Nghiên cứu công nghệ để nâng cao chất lượng bộ bánh răng hành tinh trong các máy công trình

Hệ bánh răng hành tinh sử dụng nhiều trong các loại phương tiện, thiết bị máy móc đó như ôtô, cẩu trục… Các chi tiết bánh răng hành tinh khi sửa chữa thay thế chủ yếu nhập ngoại, nên việ

A giíi thiÖu vÒ luËn ¸n

1 TÊN ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu công nghệ để nâng cao chất lượng bộ bánh răng

hành tinh trong các máy công trình”

2 CƠ SỞ LỰA CHỌN ĐỀ TÀI

Hiện nay cùng với sự phát triển của nền kinh tế thị trường các loại phương tiện, thiết bị máy móc của các nước phát triển như Mỹ, Đức, Nhật, Thụy Điển … được nhập vào nước ta ngày càng nhiều về số lượng và phong phú về chủng loại Hệ bánh răng hành tinh sử dụng nhiều trong các loại phương tiện, thiết bị máy móc đó như ôtô, cẩu trục…

Các chi tiết bánh răng hành tinh khi sửa chữa thay thế chủ yếu nhập ngoại, nên việc nghiên cứu giải pháp công nghệ, ứng dụng công nghệ xử lý bề mặt răng để nâng cao chất lượng bánh răng hành tinh đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, nhanh chóng nội địa hoá phụ tùng ô tô tiết kiệm ngoại tệ là hết sức cấp thiết và

có ý nghĩa thực tiễn tại Việt Nam

3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

-Nghiên cứu giải pháp công nghệ để nâng cao tính chống mòn của bánh răng hành tinh với điều kiện thiết bị hiện có tại Việt Nam;

- Nghiên cứu ứng dụng một số phương pháp xử lý bề mặt ảnh hưởng đến độ mòn, độ biến dạng của bánh răng hành tinh;

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ gia công tinh bánh răng bằng mài nghiền;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của ứng suất tiếp xúc, vận tốc tiếp tuyến đến độ mòn bánh răng hành tinh;

- Nghiên cứu độ tin cậy và thời gian hỏng do mòn của bánh răng hành tinh

4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu ảnh hưởng của phương pháp xử lý bề mặt tôi thể tích, thấm cacbon, thấm nitơ plasma đến tính chống mòn, độ biến dạng của bánh răng hành tinh chế tạo bởi vật liệu là thép 45 và 20XΓM;

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh răng hành tinh xử lý bề mặt răng bằng thấm nitơ plasma nhiệt độ thấp

5 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Xây dựng phương pháp đánh giá nhanh độ mòn của bánh răng hành tinh;

- Thiết lập mô hình thực nghiệm, tiến hành thực nghiệm xác định lượng mòn của mẫu bánh răng hành tinh thí nghiệm;

- Xác định các quan hệ giữa ứng suất tiếp xúc, vận tốc tiếp tuyến với lượng mòn của bánh răng hành tinh xử lý bề mặt bằng tôi thể tích, thấm cacbon, thấm nitơ plasma khi bánh răng hành tinh chế tạo bởi vật liệu là thép 45 và 20XΓM;

- Xác định độ biến dạng của bánh răng hành tinh được xử lý bề mặt bằng tôi thể tích, thấm cacbon, thấm nitơ plasma;

- Xác định độ tin cậy và tuổi thọ trên cơ sở mòn của các nhóm mẫu bánh răng hành tinh xử lý bề mặt bằng tôi thể tích, thấm cacbon, thấm nitơ plasma nhiệt

độ thấp;

- Đánh giá lượng mòn và độ tin cậy của các nhóm mẫu bánh răng hành tinh được xử lý bằng tôi thể tích, thấm cacbon, thấm nitơ plasma

6 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh răng hành tinh với các trang thiết bị sẵn

có tại Việt Nam;

- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phương pháp xử lý bề mặt răng đến độ mòn, độ biến dạng của bánh răng hành tinh với vật liệu thép 45 và 20XΓM;

- Nghiên cứu mối quan hệ giữa ứng suất tiếp xúc, vận tốc tiếp tuyến với độ mòn của bánh răng hành tinh; quan hệ độ mòn bánh răng hành tinh theo thời gian khi ứng suất tiếp xúc và vận tốc tiếp tuyến không đổi

7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, tổng hợp và phân tích các công trình khoa học trong và ngoài nước có liên quan để làm cơ sở cho việc nghiên cứu đề tài;

- Nghiên cứu thực nghiệm: Sử dụng quy hoạch thực nghiệm Box-Wilson để đánh giá độ mòn, độ biến dạng của bánh răng hành tinh được xử lý bề mặt bằng tôi thể tích, thấm cacbon, thấm nitơ plasma;

- Sử dụng phần mềm tính toán Matlab để xây dựng công thức: quan hệ lượng mòn với ứng suất tiếp xúc và vận tốc tiếp tuyến; quan hệ lượng mòn theo thời gian; độ tin cậy và tuổi thọ của bánh răng hành tinh trên cơ sở các số liệu thực nghiệm

8 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Đã xây dựng được phần mềm tính toán lượng mòn của bánh răng hành tinh

khi thay đổi vận tốc tiếp tuyến và ứng suất tiếp xúc; độ mòn của bánh răng hành tinh theo thời gian và phần mềm xác định độ tin cậy, tuổi thọ của bánh răng hành tinh trên cơ sở số liệu thực nghiệm;

- Thiết lập được một số công thức tính toán để xác định lượng mòn của bánh răng hành tinh khi thay đổi ứng suất tiếp xúc, vận tốc tiếp tuyến và thay đổi theo thời gian;

- Thiết lập được các hàm đánh giá độ tin cậy và tuổi thọ của bánh răng hành tinh trên cơ sở mòn

10 CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN

Luận án gồm 5 chương với 137 trang: Mở đầu, 6 trang; Chương 1: Tổng

quan về truyền động bánh răng hành tinh, 23 trang Chương 2: Cơ sở lý thuyết

về nhiệt luyện, 25 trang Chương 3: Vật liệu, trang thiết bị thí nghiệm và phương pháp thực nghiệm, 30 trang Chương 4: Nghiên cứu sự ảnh hưởng của một số phương pháp hoá nhiệt đến chất lượng bánh răng hành tinh, 33 trang Chương 5: Ứng dụng kết quả đề tài vào thực tiễn, 26 trang Kết luận, 2 trang Danh mục các bài báo, công trình khoa học đã công bố, 1 trang Tài liệu tham khảo, 7 trang

B Néi dung chÝnh cña luËn ¸n

Chương1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN ĐỘNG BÁNH RĂNG HÀNH TINH

Nội dung của chương này giới thiệu khái quát về truyền động bánh răng hành tinh, công nghệ chế tạo, đặc tính động học và động lực học của bộ truyền bánh răng hành tinh Đã được trình bày cụ thể trong luận án, gồm các vấn đề sau:

* Truyền động bánh răng hành tinh:

- Nguyên lý truyền động;

- Phân loại;

- Chọn số răng bánh răng;

- Xác định tỷ số truyền;

- Mô men và hiệu suất;

* Cơ sở về công nghệ chế tạo bánh răng hành tinh:

chế về công nghệ chế tạo bánh răng tại Việt Nam;

3 Giới hạn nội dung nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu, lựa chọn giải pháp công nghệ chế tạo, phương pháp hóa nhiệt luyện để nâng cao chất lượng bánh răng hành tinh trong điều kiện ở Việt Nam

2.1 Nhiệt luyện

Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt độ tại đó một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo phương hướng đã chọn trước

