astАрхитектура, строительство, транспортArchitecture, Construction, Transport2782-232X2713-0770Industrial University of Tyumen10.31660/2782-232X-2024-1-106-115ast-153Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGАнализ и установление причин разрушения тяжелонагруженных зубчатых передачAnalysis and determination of the causes of the heavily loaded gears failurehttps://orcid.org/0009-0000-8131-4340ПлехановВ. И.PlehanovV. I.

Плеханов Владимир Иванович, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры материаловедения и технологии конструкционных материалов

Тюмень

Vladimir I. Plehanov, Cand. Sc. in Engineering, Associate Professor, Associate Professor at the Department of Materials Science and Technology of Structural Materials

Tyumen

plehanovvi@tyuiu.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6776-0547КоленчинН. Ф.KolenchinN. F.

Коленчин Николай Филиппович, д-р техн. наук, доцент, профессор кафедры материаловедения и технологий конструкционных материалов

Тюмень

D. Sc. in Engineering, Associate Professor, Professor at the Department of Materials Science and Technology of Structural Materials

Tyumen

kolenchinnf@tyuiu.ruhttps://orcid.org/0009-0004-9826-4502КитаевВ. В.KitaevV. V.

Китаев Владимир Владимирович, доцент кафедры материаловедения и технологии конструкционных материалов

Тюмень

Vladimir V. Kitaev, Associate Professor at the Department of Materials Science and Technology of Structural Materials

Tyumen

kitaevvv@tyuiu.ruТюменский индустриальный университетРоссияIndustrial University of TyumenRussian Federation20242803202401106115Copyright © Плеханов В.И., Коленчин Н.Ф., Китаев В.В., 20242024Плеханов В.И., Коленчин Н.Ф., Китаев В.В.Plehanov V.I., Kolenchin N.F., Kitaev V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ast.tyuiu.ru/jour/article/view/153

Разрушение зубчатых колес происходит по различным причинам, связанным, прежде всего, с нарушением на разных этапах технологии их изготовления, некачественным монтажом зубчатой передачи или механизма в целом, а также превышением заданных эксплуатационных нагрузок. Целью исследования является установление причин разрушения шестерен верхнего привода буровой установки на основе механических и структурных характеристик, полученных общепринятыми методами, совокупно применяемыми для оценки природы возникающих повреждений. Для анализа соответствия качества изготовления шестерен эксплуатационным требованиям и выявления причины выхода их из строя были проведены комплексные исследования, включающие микроструктурный анализ металла шестерен, определение его химического состава и механических свойств, а также исследование морфологии поверхности разрушения с помощью растровой электронной микроскопии. В результате было определено, что зубчатые колеса вышли из строя по причине нарушения технологии их изготовления в части неправильно проведенной термической обработки.

The destruction of gears occurs due to various reasons, first, connected with violation of manufacturing technology at different stages, poor quality assembly of the gear or the whole mechanism, as well as exceeding the specified operating loads. The aim of the study was to establish the causes of failure of the top drive gears in the drilling rig based on the mechanical and structural characteristics obtained by generally accepted methods, collectively used to assess the nature of the resulting damage. In order to analyze the compliance of the gear manufacturing quality with the operational requirements and to identify the cause of their failure, we carried out complex studies, including microstructural analysis of the gear metal, determination of its chemical composition and mechanical properties, as well as the study of the fracture surface morphology using scanning electron microscopy. As a result, we found that the gears failed due to a violation of the manufacturing technology in terms of wrong heat treatment.

