Шнеки, зубчатые колеса, шестерни

В механизмах современного технологического и транспортирую­щего оборудования пищевых производств применяют разнообразные зубчатые колеса: одновенцовые цилиндрические с прямыми и косыми зубьями, цилиндрические с внутренним зацеплением, конические с прямыми и криволинейными зубьями, червячные; многовенцовые цилин­дрические; шестерни - валы цилиндрические и конические. Кроме того, используют зубчатые рейки, зубчатые секторы и звездочки цеп­ных передач.

Перечисленные типы зубчатых колес применяют в приводах под­весных ленточных конвейеров, конвейерных стоках, винтовых конвейерах, лебедках, цепных элеваторах, волчках, сепараторах, центри­фугах, расфасовочных автоматах и т.д.

Основным критерием при назначении материала и вида термичес­кой обработки для зубчатых колес являются условия их нагружения, характер среды, необходимая точность и габаритные размеры. В боль­шинстве случаев зубчатые колеса изготовляют из конструкционных углеродистых и легированных сталей различных марок. Стальные зуб­чатые колеса в зависимости от назначения и требований к несущей способности и долговечности подвергаются следующим видам терми­ческой и химико-термической обработки: улучшению до НВ 240-320; поверхностной закалке до HRC 48-52; цементации и закалке до HRC 58-62; азотированию до HRC 52-58.

Улучшенные колеса в основном изготовляют из стали 40Х, поверхностно зака­ливаемые колеса из сталей 40Х и 40ХН (при более высоких прочност­ных требованиях). Существуют несколько видов поверхностнойзакал­ки: закалка венца с нагревом ТВЧ может производиться в кольцевом индукторе (для колес с модулем < 6мм ) с пос­ледующим охлаждением в воде или масле; в индукторе для каждого зуба (для колес с модулем > 8мм). Такая закалка производит­ся в масле.

Цементируемые колеса изготовляют из сталей 20Х, 18ХГТ, 25ХГТ и других сталей, а особо нагруженные из сталей I2XH3A, 20ХНЗА и др. Лучшие результаты получают при нитроцементации.

Азотируемые колеса изготовляют из сталей 40ХФА, 40Х, 38Х2Ю, 38Х2МЮА и др. При азотировании возникают небольшие деформации, что позволяет применять её для тонкостенных деталей. Для улучшения механических свойств азотированных деталей перед азотированием целесообразно производить улучшение заготовки до HRC 26…28, на сорбит.

Чугун марок СЧ18, СЧ20, СЧ25 и других марок и стальное литье используют для крупномодульных и слабонагруженных зубчатых колес.

Для коптильного производства цепные звездочки выполняют из жа­ропрочного чугуна, т.к. введение легирующих элементов (Cr, Ni, Si, V, Mo) повышает его химическую стойкость к корро­зионному разрушению под действием горячих газов (воздух, коптильный газ).

Зубчатые передачи, работающие в агрессивных средах, изготов­ляют из нержавеющих сталей.

Для изготовления зубчатых колес в пищевом машиностроении при­меняют также цветные металлы (бронзы, латунь) и полимерные мате­риалы (текстолит, полиамиды, древесно-слоистые пластики и др.). Зубчатые колеса, имеющие прямой контакт с пищевыми продуктами (напр. в шестеренных насосах для перекачки молока, творога и дру­гих жидких пищевых и маловязких продуктов), должны быть изготов­лены из материалов, разрешенных Минздравом РФ для данных усло­вий эксплуатации.

В пищевых машинах широко применяют шнеки различных типов и размеров. Основными общими конструкционными и технологическими признаками деталей этого типа является наличие витков, располо­женных по винтовой поверхности в продольном направлении с большим шагом.

Шнеки изготовляют из конструкционных и нержавеющих сталей, в зависимости от назначения и условий работы, например, литые шнеки - из серого чугуна СЧ20, стали 45Л, цветных сплавов (бронза БрА9Мц2Л, алюминиевые сплавы и др.).

Для экономии нержавеющей стали на рабочие поверхности шнеков, применяемых для транспортирования, смешивания или прессования влажных и тестообразных пищевых продуктов, наносят коррозионно-стойкие покрытия лужение пищевым оловом О1 и О2 (ГОСТ 860-75)илитвердое хромирование Х60 и др.