2.2 Khái quát về hoá nhiệt luyện

2.2.1 Khái niệm chung

Hoá nhiệt luyện là một trong các phương pháp hóa bề mặt, khác với nhiệt

luyện là ngoài việc làm thay đổi cấu trúc bên trong còn làm thay đổi thành phần hoá học của lớp bề mặt

2.2.3 Cơ sở của quá trình nhiệt luyện

* Những quá trình xảy ra khi hóa nhiệt luyện

- Phân hóa: Là quá trình phân tích phân tử, tạo nên nguyên tử hoạt tính của nguyên tố định thấm

- Hấp thụ: Tiếp theo nguyên tử hoạt tính được hấp thụ (xâm nhập, hoà tan vào mạng tinh thể sắt) vào bề mặt thép với nồng độ cao, tạo ra độ chênh lệch nồng độ giữa bề mặt và lõi

- Khuếch tán: Tiếp theo nguyên tử hoạt tính ở lớp hấp thụ sẽ đi sâu vào bên trong theo cơ chế khuếch tán, tạo nên lớp thấm với chiều sâu nhất định Chiều dày lớp khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ, thời gian và nhiệt độ chất khuếch tán ở lớp bề mặt (hình 2-1)

Hình 2-1 Sự phụ thuộc của chiều sâu lớp khuếch tán vào nhiệt độ, thời gian và nồng độ

δ - Chiều sâu lớp thấm; t – Nhiệt độ thấm; τ - Thời gian thấm

* Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán

Hình 2-7 Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán

D vào nhiệt độ Hình 2-8 Sự phụ thuộc của chiều dày lớp thấm vào thời giam thấm

- Nhiệt độ: Nhiệt độ càng cao, nguyờn tử chuyển động càng mạnh, tốc độ khuếch tỏn càng nhanh, hệ số khuếch tỏn cũng tăng theo nhiệt độ (hỡnh 2-7):

Q

e A

2.3 Một số phương phỏp húa nhiệt luyện

2.3.1 Thấm cacbon

Là quỏ trỡnh bóo hũa bề mặt chi tiết nguyờn tố cacbon để sau khi thấm và nhiệt luyện thu được bề mặt chi tiết cú độ cứng, độ chống xõm thực và độ chống mài mũn cao Cỏc tớnh chất trờn vẫn đạt trong khi vẫn giữ được tớnh chất phần lừi

2.3.2 Thấm nitơ truyền thống

Là phương phỏp hoỏ nhiệt luyện, phõn tử nitơ khuếch tỏn vào bề mặt của thộp Quỏ trỡnh khuếch tỏn này dựa trờn độ tan của nitơ trong sắt, được thể hiện trong giản đồ trạng thỏớ sắt – nitơ (hỡnh 2-9)

2.3.3 Plasma

Plasma là trạng thái thứ 4 của vật chất (rắn, lỏng, khí), thực chất là hỗn hợp khí chứa ion d-ơng và điện tử mang điện tích âm Hỗn hợp khí này có tính dẫn điện, để có hỗn hợp khí có tính chất trên thì cần tạo ra nhiệt độ hơn 8000oK

2.3.4 Thấm nitơ plasma

Thấm nitơ plasma là cụng nghệ thấm nitơ tiờn tiến, được tiến hành trong mụi trường ion hoỏ ở nhiệt độ thấp (450 - 600o

C)

Sơ đồ nguyờn lý thấm nitơ plasma hỡnh 2-11

Giản đồ cấu trỳc bề mặt lớp thấm nitơ plasma hỡnh 2-12

* Ưu điểm phương phỏp thấm nitơ plasma

- Hệ thống thiết bị điều khiển tự động;

- Chất lượng sản phẩm đồng đều;

- Cú thể thấm được cỏc loại thộp, gang, hợp kim;

- Thời gian nung chi tiết ngắn, phõn bố nhiệt đồng đều, tạo ra lớp bề mặt cú thành phần, chiều dày và độ cứng đỏp ứng được yờu cầu;

