合理润滑对开式齿轮出现点蚀的影响

水泥 2007-09-04

选用齿轮作为动力传动的部件，轮齿表面的损耗不可避免，在齿轮副的长期运行中，轮齿表面可能会出现不同类型的损伤形式。在各类损伤形式中，点蚀的出现、扩展会导致齿面金属材料的遗失，并改变齿轮的几何尺寸，从而影响齿轮副寿命。合理的润滑能够防止或缓解点蚀对齿轮造成的不利影响。

一、点蚀的分类
齿轮在运转过程中受到周期性变化的接触应力作用，当接触应力超过材料的接触疲劳强度时，会在齿轮表面或次表层上产生疲劳裂纹，如图1所示。疲劳裂纹不断扩展、延伸，最终使小块金属脱落，形成不同形状的小凹坑。

图1 齿轮上密布的裂纹
齿面金属材料遗失和出现凹坑是齿面疲劳损伤的典型特征。按照ANSI/AGMA1010-E95,点蚀有如下分类。

1. 点蚀（宏观点蚀）
齿轮表面或次表层出现裂纹后，裂纹会沿原方向发展到一定长度，然会改变扩展方向或产生分支裂纹，直至小块金属材料从齿轮表面脱落，从而在齿轮表面上呈现明显的凹坑（点蚀）。点蚀的外观表现为形状不规则、边缘尖锐并有裂纹存在。
根据点蚀坑的形状和大小，宏观点蚀可以分为初期点蚀、扩展性点蚀、点蚀或片蚀。
初期点蚀
初期点蚀（也称非扩展性点蚀）为直径小于1mm的小点蚀坑，其起因是齿面上存在高点接触，导致局部齿面载荷集中，使接触点的接触应力过大。随着点蚀坑的出现，高点处的材料脱落，轮齿承受的载荷趋于均匀分布，新的点蚀可能不再发生。初期点蚀常见于齿轮投入使用的磨合阶段，此类点蚀坑的出现并不影响齿轮的正常使用。图2显示的是开式齿轮齿面上的初期点蚀。

图2 某球磨机开式齿轮齿面上出现的初期点蚀

扩展性点蚀
扩展性点蚀的直径往往超过1mm，且具备不断扩展的趋势，齿轮表面布满不同形状和大小的点蚀坑群，直至连成一片，如图3所示。此类点蚀坑对齿轮寿命影响甚大，最后可能导致齿轮失效。

图3 某回转窑开式齿轮齿根部位的扩展性点蚀

片蚀和剥落
片蚀指深度较浅，单个面积较大的点蚀坑，疲劳裂纹在齿轮上从起点沿扇形区域发展，直至较大面积的材料脱落，在齿轮表面上形成三角形的凹坑。
剥落指扩展性点蚀持续发展，相互连接，形成面积较大、形状不规则的凹坑，如图4所示。

图4 某回转窑开式齿轮齿面上的材料剥落
1. 微点蚀
微点蚀的典型特征是齿轮表面被大量细微蚀坑或裂纹所覆盖，面积大、不光滑、色泽较暗，蚀坑深度低于20μm，凹坑边缘的倾斜角小于45度，如图5所示。此类蚀坑易发生在硬化处理过的齿轮副上。微点蚀的发展初期若得不到有效抑制，损伤将持续发展为扩展性点蚀，并将进一步恶化。

图5 位于齿轮中部的微点蚀

二、利用润滑防止大型开式齿轮出现点蚀
在齿轮的设计、制造阶段可以通过若干方法来降低齿轮出现点蚀的可能性，如加大齿轮啮合角，变更齿轮传动类型、轮齿表层或整体硬化处理、降低齿轮表面粗糙度等。但受限于制造成本加工能力，不可能完全消除点蚀出现的诱因。
在齿轮的使用过程中，合理的润滑能够防止早期点蚀的发生、抑制或缓解点蚀的发展。

1. 使用专用磨合润滑剂降低齿面粗糙度，能够有效防止早期点蚀的出现。
大型开式齿轮的制造精度较低，在齿轮副投入使用的初期，由于齿轮啮合面比较粗糙，存在局部高点接触，这意味着过低的接触面积和载荷集中，齿轮表面的高点上不可避免地会出现细微裂纹。此时选用合理的润滑剂能够及时消除裂纹，防止裂纹的持续发展。
专用磨合剂在具备足够润滑性能的同时，利用内含的特殊添加剂和固体添加剂，结合腐蚀和磨损功能，快速消除齿轮表面上参与啮合的接触高点，细微裂纹也同时被清除。在齿轮副的运行中，齿轮的表面粗糙度持续下降，载荷分布趋于均匀，出现裂纹的可能性也就持续降低，这表明专用磨合润滑剂在降低表面粗糙度的同时，能够有效的防止早期点蚀的出现。图6a显示的是某回转窑开式齿轮投入使用前的齿面状态，图6b显示的是使用磨合润滑剂Kluberfluid B-F1 Ultra 约5000小时的齿面状态。

图6a 某回转窑开式齿轮使用前的齿面状态

图6b 某回转窑开式齿轮磨合后的齿面状态

2. 使用更高粘度的润滑油。
当齿面上出现疲劳裂纹后，润滑油就会侵入裂纹，粘度愈低的油，易侵入裂纹。润滑油侵入裂纹后，在轮齿啮合时，会在裂纹内受到挤胀，从而加快裂纹的扩展。基于上述分析，对于已出现早期点蚀的齿面，使用高粘度的润滑剂，能够抑制或缓解点蚀的扩展，避免进一步发展为扩展性点蚀、片蚀或剥落；而使用低粘度的润滑油，既有点蚀的扩展无法避免。图7显示的是使用Kluberfluid C-F3 Ultra 近两年的齿面状态对比，表明在大的接触压力作用下，高粘度润滑剂能够有效抑制点蚀坑的出现。

图7a 换用Kluberfluid C-F3 Ultra 时的齿面状态

图7b 换用Kluberfluid C-F3 Ultra 近2年后的齿面状态

四、结束语
对于齿面加工精度较低的大型开式齿轮，由于接触面积过小，载荷集中现象几乎无法避免，齿轮副投入运行后，疲劳裂纹会在短时间内出现，若不采取针对性措施，裂纹的快速扩展将大致齿面上点蚀坑数量的上升和点蚀坑尺寸的增大。在齿轮的磨合阶段，采用专用磨合润滑剂在达到磨合、润滑等基本目的的同时，能够有效防止点蚀坑的出现。

对于已经过齿面磨合、接触面积较大的齿轮，或已经出现点蚀坑的齿面，采用粘度较高的齿轮润滑剂可以抑制或缓解点蚀的发展。

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

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