Kodėl medžiagų pasirinkimas yra kritiškai svarbus pavarų dėžių ilgaamžiškumui?

Kaip Medžiagų Savybės Veikia Pavarų Dėžės Gedimo Rūšis

Susiejant Dažnus Pavarų Gedimus su Medžiagų Savybėmis

Remiantis ASM International 2023 m. ataskaita, apie 72 % visų pavarų dėžių gedimų yra susiję su medžiagų nuovargiu ir dilimu. Ryšys tarp medžiagų elgsenos ir pavarų gedimų priežasčių yra gana aiškus, jei pažvelgsime į tai iš arčiau. Tempiamasis stipris esminiai nusako, ar pavaros galės išlaikyti pastovias lenkimo jėgas nesulūždamos, tuo tarpu paviršiaus kietumas lemia, ar ji ilgainiui atspari įdubimams ar dilimui. Paimkime, pavyzdžiui, pavaras, pagamintas iš mažakanglinio plieno, tokio kaip AISI 1020 plienas. Dažnai jos parodo lenkimo nuovargio požymius gerokai anksčiau nei turėtų, nes jų branduolys nepakankamai kietas, kad išlaikytų didelę sukimo jėgą. Kai tarp to, ko reikia įrenginiui, ir to, ką medžiagos gali faktiškai suteikti, atsiranda toks skirtumas, tam tikri gedimų modeliai linkę kartotis iš naujo. Protingi inžinieriai žino, kad tai vyksta pakankamai numatoma, todėl atidus medžiagų atrinkimas tampa beveik antroje prigimtyje, siekiant išvengti šių dažnų problemų.

Lenkimo nuovargis, lupimasis ir dėvėjimasis: netinkamo medžiagų parinkimo vaidmuo

Medžiagos gedimas dėl lenkimo nuovargio atsiranda tada, kai ji nepakankamai atspari staigiai veikiančioms smūginėms apkrovoms, kas dažnai pasitaiko liejiniui iš kietinamųjų plienų, kurie tiesiog neturi pakankamai elastingumo. Kai pavaros netinkamai sukietinamos, lupimasis greitai darosi dar rimtesne problema. Tai aiškiai parodė bandymai su įprastais senais 1045 plieno pavarų ratais, visiškai neapdorotais. Paviršiaus kietumas šiems komponentams turi būti didesnis nei 55 HRC, kad jie tarnautų pakankamai ilgai. Cementacija ir kitos paviršinio kietinimo technologijos gali padidinti paviršiaus kietumą iki virš 60 HRC, tačiau jei sukietinta sluoksnio dalis per maža (mažesnė nei 0,8 mm), tai stiprios apkrovos sukelia erzinančius mažus lupimasis – taip vadinamus pleištelėjimus. Ir dar viena svarbi detalė: dėvėjimasis tampa labai stiprus, kai medžiaga nėra bent 1,5 karto kietesnė už bet kokius teršalus, kurie pramonės aplinkose gali laisvai cirkuliuoti.

Atvejo analizė: Realiojo pasaulio pavarų dėžės gedimas dėl nesuderinamų medžiagų savybių

Mėsos perdirbimo įrenginiuose Nebraskoje pavarų dėžės gedo kas kelis mėnesius, nors buvo naudojamos standartinės AISI 4140 legiruoto plieno detalės. Kai inžinieriai išsiaiškino, kodėl taip atsitiko, jie nustatė, kad užkaitintos martensito struktūra greitai suyra, kai temperatūra viršija 150 laipsnių Celsijaus. Paaiškėjo, kad pradinės detalės visiškai nebuvo tinkamai termiškai apdorotos. Po to, kai buvo pereita prie vakuumu lydomo 8620 plieno su paviršiaus karburizacija, padidinančia kietumą iki 62 HRC, šios naujos pavaros tarnavo įspūdingus 54 mėnesius iki pakeitimo. Įmonė išleido apie ketvirtį milijono dolerių šiam patobulinimui, tačiau sutaupė beveik 18 tūkst. dolerių kiekvieną mėnesį, išvengdama brangių gedimų. Iš tiesų tai atrodo logiška, kaip parodyta praeitų metų „Reliability Engineering Journal“ tyrimo apie pramonines medžiagas.

