循環交變載荷斜齒輪磨損特征與機制分析

李浩，郭前建，張立國，叢建臣，王昊天，呂學祜，袁偉

(山東理工大學機械工程學院，山東淄博 255049)

0 前言

由于齒輪系統具有傳動能力強、效率高、可靠性好、結構緊湊、適應性良好等優點，在現代工業中扮演著重要的角色，在工程機械、發電裝備、汽車和機器人等方面廣泛應用。齒輪傳動系統的工作環境十分不穩定，在高速轉動時經常受到強大的載荷沖擊和復雜的應力，長期在此狀態下運行可能會出現過載折斷、疲勞斷裂、齒面磨損和塑性變形等形式的失效。因此，建立齒輪磨損測試平臺，研究交變載荷和恒定載荷下的齒輪磨損特征，通過觀察磨粒特征，分析磨粒鐵譜譜片、磨損量和齒面磨痕形貌等信息來判斷不同載荷下的齒輪磨損特征具有重要意義。

齒輪故障檢測技術目前主要分為油液分析技術和鐵譜分析技術。王克等人闡述了液壓系統中顆粒污染物的產生機制和顆粒污染物造成液壓系統故障的具體原因，建立了液壓油液中固體顆粒物形狀和尺寸分布等與液壓系統故障的關系。陳經鋒根據高速泵增速箱的結構特點，提出一種油液監測和振動分析相結合的早期故障診斷方法，可以準確地判斷設備的早期故障。隨著鐵譜分析技術的迅速發展，馮偉等人通過大量的鐵譜磨粒圖像進行了基于不同顆粒特征的分類識別探究，建立了一套油液檢測診斷體系。周長江等由時變接觸線長百分比和彎-扭-軸結合動力學模型來確定載荷，并通過等效接觸模型和Hertz接觸理論獲得齒輪表面壓力和具體滑動距離，進而求出恒定和動載荷下的齒面磨損量。ATANASIU等采用解析法分析了斜齒輪的齒面磨損對系統動態傳遞誤差的影響。王曉筍等通過Weber-Banaschek公式計算獲取嚙合齒輪對的時變嚙合剛度，并通過時變嚙合剛度建立內部誤差激勵的齒輪傳動方程，得到了沿嚙合線載荷的動態運動規律。OSMAN和VELEX建立了原始模型，將寬齒直齒輪和斜齒輪的磨粒磨損加入到了準靜態和動態模擬仿真中。因為油液分析技術和鐵譜分析技術均發展得比較成熟，故本文作者主要使用鐵譜分析技術探究齒輪的磨損過程。

1 齒輪實驗

1.1 實驗條件

實驗臺如圖1所示，定載荷采用載荷閉流式加載方式，動載荷采用彈簧振子系統與恒定載荷串聯加載。為加速齒輪實驗，采用32號無添加劑的白礦物油潤滑、電機轉速設為1 200 r/min、恒定載荷設為200 N·m、油液采樣時間為10～30 min，齒輪參數如表1所示。

圖1 齒輪磨損測試平臺

表1 齒輪參數

1.2 實驗載荷

1.2.1 恒定加載模塊

恒定加載模塊由半聯軸器裝置和彈性扭力軸組成，如圖2(a)所示。2個半聯軸器凸緣上分別設置18和16個銷孔，通過對2個半聯軸器分別施加反向扭力，使得2個半聯軸器與初始位置相比，發生2.5°的轉角，指定銷孔對齊后，采用螺栓定位連接，從而使彈性扭力軸處于蓄力狀態，如圖2(b)所示，與彈性扭力軸連接的齒輪會受到2次相反的作用力，從而傳遞到嚙合位置，實現加載。通過調整凸緣聯軸器相對轉角大小或更換不同剛度的彈性扭力軸，可以獲得不同加載。

圖2 恒定加載模塊

通過線性擬合，得到了靜載荷加載系統加載聯軸器與加載扭矩的關系，法蘭轉動角度與加載力的計算公式(1)所示：

(1)

1.2.2 交變動載加載模塊

交變動載加載模塊由3個彈簧振子并聯耦合裝置產生所需的交變載荷。交變動載模塊如圖3所示，啟動激勵發生盤時，結合彈簧的剛度系數得出彈簧振子的初始載荷值，釋放所有振子后，彈簧振子在滑道上做簡諧運動，同時摩擦加載裝置在固定滑道上滑動，彈簧振子發生簡諧振動，交變的彈簧力為摩擦加載裝置提供正壓力，從而將高頻動載荷轉化成高頻動載荷摩擦力矩，最終施加到齒輪嚙合表面。

