Copyright ©2000 - 2026, Jelsoft Enterprises Ltd. Перевод: zCarot