淺論潤滑對齒輪齒面損傷的影響

朱 磊

（上海寶鋼工業檢測公司,上海 201900）

淺論潤滑對齒輪齒面損傷的影響

朱 磊

（上海寶鋼工業檢測公司,上海 201900）

文章簡單介紹了作者在設備故障監測工作中遇到的幾例齒輪齒面損傷的案例,重點描述了這幾個案例中齒輪齒面點蝕、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。并且針對案例詳細闡述了潤滑劑對齒輪齒面點蝕、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生、程度及劣化,從而在日常設備維護工作中確保齒輪箱的正常而穩定地運轉。

齒輪;潤滑;膠合;點蝕

0 前言

齒輪傳動作為機械傳動中最為主要的傳動方式之一,它的運行狀態將直接影響機械系統的工作狀態,因此對齒輪傳動進行有效的監控,就顯得非常重要。齒輪潤滑是能減少傳動中的磨損,改善零件工作條件,提高其預期壽命的有效方法[1]。因此在日常的齒輪維護中,如何創造良好的潤滑條件,采用合理的潤滑技術避免齒輪齒面損傷正受到現場技術人員越來越多的重視。

1 潤滑油對齒面點蝕的影響

1.1 齒面點蝕現象及潤滑效果

點蝕是閉式齒輪傳動中常見的一種接觸疲勞現象。它是由于齒面長期在變化的接觸應力條件下工作而造成的在齒面間產生麻點狀剝蝕損傷現象。它大多先發生于輪齒靠近節線處的齒根面上,然后隨著運動的進行,向其他部位擴展。點蝕的存在,往往會導致齒面的磨損,從而影響齒輪傳動的精度和壽命,甚至會引發斷齒。一般而言,潤滑油的粘度對點蝕的影響頗大。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,造成裂紋的擴展,粘度大的潤滑油緩沖吸振性強,容易建立承載油膜,故潤滑油的粘度越高,抗點蝕能力就越強[2]。此外,潤滑油的某些成分,如油性劑、極壓添加劑,往往會起到降低摩擦,增大邊界油膜的強度,在一定程度上也可以提高齒輪的抗點蝕能力。但在對添加成分的選擇上也應注意。如果油中存有腐蝕性物質,會導致金屬齒面銹蝕,從而引發裂紋,另如果油中存在氣泡也會造成齒面過早的脫落。因此,應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蝕造成的負面影響,達到提高齒面的抗點蝕能力。

1.2 齒輪齒面點蝕損傷案例

某煉鋼廠1#450T起重機主卷行星輪齒輪箱例行檢測過程中,發現中空輪齒面有輕微點蝕現象,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,同時增高極壓添加劑量,原本想以此來改善齒輪箱的運行狀況。但更換新油之后,在潤滑油的光譜檢測中發現金屬磨粒含量增加,并且增幅較大,至2005年9月光譜分析鐵元素濃度值達到該設備受控以來的最大值,見圖1。理化分析運動粘度降低,酸值增加,說明油品質量在降低。為了更好地掌握設備運行狀態,檢測公司在設備短暫停機未開箱的情況下,進行內窺鏡觀察,觀察發現中空齒輪的齒面有明顯點蝕損傷,并且點蝕的齒面面積較大（見圖2（a、b））。在2004年10月檢測時就已經發現中空齒輪齒面有點蝕,這說明齒面潤滑效果未得到改善,相反有進一步惡化的趨勢。

1.3 改善措施及效果

從潤滑效果來看,沒有達到預期效果,筆者認為原因在于:（1）整個潤滑系統沒有整體改造,過濾器的過濾網還是沿用以前目數的網,這樣可能會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,但實際使用效果并不好,反而使齒面損傷更嚴重了。后來現場根據實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,增加了冷卻器,更換過濾網,減少目數。在之后的兩三年間,從潤滑油的檢測結果來看,齒輪齒面潤滑效果良好,內窺鏡檢測也未發現有點蝕損傷現象。

