vguitВестник Воронежского государственного университета инженерных технологийProceedings of the Voronezh State University of Engineering Technologies2226-910X2310-1202VSUET10.20914/2310-1202-2025-2-38-45vguit-3648Research ArticleПищевые системыFood systemsАнализ изменений геометрии и кинематики зубчатой передачи в условиях абразивного изнашиванияAnalysis of changes in geometry and kinematics of the gear gears in conditions of abrasive wearhttps://orcid.org/0000-0003-0728-7211ПоповА. М.PopovA. M.

д.т.н., профессор, кафедра мехатроники и автоматизации технологических систем, ул. Красная, 6, г. Кемерово, 650000, Россия

Dr. Sci. (Engin.), professor, mechatronics and automation of technological systems department, Krasnaya Str. 6, Kemerovo, 650000, Russia

popov4116@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0714-204XМайтаковА. Л.MaytakovA. L.

д.х.н., профессор, кафедра управления качеством, ул. Красная, 6, г. Кемерово, 650000, Россия

Dr. Sci. (Engin.), professor, quality management department, Krasnaya Str. 6, Kemerovo, 650000, Russia

may585417@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0005-5536-5482МехдиевР. В.MehdiyevR. V.

аспирант, кафедра мехатроники и автоматизации технологических систем, ул. Красная, 6, г. Кемерово, 650000, Россия

graduate student, mechatronics and automation of technological systems department, Krasnaya Str. 6, Kemerovo, 650000, Russia

popov4116@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7131-0511ВетроваН. Т.VetrovaN. T.

к.т.н., доцент, кафедра управления качеством, ул. Красная, 6, г. Кемерово, 650000, Россия

Cand. Sci. (Engin.), docent, quality management department, Krasnaya Str. 6, Kemerovo, 650000, Russia

veteroknadi@mail.ruКемеровский государст-венный университетРоссияKemerovo State UniversityRussian FederationКемеровский государственный университетRussian FederationKemerovo State UniversityRussian Federation2025300520258723845Copyright © Попов А.М., Майтаков А.Л., Мехдиев Р.В., Ветрова Н.Т., 20252025Попов А.М., Майтаков А.Л., Мехдиев Р.В., Ветрова Н.Т.Popov A.M., Maytakov A.L., Mehdiyev R.V., Vetrova N.T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-vsuet.ru/vguit/article/view/3648

Исследования надежности современных сельскохозяйственных, пищевых и горных машин и механизмов показывают, что до 40 % отказов приходится на долю агрегатов трансмиссии, работоспособность которых в значительной мере регламентируют зубчатые колеса, эксплуатация которых происходит в условиях высокой запылённости воздуха и недостаточной герметичности внутренних полостей. В результате износа зубьев колес появляются вибрации, возрастают динамические нагрузки в приводах. Все это в большей степени связано с изменением кинематики зубчатого зацепления при износе. Целью данной работы является исследование изменений геометрии и кинематики зубчатых передач в условиях абразивного изнашивания. Объектами исследований являлась оценка распределение контактных напряжений и нагрузок, что является ключевым моментом при разработке износостойких и надёжных зубчатых передач. Определялись дополнительные факторы: влияние эксплуатационных нагрузок, изменения формы зубьев в процессе работы и их воздействие на точность передачи движения. В результате проведенных исследований разработаны аналитические зависимости, которые позволяют выполнять расчёты геометрических, кинематических и качественных характеристик передачи и прогнозировать скорость изнашивания шестерни и колеса, оценивать величину контактных напряжений и коэффициента удельного скольжения по линии зацепления пары зубьев на различной стадии износа. В процессе изнашивания линия зацепления искривляется, а её начало, и конец сдвигаются в направлении вращения зубчатых колёс. Коэффициент перекрытия при этом постепенно снижается, но при степени износа свыше 18–20% стабилизируется в пределах 1,03–1,1. В процессе абразивного изнашивания тяжело нагруженных передач происходит не только изменение формы профилей зубьев, но и изменение закона относительного движения колёс.

Studies of the reliability of modern agricultural, food and mining machines and mechanisms show that up to 40% of failures occur in transmission units, the performance of which is largely regulated by gears, which are operated in conditions of high air dust and insufficient tightness of internal cavities. As a result of wear on the teeth of the wheels, vibrations appear, and dynamic loads in the drives increase. All this is largely due to the change in gear gearing kinematics during wear. The purpose of this work is to study changes in the geometry and kinematics of gears under conditions of abrasive wear. The objects of research were the evaluation of the distribution of contact stresses and loads, which is a key point in the development of wear-resistant and reliable gears. Additional factors were determined: the influence of operational loads, changes in the shape of teeth during operation and their impact on the accuracy of motion transmission. As a result of the research, analytical dependencies have been developed that make it possible to calculate the geometric, kinematic and qualitative characteristics of the transmission and predict the wear rate of gears and wheels, estimate the magnitude of contact stresses and the coefficient of specific slip along the engagement line of a pair of teeth at various stages of wear. During the wear process, the engagement line bends, and its beginning and end shift in the direction of rotation of the gears. The overlap coefficient gradually decreases, but with a degree of wear above 18-20% it stabilizes in the range of 1.03–1.1. During the abrasive wear of heavily loaded gears, not only the shape of the tooth profiles changes, but also the law of relative movement of the wheels changes.