圖3 交變加載模塊原理

振動系統產生的加載力的大小如公式(2)所示：

=(++)

(2)

其中：為摩擦片的摩擦因數；、、為彈簧的剛度系數。

1.2.3 載荷變化曲線

圖4所示為單個振子一次激勵后的載荷變化曲線，由曲線變化趨勢可知，單個振子在激勵施加瞬時的振動幅值最大，隨后受阻尼影響振動幅值逐漸減小。

圖4 載荷變化曲線

2 磨粒分析

通過分析式鐵譜儀對磨粒進行檢測，鐵譜分析技術能夠將磨粒從油液分離出來，并按照一定磁感應線規律在玻璃譜片上呈鏈狀沉積，然后通過顯微鏡對磨粒進行定性和定量分析。

2.1 恒定載荷下磨粒鐵譜分析

圖5(a)、5(b)分別為恒定載荷下齒輪運轉5、20 h后的齒輪磨粒譜片100倍放大圖。由圖5(a)可以看出:5 h后的齒輪磨粒譜片中以正常磨粒為主，大部分磨粒顆粒處于10 μm以下，大直徑磨粒較少，最大磨粒直徑為25 μm，在譜圖中能夠比較清晰地看到異常磨粒和正常磨粒的含量，譜片視野良好，表明此時齒輪處于正常運轉狀態，符合恒定載荷下齒輪初期跑合特征。由圖5(b)可以看出:20 h后的齒輪磨粒譜片中磨粒濃度較低，大磨粒數量較跑合初期較少，磨粒鏈細長，說明齒輪處于正常磨損狀態，磨損情況良好。

圖5 恒定載荷下齒輪磨損階段鐵譜

2.2 交變載荷下磨粒鐵譜分析

圖6(a)、6(b)分別為交變載荷下齒輪運轉5、20 h后的齒輪磨粒譜片100倍放大圖。由圖6(a)可以看出:交變載荷下運轉5 h的齒輪磨粒數量和形態較多，直徑較恒定載荷更大，最大磨粒直徑為20～50 μm之間。由圖6(b)可以看出：交變載荷下運轉20 h的齒輪譜片中以小磨粒為主，磨粒種類單一，表明此時為正常磨損狀態，但受到動載荷的影響，齒輪齒面受到的應力比恒定載荷更大，會加速齒輪的磨損。

圖6 動載荷下齒輪磨損階段鐵譜

交變載荷下輪齒運轉40 h后發生崩壞現象，圖7(a)為40 h后交變載荷下鐵譜圖像100倍放大圖，可以看出譜片中大磨粒數量和種類極多，說明齒輪已經發生劇烈磨損，符合齒輪后期磨損特征。

取出交變載荷下潤滑油中的磨粒形態進行分析，如圖7(b)、7(c)所示。由圖7(b)可以看到：磨粒鏈中的磨粒顆粒表面存在明顯劃痕，說明在齒輪磨損過程中齒面劇烈摩擦，發生了嚴重的膠合和相對滑動，屬于黏著磨損。圖7(c)中的磨粒表面較為光滑，呈現亮金屬色，磨粒輪廓不規則，屬于疲勞磨損。由磨粒形態可以得出，在交變載荷下齒輪運轉到后期的主要磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損，并且磨損程度十分嚴重。

圖7 動載荷下齒輪失效前鐵譜

2.3 磨粒量定量分析

通過顆粒計數器對不同載荷下的磨粒進行定量分析，觀察齒輪運轉過程中的磨損程度。

圖8所示為不同載荷下的磨粒曲線，可以看出：交變載荷的磨粒曲線走勢和恒定載荷下較為吻合，但交變載荷下的磨粒峰值和總磨粒量遠遠高于恒定載荷，穩定磨損階段恒定載荷磨粒數量在6 000～8 000之間，比交變載荷低2 000，表明穩定磨損階段交變載荷會加快齒輪磨損速度；30 h后，交變載荷下的齒輪進入劇烈磨損階段，40 h后齒輪斷齒失效;恒定載荷下的齒輪在50 h后發生斷齒失效，表明交變載荷會加速齒輪的疲勞磨損，加快磨損進程。

