合理潤(rùn)滑對(duì)開(kāi)式齒輪出現(xiàn)點(diǎn)蝕的影響

一、點(diǎn)蝕的分類(lèi)
     齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中受到周期性變化的接觸應(yīng)力作用，當(dāng)接觸應(yīng)力超過(guò)材料的接觸疲勞強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在齒輪表面或次表層上產(chǎn)生疲勞裂紋，如圖1所示。疲勞裂紋不斷擴(kuò)展、延伸，最終使小塊金屬脫落，形成不同形狀的小凹坑。

圖1  齒輪上密布的裂紋
齒面金屬材料遺失和出現(xiàn)凹坑是齒面疲勞損傷的典型特征。按照ANSI/AGMA1010-E95,點(diǎn)蝕有如下分類(lèi)。 

1.      點(diǎn)蝕（宏觀點(diǎn)蝕）
齒輪表面或次表層出現(xiàn)裂紋后，裂紋會(huì)沿原方向發(fā)展到一定長(zhǎng)度，然會(huì)改變擴(kuò)展方向或產(chǎn)生分支裂紋，直至小塊金屬材料從齒輪表面脫落，從而在齒輪表面上呈現(xiàn)明顯的凹坑（點(diǎn)蝕）。點(diǎn)蝕的外觀表現(xiàn)為形狀不規(guī)則、邊緣尖銳并有裂紋存在。
根據(jù)點(diǎn)蝕坑的形狀和大小，宏觀點(diǎn)蝕可以分為初期點(diǎn)蝕、擴(kuò)展性點(diǎn)蝕、點(diǎn)蝕或片蝕。
初期點(diǎn)蝕
初期點(diǎn)蝕（也稱(chēng)非擴(kuò)展性點(diǎn)蝕）為直徑小于1mm的小點(diǎn)蝕坑，其起因是齒面上存在高點(diǎn)接觸，導(dǎo)致局部齒面載荷集中，使接觸點(diǎn)的接觸應(yīng)力過(guò)大。隨著點(diǎn)蝕坑的出現(xiàn)，高點(diǎn)處的材料脫落，輪齒承受的載荷趨于均勻分布，新的點(diǎn)蝕可能不再發(fā)生。初期點(diǎn)蝕常見(jiàn)于齒輪投入使用的磨合階段，此類(lèi)點(diǎn)蝕坑的出現(xiàn)并不影響齒輪的正常使用。圖2顯示的是開(kāi)式齒輪齒面上的初期點(diǎn)蝕。

圖2  某球磨機(jī)開(kāi)式齒輪齒面上出現(xiàn)的初期點(diǎn)蝕

擴(kuò)展性點(diǎn)蝕
擴(kuò)展性點(diǎn)蝕的直徑往往超過(guò)1mm，且具備不斷擴(kuò)展的趨勢(shì)，齒輪表面布滿(mǎn)不同形狀和大小的點(diǎn)蝕坑群，直至連成一片，如圖3所示。此類(lèi)點(diǎn)蝕坑對(duì)齒輪壽命影響甚大，最后可能導(dǎo)致齒輪失效。

圖3  某回轉(zhuǎn)窯開(kāi)式齒輪齒根部位的擴(kuò)展性點(diǎn)蝕

片蝕和剝落
片蝕指深度較淺，單個(gè)面積較大的點(diǎn)蝕坑，疲勞裂紋在齒輪上從起點(diǎn)沿扇形區(qū)域發(fā)展，直至較大面積的材料脫落，在齒輪表面上形成三角形的凹坑。
剝落指擴(kuò)展性點(diǎn)蝕持續(xù)發(fā)展，相互連接，形成面積較大、形狀不規(guī)則的凹坑，如圖4所示。

圖4  某回轉(zhuǎn)窯開(kāi)式齒輪齒面上的材料剝落
1.      微點(diǎn)蝕
微點(diǎn)蝕的典型特征是齒輪表面被大量細(xì)微蝕坑或裂紋所覆蓋，面積大、不光滑、色澤較暗，蝕坑深度低于20μm，凹坑邊緣的傾斜角小于45度，如圖5所示。此類(lèi)蝕坑易發(fā)生在硬化處理過(guò)的齒輪副上。微點(diǎn)蝕的發(fā)展初期若得不到有效抑制，損傷將持續(xù)發(fā)展為擴(kuò)展性點(diǎn)蝕，并將進(jìn)一步惡化。

