合理潤滑對開式齒輪出現(xiàn)點(diǎn)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(yùn)行中，輪齒表面可能會出現(xiàn)不同類型的損傷形式。在各類損傷形式中，點(diǎn)蝕的出現(xiàn)、擴(kuò)展會導(dǎo)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(diǎn)蝕對齒輪造成的不利影響。

一、點(diǎn)蝕的分類 
    齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到周期性變化的接觸應(yīng)力作用，當(dāng)接觸應(yīng)力超過材料的接觸疲勞強(qiáng)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(kuò)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(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。

1、點(diǎn)蝕（宏觀點(diǎn)蝕） 

    齒輪表面或次表層出現(xiàn)裂紋后，裂紋會沿原方向發(fā)展到一定長度，然會改變擴(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。 

（1）初期點(diǎn)蝕 
    初期點(diǎn)蝕（也稱非擴(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)蝕常見于齒輪投入使用的磨合階段，此類點(diǎn)蝕坑的出現(xiàn)并不影響齒輪的正常使用。圖2顯示的是開式齒輪齒面上的初期點(diǎn)蝕。

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

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

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

    片蝕指深度較淺，單個面積較大的點(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)窯開式齒輪齒面上的材料剝落 

2、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。此類蝕坑易發(fā)生在硬化處理過的齒輪副上。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、利用潤滑防止大型開式齒輪出現(xiàn)點(diǎn)蝕 
    在齒輪的設(shè)計、制造階段可以通過若干方法來降低齒輪出現(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(diǎn)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(diǎn)蝕的發(fā)生、抑制或緩解點(diǎn)蝕的發(fā)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)上不可避免地會出現(xiàn)細(xì)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。 

2、使用更高粘度的潤滑油。 

    當(dāng)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(kuò)展。基于上述分析，對于已出現(xiàn)早期點(diǎn)蝕的齒面，使用高粘度的潤滑劑，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；而使用低粘度的潤滑油，既有點(diǎn)蝕的擴(kuò)展無法避免。

三、結(jié)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(yùn)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(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，采用磨合潤滑劑在達(dá)到磨合、潤滑等基本目的的同時，能夠有效防止點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)蝕的發(fā)展。