Tempiamosios ir takumo stiprybės: apkrovų nešančios galios pagrindas

Pavojų medžiagos turi atlaikyti labai stiprius kartojančiusis įtempimus, nesikristalinant nuolat. Kalbant apie medžiagų savybes, tempimo stipris esminiai rodo, kiek įtempimo kažkas gali išlaikyti prieš visiškai sulūžtant, tuo tarpu takumo stipris nurodo, kada medžiaga pradeda nuolat deformuotis. Paimkime AISI 4140 plieną kaip pavyzdį – šis konkretus lydinys turi takumo stiprį apie 950 MPa, kas reiškia, kad jis gali išlaikyti dinamines apkrovas, viršijančias 85 000 Niutonų, remiantis ASTM A370-22 bandomojo standarto reikalavimais. Pramonės nurodymai iš AGMA rodo ryšį tarp paviršiaus kietumo ir to, kaip ilgai pavojai tarnaus pasikartojančioms lenkimo jėgoms. Dauguma gamintojų siekia termiškai apdoroto plieno, kurio kietumas būtų ne mažesnis nei 500 HB, nes šios medžiagos geriau atlaiko nepaprastai ilgas veikimo ciklus, pastebimus sunkiasveigiuose pramoniniuose pavarų dėžiuose visame pasaulyje.

Paviršiaus ir branduolio kietumas: nusidėvėjimo atsparumo ir ilgaamžiškumo pusiausvyra

Paviršinis sukietinimas suteikia paviršiui apie 58–62 HRC pagal Rokvelo skalę, kad atlaikytų įbrėžimus ir nusibrozdinimus, tačiau išlaiko metalo vidinę dalį minkštesnę – apie 28–32 HRC, kad ji galėtų išlaikyti staigius smūgius nesulūždama. Tačiau kai paviršius pernelyg sukietėja, viršijant 64 HRC, jis tampa trapus ir pradeda atsirasti mikroskopiniai duobutės, kai paviršiai greitai slysta vienas per kitą. Kai kurie tyrimai, nagrinėję kalnų pramonėje naudojamus pavarų mechanizmus, parodė įdomų rezultatą. Paviršiškai sukietintų pavarų kietumas palaipsniui keitėsi nuo paviršiaus link centro, ir tokia konstrukcija sumažino duobutės susidarymą beveik 75 % po 10 000 valandų nuolatinio veikimo. Apie tai pranešama AGMA standarto dokumente 925-A23, jei kas norėtų patikrinti detales.

Sąsaja tarp stiprumo, atsparumo ir trapumo plieno lydiniuose

Paviršiškai grūdinti 8620 pasižymi puikiu atsparumu smūgiams, todėl yra tinkamesni aukšto smūginio krūvio sistemoms, tokioms kaip vėjo jėgainių pavarų dėžės, tuo tarpu visiškai grūdinti 4140 užtikrina didesnį lenkimo stiprumą momentui tankioms sistemoms. Nepagrūdinti 1045 plienas, nors ir ekonomiškesnis, katastrofiškai susidėvi esant kintamiesiems apkrovos ciklams, viršijantiems 40 % takumo ribos – tai svarbus veiksnys automobilių pavarų dėžių projektavime.

Dažniausių pavarų dėžių medžiagų palyginamoji analizė

Našumo lyginamasis matavimas: legiruotasis plienas vs. anglinis plienas vs. nerūdijantis plienas vs. ketaus vs. inžineriniai plastikai

Renkantis medžiagas mechaniniams komponentams, inžinieriai turi įvertinti tokius veiksnius kaip stiprumas, atsparumas dilimui ir aplinka, kurioje dirbs detalė. Lydiniai plienai, tokie kaip AISI 4140 ir 8620, yra pagrindinės parinktys detalėms, veikiamoms didelės apkrovos, nes jie gali išlaikyti tempiamąją jėgą nuo 1 200 iki 1 500 MPa, be to, jų paviršius yra cementuojamas iki daugiau nei 60 HRC. Angliniai plienai, tokie kaip 1045, tinka ten, kur svarbus biudžetas ir reikia išlaikyti apkrovą, tačiau jie mažiau atsparūs duobėjimui nei nikelio-chromo lydiniai. Nerūdijantis plienas puikiai atlaiko agresyvią cheminę aplinką, kurioje kiti metalai būtų korozijai, tačiau palyginti su tinkamai termiškai apdorotais lydiniais plienais, ilgesnį laiką neatlaiko kartotinės apkrovos ciklų. Dėžėms, kur reikia sumažinti vibraciją, liejinių plienas išlieka populiarus, nepaisant jo svorio trūkumų. Tuo tarpu inžinieriai kartais pasirenka niloną ir panašius plastikus tyliau veikiančioms sistemoms, kuriose sukimo momento reikalavimai nėra pernelyg dideli.