圖5  位于齒輪中部的微點(diǎn)蝕


二、利用潤(rùn)滑防止大型開(kāi)式齒輪出現(xiàn)點(diǎn)蝕
在齒輪的設(shè)計(jì)、制造階段可以通過(guò)若干方法來(lái)降低齒輪出現(xiàn)點(diǎn)蝕的可能性，如加大齒輪嚙合角，變更齒輪傳動(dòng)類(lèi)型、輪齒表層或整體硬化處理、降低齒輪表面粗糙度等。但受限于制造成本加工能力，不可能完全消除點(diǎn)蝕出現(xiàn)的誘因。
在齒輪的使用過(guò)程中，合理的潤(rùn)滑能夠防止早期點(diǎn)蝕的發(fā)生、抑制或緩解點(diǎn)蝕的發(fā)展。

1.       使用專(zhuān)用磨合潤(rùn)滑劑降低齒面粗糙度，能夠有效防止早期點(diǎn)蝕的出現(xiàn)。
大型開(kāi)式齒輪的制造精度較低，在齒輪副投入使用的初期，由于齒輪嚙合面比較粗糙，存在局部高點(diǎn)接觸，這意味著過(guò)低的接觸面積和載荷集中，齒輪表面的高點(diǎn)上不可避免地會(huì)出現(xiàn)細(xì)微裂紋。此時(shí)選用合理的潤(rùn)滑劑能夠及時(shí)消除裂紋，防止裂紋的持續(xù)發(fā)展。
專(zhuān)用磨合劑在具備足夠潤(rùn)滑性能的同時(shí)，利用內(nèi)含的特殊添加劑和固體添加劑，結(jié)合腐蝕和磨損功能，快速消除齒輪表面上參與嚙合的接觸高點(diǎn)，細(xì)微裂紋也同時(shí)被清除。在齒輪副的運(yùn)行中，齒輪的表面粗糙度持續(xù)下降，載荷分布趨于均勻，出現(xiàn)裂紋的可能性也就持續(xù)降低，這表明專(zhuān)用磨合潤(rùn)滑劑在降低表面粗糙度的同時(shí)，能夠有效的防止早期點(diǎn)蝕的出現(xiàn)。圖6a顯示的是某回轉(zhuǎn)窯開(kāi)式齒輪投入使用前的齒面狀態(tài)，圖6b顯示的是使用磨合潤(rùn)滑劑Kluberfluid B-F1 Ultra 約5000小時(shí)的齒面狀態(tài)。

圖6a  某回轉(zhuǎn)窯開(kāi)式齒輪使用前的齒面狀態(tài)

圖6b  某回轉(zhuǎn)窯開(kāi)式齒輪磨合后的齒面狀態(tài)

2.       使用更高粘度的潤(rùn)滑油。
     當(dāng)齒面上出現(xiàn)疲勞裂紋后，潤(rùn)滑油就會(huì)侵入裂紋，粘度愈低的油，易侵入裂紋。潤(rùn)滑油侵入裂紋后，在輪齒嚙合時(shí)，會(huì)在裂紋內(nèi)受到擠脹，從而加快裂紋的擴(kuò)展?；谏鲜龇治?，對(duì)于已出現(xiàn)早期點(diǎn)蝕的齒面，使用高粘度的潤(rùn)滑劑，能夠抑制或緩解點(diǎn)蝕的擴(kuò)展，避免進(jìn)一步發(fā)展為擴(kuò)展性點(diǎn)蝕、片蝕或剝落；而使用低粘度的潤(rùn)滑油，既有點(diǎn)蝕的擴(kuò)展無(wú)法避免。圖7顯示的是使用Kluberfluid C-F3 Ultra 近兩年的齒面狀態(tài)對(duì)比，表明在大的接觸壓力作用下，高粘度潤(rùn)滑劑能夠有效抑制點(diǎn)蝕坑的出現(xiàn)。

圖7a  換用Kluberfluid C-F3 Ultra 時(shí)的齒面狀態(tài)

圖7b  換用Kluberfluid C-F3 Ultra 近2年后的齒面狀態(tài)

四、結(jié)束語(yǔ)
    對(duì)于齒面加工精度較低的大型開(kāi)式齒輪，由于接觸面積過(guò)小，載荷集中現(xiàn)象幾乎無(wú)法避免，齒輪副投入運(yùn)行后，疲勞裂紋會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)，若不采取針對(duì)性措施，裂紋的快速擴(kuò)展將大致齒面上點(diǎn)蝕坑數(shù)量的上升和點(diǎn)蝕坑尺寸的增大。在齒輪的磨合階段，采用專(zhuān)用磨合潤(rùn)滑劑在達(dá)到磨合、潤(rùn)滑等基本目的的同時(shí)，能夠有效防止點(diǎn)蝕坑的出現(xiàn)。

    對(duì)于已經(jīng)過(guò)齒面磨合、接觸面積較大的齒輪，或已經(jīng)出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑的齒面，采用粘度較高的齒輪潤(rùn)滑劑可以抑制或緩解點(diǎn)蝕的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)
[1] 《Appearance of Gear Teeth-terminology of Wear and Failure》, America National Standard.