Крупнозубое тихоходное колесо редуктора с двудугочными шевронными зубьями

Когда слышишь про крупнозубое тихоходное колесо редуктора, первое, что приходит в голову — это махина весом в полцеха. Но на деле всё упирается в нюансы профиля. Двудугочные шевроны — та самая деталь, которую часто недооценивают в проектах, пока не столкнёшься с вибрацией на обкатке.

Почему шеврон — это не просто 'зубья под углом'

Многие инженеры до сих пор путают классические косозубые колёса с шевронными. Разница — в компенсации осевых нагрузок. Если в косозубых передачах приходится городить упорные подшипники, то здесь две полушевроны работают как балансиры. Но есть подвох: при неточной сборке или перекосах шеврон начинает 'петь' на низких оборотах — гудит так, что кажется, будто редуктор вот-вот разберётся сам.

На нашем производстве для тихоходных колёс идёт упор на цельные заготовки. Литой стальной диск 40ХНМА, потом термообработка до 269–302 НВ. Закалка ТВЧ только по венцу, иначе сердцевина не держит ударные нагрузки. Помню, в 2018-м для шахтного конвейера делали колесо с модулем 22 — так там после закалки по всей массе появились трещины в зоне перехода ступицы. Пришлось переходить на дифференцированный режим нагрева.

Шевронные зубья требуют жёсткого контроля симметрии. Если угол наклона полушевронов отличается даже на полградуса — осевое биение гарантировано. Проверяем на стенде СЧ-1800: запускаем на 20% от номинальной частоты и смотрим осциллограмму виброускорения. Частая ошибка — недовод по делительному диаметру. Фрезеровщики иногда экономят на чистовых проходах, а потом при шлифовке снимают лишнее.

Опыт с прецизионными редукторами для судовых кранов

В 2021-м для балкерного крана делали колесо редуктора с двудугочным профилем. Заказчик требовал ресурс 100 тыс. часов без замены. Использовали 38ХН3МФА — дорого, но для морской атмосферы вариант. Проблема возникла при нарезании зубьев: шевронный профиль требует синхронной обработки двух половин. Станок 5К324А справлялся, но при переустановке заготовки терялась ориентация.

Пришлось разрабатывать кондуктор с угловыми делительными головками. Важно было сохранить чистоту поверхности в зоне разъёма шеврона — там, где стыкуются полушевроны. Шероховатость выше Ra 1,25 уже даёт местный перегрев. Кстати, на сайте завода 'Цзыян Синлида' есть хорошие примеры расчётов для таких случаев — https://www.xld-russia.ru. Они как раз специализируются на нестандартных редукторах, у них в каталоге есть аналогичные решения.

После термообработки колесо проверяли на контактные пятна. Наносили синьку и проворачивали в сцеплении с червяком. Пятно контакта должно быть не менее 80% по высоте зуба и 90% по длине. В первом варианте получили только 65% — сказался прогиб заготовки при закалке. Исправили подшлифовкой по эвольвенте.

Тонкости монтажа и эксплуатации

С монтажом крупнозубых колёс всегда морока. Масса под 3 тонны, посадочные места под подшипники требуют термоусадочной посадки. Греем индуктором до 180°C, но равномерность прогрева критична. Один раз перегрели ступицу — после остывания появился зазор в 0,01 мм. Пришлось сажать на эпоксидный компаунд, хотя это и не по ГОСТу.

В эксплуатации главный враг — загрязнения. Зубья работают в густой смазке И-40, но если попадает абразив — износ идёт в геометрической прогрессии. На цементном заводе в 2019-м редуктор проработал всего 200 часов из-за попадания песка. После этого стали ставить лабиринтные уплотнения с двухконтурной защитой.

Вибрационный диагностика — обязательный пункт. Для тихоходных колёс с частотой вращения до 50 об/мин используем низкочастотные акселерометры. Характерный признак износа шеврона — появление гармоник на частоте, кратной 2/3 от основной. Это связано с тем, что износ начинается с одной полушевроны из-за неравномерности нагрузки.

Материалы и альтернативы

Для двудугочных шевронных зубьев идём по классике: сталь 40Х, 40ХН, 38ХГН. Импортные аналоги типа DIN 34CrNiMo6 дают прибавку в ресурсе, но дороже на 40%. Для особо ответственных случаев — 20Х3МВФШ (жаропрочная для буровых установок).

Пробовали делать колёса с полиамидными вставками для шумоподавления — не вышло. На низких оборотах пластик не отрабатывал, появлялся люфт. Оставили сталь по всей массе.

Завод 'Цзыян Синлида Редукторное оборудование' здесь предлагает интересное решение — комбинированные колёса с бандажированным венцом. На стальную ступицу напрессовывают закалённый зубчатый венец. Для ремонтного фонда вариант хорош, но для первичного проектирования я бы не рискнул — есть вопросы по прочности соединения при ударных нагрузках.

Перспективы и субъективные заметки

Сейчас всё чаще заказывают колёса с модифицированным профилем — эвольвенту смещают на 0,01–0,02 модуля для компенсации упругих деформаций. Да, нагрузочная способность растёт, но ремонтопригодность падает. После перешлифовки такие зубья теряют свойства.

Из новшеств — лазерная закалка по контуру зуба. Пробовали на экспериментальном колесе модулем 16. Твёрдость получили 58–60 HRC, но появились проблемы с точностью позиционирования луча. Пока дорого и сложно.

Если говорить о будущем — думаю, стоит ожидать роста популярности сборных колёс для гигантских редукторов. Когда цельнокованую заготовку весом 15 тонн нереально обработать, проще собрать из сегментов. Но это уже тема для отдельного разговора...