Крупногабаритные валы-шестерни — это очень ответственные детали, которые применяются в тяжелом машиностроении, где требуется передача огромных крутящих моментов.
Крутящий момент (момент силы) — это векторная физическая величина, характеризующая способность силы вызывать вращение объекта вокруг оси, определяемая как векторное произведение силы на её плечо, радиус-вектор (расстояние от оси вращения до точки приложения силы). Направление вектора крутящего момента определяется по правилу векторного произведения (правилу буравчика) и совпадает с осью вращения.
Вал-шестерня — это деталь, объединяющая в себе функции вала (передача вращения и поддержка других деталей) и зубчатого колеса (шестерни), находящегося в зацеплении с другой шестерней или зубчатым колесом. Часто термины «зубчатое колесо» и «шестерня» рассматриваются как синонимы. Однако, согласно ГОСТ 16530-83, между ними есть отличие: под шестерней понимается зубчатое колесо с меньшим числом зубьев; при одинаковом числе зубьев зубчатых колес передачи шестерней называется ведущее зубчатое колесо. Поскольку в данной статье, рассматривается отдельная деталь, а не кинематическая пара, образованная зубчатыми колесами передачи, далее по тексту будем использовать термин «шестерня».
Крупногабаритными считаются такие валы-шестерни, которые могут достигать нескольких метров в длину и весить десятки тонн и именно такие изделия производятся тольяттинским заводом «Волгацеммаш».
Основные сферы применения
1. Металлургия
Это один из главных потребителей крупногабаритных валов-шестерен.
- Прокатные станы: валы-шестерни устанавливаются в клети стана и являются основным элементом привода, который передает вращение от двигателя непосредственно на прокатные валки. Они должны выдерживать колоссальные ударные нагрузки при обжатии раскаленного металла.
- Дробильное и мельничное оборудование: шаровые мельницы, стержневые мельницы, дробилки для измельчения руды и других материалов.
2. Горнодобывающая промышленность
- Обогатительные фабрики: шаровые и стержневые мельницы для измельчения полезных ископаемых.
- Дробилки крупного дробления: щековые и конусные дробилки, где вал-шестерня приводит в движение мощные щеки или конусы, раздавливающие многотонные куски породы.
3. Энергетика
- Гидравлические турбины: в редукторах (мультипликаторах) некоторых типов гидротурбин, где необходимо увеличить частоту вращения от медленноходной турбины к быстроходному генератору.
- Ветряные электростанции: главный редуктор современной ветровой турбины содержит несколько крупных вал-шестерен (как правило, планетарных и цилиндрических), которые передают вращение от медленноходного ротора на быстроходный генератор.
4. Судостроение
- Судовые редукторы: мощные судовые двигатели (дизели, турбины) часто имеют частоту вращения, не оптимальную для гребного винта. Главный редуктор с крупными вал-шестернями согласовывает эти обороты.
5. Цементная промышленность
- Вращающиеся печи: приводы печей для обжига цементного клинкера.
- Сырьевые и цементные мельницы: огромные барабанные мельницы для помола сырья и цементного клинкера - твердого материала, получаемого при производстве цемента в качестве промежуточного продукта.
6. Химическая и нефтегазовая промышленность
- грануляторы, смесители и мешалки большого объема.
- Приводы насосов и компрессоров высокой мощности.
Таким образом, крупногабаритные валы-шестерни — это критически важные узлы, которые работают в условиях экстремальных нагрузок и являются неотъемлемой частью приводов самого мощного и производительного промышленного оборудования в мире. Их выход из строя практически всегда означает остановку всего производства на длительный и дорогостоящий ремонт.
Технология производства
Производство крупногабаритных валов-шестерен — это многоэтапный процесс, сочетающий в себе различные методы обработки металлов. Каждый этап критически важен для обеспечения конечной прочности, точности и долговечности изделия.
Общая схема технологического процесса:
1. Подготовка заготовки
2. Предварительная механическая обработка
3. Упрочнение
4. Окончательная механическая обработка
5. Нанесение зубьев (нарезание)
6. Контроль качества
1. Подготовка заготовки
Для крупногабаритных валов-шестерен исходной заготовкой почти всегда является отливка, поступающая в кузнечно-прессовый цех из сталеплавильного цеха завода (литейному производству АО «Волгацеммаш» будет посвящена отдельная статья). Проковка металла (обычно на мощных гидравлических прессах 2000 — 6000 т) измельчает зеренную структуру и уничтожает литейные дефекты (пустоты, раковины), что приводит к повышению прочности, ударной вязкости и усталостной долговечности.
В качестве материалов валов-шестерен используются высококачественные легированные стали, такие как: 40Х, 40ХН, 34ХН1М, 38Х2НМ, 20Х2Н4А, обеспечивающие высокую прокаливаемость и прочность.
