合理潤滑對開式齒輪出現(xiàn)點蝕的影響

一、點蝕的分類
     齒輪在運轉(zhuǎn)過程中受到周期性變化的接觸應力作用，當接觸應力超過材料的接觸疲勞強度時，會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,點蝕有如下分類。 

1.      點蝕（宏觀點蝕）
齒輪表面或次表層出現(xiàn)裂紋后，裂紋會沿原方向發(fā)展到一定長度，然會改變擴展方向或產(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（點蝕）。點蝕的外觀表現(xiàn)為形狀不規(guī)則、邊緣尖銳并有裂紋存在。
根據(jù)點蝕坑的形狀和大小，宏觀點蝕可以分為初期點蝕、擴展性點蝕、點蝕或片蝕。
初期點蝕
初期點蝕（也稱非擴展性點蝕）為直徑小于1mm的小點蝕坑，其起因是齒面上存在高點接觸，導致局部齒面載荷集中，使接觸點的接觸應力過大。隨著點蝕坑的出現(xiàn)，高點處的材料脫落，輪齒承受的載荷趨于均勻分布，新的點蝕可能不再發(fā)生。初期點蝕常見于齒輪投入使用的磨合階段，此類點蝕坑的出現(xiàn)并不影響齒輪的正常使用。圖2顯示的是開式齒輪齒面上的初期點蝕。

圖2  某球磨機開式齒輪齒面上出現(xiàn)的初期點蝕

擴展性點蝕
擴展性點蝕的直徑往往超過1mm，且具備不斷擴展的趨勢，齒輪表面布滿不同形狀和大小的點蝕坑群，直至連成一片，如圖3所示。此類點蝕坑對齒輪壽命影響甚大，最后可能導致齒輪失效。

圖3  某回轉(zhuǎn)窯開式齒輪齒根部位的擴展性點蝕

片蝕和剝落
片蝕指深度較淺，單個面積較大的點蝕坑，疲勞裂紋在齒輪上從起點沿扇形區(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。
剝落指擴展性點蝕持續(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)窯開式齒輪齒面上的材料剝落
1.      微點蝕
微點蝕的典型特征是齒輪表面被大量細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。此類蝕坑易發(fā)生在硬化處理過的齒輪副上。微點蝕的發(fā)展初期若得不到有效抑制，損傷將持續(xù)發(fā)展為擴展性點蝕，并將進一步惡化。

圖5  位于齒輪中部的微點蝕


二、利用潤滑防止大型開式齒輪出現(xiàn)點蝕
在齒輪的設計、制造階段可以通過若干方法來降低齒輪出現(xiàn)點蝕的可能性，如加大齒輪嚙合角，變更齒輪傳動類型、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，不可能完全消除點蝕出現(xiàn)的誘因。
在齒輪的使用過程中，合理的潤滑能夠防止早期點蝕的發(fā)生、抑制或緩解點蝕的發(fā)展。

1.       使用專用磨合潤滑劑降低齒面粗糙度，能夠有效防止早期點蝕的出現(xiàn)。
大型開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，存在局部高點接觸，這意味著過低的接觸面積和載荷集中，齒輪表面的高點上不可避免地會出現(xiàn)細微裂紋。此時選用合理的潤滑劑能夠及時消除裂紋，防止裂紋的持續(xù)發(fā)展。
專用磨合劑在具備足夠潤滑性能的同時，利用內(nèi)含的特殊添加劑和固體添加劑，結合腐蝕和磨損功能，快速消除齒輪表面上參與嚙合的接觸高點，細微裂紋也同時被清除。在齒輪副的運行中，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，這表明專用磨合潤滑劑在降低表面粗糙度的同時，能夠有效的防止早期點蝕的出現(xiàn)。圖6a顯示的是某回轉(zhuǎn)窯開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滑劑Kluberfluid B-F1 Ultra 約5000小時的齒面狀態(tài)。

圖6a  某回轉(zhuǎn)窯開式齒輪使用前的齒面狀態(tài)

圖6b  某回轉(zhuǎn)窯開式齒輪磨合后的齒面狀態(tài)

2.       使用更高粘度的潤滑油。
     當齒面上出現(xiàn)疲勞裂紋后，潤滑油就會侵入裂紋，粘度愈低的油，易侵入裂紋。潤滑油侵入裂紋后，在輪齒嚙合時，會在裂紋內(nèi)受到擠脹，從而加快裂紋的擴展?；谏鲜龇治?，對于已出現(xiàn)早期點蝕的齒面，使用高粘度的潤滑劑，能夠抑制或緩解點蝕的擴展，避免進一步發(fā)展為擴展性點蝕、片蝕或剝落；而使用低粘度的潤滑油，既有點蝕的擴展無法避免。圖7顯示的是使用Kluberfluid C-F3 Ultra 近兩年的齒面狀態(tài)對比，表明在大的接觸壓力作用下，高粘度潤滑劑能夠有效抑制點蝕坑的出現(xiàn)。

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

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

四、結束語
    對于齒面加工精度較低的大型開式齒輪，由于接觸面積過小，載荷集中現(xiàn)象幾乎無法避免，齒輪副投入運行后，疲勞裂紋會在短時間內(nèi)出現(xiàn)，若不采取針對性措施，裂紋的快速擴展將大致齒面上點蝕坑數(shù)量的上升和點蝕坑尺寸的增大。在齒輪的磨合階段，采用專用磨合潤滑劑在達到磨合、潤滑等基本目的的同時，能夠有效防止點蝕坑的出現(xiàn)。

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

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