 

Задача 3.1

Шестерня диаметром 250мм, модулем 8 мм закалена с нагре­вом токами высокой частоты и твердостью зубьев HRC 57...60, раз­рушилась вследствие образования усталостных трещин у основания многих зубьев. Исследования микроструктуры показали отсутствие зоны закалки по впадинам.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

 

Задача 3.2

 

Промежуточная вал-шестерня изготовлена из стали содержа­щей 0,33 % S. В процессе эксплуатации разрушилась шлицевая часть вала. Излом хрупкий, с блестящими вкраплениями и темными участками, что говорит оналичии ликвации примесей. Твердость рабочих поверхностей HRC 45...47.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

 

Задача 3.3

Излом шестерни зубчатой передачи постоянного зацепления возник под действием усталости при изгибе. Исследования пока­зали, что вначале возникла трещина на основной контактной по­верхности зуба. Твердость поверхности шестерни HRC 57...60, сердцевины HRC 48...52.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

 

Задача 3.4

Вышел из строя винт автоматно-сокового агрегата КТСА-30/3. Конструктивно он выполнен в виде литоговинта; изготовлен из бронзы Бр.А9Мц2Л. Устанавливается на валу с помощью шпонки и винта. Разрушению предшествовало образование усталостных трещин в углах шпоночного паза. Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

 

Задача 3.5

Хвостовик рабочего шнека измельчителя мяса - волчка во время передачи вращения от электродвигателя сломался. Исследования показали, что хвостовик изготовлен из стали У8, закален на HRC 60...64; микроструктура по всему сечению отпу­щенный мартенсит.

Определить предполагаемую причину поломки хвостовика, дать рекомендацию по замене материала хвостовика, описать режим тер­мической обработки для обеспечения соответствующей твердости с учетом того, что муфта сцепления имеет твердость HRC 58...60. Описать микроструктуру.

 

Задача 3.6

Червяк для перемещения мяса в измельчителе - волчке изготов­лен из стали 18ХНВА.

В сложившейся ситуации червяк покрылся следами коррозии, что недопустимо при эксплуатации в пищевых средах.

Необходимо:

1. Расшифровать марку стали, из которой изготовлен червяк. Определить, относится ли она к нержавеющим сталям;

2. Обеспечить червяку коррозионную стойкость, твердость поверхности на глубине 0,04...0,06 мм HRC 65...70, применив для этого прогрессивный процесс химико-термической обработки;

3. Описать микроструктуру и свойства диффузионного слоя.

 

Задача 3.7

В результате поломки зуба вышла из строя шестерня передачи редуктора измельчителя - волчка.

Исследования показали, что на зубьях шестерни произведена сквозная закалка, наблюдается крупноигольчатый мартенсит. Шес­терня изготовлена из стали 40Х, твердость НВС 40...45.

Необходимо, исходя из условий эксплуатации, подобрать марку стали, назначить твердость и описать режим термической обработки, обеспечивающий поверхностную твер­дость на глубине 3-5 мм. Описать микроструктуру.

 

Задача 3.8

В результате питтингового износа вышла из строя шестерня быстроходной передачи редуктора измельчителя мяса - волчка. Исследования показали, что в микроструктуре зуба шестерни наряду с основной структурой мелкоигольчатого мартенсита присутствует до 20...25 % феррита; шестерня изготовлена из стали 30; HRC 56...58.

Необходимо:

1. Определить причину износа зуба шестерни.

2. Назначить режим термической обработки и твердость, обеспечивающих высокую износостойкость шестерни. При необходи­мости изменить марку стали. Описать микроструктуру.

 

Задача 3.9

При переработке подсолнечных семян на масло в зеерной ка­мере шнек-пресса зеерный нож после 3-х месяцев работы подвергся значительному износу, (линейный износ достиг 7мм).

Нож изготовлен из малоуглеродистой стали легированной хро­мом 20Х, подвергнут цементации на глубину 1,0 мм и закален на HRC 55...65.

Проанализируйте причины столь большого износа, принимая во вни­мание, что в подсолнечном масле присутствуют в значительном ко­личестве сильные поверхностно-активные кислоты, такие как пальмитиновая, олеиновая, стеариновая, линолевая, что вызывает химико-механическое изнашивание.

Назначьте марку стали для из­готовления новой партии деталей и упрочняющую термическую или химико-термическую обработку.

 

Задача 3.10

 

Звено шнек-пресса ЕП изготовлено из стали 20Х; по заводс­кой технологии шнек-пресс был подвергнут цементации на глубину 1,0 мм и закален на твердость HRC 55...65. Исследования показали, что за 4 месяца работы износ детали превышает 5мм.

Описать микроструктуру на поверхности износа и предполагае­мую твердость НВ.

Назначить более прогрессивный процесс химико-термической обработки, задать твердость для новой партии шнека-пресса не изменяя марку стали.

Описать микроструктуру поверхностного слоя после проведения упрочнения по новой технологии.

