vědomosti

Selhání ozubeného kola v důsledku důlkové koroze

 

I. Mechanismus důlkové poruchy ozubených kol

1.1 Definice a jev důlkové koroze

Koroze označuje malé a mělké důlky, které se objevují v kontaktní ploše zubů ozubených kol. Tyto důlky obvykle vznikají v důsledku lokálního odlupování materiálu. Na začátku důlků se obvykle jedná o drobné skvrny. Postupem času a nepřetržitým působením zatížení se tyto skvrny postupně rozšiřují, prohlubují a spojují, čímž vytvářejí větší oblasti odlupování, což vážně ovlivňuje provozní výkon ozubených kol.

 

1.2 Mechanický princip důlkové koroze

Když se dvojice ozubených kol dostane do záběru, jsou povrchy zubů vystaveny střídavému kontaktnímu napětí. V důsledku opakovaného působení kontaktního napětí dochází k poškození materiálu povrchu zubu únavou. Podle Hertzovy kontaktní teorie se v kontaktních bodech povrchů zubů, zejména v oblasti blízko roztečné čáry, vyskytují velmi vysoká lokální napětí, kde je relativní kluzná rychlost relativně malá, olejový film se obtížně tvoří, mazací podmínky jsou špatné a kontaktní napětí je koncentrovanější. Když kontaktní napětí překročí mez únavy materiálu, na povrchu zubu se objeví drobné trhlinky. Jak se ozubená kola dále otáčejí, trhliny se v důsledku působení střídavého napětí postupně rozšiřují, což nakonec vede k odlupování materiálu povrchu zubu a tvorbě důlků.

1.3 Proces vývoje bodové koroze

Vývoj bodové koroze lze obecně rozdělit do tří fází. První fází je počáteční fáze bodové koroze, během níž se na povrchu zubu objevují malé důlky. Ty jsou obvykle způsobeny mikroskopickými vadami nebo stopami po opracování na povrchu materiálu, které nejprve vytvářejí trhliny působením kontaktního napětí. Tyto důlky jsou obvykle malé a relativně rozptýlené, což má malý vliv na pracovní výkon ozubeného kola. Druhou fází je fáze expanze. Jak ozubené kolo pokračuje v provozu, počáteční důlky se postupně rozšiřují a prohlubují a sousední důlky se vzájemně propojují a vytvářejí větší odlupovací oblasti. V této fázi se výrazně zvyšují vibrace a hluk ozubeného kola a snižuje se také účinnost převodu. Třetí fází je fáze silné důlkové koroze. V tomto bodě se důlkové oblasti na povrchu zubu dále rozšiřují, jev odlupování se stává závažnějším, drsnost povrchu zubu se výrazně zvyšuje, únosnost ozubeného kola prudce klesá a může to dokonce vést k úplnému selhání ozubeného kola.

 

II. Faktory ovlivňující důlkovou korozi ozubených kol

2.1 Materiální faktory

Složení materiálu: Oceli s různým složením mají různé mechanické vlastnosti a odolnost vůči bodové korozi. Například legované oceli obsahující odpovídající množství legujících prvků, jako je chrom, nikl a molybden, mají vyšší pevnost, tvrdost a houževnatost, a proto mají relativně silnější odolnost vůči bodové korozi. Naproti tomu běžné uhlíkové oceli mají relativně slabší odolnost vůči bodové korozi.

 

Mikrostruktura materiálu: Mikrostruktura materiálů má také významný vliv na jejich odolnost vůči bodové korozi. Například ozubená kola, která prošla správným tepelným zpracováním, mají jednotné mikrostruktury s jemnými zrny, což může zvýšit pevnost a houževnatost materiálu, a tím i jeho odolnost vůči bodové korozi. Naopak, pokud mikrostruktura materiálu není jednotná, s velkými zrny nebo jinými vadami, je pravděpodobné, že se na povrchu zubu vytvoří koncentrace napětí, což snižuje odolnost vůči bodové korozi.

 

Tvrdost materiálu: Obecně platí, že čím vyšší je tvrdost povrchu zubu, tím silnější je odolnost vůči bodové korozi. Zvýšení tvrdosti povrchu zubu pomocí povrchového kalení, cementace, nitridace a dalších procesů tepelného zpracování může účinně snížit pravděpodobnost bodové koroze. Tvrdost by však neměla být příliš vysoká, protože nadměrná tvrdost může způsobit křehkost materiálu a jeho náchylnost k praskání.

 

2.2 Faktory zatížení

Velikost zatížení: Čím větší zatížení ozubené kolo nese, tím vyšší je kontaktní napětí na povrchu zubu a pravděpodobnost a rychlost vzniku důlkové koroze se odpovídajícím způsobem zvyšuje. Když zatížení překročí mez únavy materiálu, důlková koroze se rychle rozvíjí a vážně ovlivňuje životnost ozubeného kola.

Povaha zatížení: Pokud je ozubené kolo vystaveno rázovému zatížení nebo střídavému zatížení, kolísání napětí na povrchu zubu se stává složitějším, což zvyšuje pravděpodobnost poškození materiálu únavou a urychluje vznik důlkové koroze. Například u některých stavebních strojů jsou ozubená kola často vystavena náhlému rázovému zatížení, což klade vyšší nároky na odolnost ozubeného kola vůči důlkové korozi.

