合理潤滑對開式齒輪出現點蝕的影響

合理潤滑對開式齒輪出現點蝕的影響

    選用齒輪作為動力傳動的部件，輪齒表面的損耗不可避免，在齒輪副的長期運行中，輪齒表面可能會出現不同類型的損傷形式。在各類損傷形式中，點蝕的出現、擴展會導致齒面金屬材料的遺失，并改變齒輪的幾何尺寸，從而影響齒輪副壽命。合理的潤滑能夠防止或緩解點蝕對齒輪造成的不利影響。

一、點蝕的分類 
    齒輪在運轉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生疲勞裂紋，如圖1所示。疲勞裂紋不斷擴展、延伸，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裂紋后，裂紋會沿原方向發展到一定長度，然會改變擴展方向或產生分支裂紋，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明顯的凹坑（點蝕）。點蝕的外觀表現為形狀不規則、邊緣尖銳并有裂紋存在。 
    根據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。 

（1）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，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的初期點蝕

（2）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，后可能導致齒輪失效。

圖3  某回轉窯開式齒輪齒根部位的擴展性點蝕

    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域發展，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發展，相互連接，形成面積較大、形狀不規則的凹坑，如圖4所示。

圖4  某回轉窯開式齒輪齒面上的材料剝落 

2、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。此類蝕坑易發生在硬化處理過的齒輪副上。微點蝕的發展初期若得不到有效抑制，損傷將持續發展為擴展性點蝕，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*消除點蝕出現的誘因。 
    在齒輪的使用過程中，合理的潤滑能夠防止早期點蝕的發生、抑制或緩解點蝕的發展。

1、使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。

    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，防止裂紋的持續發展。 

2、使用更高粘度的潤滑油。 

    當齒面上出現疲勞裂紋后，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，會在裂紋內受到擠脹，從而加快裂紋的擴展。基于上述分析，對于已出現早期點蝕的齒面，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。

三、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出現，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量的上升和點蝕坑尺寸的增大。在齒輪的磨合階段，采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。
    對于已經過齒面磨合、接觸面積較大的齒輪，或已經出現點蝕坑的齒面，采用粘度較高的齒輪潤滑劑可以抑制或緩解點蝕的發展。