 

3адача 3.11

На кондитерском комбинате у шестерни для коловоротного насо­са для перекачки вязких начинок большинство зубьев сломались после непродолжительной эксплуатации. Шестерня диаметром 50 мм была изготовлена из стали У8 и после объемной термической обработки имела твердость HRC 60.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

 

Задача 3.12

В результате износа вышло из строя цилиндрическое зубчатое колесо одноцепного автоматического элеватора ОАЭ-4 для между­этажной транспортировки бутылок. Диаметр колеса 60мм, ширина 80 мм. По расчетам предел прочности должен быть более 550 МПа.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

 

Задача 3.13

На машиностроительном заводе, выпускающем бутылкоукупорочные автоматы типа А1-ВУМ-3, приступили к выпуску новой модели машины. В машине имеются зубчатые колеса сложной формы диаметром 50 мм и высотой 100 мм. По техническим условиям они должны иметь твердость на поверхности не ниже HRC 58...60, а в сердцевине предел прочности не ниже 400 МПа и ударную вяз­кость не ниже 0,5...0,6 МДж/м². Завод изготовил первую партию зубчатых колес из углеродистой цементуемой стали, однако не­которые зубчатые колеса при закалке получили деформацию.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

 

Задача 3.14

В результате увеличения мощности тестоделительной машины ХДФ произошла поломка червячного колеса диаметром 150мм,изготовленного из серого чугуна, с перлитной металлической основой, излом имел кристаллическое строение без значительной пластической деформации. В результате расчетов было установлено, что прочность изделия должна быть в 1,5 раза выше, а относи­тельное удлинение не менее 2-3%.

Требуется: зарисовать структуру и указать примерный предел прочности чугуна.

Выполнить п.п. 1...6 задания. Описать способ получения выбранного чугуна.

 

3адачa 3.15

Вышел из строя шнек шнекового пресса непрерывного действия ПНД-5 для прессования измельченных плодов и ягод и получения сока. Излом шнека крупнокристаллический, изготовлен из стали 45. Твердость на поверхности и по сечению HRC 40...47.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания

 

Задача 3.16

Планетарная шестерня из стали 20Х, в которой большинство вершин зубьев сломалось после непродолжительной эксплуатации. Шестерня была цементирована и термически обработана на твер­дость HRC 60... 62. Толщина цементированного слоя была более 1,5 мм, что способствовало созданию высоких напряжений на поверхности раздела между этим слоем и сердцевиной. При эксплуатации дополнительные нагрузки вызвали образование трещин в упрочненном слое.

Требуется: выполнить п.п. 2...6 задания.

Задача 3.17

Установлен большой износ ленточного шнека диаметром 354 мм и длиной 994 мм машины Л5-ФМУ-335. Материал - Ст08кп с покрытием пищевым оловом. На изношенной поверхности видны следы коррозии.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания, при условии исключить возможность образования в процессе эксплуатации коррозии.

 

Задача 3.18

Вышел из строя шнек диаметром 130 мм и длиной 130 мм волчка МП-160 в цехе мясокомбината.

Установлено, что шнек был изготовлен путем литья; материал АЛ5. В микроструктуре просматривается оплавление по границам зерен, крупное зерно.

Требуется: выполнить п.п. 1…6 задания, заменив алюминиевый сплав сталью.

 

Задача 3.19

 

На макаронной фабрике вышел из строя шнек диаметром 102 мм, длиной 1400 мм пресса ЛПЛ-2М для формования макаронных изделий, рабочая поверхность покрылась коррозией, что запре­щено при работе с пищевыми продуктами. Шнек изготовлен из стали 20.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

 

Задача 3.20

На пивоваренном заводе вышел из строя в связи с большим износом рабочих поверхностей шнек пневматической барабанной солодовни. Исследование микроструктуры показало, что шнек изготовлен из листовой стали 20 путем сварки. В листах сварки обнаружено крупное зерно и микротрещины.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

Предусмотреть термическую обработку изделия после сварки для снятия сварочных напряжений.

 

Задача 3.21

В практике изготовления зубчатых пар большое влияние имеют на решение проблемы долговечности и нагрузочной способности зуб­чатых передач отклонения в размерах рабочих поверхностей, вызван­ных деформациями зубьев в процессе эксплуатации. Подбор пары зубчатых колес по удовлетворительному пятну контакта в этом случае теряет смысл.

Требуется: С учетом эксплуатации быстроходной пары, работающей в химической среде, выполнить следующее:

1. Назначить марку стали для изготовления зубчатой пары и их термическую или химико-термическую обработку.

2. Расшифровать выбранные марки стали; привести механические свойства до термообработки.

3. Обосновать выбор твердости на поверхности изделий после термообработки. Привести значение механических свойств деталей пос­ле термообработки.

4. Описать микроструктуру стали зубчатой пары и выбор режимов термообработки с учетом требований постоянства геометрических па­раметров.