- Giảm thời gian thấm 2-5 lần, giảm lượng khí thấm 20-100 lần, giảm lượng điện tiêu thụ 1,5-3 lần so với các phương pháp xử lý bề mặt trên;

- Chi tiết sau thấm thay đổi không đáng kể về kích thước, hình dạng;

- Đảm bảo an toàn cho người, thân thiện với môi trường

* Nhược điểm phương pháp thấm nitơ plasma

Chương 3: VẬT LIỆU, TRANG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.2 Vật liệu và thiết bị thí nghiệm

3.2.1 Vật liệu thí nghiệm:

Nghiên cứu thực hiện trên 04 nhóm mẫu chưa qua sử dụng với 2 loại vật liệu (nhóm mẫu thép 45 tôi thể tích và thấm nitơ plasma; nhóm mẫu thép 20XΓM thấm cacbon, và thấm nitơ plasma) là thép 45 và thép 20XΓM (ΓΟCT 4543-71) Vật liệu, số lượng mẫu trong bảng 3-1

Bảng 3-1 Vật liệu và số lượng mẫu

3.2.2 Thông số bánh răng thí nghiệm

Thông số mẫu thử nghiệm thể hiện trong bảng 3-2 và hình 3-6

Vật liệu Tổng số mẫu Số lượng mẫu xử lý bề mặt

Tôi thể tích Thấm cacbon Thấm nitơ plasma

Bảng 3-2 Thông số chế tạo bánh răng mẫu

3.3 Kết quả phân tích mác thép

Kết quả phân tích vật liệu mẫu bánh răng thể hiện trong bảng 3-3

Bảng 3-3 Kết quả phân tích thành phần hoá học mác thép làm bánh răng mẫu

Vật liệu Thành phần hoá học trung bình các nguyên tố chính (%)

45 0.4312 0.6816 0.0296 0.0382 0.2164 0.2158 0.2368 0.0281

20ХГМ 0.2368 0.7162 0.0296 0.0314 0.1982 0.9612 0.1862 0.2282

3.4 Thông số công nghệ khi xử lý hóa – lý nhiệt

Mẫu xử lý nhiệt với thông số công nghệ thể hiện trong bảng 3-4, 3-5

Bảng 3-4 Các thông số kỹ thuật thấm nitơ plasma

STT Vật liệu Điện áp

(v)

Thời gian (h)

Nhiệt độ (oC) Tỷ lệ H 2 :N 2 Áp suất (Pa)

Hình 3-14 Lưu đồ chế tạo và xử lý bề mặt bánh răng mẫu

Đo, kiểm tra và đánh giá độ mòn của bánh răng hành tinh; xây dựng công thức xác định mối quan hệ lƣợng mòn theo vận tốc tiếp tuyến và ứng suất tiếp xúc; xây dựng công thức xác định mối quan hệ lƣợng mòn theo thời gian; xây dựng công thức xác định độ tin cậy và tuổi thọ đối với độ mòn của mẫu thử

nghiệm; phân tích, so sánh, đánh giá và đưa ra phương pháp xử lý bề mặt bánh răng phù hợp để nâng cao chất lượng bộ truyền bánh răng hành tinh

Mẫu bánh răng được thấm nitơ plasma thực hiện theo lưu đồ hình 3-14a, mẫu chỉ được tôi thể tích hay thấm cacbon thực hiện theo lưu đồ hình 3-14b

Mẫu bánh răng sau khi mài nghiền được kiểm tra độ nhám trên máy đo

độ nhám Mitutoyo SJ-400 với giá trị cần đạt Ra = 0,63 µm

3.5.2.2 Xác định thông số bánh răng mẫu

* Xác định số răng Z’ trong khoảng pháp tuyến chung:

6 1671

, 6 5 , 0 2

D

D

đc đ

đc v v

đc

i

n n n

n

04 , 2 1

ôl I

120 1 1 1 3 3

3 10

i

n n n

n

r r

0

2

D

M

v I v

I A

n N n

D

N P

9 10 55 , 9 10 55 , 9

B A

A B C

A B C

Hình 3-19 Sơ đồ hệ thống lực khi tác động phanh Hình 3-21 Sơ đồ vị trí đo xác định sai lệch chiều dài pháp tuyến chung b) Khi tác động hệ thống phanh

