大型開式齒輪常見損傷及潤滑建議

　　前言

　　在水泥行業(yè)中的燒成和生料、熟料、煤的破碎等工藝設(shè)備中，大型開式齒輪常被選作設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)單元。其傳動(dòng)齒輪副長期處于低速、重載、大沖擊力的工況中，齒輪表面往往會(huì)出現(xiàn)不同形式的損傷，如過度磨損、擦傷、膠合、點(diǎn)蝕、塑性變形等，繼而導(dǎo)致齒面金屬材料的遺失，改變齒輪的幾何尺寸，嚴(yán)重影響齒輪副的使用壽命，降低生產(chǎn)的連續(xù)性。

　　本文針對(duì)大型開式齒輪常見的齒面損傷，結(jié)合具體的圖片，提出防止損傷發(fā)生及合理潤滑的建議，供現(xiàn)場技術(shù)人員參考并有望解決現(xiàn)場問題。

　　克魯勃根據(jù)開式齒輪的運(yùn)行條件和損傷產(chǎn)生的機(jī)理，提供系列開式齒輪潤滑產(chǎn)品及技術(shù)服務(wù)，創(chuàng)造并保障良好潤滑條件、降低齒輪磨損、減少損傷的出現(xiàn)，并抑制既有損傷的擴(kuò)展。

　　一、磨損

　　磨損是指由于機(jī)械、化學(xué)或其它因素導(dǎo)致材料的慢速損失，齒輪表面發(fā)生改變。并非所有的磨損都定義為損傷，對(duì)于大型開式齒輪，齒輪運(yùn)行初期發(fā)生的正常磨損有利于改善設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和潤滑條件。

　　1．正常磨損   

　　這種磨損發(fā)生在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的早期階段，粗糙的開式齒輪表面的機(jī)加工痕跡逐漸消失，齒面呈光亮狀態(tài)，常稱為跑合磨損。磨光和中等磨損都屬于正常磨損類型。

　　正常磨損的形貌特征：磨光是一種緩慢的磨合，兩接觸齒面的凹凸不平逐漸被磨去，機(jī)加工痕跡逐漸消失，齒面粗糙度大為降低，因此產(chǎn)生光滑的齒面，磨光對(duì)改善齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)有積極的促進(jìn)作用，左下圖為磨光圖片實(shí)例。中等磨損齒面的特征是兩齒面都有金屬移失，在節(jié)曲面附近出現(xiàn)一條連續(xù)的條帶，如右下圖。在壽命以內(nèi)的正常磨損并不影響齒輪的使用。

a) 磨光實(shí)例                               b) 中等磨損實(shí)例  

圖1  齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)早期階段的正常磨損類型

　　用于轉(zhuǎn)窯類設(shè)備驅(qū)動(dòng)的齒輪精度在8~9級(jí) (AGMG 2000)，用于管磨類設(shè)備的齒輪精度在9~10級(jí) (AGMG 2000)。因此，大型開式齒輪副在運(yùn)轉(zhuǎn)初期，接觸面積小，存在局部過載，高點(diǎn)的局部接觸應(yīng)力往往超過材料的接觸疲勞強(qiáng)度，疲勞裂紋就會(huì)陸續(xù)出現(xiàn)。若此類疲勞裂紋不能快速消除，疲勞裂紋會(huì)持續(xù)發(fā)展成點(diǎn)蝕損傷。

　　因此，對(duì)于新制大型開式齒輪或翻面使用的齒面，克魯勃提出：在齒輪的運(yùn)行初期，必須通過磨合過程來達(dá)到磨光的目的，借助專用磨合潤滑劑快速降低表面粗糙度、提高接觸比例，防止出現(xiàn)初期損傷，為后期取得良好潤滑狀態(tài)創(chuàng)造條件。

　　2．磨料磨損

　　磨料磨損是指由于混在潤滑劑中的堅(jiān)硬顆粒（如砂粒、銹蝕物、金屬雜質(zhì)等），在齒面嚙合時(shí)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，使齒面材料發(fā)生遺失或錯(cuò)位。齒面上嵌入堅(jiān)硬的顆粒，也會(huì)造成磨料磨損。       

