淺論潤滑對齒輪齒面損傷的影響

朱 磊

（上海寶鋼工業(yè)檢測公司,上海 201900）

淺論潤滑對齒輪齒面損傷的影響

朱 磊

（上海寶鋼工業(yè)檢測公司,上海 201900）

文章簡單介紹了作者在設(shè)備故障監(jiān)測工作中遇到的幾例齒輪齒面損傷的案例,重點(diǎn)描述了這幾個(gè)案例中齒輪齒面點(diǎn)蝕、膠合和磨損這幾類齒面主要的損傷形式,分析這幾類齒面損傷的成因,包括工況條件及所采用的何種潤滑方式。并且針對案例詳細(xì)闡述了潤滑劑對齒輪齒面點(diǎn)蝕、膠合和磨損損傷的影響,從齒輪潤滑角度分析如何避免、減輕或延緩齒輪齒面損傷的發(fā)生、程度及劣化,從而在日常設(shè)備維護(hù)工作中確保齒輪箱的正常而穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。

齒輪;潤滑;膠合;點(diǎn)蝕

0 前言

齒輪傳動(dòng)作為機(jī)械傳動(dòng)中最為主要的傳動(dòng)方式之一,它的運(yùn)行狀態(tài)將直接影響機(jī)械系統(tǒng)的工作狀態(tài),因此對齒輪傳動(dòng)進(jìn)行有效的監(jiān)控,就顯得非常重要。齒輪潤滑是能減少傳動(dòng)中的磨損,改善零件工作條件,提高其預(yù)期壽命的有效方法[1]。因此在日常的齒輪維護(hù)中,如何創(chuàng)造良好的潤滑條件,采用合理的潤滑技術(shù)避免齒輪齒面損傷正受到現(xiàn)場技術(shù)人員越來越多的重視。

1 潤滑油對齒面點(diǎn)蝕的影響

1.1 齒面點(diǎn)蝕現(xiàn)象及潤滑效果

點(diǎn)蝕是閉式齒輪傳動(dòng)中常見的一種接觸疲勞現(xiàn)象。它是由于齒面長期在變化的接觸應(yīng)力條件下工作而造成的在齒面間產(chǎn)生麻點(diǎn)狀剝蝕損傷現(xiàn)象。它大多先發(fā)生于輪齒靠近節(jié)線處的齒根面上,然后隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行,向其他部位擴(kuò)展。點(diǎn)蝕的存在,往往會(huì)導(dǎo)致齒面的磨損,從而影響齒輪傳動(dòng)的精度和壽命,甚至?xí)l(fā)斷齒。一般而言,潤滑油的粘度對點(diǎn)蝕的影響頗大。通常情況下,稀薄的潤滑油比粘稠的潤滑油更易滲透到裂縫中去,造成裂紋的擴(kuò)展,粘度大的潤滑油緩沖吸振性強(qiáng),容易建立承載油膜,故潤滑油的粘度越高,抗點(diǎn)蝕能力就越強(qiáng)[2]。此外,潤滑油的某些成分,如油性劑、極壓添加劑,往往會(huì)起到降低摩擦,增大邊界油膜的強(qiáng)度,在一定程度上也可以提高齒輪的抗點(diǎn)蝕能力。但在對添加成分的選擇上也應(yīng)注意。如果油中存有腐蝕性物質(zhì),會(huì)導(dǎo)致金屬齒面銹蝕,從而引發(fā)裂紋,另如果油中存在氣泡也會(huì)造成齒面過早的脫落。因此,應(yīng)綜合考慮潤滑油的粘度、添加劑性能等方面,盡量避免潤滑油對點(diǎn)蝕造成的負(fù)面影響,達(dá)到提高齒面的抗點(diǎn)蝕能力。

1.2 齒輪齒面點(diǎn)蝕損傷案例

某煉鋼廠1#450T起重機(jī)主卷行星輪齒輪箱例行檢測過程中,發(fā)現(xiàn)中空輪齒面有輕微點(diǎn)蝕現(xiàn)象,于是在2005年1月將該行車主卷行星齒輪箱原來使用的潤滑油牌號(hào)由殼牌Shell Om ala VG220改為Om ala HD 320（合成油）,提高潤滑油的粘度,同時(shí)增高極壓添加劑量,原本想以此來改善齒輪箱的運(yùn)行狀況。但更換新油之后,在潤滑油的光譜檢測中發(fā)現(xiàn)金屬磨粒含量增加,并且增幅較大,至2005年9月光譜分析鐵元素濃度值達(dá)到該設(shè)備受控以來的最大值,見圖1。理化分析運(yùn)動(dòng)粘度降低,酸值增加,說明油品質(zhì)量在降低。為了更好地掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),檢測公司在設(shè)備短暫停機(jī)未開箱的情況下,進(jìn)行內(nèi)窺鏡觀察,觀察發(fā)現(xiàn)中空齒輪的齒面有明顯點(diǎn)蝕損傷,并且點(diǎn)蝕的齒面面積較大（見圖2（a、b））。在2004年10月檢測時(shí)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)中空齒輪齒面有點(diǎn)蝕,這說明齒面潤滑效果未得到改善,相反有進(jìn)一步惡化的趨勢。