Kaina prieš ilgaamžiškumą: bendrųjų savininkystės kaštų vertinimas pagal medžiagą

Aliuminiai plienai iš pradžių tikrai kainuoja apie 30–50 procentų daugiau lyginant su įprastais anglies plienais, tačiau naudojami nuolat jie tarnauja žymiai ilgiau, todėl ilgainiui reikia mažiau keitimų. Stacionariems pavarų dėžiams ilguoju laikotarpiu ekonomiškiausias pasirinkimas iš tiesų yra liejamosios geležies, nepaisant to, ką kai kas galvoja. Šios detalės normaliomis darbo sąlygomis gali tarnauti 15–20 metų be didesnių problemų. Kita vertus, inžineriniai plastikai atrodo puikiai popieriuje, nes iš pradžių sutaupo apie 40 procentų lengvo svorio detalių atžvilgiu, tačiau priepjovos aplinkoje dažnai padidėja techninės priežiūros išlaidos. Daugelis gamyklų vėliau pastebi, kad plastikinių detalių remontas kainuoja daugiau nei buvo iš pradžių sutaupyta.

Kada pasirinkti kurią medžiagą: taikymo specifinės rekomendacijos

• Aliejinių plienų : Kasybos įranga, vėjo jėgainių pavaros ir sunkioji technika, veikiama smūginės apkrovos
• Nerūdijančių plienų : Jūrų ar cheminės perdirbimo sistemos, reikalaujančios ISO 9227 korozijos sertifikavimo
• Inžineriniai plastikai : Maisto perdirbimo konvejerai, medicinos prietaisai ir robotai, kuriems reikia <25 dB triukšmo lygio
• Geležis : Siurblių korpusai, žemės ūkio įranga ir taikymai, kuriuose svarbiau vibracijos slopinimas nei svorio mažinimas

Temperatūra, apkrovos ciklai ir smūginė apkrova: medžiagų pritaikymas prie eksploatacinių apkrovų

Pavarų dėžėms naudojamos medžiagos turi gerai išlaikyti temperatūros pokyčius, viršijančius 150 laipsnių Celsijaus realiomis pramoninėmis sąlygomis. Anglinio plieno komponentai linkę greičiau susidėvėti esant nuolatiniam apkrovos ir pertraukų ciklui. Kai netikėti smūgiai pasiekia tris kartus didesnį už normalią sukimo momentą, įprastos medžiagos jau nebegali atlaikyti tokių apkrovų. Būtent todėl tokiomis aplinkybėmis būtini patvarūs lydiniai, tokie kaip AISI 4340. Kitas dažnas reiškinys atsiranda tuomet, kai skirtingų detalių šiluminio plėtimosi lygis yra nesuderinamas. Korpusas plečiasi kitaip nei pačios pavaros, kas kartais sukelia jų visišką užstrigimą. Iš tiesų tai viena iš pagrindinių planetinių pavarų dėžių gedimo priežasčių, kai jos netinkamai suprojektuotos konkrečiai taikymo sričiai.

Apsaugos nuo korozijos poreikiai kietose ar drėgnose aplinkose

Nerūdijantis plienas ir nikelio bazės lydiniai neleidžia chloridų sukelti įtempių korozinio įtrūkimo jūriniuose pavarų dėžėse, kur druskingas vanduo sumažina anglinio plieno tarnavimo laiką 63 % (ASM International 2023). Cheminių medžiagų perdirbime super dvigubos struktūros plienas geriau atsparus rūgščių aušinimo skysčių sukeltam duobėtiniam korozijai lyginant su standartiniu 304 nerūdijančio plieno tipu.