разрушение шестерензубчатая передачатермообработка зубчатых колесизнашивание зубчатых передачбуровая установкаверхний приводgear destructiongear transmissiongear heat treatmentgear weargear train weardrilling rigtop driveReferencesПричины разрушений зубчатых колес / А. П. Яковлева, Л. В. Савельева, В. А. Наумов [и др.]. – Текст : непосредственный // Главный механик. – 2017. – № 1. – С. 43–48.Iakovleva, A. P., Savelieva, L.V., Naumov, V. A., Sharapov, S. N., & Bessudnov, L. I. (2017). Causes of gear wheels damage. Glavnyy Mekhanik, (1), рр. 43-48. (In Russian).Морозова, Л. В. Исследование причин разрушения зубчатых колес в процессе эксплуатации / Л. В. Морозова, М. Р. Орлов. – DOI 10.18577/2071-9140-2015-0-S1-37-48. – Текст : непосредственный // Авиационные материалы и технологии. – 2015. – № S1 (38). – С. 37–48.Morozova, L. V., & Orlov, M. R. (2015). Research of failure causes of cogwheels in operational process. Aviation Materials and Technologies, (S1(38)), pp. 37-48. (In Russian). DOI 10.18577/2071-9140-2015-0-S1-37-48.Комплексный анализ эксплуатационного разрушения зубчатых колес коробок передач / Г. Г. Винокуров, С. П. Яковлева, М. И. Васильева, С. Н. Махарова. – Текст : непосредственный // Конструкторское бюро. – 2016. – № 1. – С. 40–46.Vinokurov, G. G., Yakovleva, S. P., Vasilieva, M. I., & Makharova, S. N. (2016). Integrated analysis of operative failure of gear box wheeled pinions. Konstruktorskoe Byuro, (1), 40-46. (In Russian).Принципы отказов и критерии предельных состояний высоконагруженных деталей узлов трения, зубчатых приводов для машиностроения / Е. И. Тескер, О. Д. Косов, К. А. Лубчинский, А. В. Соломатин. – Текст : непосредственный // Автоматизированное проектирование в машиностроении. – 2017. – № 5. – С. 17–20.Tesker, E. I., Kosov, O. D., Lubchinskiy, K. A., & Solomatin, A. V. (2017). Printsipy otkazov i kriterii predel'nykh sostoyaniy vysokonagruzhennykh detaley uzlov treniya, zubchatykh privodov dlya mashinostroeniya. Avtomatizirovannoe proektirovanie v mashinostroenii, (5), pp. 17-20. (In Russian).Некоторые особенности расчета долговечности узлов и деталей машин / М. Ю. Карелина, И. В. Костюк, Т. Ю. Черепнина, В. Р. Рогов. – DOI 10.22213/2413-1172-2020-3-25–30. – Текст : непосредственный // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. – 2020. – Т. 23, № 3. – С. 25–30.Karelina, М. Yu., Kostyuk, I. V., Cherepnina, Т. Yu., & Rogov, V. R. (2020). Some features of calculating durability of machine components and parts. Vestnik IZHGTU Imeni M.T. Kalashnikova, 23(3), pp. 25-30. (In Russian). DOI 10.22213/2413-1172-2020-3-25-30.Анферов, В. Н. К расчету зубчатых и червячных передач при переменных режимах нагружения / В. Н. Анферов, А. В. Зайцев. – Текст : непосредственный // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. – 2016. – № 4 (39). – С. 40–46.Anferov, V. N. & Zaitsev, A.V. (2016). Calculation of gear and worm gears operating in variable loading mode. The Siberian Transport University Bulletin, (4(39)), pp. 40-46. (In Russian).Федоров, С. К. Закалка зубчатых колес силовых редукторов / С. К. Федоров, М. В. Власов. – Текст : непосредственный // Сельский механизатор. – 2019. – № 1. – С. 37–38.Fedorov, S. K., & Vlasov, M. V. (2019). Tempering gears of power gearboxes. Selskiy Mechanizator, (1), 37-38. (In Russian).Семенов, М. Ю. Оценка влияния условий трения на контактную выносливость подвергнутых химико-термической обработке зубчатых колес из комплексно-легированных теплостойких сталей / М. Ю. Семенов. – Текст : непосредственный // Проблемы черной металлургии и материаловедения. – 2015. – № 1. – С. 70–79.Semenov, M. Yu. (2015). Assessing the impact of the conditions of friction on the contact endurance of gears from a complex-alloyed heat resistant steels subjected to thermo-chemical treatment. Problemy chernoy metallurgii i materialovedeniya, (1), 70-79. (In Russian).