1.3 改善措施及效果

從潤滑效果來看,沒有達(dá)到預(yù)期效果,筆者認(rèn)為原因在于:（1）整個(gè)潤滑系統(tǒng)沒有整體改造,過濾器的過濾網(wǎng)還是沿用以前目數(shù)的網(wǎng),這樣可能會(huì)造成油液流量的減少;（2）由于工況原因齒箱溫度過高,造成油溫很高,改變了潤滑油的某些理化性能。

雖然現(xiàn)場采取了一定的改善齒輪潤滑的措施,如將潤滑油改為高牌號(hào)的潤滑油,增加了潤滑油的粘度,并且還使用了合成潤滑油,增加了潤滑油的極壓性,但實(shí)際使用效果并不好,反而使齒面損傷更嚴(yán)重了。后來現(xiàn)場根據(jù)實(shí)際情況并且聽取檢測公司的建議,在更換齒輪箱后,改造潤滑系統(tǒng),增加了冷卻器,更換過濾網(wǎng),減少目數(shù)。在之后的兩三年間,從潤滑油的檢測結(jié)果來看,齒輪齒面潤滑效果良好,內(nèi)窺鏡檢測也未發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)蝕損傷現(xiàn)象。

因此在改善齒輪潤滑條件的時(shí)候,應(yīng)當(dāng)綜合考慮各方面因素,以期達(dá)到最佳的潤滑效果。

圖2 齒面點(diǎn)蝕現(xiàn)象

2 潤滑油對齒面膠合的影響

2.1 齒面膠合及潤滑效果

膠合是高速重載齒輪經(jīng)常發(fā)生的一種破壞形式,它主要是因兩工作齒輪齒面間的壓力大,瞬時(shí)溫度高,潤滑效果差,造成兩齒面粘結(jié)在一起而形成的。隨著傳動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行,這些粘住的地方往往會(huì)被撕裂,從而在齒面上沿相對滑動(dòng)方向形成刻痕[2],由此降低了齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

就潤滑而言,潤滑油的粘度、種類、潤滑方式對膠合均有一定程度的影響。

一般來說,潤滑油粘度越高,膠合極限負(fù)荷值也就越高。一定粘度的潤滑油對具有沖擊載荷的齒輪傳動(dòng)往往能起緩沖吸振作用。另外潤滑油在承受壓力的情況下,粘度隨壓力增加也會(huì)相應(yīng)增大,這種特性對潤滑油膜的承載能力將會(huì)產(chǎn)生較大影響。

不同類型的潤滑油對膠合的影響作用往往也不一樣。一般的礦物油,由于其不含油性劑和極壓劑,它們主要依靠粘性在輪齒工作表面之間產(chǎn)生流體潤滑膜來減輕并防止膠合的產(chǎn)生,這類潤滑劑粘度越大,防膠合性就越好;對于加入了油性劑的復(fù)合礦物油,由于油性劑分子的吸附作用,能形成比純礦物油更為牢固的邊界油膜,從而用以抵抗膠合;而另一種極壓齒輪油由于油中所含的添加劑能與金屬中的某些成分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),可在輪齒工作表面上生成抗膠合性強(qiáng)的化學(xué)反映油膜,這層無機(jī)覆蓋油膜具有較高的強(qiáng)度,能承受較大的載荷,從而抗膠合能力更強(qiáng)[3]。

潤滑油的供給量和潤滑方式對膠合也產(chǎn)生一定的影響。供油越充足,油的膠合極限負(fù)載可得以提高。另外,油浴潤滑和噴油潤滑是齒輪傳動(dòng)中常用的潤滑方法,就對高速齒輪傳動(dòng)的冷卻效果而言,噴油潤滑效果更佳。

2.2 齒輪齒面膠合損傷案例

某熱軋廠板坯加熱爐步進(jìn)梁水平運(yùn)動(dòng)三級(jí)圓柱齒輪減速箱,大齒輪及偏心輪轉(zhuǎn)速2.1 r/m in。潤滑方式采用油池潤滑,潤滑油為ShellOm ala VG460,大小齒輪節(jié)圓直徑D1/D2=240mm/1984mm,由于結(jié)構(gòu)等原因,油面高度只有150mm左右。