　　磨料磨損的形貌特征：齒面出現(xiàn)不同尺寸的分散凹坑，其邊緣比較圓滑。

圖2  齒輪磨料磨損實(shí)例

　　此種損傷類型與潤滑無關(guān)，且不會(huì)持續(xù)擴(kuò)展，但降低了齒輪的接觸比例，可采取如下預(yù)防性措施：

　　1)在設(shè)備的安裝階段，清除齒輪副和齒輪罩上的雜質(zhì)；

　　2)若采用噴射潤滑或循環(huán)潤滑方式，需做好潤滑系統(tǒng)相關(guān)部件的清潔工作，避免雜質(zhì)混入。若采用油池潤滑方式，需仔細(xì)清理油池和帶油部件； 

　　3) 改善潤滑系統(tǒng)和齒輪罩的密封條件，避免外部異物混入潤滑劑。

　　3. 過度磨損    

　　過度磨損是指由于長期使用性能欠缺的潤滑劑，抗磨損性能差，摩擦系數(shù)過高，大的滑動(dòng)摩擦力使輪齒表面快速磨損，從而使齒輪副達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命。

　　過度磨損的形貌特征：齒輪表面明顯粗糙，嚴(yán)重時(shí)齒廓失去漸開線形狀，通常過度磨損的齒輪伴隨著膠合、擦傷等損傷，但由于磨損較快，不易出現(xiàn)裂紋和點(diǎn)蝕。 

圖3  齒輪過度磨損實(shí)例

　　齒輪的過度磨損和所用潤滑劑性能直接相關(guān)。要求潤滑劑具有適合工況推薦的工作粘度，含極壓添加劑、良好的抗磨性能、低的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，能夠有效降低齒輪的磨損速度，延長齒輪壽命。

　　二、擦傷

　　擦傷是由于齒輪表面承受過大的接觸壓力、潤滑劑極壓性能不足或齒面缺乏足夠的潤滑劑，導(dǎo)致潤滑油膜不能建立，齒輪處于干摩擦或邊界摩擦狀態(tài)，嚙合齒面直接接觸，造成齒輪材料的移除。

　　擦傷的形貌特征：在齒面上沿滑動(dòng)方向出現(xiàn)溝槽，主要分布在滑動(dòng)速度較快的齒頂、齒根區(qū)域。按照損傷面積的大小，可分為輕微擦傷、中等擦傷、嚴(yán)重擦傷。 

圖4  齒輪中等擦傷實(shí)例  

圖5  齒輪嚴(yán)重擦傷實(shí)例

　　防止齒輪擦傷，除避免設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行，造成輪齒接觸壓力過大外。在潤滑方面需注意如下方面： 

　　1)選用承載能力強(qiáng)、粘度高的潤滑劑，改善潤滑條件，提高油膜厚度。

　　2)保障足量的潤滑劑到達(dá)嚙合齒面，若采取噴射潤滑方式，需合理設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，避免噴射間隔時(shí)間過長、潤滑劑用量過低，在運(yùn)行中注意防止出現(xiàn)潤滑系統(tǒng)故障，若采取油池潤滑方式，需在日常檢查中注意液位的高低，尤其是當(dāng)齒輪中心線和油池液面具有一定斜度時(shí)，注意油位的的高度應(yīng)以高端為準(zhǔn)。

　　三、膠合

　　膠合是由于齒輪承受過大的接觸壓力或較高的齒面溫度，導(dǎo)致潤滑油膜不能建立，齒面上不平的峰谷在接觸時(shí)發(fā)生局部高壓熔焊，而后隨著齒面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促使節(jié)點(diǎn)發(fā)生塑性變形和破裂，導(dǎo)致齒面材料的損失和遷移。由于高溫導(dǎo)致潤滑失效而形成的膠和稱為“熱膠和”，由于嚙合齒輪間接觸壓力超過潤滑油承載能力導(dǎo)致潤滑失效而形成的膠和稱為“冷膠合”。