 

2.3 Mazací faktory 

Viskozita mazacího oleje: Viskozita mazacího oleje má významný vliv na mazací účinek na povrch zubu. Mazací olej s vyšší viskozitou může na povrchu zubu vytvořit silnější olejový film, což zajišťuje lepší mazací a tlumicí účinky, snižuje kontaktní napětí na povrchu zubu a snižuje výskyt bodové rýhy. Příliš vysoká viskozita však zvyšuje rotační odpor ozubených kol a snižuje účinnost převodu. Proto je nutné volit mazací olej s vhodnou viskozitou na základě provozních podmínek ozubených kol.

 

Kvalita mazacího oleje: Vysoce kvalitní mazací olej má dobré vlastnosti proti opotřebení, oxidaci a korozi, účinně chrání povrch zubů a prodlužuje životnost ozubených kol. Naopak, mazací olej nízké kvality je náchylný k oxidaci a znehodnocení, čímž vznikají kyselé látky a nečistoty, které mohou korodovat povrch zubů a urychlovat vznik bodové koroze.

 

Metody mazání: Různé metody mazání mají také různý vliv na mazání ozubených kol. Mezi běžné metody mazání patří mazání ponořením do oleje a mazání postřikem oleje. Mazání ponořením do oleje je vhodné pro nízkorychlostní a lehce zatížené ozubené převody; mazání postřikem oleje je vhodné pro vysokorychlostní a těžce zatížené ozubené převody, protože dokáže rychle odvést teplo a částice opotřebení generované na povrchu zubu a udržovat tak dobré mazací podmínky.

 

2.4 Faktory zpracování a instalace

Přesnost zpracování: Přesnost zpracování ozubených kol má významný vliv na kvalitu kontaktu zubních povrchů. Pokud ukazatele přesnosti zpracování, jako je chyba profilu zubu a chyba zarovnání zubů, nesplňují požadavky, povede to k nerovnoměrnému kontaktu zubních povrchů, lokální koncentraci napětí a tím ke zvýšení pravděpodobnosti důlkové koroze. Například nadměrná chyba profilu zubu způsobí interferenci mezi zubními povrchy během záběru, což má za následek nadměrně vysoké lokální kontaktní napětí.

Chyba při instalaci: Pokud se během instalace ozubených kol vyskytnou chyby při instalaci, jako jsou nerovnoběžné osy hřídelí a odchylka od osové vzdálenosti, povede to také ke špatnému kontaktu na površích zubů, nerovnoměrnému rozložení síly na površích zubů a urychlí se vznik důlkové koroze. Například nerovnoběžné osy hřídelí způsobí excentrické zatížení během záběru ozubených kol, což má za následek nadměrné zatížení lokálních povrchů zubů.

 

III. Metody detekce bodové důlkové poruchy ozubených kol

3.1 Vizuální kontrola

Vizuální kontrola je jednoduchá a intuitivní metoda detekce. Přímým pozorováním povrchu zubu ozubeného kola je možné určit, zda se na něm vyskytuje důlková koroze a jak je rozložena. Obecně lze k pozorování drobných důlkových skvrn použít nástroje, jako jsou lupy. Vizuální kontrola může zpočátku určit stupeň důlkové koroze na ozubeném kole, ale nemusí přesně odhalit rané trhliny a drobné důlkové koroze skryté uvnitř povrchu zubu.

 

3.2 Testování tvrdosti

Měření tvrdosti může odrážet změny tvrdosti materiálu povrchu zubu. Pokud se na povrchu zubu objeví důlková koroze, může se změnit i jeho tvrdost. Provedením zkoušek tvrdosti na různých částech povrchu zubu a jejich porovnáním s původními hodnotami tvrdosti lze určit, zda důlková koroze ovlivnila vlastnosti materiálu povrchu zubu. Mezi běžné metody měření tvrdosti patří zkoušení tvrdosti dle Rockwella a zkoušení tvrdosti dle Brinella.

 

3.3 Nedestruktivní testování

Ultrazvukové testování: Ultrazvukové testování dokáže detekovat, zda se uvnitř povrchu zubu nacházejí trhliny a další vady. Když se ultrazvukové vlny šíří v materiálech a narazí na trhliny a jiné vady, generují se odražené vlny. Analýzou charakteristik odražených vln lze určit umístění, velikost a tvar vady. Ultrazvukové testování má výhody velké hloubky detekce a vysoké citlivosti, ale nemusí být účinné při detekci některých drobných povrchových trhlin.

 

Magnetické testování částic: Magnetické testování částic je vhodné pro detekci povrchových a blízkopovrchových trhlin ve feromagnetických materiálech. Na povrch zubu se aplikuje magnetické pole a magnetické částice se na něm rozptýlí. Pokud jsou na povrchu zubu trhliny, magnetické částice se v místě trhliny shromáždí a vytvoří zřetelné magnetické stopy, které mohou vizuálně zobrazit umístění a tvar trhlin. Magnetické testování částic se snadno ovládá a má vysokou rychlost detekce, ale lze jej použít pouze pro feromagnetické materiály a má omezenou schopnost detekce nepovrchových otevřených trhlin.

 

3.4 Monitorování vibrací a hluku

Během procesu důlkového poškození ozubených kol dochází k významným změnám jejich vibrací a hluku. Instalací vibračních a šumových senzorů pro monitorování vibračních a šumových signálů ozubených kol v reálném čase a analýzou a zpracováním těchto signálů je možné určit, zda se na ozubených kolech vyskytuje důlková koroze a jaký je její rozsah. Například pokud se důlková koroze objeví na povrchu zubu, objeví se ve spektru vibračního signálu specifické frekvenční složky a výrazně se zvýší i hladina hluku.