Задача 3.22

Упрочнение зубьев рассматривается как основной резерв повыше­ния несущей способности зубчатых пар. Экономическая целесообраз­ность упрочнения зубчатых колес заключается и в том, что умень­шается металлоемкость сборочных единиц и машин в целом - сниже­ние в 2...8 раз массы редуктора,

На предприятии в результате смятия зубьев ведущего колеса вы­шел из строя редуктор. Исследования показали, что пара изготовле­на из стали 40ХН и 45 с последующим термоулучшением и нормализа­цией соответственно.

Требуется:

I. Назначить для изготовления зубчатой пары марки стали и термическую или химико-термическую обработку, повысив их износостойкость в 2...5 раз.

2. Расшифровать выбранные марки стали, указать их механичес­кие свойства и микроструктуру в состоянии поставки и в готовой детали.

3. Дать рекомендации подбора марок сталей для изготовления ведущих, ведомых колес и вала, исходя из условий их работы, сложности изготовления и монтажа.

 

Задача 3.23

По данным исследований наибольшая сопротивляемость наносу цементированных шестерен, наготовленных из стали 12Х2Н4А, наблюдается при твердости зубьев HRC 57...59. Повышение твердости слоя до HRC 60...62 также ведет к появлению шлифовочных трещин в связи с фазовыми превращениями, проходящими в поверхностных слоях диф­фузионного слоя на глубину 0,02...0,08 мм.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

 

3адача 3.24

Шестерни приборов диаметром 40 мм, ширина венца 10 мм изго­товленыиз стали 38ХМЮА и термообработаны до HRC 66...67.

Требуется:

I. Описать микроструктуру и твердость сердцевины шестерен.

2. Какой вид химико-термическойили термической обработки произведен на указанную поверхностную твердость, указать примерно, на какую глубину; привести режим.

3. Описать микроструктуру поверхностного слоя.

4. Привести режимы термической обработки сердцевины изделия; указать, для какой цели и когда она производится.

 

Задача 3.25

В тяжело нагруженной зубчатой паре ведомая шестерня изготовле­на из стали пониженной прокаливаемости 55ПП и имеет твердость HRC 50...55. В процессе эксплуатации произошло смятие зубьев.

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания.

 

Задача 3.26

 

Зубчатая пара установлена на тихоходном валу; изготовлена из стали I8XHВА, твердость поверхности HRC 60...62. Технологи цеха считают, что использование указанной относительно дорогой стали для изготовления указанной зубчатой пары нецелесообразно. Почему?

Требуется: выполнить п.п. 1...6 задания

 

3адача 3.27

На величину износа шестерен влияет также шероховатость по­верхности.

1. Исследуйте микроструктуру и свойства шестерен, изготовлен­ныхиз стали 40Х с твердостью поверхности HRC 45...50.

2. Примените вид химико-термической обработки дляуказанныхшестерен, повышающий степень точности изготовления их на 1… 2 единицы и увеличивающий сопротивление износу в 2...5 раз.

3. Опишите микроструктуру и фазовый состав диффузионного слоя.

 

Задача 3.28

При одинаковых условиях эксплуатации шестерни, изготовленные из сталей 12Х2Н4ВА и 18ХГТ, изнашиваются по-разному.

Требуется: I. Назначить режим термическойили химико-термической обработки для указанных шестерен и оптимальную твердость сердцевины и поверхности детали.

2. Описать микроструктуру сердцевины и поверхности, указать фазовый состав.

3. Почему износ деталей, изготовленных из стали I2X2H4A, зна­чительно ниже, чем из стали I8XГT.

4. Описать влияние легирующих элементов указанных сталей на эксплуатационные характеристики.

 

Задача 3.29

 

При закалке с нагревом ТВЧ в поверхностном слое при оптимальном охлаждении возникает сжимающие остаточные напряжения, которые, как правило, не являются причиной возникновения трещин.

При резком охлаждении нагретого слоя наступает момент, когда температура поверхности достигает 500...550 °С при которой сталь непластична и в охлаждаемом слое возникают растягивающие напряжения.

На заводе изготовлены шестерни из сталей 45, 40Х, 38ХМЮА, 30ХГТ.

Требуется: I. Рекомендовать для указанных шестерен режимы терми­ческойили химико-термической обработки.

2. Описать структуру, механические свойства в состоянии поставки и после соответствующей термообработки.

3. С учетом сказанного пояснить, шестерни из каких (какой) сталей более склонны к образованию закалочных трещин и почему? Привести режимы закалки с нагревом ТВЧ.

 

Задача 3.30

При исследовании микроструктуры вышедшей из строя шестерни диаметром 360мм, шириной венца 100 мм оказалось, что с поверх­ности просматривается обезуглероженный слой на глубину до 0,2мм,что явилось причиной выхода из строя шестерни, микроструктура сердцевины шестерни феррит + 50 % перлита.

Требуется:

1. Определить примерно марку углеродистой стали бракован­ной шестерни и причину обезуглероживания.

2. Выполнить п.п. 1...6 задания.