Испытание, СЭМ-контроль и поверхностная модификация зубчатых колес, изготовленных традиционными и аддитивными технологиями / Л. Г. Варепо, И. В. Нагорнова, Ф. А. Доронин [и др.]. – DOI 10.25206/2310- 9793-2018-6-2-4-12. – Текст : непосредственный // Динамика систем, механизмов и машин. – 2018. – Т. 6, № 2. – С. 4–12.Varepo, L. G., Nagornova, I. V., Doronin, F. A., Gusev, S. V., Bablyuk, E. B., & Nazarov, V. G. (2018). Testing, SEMcharacterization and surface modification of gear wheels produced by additive and traditional technics. Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines, 6(2), pp. 4-12. (In Russian). DOI 10.25206/2310-9793-2018-6-2-4-12.Патент № 2449258 C1 Российская Федерация, МПК G01N 21/00. Способ исследования поверхности разрушения стали методом растровой электронной микроскопии : № 2010152046/28 : заявл. 21.12.2010 : опубл. 27.04.2012 / В. И. Изотов, Е. Ю. Киреева ; заявитель Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина» (ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П. Бардина»). – Текст : непосредственный.Izotov, V. I., & Kireeva, E. Ju. Method of investigating fractured steel surface using raster electron microscopy. Patent na izobretenie 2449258 C1, MPK G01N 21/00. No. 2010152046/28. Applied: 21.12.2010. Published: 27.04.2012. (In Russian).Комплексная фрактодиагностика авиационных конических зубчатых колес / Н. В. Туманов, Н. А. Воробьева, А. И. Калашникова [и др.]. – DOI 10.26896/1028-6861-2018-84-2-55-63. – Текст : непосредственный // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2018. – Т. 84, № 2. – С. 55–63.Tumanov, N. V., Vorobjeva, N. A., Kalashnikova, A. I., Kalinin, D. V., & Kozharinov, E. V. (2018). Complex failure diagnosis of aviation bevel gears. Industrial Laboratopy. Materials Diagnostics, 84(2), pp. 55-63. DOI 10.26896/1028-6861- 2018-84-2-55-63.Шеховцева, Т. В. Оценка контактных разрушений зубьев по боковым поверхностям / Т. В. Шеховцева, Е. В. Шеховцева. – DOI 10.33979/2073-7408-2020-342-4-2-103-111. – Текст : непосредственный // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2020. – № 4-2(342). – С. 103–111.Shehovtseva, T. V., & Shehovtseva, E. V. (2020). The estimation of gears contact failures over the tooth surfaces. Fundamental and Appliad Problems of Engineering and Technology, (4-2(342)), pp. 103-111. (In Russian). DOI 10.33979/2073-7408-2020-342-4-2-103-111.Осипов, И. Г. Экспериментальная оценка твердости поверхностного слоя при разрушении / И. Г. Осипов, В. Н. Панчехин, И. Е. Звонарев. – Текст : непосредственный // Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире. – 2017. – № 18-1. – С. 66–70.Osipov, I. G., Panchchekhin, V. N., & Zvonarev, I. E. (2017). Experimental estimation of surface of surface layer in destruction. Fundamental'nye i prikladnye issledovaniya v sovremennom mire, (18-1), pp. 66-70. (In Russian).Руденко, С. П. Построение кривых глубинной контактной усталости поверхностно упрочненных зубчатых колес / С. П. Руденко, А. Л. Валько. – DOI 10.46864/1995-0470-2022-2-59-47-53. – Текст : непосредственный // Механика машин, механизмов и материалов. – 2022. – № 2 (59). – С. 47–53.Rudenko, S. P., & Valko, A. L. (2022). Construction of deep contact fatigue curves for surface-hardened gear wheels. Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials, (2(59)), pp. 47-53. (In Russian). DOI 10.46864/1995- 0470-2022-2-59-47-53.Онишков, Н. П. К оценке контактно-усталостной долговечности химико-термоупрочненных зубчатых колес / Н. П. Онишков, В. И. Короткин. – DOI 10.23947/1992-5980-2017-17-3-5-13. – Текст : непосредственный // Вестник Донского государственного технического университета. – 2017. – Т. 17, № 3 (90). – С. 5–13.Onishkov, N. P., & Korotkin, V. I. (2017). To estimation of contact-fatigue durability of thermo-chemically strengthened gears. Vestnik of Don State Technical University, 17(3(90)), pp. 5-13. (In Russian). DOI 10.23947/1992- 5980-2017-17-3-5-13.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.