69 20

2

A A B

Q P P

c) Xác định lực vòng tác động lên bánh răng hành tinh:

v v F I

n n Q N P

621

360 10 95 ,

n n Q N P

P

1863

360 10 95 , 658 6394 , 1 3

i b i K M Z Z

2

3.5.2.8 Xác định chiều dài pháp tuyến chung ban đầu

Mẫu tôi thể tích, thấm cacbon: kiểm tra chiều dài pháp tuyến chung sau mài

nghiền (Lm)

Mẫu thấm nitơ plasma: kiểm tra chiều dài pháp tuyến chung sau thấm (Lst)

3.5.2.9 Xác định sai số hình học của bánh răng

Trước khi mẫu xử lý nhiệt kiểm tra: chiều dài pháp tuyến chung (H3-21),

độ đảo mặt đầu, khoảng cách đường trục của hai bánh răng ăn khớp; sau xử lý

nhiệt kiểm tra lại thông số trên, so sánh với giá trị ban đầu để xác định sai lệch

3.5.2.10 Cơ sở lý thuyết để đánh giá số liệu thực nghiệm

Để nghiên cứu mối quan hệ giữa lượng mòn của mẫu thử với σH(MPa) và

V(m/s), áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Sử dụng các phương

pháp toán học, đặc biệt là phương pháp bình phương nhỏ nhất, lý thuyết xác

suất thống kê, lý thuyết quy hoạch toán nhằm thu được:

- Số liệu cơ bản nhất; - Số lượng thí nghiệm ít nhất;

- Độ tin cậy xác định đặt ra trước; - Hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao nhất

Mối tương quan hệ thống thí nghiệm mô tả theo sơ đồ hình 3-22

Các biến đầu vào điều khiển được: x1 (vận tốc tiếp tuyến m/s);

x2 (ứng suất tiếp xúc MPa) Biến đầu ra bị điều khiển: y (lượng chạy mòn của mẫu)

Biến không điều khiển được: ξ (biến ngẫu nhiên)

Vung I Vung II Vung III

Hình 3-22 Sơ đồ mối tương quan hệ thống thí nghiệm Hình 3-23 Đồ thị đường cong mài mòn

3.5.2.11 Cơ sở lựa chọn thông số thí nghiệm

Để thời gian thử nghiệm ít mà vẫn đánh giá được độ mòn của bánh răng ta tiến hành tăng vận tốc tiếp tuyến (V) và tăng ứng suất tiếp xúc (σH) để tốc độ mòn tăng, nhưng phải đảm bảo :

- Vận tốc: Lựa chọn phải đảm bảo hiện tượng mòn xảy ra, mẫu thử phải hỏng do mòn, an toàn cho toàn bộ hệ thống thí nghiệm

- Ứng suất: Giá trị ứng suất nhỏ hơn ứng suất cho phép

- Thời gian chạy thử nghiệm: Cho 4 nhóm mẫu chạy thử nghiệm với σH

và V lớn nhất đã chọn Sau 100 giờ đo kiểm một lần, vẽ đồ thị lượng mòn, khi xác định được nhóm có lượng mòn chuyển sang giai đoạn mòn khốc liệt (vùng III hình 3-23) thì dừng lại và lấy đó làm thời gian thực nghiệm

- Lượng mòn giới hạn Ugh(mm): Xác định thông qua độ hở cạnh răng tương ứng với cấp chính xác yêu cầu

Coi trục hoành là thời gian làm việc “t” của cặp ma sát, trục tung là độ mòn

“U”, ta được đường cong mòn theo thời gian (hình 3-23)