因此在改善齒輪潤滑條件的時候,應當綜合考慮各方面因素,以期達到最佳的潤滑效果。

圖2 齒面點蝕現象

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常發生的一種破壞形式,它主要是因兩工作齒輪齒面間的壓力大,瞬時溫度高,潤滑效果差,造成兩齒面粘結在一起而形成的。隨著傳動的繼續進行,這些粘住的地方往往會被撕裂,從而在齒面上沿相對滑動方向形成刻痕[2],由此降低了齒輪傳動的平穩性。

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相應增大,這種特性對潤滑油膜的承載能力將會產生較大影響。

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生流體潤滑膜來減輕并防止膠合的產生,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生化學反應,可在輪齒工作表面上生成抗膠合性強的化學反映油膜,這層無機覆蓋油膜具有較高的強度,能承受較大的載荷,從而抗膠合能力更強[3]。

潤滑油的供給量和潤滑方式對膠合也產生一定的影響。供油越充足,油的膠合極限負載可得以提高。另外,油浴潤滑和噴油潤滑是齒輪傳動中常用的潤滑方法,就對高速齒輪傳動的冷卻效果而言,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梁水平運動三級圓柱齒輪減速箱,大齒輪及偏心輪轉速2.1 r/m in。潤滑方式采用油池潤滑,潤滑油為ShellOm ala VG460,大小齒輪節圓直徑D1/D2=240mm/1984mm,由于結構等原因,油面高度只有150mm左右。

在日常的潤滑油油品檢測中發現,油品本身的各項理化指標都正常,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齒輪齒面有損傷。后經停機開箱檢查,發現大齒輪個別齒面沿滑動方向出現粘著撕傷,其條紋較細較淺,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線上方沿齒面滑動方向出現粘著撕裂溝痕和拉傷（見圖3（b））。從現場該設備工況條件來觀察,在步進梁上升時大小齒輪的嚙合面處于接觸狀態,而當步進梁下降時,由于一千多噸重的板坯和成百噸重的步進梁框架的重力作用,大小齒輪的非嚙合面處于重載接觸狀態。板坯放落和停車時反擊的響聲很大,而中間減速時和停車前減速時的齒面滑動速度又很低,所以齒面膠合產生的概率很高。齒面膠合是高速重載齒輪經常發生的一種破壞形式,它主要是因兩工作齒輪齒面間的壓力大,瞬時溫度高,潤滑效果差,造成兩齒面粘結在一起而形成的。隨著傳動的繼續進行,這些粘結住的地方往往會被撕裂,從而在齒面上沿相對滑動方向形成刻痕,由此降低齒輪傳動的平穩性。

圖3 齒面膠合現象

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計,油液面高度僅為150mm,儲油量相當小,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生膠合。

因此建議現場在不能改變設備結構,也不能增加噴油嘴的情況下,適當增加潤滑油的儲油量,提高油位。將潤滑油由原來的VG460改換成粘度等級較高的VG680潤滑油,以此保證齒面能夠形成較強的油膜,同時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,齒輪齒面的損傷程度也沒有進一步的惡化。

3 潤滑油對齒輪磨損的影響

對于開式齒輪和在惡劣環境下工作齒輪常見的一種失效形式是磨損。導致磨損的直接原因,是因為在輪齒工作表面存有摩擦。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過及時更換而導致輪齒工作表面產生的磨料磨損,可適當降低潤滑油的粘度,從而對齒面上的磨粒有更好的清洗效果。當然,定時清除油中的沉淀物或更換潤滑油,以及在潤滑油的循環系統中安裝過濾設備,也可達到良好的減輕磨損的作用[4]。

4 小結

齒輪副發生失效,與所傳遞的運動方式和作用力大小直接相關。為了防止齒輪失效,人們往往首先從機械角度去考慮問題,如材質、設計參數、熱處理技術等,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,合理的潤滑技術具有同樣重要的作用。

[1]林子光.齒輪傳動的潤滑[M].北京:機械工業出版社, 1982.

[2]濮良貴,紀名剛.機械設計（第六版）[M].北京:高等教育出版社,1996.

[3]王先會.工業潤滑油脂應用技術[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年畢業于上海交通大學電子與電氣學院計算機專業,獲碩士學位,現主要從事機械設備運行監測及故障診斷工作。