圖8 磨粒曲線

3 齒面磨損分析

3.1 齒面分析

圖9(a)、9(b)分別為交變載荷下的齒面分度圓處和齒頂處顯微鏡下100倍放大圖，可以看出:分度圓處的齒面裂紋較小，裂紋深度較淺；齒頂處的磨損程度較大，有少量擦傷;分度圓處和齒頂處的主要磨損形式均為疲勞點蝕和黏著磨損。圖9(c)為交變載荷下齒根處100倍放大圖，相比于齒面分度圓和齒頂，齒根處的磨損最嚴重，齒根處受到的接觸應力過高，使潤滑油膜破裂，金屬從齒面上撕落出現了膠合現象，齒面表現出明顯的黏著磨痕和齒面局部損傷，100倍放大后可看到齒根處的溝痕密集，金屬亮澤明顯。

圖9 齒面磨損在顯微鏡下的100倍放大圖

3.2 齒面SEM形貌對比分析

3.2.1 分度圓處齒面形貌對比分析

圖10(a)、10(b)分別為恒定載荷和交變載荷下分度圓處齒面SEM形貌圖，可知：恒定載荷和交變載荷下分度圓處齒輪主要磨損形式均為疲勞點蝕，恒定載荷下分度圓處齒面出現較小的點蝕坑，主要集中在局部應力過高的位置，屬于早期點蝕；交變載荷下分度圓齒面出現的點蝕坑大而且深，屬于破壞性點蝕，這種點蝕隨著磨損會不斷擴展，使齒面嚴重損傷，最終使齒輪失效斷齒。

圖10 分度圓齒面SEM形貌

3.2.2 齒頂處齒面形貌對比分析

圖11(a)、11(b)分別為恒定載荷和交變載荷下齒頂處齒面SEM形貌圖，可以看出：恒定載荷下齒頂處的齒面存在剝落現象，并且存在較為淺平的剝落坑，主要由齒面疲勞磨損導致，部分齒面表層發生壓潰，這是由于表層的齒面材料受到了較大的局部壓應力；交變載荷下齒頂處齒面壓碎嚴重，溝痕密集，齒面帶有大量破碎的磨粒，這是由于交變載荷下齒面受到的瞬時振動、沖擊壓力極高，使齒頂處齒面過度磨損，進而導致齒面被破壞，剝落的磨粒又將齒面劃出溝痕，使得齒頂處形貌破壞嚴重，并且加劇齒輪的磨損速度。

圖11 齒頂處齒面SEM形貌

3.2.3 齒根處齒面形貌對比分析

圖12(a)、12(b)分別為恒定載荷和交變載荷下齒根處齒面SEM形貌圖，對比分度圓和齒頂形貌圖，發現2種載荷下齒根處的磨損最嚴重。恒定載荷下，齒根處齒面存在壓潰現象，附著破損的磨粒，說明在齒輪運轉過程中，上邊界受到較大的振動和沖擊力，容易發生磨損失效，恒定載荷下齒根處磨損主要類型是黏著磨損。交變載荷下齒根處磨損最嚴重，整個齒面嚴重損傷，發生塑性形變，無法正常運轉。這是由于在交變載荷強烈的沖擊和振動下，輪齒材料的屈服極限大大降低，進而發生齒體塑變，齒面上被壓潰的磨粒會在齒輪運轉過程中發生磨粒磨損，加劇齒輪的摩擦磨損，潤滑油中的磨粒又會使潤滑油膜破裂，使齒面上的材料撕落，導致出現黏著現象。

圖12 齒根處齒面形貌

4 結論

通過構建實驗臺，并對齒輪分別加載交變載荷和恒定載荷，進行摩擦磨損實驗，研究不同載荷下的齒輪摩擦磨損演變機制，總結如下：

(1)齒輪運轉初期和后期異常磨粒的數量和種類較多，交變載荷下的齒輪磨損程度較恒定載荷更為劇烈，油液中的異常磨粒濃度更高，穩定運轉時間小于恒定載荷下齒輪穩定運轉時間；分析油液中磨粒可知，交變載荷下齒輪運轉到后期的主要磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損，并且磨損程度十分嚴重。

(2)觀察齒輪齒面磨損形貌，齒面不同位置磨損程度和磨損機制不同，分度圓處磨損最小，齒頂較為嚴重，齒根處磨損最嚴重。在磨損機制上，分度圓處主要為接觸疲勞磨損，齒頂和齒根處多為黏著磨損。

(3)在相同位置，交變載荷下齒面受到的沖擊和振動比恒定載荷更嚴重，隨著磨損加劇，材料脫落形成凹坑，凹坑邊界材料失去各向同性，發生塑性流動，加速齒面磨損進程。