Khi nghiên cứu đánh giá độ mòn của các nhóm mẫu, chọn vùng có độ mòn

ổn định (vùng II) Quá trình mài mòn ổn định gần như là đường thẳng tuyến tính, thể hiện gần như một đường thẳng

3.5.2.12 Xác định lượng mòn

- Bánh răng tôi thể tích hay thấm cacbon: U = Lm – Lđm (3.29)

- Bánh răng thấm nitơ plasma: U = Lst – Lđm (3.30) Trong đó: + U: Lượng mòn (mm);

+ Lm: Chiều dài pháp tuyến chung sau mài nghiền (mm);

+ Lst: Chiều dài pháp tuyến chung sau khi thấm nitơ plasma (mm); + Lđm: Chiều dài pháp tuyến chung đo được ở mỗi thời điểm để xác định lượng mòn (mm)

3.5.3 Phương pháp nghiên cứu

3.5.3.1 Hệ quy hoạch Box-Wilson

Sử dụng hệ quy hoạch hợp Box – Wilson được xây dựng như sau:

1 1 1 1 1 1 1 1

2 2 2 2

X

Thuật toán xác định phương trình hồi quy thực hiện theo các bước:

Bước 1: Chọn dạng phương trình hồi quy: Phương trình có dạng (3.31)

Bước 2: Tính hệ số hồi quy:

x Y x N

Y x







n Y Y

ju

ts j x

S b

b với tiêu chuẩn Student t(α,f))

Bước 6: Tính phương sai dư 2

d u

 1

2 2

Sử dụng phần mềm Matlab xây dựng phương trình hồi quy phục vụ cho đề tài

Sơ đồ xác định hàm hồi quy hình 3-25

3.5.3.3 Khử số liệu có chứa sai số thô

Khi xử lý số liệu thống kê kết quả, không sử dụng kết qủa chứa sai số thô

3.6 Cơ sở xác định độ tin cậy và tuổi thọ của mẫu trên cơ sở mòn

3.6.1 Khái niệm: …

Đề tài nghiên cứu độ tin cậy về tính chống mòn và tuổi thọ của mẫu

3.6.2 Tuyến tính hóa các thể hiện mòn

Sau khi xác định lượng mòn của mẫu tại thời điểm 100h, 200h, 300h…1000h xác định độ tin cậy và tuổi thọ của mẫu, theo phương pháp bình

phương bé nhất, thay đổi thể hiện mòn bằng đường thẳng (H3-26)

Hình 3-25 Sơ đồ khối xác định hàm hồi quy

3.6.3 Xác định thời gian hỏng do mòn của các mẫu

Sau khi xác định lượng mòn của các mẫu và thể hiện bởi các đường thẳng mòn hình 3-26; căn cứ vào độ hở cạnh răng, độ chính xác để xác định lượng mòn giới hạn Ugh; Ugh thể hiện bởi đường thẳng nằm ngang Xác định giao điểm

1, 2, 3… 24 giữa đường thẳng y1, y2… với đường giới hạn Hoành độ của các giao điểm t1, t2, t3, … t24 là thời gian hỏng do mòn của các mẫu

3.6.4 Xác định hàm mật độ phân phối xác suất thời gian hỏng do mòn

Tập số liệu t1, t2, t3, … t24 là đại lượng ngẫu nhiên Sử dụng phần mềm Matlab xác định hàm mật độ phân phối xác suất thời gian hỏng do mòn f(t), vẽ được đồ thị (hình 3-27)

Bắt đầu Vào số

Thông báo kết quả và vẽ đồ thị

Tính

j

b S

Lập bảng ma trận kế hoạch hóa Chọn mô hình hồi quy Chuyển về hệ tọa độ không thứ nguyên

Tính hệ số hàm hồi quy

Tính F, F α (f 1 , f 2 ) Loại bỏ hệ số vô nghĩa

Chuyển mô hình về dạng biến thực

F < F α (f 1 , f 2 ) ?

Kết thúc Đúng

Sai