износ зубчатых колесгеометрия зубчатых колесотносительное скольжениерадиус кривизныgear weargear geometryrelative slipradius of curvatureReferencesПрохоров В.П., Тимофеев Г.А., Чернышова И.Н. Эволюция эвольвентного зацепления при износе от истирания // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. № 2. С. 14–21.Prokhorov V.P., Timofeev G.A., Chernyshova I.N. Evolution of involute engagement during abrasion. News of higher educational institutions. Mechanical engineering. 2015. no. 2. pp. 14–21. (in Russian)Акопян М.Г. Модель изнашивания зубчатых колес, учитывающая эволюционный характер процесса взаимодействия // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2017. № 3 (43). С. 106–120. doi: 10.21685/2072–3059–2017–3–9Hakobyan M.G. A model of gear wear that takes into account the evolutionary nature of the interaction process. News of higher educational institutions. The Volga region. Technical sciences. 2017. no. 3(43). pp. 106–120. doi:10.21685/2072-3059-2017-3-9 (in Russian)Шевчук В.П., Шеховцов В.В., Клементьев Е.В. Исследование динамических характеристик трансмиссии сельскохозяйственного трактора шестого тягового класса // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 2. С. 44–49.Shevchuk V.P., Shekhovtsov V.V., Klementyev E.V. Investigation of dynamic transmission characteristics of an agricultural tractor of the sixth traction class. Modern science-intensive technologies. 2013. no. 2. pp. 44–49. (in Russian)Усов П.П. Численный анализ переходных процессов в вязко-упруго-гидродинамическом контакте при реверсивном движении // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2021. № 2. С. 81–90.Usov P.P. Numerical analysis of transient processes in viscoelastic-hydrodynamic contact in reverse motion. Problems of mechanical engineering and automation. 2021. no. 2. pp. 81–90. (in Russian)Гусев И.В., Симонова Е.В. Анализ геометрии и кинематики зубчатых передач с учетом износа. Москва: Машиностроение, 2005.Gusev I.V., Simonova E.V. Analysis of geometry and kinematics of gears taking into account wear. Moscow: Mashinostroenie, 2005. (in Russian)Каменев М.И., Ширинский Ю.В. Изучение параметров зубчатых передач в условиях изменения их геометрии и кинематики. Москва: Научно-техническая литература, 2002.Kamenev M.I., Shirinsky Yu.V. Study of gear parameters under conditions of changes in their geometry and kinematics. Moscow: Scientific and technical literature, 2002. (in Russian)Авсиевич А.М., Николаев В.А., Адаменко Д.В. О прогнозировании износа в высших кинематических парах // Теоретическая и прикладная механика. Международный научно-технический сборник. 2009. №. 24. С. 236–238.Avsievich A.M., Nikolaev V.A., Adamenko D.V. On wear prediction in higher kinematic pairs. Theoretical and applied mechanics. International scientific and technical collection. 2009. Issue. 24. pp. 236–238. (in Russian)Багмутов В.П., Савкин А.Н., Паршев С.Н. Изнашивание деталей узлов трения наземных транспортных средств. Волгоград: ВолгГТУ, 2011. 56 с.Bagmutov V.P., Savkin A.N., Parshev S.N. Wear of parts of friction units of land vehicles. VolgSTU, 2011. 56 p. (in Russian)Маликов А.А., Лихошерст В.В., Шалобаев Е.В. Анализ и классификация процесса изнашивания зубчатых передач // Справочник. Инженерный журнал. 2011. № 9. С. 2–11.Malikov A.A., Likhosherst V.V., Shalobaev E.V. Analysis and classification of the wear process of gears. Handbook. Engineering magazine. 2011. no. 9. pp. 2–11. (in Russian)Daubach K., Oehler M., Sauer B. Wear simulation of worm gears based on an energetic approach // Forsch. Ingenieurwes. 2022. V. 86. P. 367–377. doi: 10.1007/s10010–021–00525–3Daubach K., Oehler M., Sauer B. Wear simulation of worm gears based on an energetic approach. J. Forsch Ingenieurwes. 2022. no. 86. pp. 367–377. doi:10.1007/s10010-021-00525-3Zakharenkov N.V., Konovalov V.E., Kvasov I.N. et al. Increasing operation capacity for spherical bearing of indexing spatial mechanism under load // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1260. Iss. 11. P. 112037.Zakharenkov N.V., Konovalov V.E., Kvasov I.N. et al. Increasing operation capacity for spherical bearing of indexing spatial mechanism under load. Journal of Physics: Conference Series. 