Полученная поковка обязательно проходит ультразвуковой контроль (УЗК) для выявления внутренних дефектов.
2. Предварительная механическая обработка (черновая)
- Цель: приблизить форму заготовки к конечной, снять значительный припуск (несколько миллиметров), оставленный на дальнейшую обработку и термообработку.
- Оборудование: токарные и токарно-карусельные станки с ЧПУ.
- Процесс: обтачиваются все цилиндрические поверхности, торцы, протачиваются канавки. На этом этапе формируются посадочные места под подшипники и уплотнения (но с припуском).
3. Упрочнение
Это один из самых ответственных этапов. Существует две основные технологии упрочнения зубьев:
- Поверхностная закалка токами высокой частоты (термическая обработка): нагревается только поверхностный слой зуба (на глубину 2-4 мм) с помощью индуктора, затем следует быстрое охлаждение (закалка).
Преимущества:
- высокая твердость поверхности зуба (HRC 48-55)
- минимальные деформации всей детали.
- быстрота процесса
- сердцевина зуба и вал остаются вязкими
Недостаток:
- меньшая глубина упрочненного слоя по сравнению с цементацией.
- Цементация (химико-термическая обработка): деталь нагревается в печи с углерод-содержащей средой (газ, пасты), которая насыщает поверхность стали углеродом. Затем следует закалка и низкий отпуск.
Преимущества:
- очень высокая твердость поверхности (HRC 58-62)
- большая глубина упрочненного слоя (может достигать 3-6 мм и более)
- наивысшая контактная прочность и сопротивление излому.
Недостатки:
- сложный и долгий процесс (может занимать дни)
- высокий риск деформаций, требующих последующей сложной правки и обработки
- дороговизна
Выбор технологии зависит от нагрузок: для очень тяжелых ударных нагрузок (прокатные станы) часто выбирают ТВЧ, для максимальных контактных нагрузок (редукторы) — цементацию.
В АО «Волгацеммаш» используется ТВЧ-закалка зубьев. В ходе этого процесса поверхность металла кратковременно нагревается до температуры 900 — 1000°C, после чего следует охлаждение на либо в спокойном воздухе, либо в токе сжатого воздуха.
Обязательный этап после закалки — низкий отпуск для снятия внутренних напряжений.
4. Окончательная механическая обработка (чистовая)
Цель: довести все посадочные поверхности (под подшипники, уплотнения) до точных размеров (квалитет IT6-IT7) и шероховатости (Ra 0.8-0.4).
Процесс: точное точение, шлифование. Шлифование является ключевым процессом, так как после термообработки деталь очень твердая, и только абразивный инструмент может обеспечить нужную точность и чистоту.
5. Нанесение зубьев (Нарезание)
Этот этап может проводиться как до, так и после термообработки, в зависимости от выбранного метода.
- Черновое нарезание (до термообработки): зубофрезерование на мощных зубофрезерных станках, иногда зубодолбление, в результате чего формируются зубья с припуском 0.3-0.6 мм на сторону для последующей чистовой обработки.
- Чистовое нарезание/отделка (после термообработки): после закалки ТВЧ часто используется зубозакругление (шлифование профиля зуба) для повышения точности и снятия закалочных окалин; цементация, в отличие от закалки ТВЧ, дает значительные деформации, поэтому шлифование зубьев является обязательным этапом. Используются профильно-шлифовальные станки. Это дорогой и длительный процесс, но он обеспечивает высокую точность зубчатого зацепления.
6. Контроль качества
Контроль ведется на всех этапах, особенно тщательный — на финише, и включает в себя:
- визуальный и измерительный контроль: геометрические размеры
- контроль твердости: твердомерами по Роквеллу и Шору
- контроль зубчатого венца: на зубомерах проверяют шаг, толщину зуба, направление зубьев, на станках для контроля кинематической точности проверяют полный комплекс погрешностей (кругловой шаг, погрешность профиля, направляющую и т.д.)
- контроль шероховатости: профилометром
- ультразвуковой контроль (УЗК) финишный: для выявления трещин, которые могли появиться после термообработки
- контроль методами магнитопорошковой или капиллярной дефектоскопии: для выявления поверхностных дефектов.
Заключение
Крупногабаритные валы-шестерни — ключевой элемент приводов мощного промышленного оборудования, их отказ может надолго остановить производственный процесс. Они работают в условиях колоссальных крутящих моментов и ударных нагрузок, что предъявляет высочайшие требования к их прочности и долговечности.
Технологический процесс создания валов-шестерней — многоступенчатый цикл, сочетающий различные виды механической, термомеханической, термической, химико-термической обработок и контроля качества, а производство таких изделий — это всегда симбиоз опыта, технологий и материаловедения.
Возможность выпускать такую продукцию повышает технологическую независимость и конкурентоспособность базовых отраслей экономики страны.