在日常的潤滑油油品檢測中發(fā)現(xiàn),油品本身的各項(xiàng)理化指標(biāo)都正常,潤滑油性能能夠保證。但光譜分析鐵元素濃度值竟然高達(dá)1000μg/g以上,說明潤滑油中存在大量的金屬磨粒,初步診斷為該齒輪箱內(nèi)齒輪齒面有損傷。后經(jīng)停機(jī)開箱檢查,發(fā)現(xiàn)大齒輪個(gè)別齒面沿滑動(dòng)方向出現(xiàn)粘著撕傷,其條紋較細(xì)較淺,主要分布在齒頂部和齒根部（見圖3 （a））。小齒輪齒面在工作節(jié)線上方沿齒面滑動(dòng)方向出現(xiàn)粘著撕裂溝痕和拉傷（見圖3（b））。從現(xiàn)場該設(shè)備工況條件來觀察,在步進(jìn)梁上升時(shí)大小齒輪的嚙合面處于接觸狀態(tài),而當(dāng)步進(jìn)梁下降時(shí),由于一千多噸重的板坯和成百噸重的步進(jìn)梁框架的重力作用,大小齒輪的非嚙合面處于重載接觸狀態(tài)。板坯放落和停車時(shí)反擊的響聲很大,而中間減速時(shí)和停車前減速時(shí)的齒面滑動(dòng)速度又很低,所以齒面膠合產(chǎn)生的概率很高。齒面膠合是高速重載齒輪經(jīng)常發(fā)生的一種破壞形式,它主要是因兩工作齒輪齒面間的壓力大,瞬時(shí)溫度高,潤滑效果差,造成兩齒面粘結(jié)在一起而形成的。隨著傳動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行,這些粘結(jié)住的地方往往會(huì)被撕裂,從而在齒面上沿相對滑動(dòng)方向形成刻痕,由此降低齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性。

圖3 齒面膠合現(xiàn)象

2.3 改善措施及效果

該齒輪箱的潤滑方式采用油池潤滑,齒箱采用弧型底部而非平底設(shè)計(jì),油液面高度僅為150mm,儲(chǔ)油量相當(dāng)小,由于大小齒輪尺寸相差過大,在速度很低的工況下,單靠大齒將潤滑油帶到嚙合部位,齒面難以形成油膜,故潤滑效果不佳從而齒面產(chǎn)生膠合。

因此建議現(xiàn)場在不能改變設(shè)備結(jié)構(gòu),也不能增加噴油嘴的情況下,適當(dāng)增加潤滑油的儲(chǔ)油量,提高油位。將潤滑油由原來的VG460改換成粘度等級(jí)較高的VG680潤滑油,以此保證齒面能夠形成較強(qiáng)的油膜,同時(shí)考慮到控制用油成本,建議仍然采用一般礦物油。在采取一定的措施之后,齒輪潤滑效果得到改善,潤滑油光譜檢測中鐵元素濃度值基本維持在一定的范圍之內(nèi),齒輪齒面的損傷程度也沒有進(jìn)一步的惡化。

3 潤滑油對齒輪磨損的影響

對于開式齒輪和在惡劣環(huán)境下工作齒輪常見的一種失效形式是磨損。導(dǎo)致磨損的直接原因,是因?yàn)樵谳嘄X工作表面存有摩擦。為此,欲減輕磨損,可通過在兩齒輪工作表面處添加潤滑劑,同時(shí)提高潤滑油的粘度,主要是提高粘附性能以保證潤滑油膜。或在潤滑油中加入極壓添加劑,這些都能有效地減少磨損。對于因潤滑油中混入有泥沙、塵土或因長期沒有經(jīng)過及時(shí)更換而導(dǎo)致輪齒工作表面產(chǎn)生的磨料磨損,可適當(dāng)降低潤滑油的粘度,從而對齒面上的磨粒有更好的清洗效果。當(dāng)然,定時(shí)清除油中的沉淀物或更換潤滑油,以及在潤滑油的循環(huán)系統(tǒng)中安裝過濾設(shè)備,也可達(dá)到良好的減輕磨損的作用[4]。

4 小結(jié)

齒輪副發(fā)生失效,與所傳遞的運(yùn)動(dòng)方式和作用力大小直接相關(guān)。為了防止齒輪失效,人們往往首先從機(jī)械角度去考慮問題,如材質(zhì)、設(shè)計(jì)參數(shù)、熱處理技術(shù)等,這些都是必不可少且行之有效的手段,但對于使用中的齒輪來說,合理的潤滑技術(shù)具有同樣重要的作用。

[1]林子光.齒輪傳動(dòng)的潤滑[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1982.

[2]濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第六版）[M].北京:高等教育出版社,1996.

[3]王先會(huì).工業(yè)潤滑油脂應(yīng)用技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,2005.

[4]齊敏霖.摩擦與磨損[M].北京:高等教育出版社,1986.

D iscussion on the In fluence of Lubrica tionon gear Teeth Surface Damage

ZHU Lei
（ShanghaiBaostee l Industry Inspec tion Co rp.,Shanghai201900,China）

The cases o f gea r tee th su rface dam age like sco ring,p itting and w earing are in troduced in this pape r.The damage causes inc lud ing w o rking conditions and lub ricationm ode are analyzed.Based on these cases,the influence of lub rican ts on gear tee th su rface dam age is desc ribed in de tail.It is po in ted that,if the app rop riate lub ricationm ode is se lec ted,the gear teeth su rface dam age can be avo ided,the b reakage can be reduced,and the equipm en t just can be in good cond ition.

gea r;lub rication;sco ring;p itting

TE626.3

A

2009-05-04。

朱磊（1976-）,男,工程師,2006年畢業(yè)于上海交通大學(xué)電子與電氣學(xué)院計(jì)算機(jī)專業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)主要從事機(jī)械設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測及故障診斷工作。