2019. vol. 1260. no. 11. Art. 112037. doi:10.1088/1742-6596/1260/11/112037Lin W.Y., Tsai Y.H., Hsiao K.M. Optimum variable input speed for kinematic performance of Geneva mechanisms using teaching-learning-based optimization algorithm // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2017. V. 231. Iss. 10. P. 1871–1883.Lin W.Y., Tsai Y.H., Hsiao K.M. Optimum variable input speed for kinematic performance of Geneva mechanisms using teaching-learning-based optimization algorithm. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers (Part C): Journal of Mechanical Engineering Science. 2017. vol. 231. no. 10. pp. 1871–1883. doi:10.1177/0954406215627825Prabhu Sekar R., Sathishkumar R. Enhancement of wear resistance on normal contact ratio spur gear pairs through non-standard gears // Wear. 2017. V. 380–381. P. 228–239. doi: 10.1016/j.wear.2017.03.022Prabhu Sekar R., Sathishkumar R. Enhancement of wear resistance on normal contact ratio spur gear pairs through non-standard gears. Wear. 2017. vol. 380-381. pp. 228–239. doi:10.1016/j.wear.2017.03.022Breki A.D., Chulkin S.G., Gvozdev A.E. et al. Empirical mathematical model for the wear kinetics of porous gas-thermal coatings // Russ. Metall. (Metally). 2021. V. 2021. № 4. P. 496–500.Breki A.D., Chulkin S.G., Gvozdev A.E. et al. Empirical mathematical model for the wear kinetics of porous gas-thermal coatings. Russian metallurgy (Metally). 2021. vol. 2021. no. 4. pp. 496–500. doi:10.1134/S0036029521040046Rohrmoser A., Bode C., Schleich B. et al. Influence of metal gear tooth geometry on load and wear within metal-polymer gear pairs // Appl. Sci. 2022. V. 12. № 1. P. 128. doi: 10.3390/app12010128Rohrmoser A., Bode C., Schleich B. et al. Influence of metal gear tooth geometry on load and wear within metal-polymer gear pairs. Applied Sciences. 2022. no. 1. pp. 128–144. doi:10.3390/app12010270Radzevich S.P. Theory of gearing: kinematics, geometry, and synthesis. Boca Raton: CRC Press, 2018.Radzevich S.P. Theory of gearing: kinematics, geometry, and synthesis. Boca Raton: CRC Press, 2018. URL: https://lccn.loc.gov/201800342Alharbi K.A. Wear and mechanical contact behavior of polymer gears // J. Tribol. 2019. V. 141. № 1. Art. 011101.Alharbi K.A. Wear and mechanical contact behavior of polymer gears. Journal of Tribology. 2019. vol. 141. no. 1. Art. 011101. doi:10.1115/1.4040645Rohrmoser A., Hagenah H., Merklein M. Adapted tool design for the cold forging of gears from non-ferrous and light metals // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2021. V. 113. P. 1833–1848.Rohrmoser A., Hagenah H., Merklein M. Adapted tool design for the cold forging of gears from non-ferrous and light metals. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. vol. 113. pp. 1833–1848. doi:10.1007/s00170-021-06729-9Fan X., Wang P., Li Y. Gear wear prediction based on the theorem of degradation entropy generation // Tribol. Int. 2024. V. 191. Art. 109175. doi: 10.1016/j.triboint.2023.109175Fan X., Wang P., Li Y. Gear wear prediction based on the theorem of degradation entropy generation. Tribology International. 2024. vol. 191. Art. 109175. doi:10.1016/j.triboint.2023.109175Yan Y., Jiang C., Li W. Simulation on coupling effects between surface wear and fatigue in spur gear // Eng. Fail. Anal. 2022. V. 134. Art. 106055. doi: 10.1016/j.engfailanal.2022.106055Yan Y., Jiang C., Li W. Simulation on coupling effects between surface wear and fatigue in spur gear. Engineering Failure Analysis. 2022. vol. 134. Art. 106055. doi:10.1016/j.engfailanal.2022.106055Lin J., Fan X., Wang P., Li Y., Shi Z., Olofsson U. Gear wear prediction based on the theorem of degradation entropy generation // Tribol. Int. 2024. V. 191. Art. 109175. doi: 10.1016/j.triboint.2023.109175Lin J., Fan X., Wang P., Li Y., Shi Z., Olofsson U. Gear wear prediction based on the theorem of degradation entropy generation. Tribology International. 2024. vol. 191. Art. 109175. doi:10.1016/j.triboint.2023.109175Ishmuratov Kh., Hamroev R.K., Kurbonov B.B., Mirzaev N.N. Method for modeling the process of wear of gear teeth // J. Phys.: Conf. Ser. 2022. V. 2176. Art. 012096. doi: 10.1088/1742-6596/2176/1/012096Ishmuratov Kh., Hamroev R.K., Kurbonov B.B., Mirzaev N.N. Method for modeling the process of wear of gear teeth. Journal of Physics: Conference Series. 2022. vol. 2176. Art. 012096. doi:10.1088/1742-6596/2176/1/012096

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