Dilimo atsparumas aukšto greičio ir abrazyvinių sąlygų sąlygomis

Kai naudojamas vėjo jėgainių pavarų dėžėse, veikiančiose greičiais, viršijančiais 20 metrų per sekundę, paviršiui kietinamas AISI 8620 plienas išlaiko nusidėvėjimo lygį žemiau 0,1 %. Kas daro šią medžiagą tokia veiksminga? Na, ji turi pakankamai kietus išorinius sluoksnius, kurių kietumas siekia daugiau nei 60 HRC, tuo tarpu branduolys išlaikomas apie 30 HRC. Tai sukuria gerą pusiausvyrą tarp atsparumo dilimui ir įtrūkimų plitimui metalu prevencijos. Kasybos operacijoms, vykstančioms konvejerinėse sistemose, kurios yra veikiamos abrazyvinio silicio dulkių, karbido dangų taikymas gali visiškai pakeisti situaciją. Tokiu būdu apdoroti krumpliaračiai tarnauja maždaug ašis kartus ilgiau nei jų neapdoroti atitikmenys, pagaminti iš įprasto lydinio plieno. Toks ilgaamšiškumas tiesiogiai reiškiasi mažesniu keitimu ir techninės priežiūros prastovomis kai kuriose žiauriausiose pramonės aplinkose.

Terminis apdorojimas ir paviršiaus patobulinimo technikos pagerintai ilgaamžiškumui

Cementacija, azotavimas ir indukcinis kietinimas: įtaka nuovargiui ir dilimui

Paviršiaus kietinimo technikos padidina komponentų ilgaamžiškumą, padarydamos išorinius paviršius atsparius dilimui, neprarandant vidinių medžiagų lankstumo. Kalbant apie cementaciją, šis procesas prideda anglį prie mažo lydinio plienų, paprastai temperatūroje nuo 900 iki 950 laipsnių Celsijaus, sukuriant tvirtus išorinius sluoksnius, reikalingus stipriai apkrautiems pavarų krumpliaračiams. Kitas metodas – azotavimas, kai azotas įsigeria į metalo paviršių temperatūroje tarp 500 ir 600 laipsnių Celsijaus. Pagal 2022 m. žurnale „Tribology International“ paskelbtus tyrimus, tai gali padidinti detalių atsparumą nuovargiui apie 40 procentų, ypač naudojant jas aukšto greičio operacijose. Ypač krumpliaračių dantų šaknims indukcinis kietinimas išsiskiria kaip geras sprendimas. Jame naudojami elektromagnetiniai laukai nukreipiama tiksliniams plotams sukietinti, o efektyvumas yra gerai pasireiškęs kovojant su lenkimo nuovargio problemomis, atsirandančiomis esant pakartotinėms apkrovos ciklams.

Mikrostruktūriniai pokyčiai ir jų poveikis tarnavimo laikui

Termoapdorojimas keičia kristalinę struktūrą, kad būtų pasiektas optimalus našumas. Paviršinis sukietinimas paviršiaus austenitą paverčia martensitu, pasiekiant 60–65 HRC kietumą ir išlaikant plastišką šerdį. Pertemperavimas sumažina liekančią austenitą žemiau 15 %, mažindamas mikroįtrūkimų atsiradimą. Valdomas aušinimas neleidžia karbido nusodinimui ant grūdelių ribų, dėl ko planetinių pavarų tarnavimo laikas pailgėja 30–50 % lyginant su neapdorotomis detalėmis.

Apdoravimas smūgiu, poliravimas ir dangos: mažinamas įdubimas, brūžavimas ir paviršiaus degradacija

Taikant smūginį paviršiaus apdorojimą, susidaro svarbūs kompresiniai įtempiai apie -800 MPa, kurie padeda užkirsti kelią įtrūkimų atsiradimui saulės pavarose, veikiamoms staigių sukimo momentų smūgių. Paviršiaus apdorojimui taikant tikslų poliravimą pasiekiamas Ra mažesnis nei 0,4 mikrono. Tai yra itin svarbu, nes sklandesni paviršiai sumažina tepimo problemas aukšto greičio vijos pavarose, kuriose tepalas tiesiog neužsilaiko ilgai. Naujosios plonųjų dangų dengimo technologijos, pvz., volframo legiruotas DLC (panašus į deimantą anglis), ženkliai sumažina trinties koeficientą iki 0,08–0,12. Šios šiuolaikinės dangos akivaizdžiai pranašesnės už senoviškus fosfato apdorojimus, kai reikia užkirsti kelią brūžavimo pažeidimams per kritinį pavargimo laikotarpį, kol pavaros „prilaužomos“.