　　膠合的形貌特征：相互嚙合齒面間齒面表層材料發(fā)生撕裂，形成連續(xù)的、一定面積、一定深度的凹坑，嚴(yán)重時(shí)可能覆蓋整個(gè)齒寬。膠合通常發(fā)生在相對(duì)滑動(dòng)速度較高的齒頂和齒根區(qū)域。

圖6  齒輪膠合實(shí)例

　　對(duì)于膠合損傷，一方面需要避免超負(fù)荷運(yùn)行，即便齒輪短時(shí)處于過載狀態(tài)，過大的接觸壓力也會(huì)在齒面上產(chǎn)生膠合。另外在潤滑方面必須選擇合適的潤滑劑，由于膠和現(xiàn)象必須在破壞潤滑油膜時(shí)才能發(fā)生，因此選用粘度高、粘附性能好、含極壓添加劑的齒輪潤滑劑能夠抑制膠合的產(chǎn)生。

　　四、點(diǎn)蝕和剝落

　　點(diǎn)蝕的初期形貌是疲勞裂紋。若輪齒接觸應(yīng)力超過極限應(yīng)力值，并達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)時(shí)，材料就可能出現(xiàn)疲勞裂紋。隨著這些裂紋擴(kuò)展、連接，最終造成齒面金屬材料的脫落，形成初期點(diǎn)蝕，并可能持續(xù)發(fā)展為擴(kuò)展性點(diǎn)蝕、片蝕或剝落。點(diǎn)蝕損傷對(duì)齒輪的使用壽命有較大的影響，嚴(yán)重時(shí)使齒輪厚度大大減少，甚至出現(xiàn)斷齒。

　　點(diǎn)蝕的形貌特征：齒面金屬材料的遺失、出現(xiàn)凹坑、且凹坑的邊緣較為尖銳。下列圖片顯示了各種點(diǎn)蝕的具體形貌。

圖7  初期點(diǎn)蝕實(shí)例

圖8  擴(kuò)展性點(diǎn)蝕實(shí)例

圖9  點(diǎn)蝕引起的材料剝落實(shí)例

　　對(duì)于點(diǎn)蝕損傷，需抑制其發(fā)展源頭，即裂紋的產(chǎn)生，在開式齒輪的不同運(yùn)行階段，借助于潤滑，可以防止點(diǎn)蝕的出現(xiàn)。 

　　1)在齒輪副投入使用的初期，使用專用的磨合潤滑劑，使齒輪快速經(jīng)歷磨光過程，在消除已產(chǎn)生裂紋的同時(shí)，提高齒輪的接觸比例，防止新的疲勞裂紋產(chǎn)生。

　　2)當(dāng)齒輪接觸比例上升后，換用高粘度的潤滑油，建立足夠厚度的潤滑油膜，使載荷平均分布，降低接觸壓力。如此，能夠有效杜絕點(diǎn)蝕損傷的發(fā)生，并緩解既有點(diǎn)蝕的擴(kuò)展。

　　五、塑性變形

　　輪齒的塑性變形是一種卸去施加的載荷后不能恢復(fù)的變形，其誘因都是輪齒受過大載荷造成的。輪齒的塑性變形可以分為兩大類：齒體塑變和齒面塑變。前者是由于齒體材料受到的應(yīng)力超過彈性極限所致，而后者除了高應(yīng)力外還與輪齒嚙和時(shí)的摩擦條件有關(guān)（摩擦使齒面材料流動(dòng)）。對(duì)于開式齒輪，典型的齒面塑變類型為起脊。

　　起脊的形貌特征：齒輪材料在齒表上流動(dòng)，齒面上出現(xiàn)類似山脊的形狀，平行于齒輪的嚙合線，嚴(yán)重時(shí)沿整個(gè)齒寬分布。

圖10  塑性變形實(shí)例

　　對(duì)于開式齒輪，過大的沖擊載荷和滑動(dòng)摩擦力是形成塑性變形的主要因素，除設(shè)備安裝、維護(hù)時(shí)注意保證各安裝限度和尺寸外，良好的潤滑條件能夠緩解塑性變形的產(chǎn)生。 

　　1) 選用能夠形成足夠潤滑油膜的潤滑油，有效吸收齒輪嚙合時(shí)的沖擊力，降低齒輪承受的沖擊載荷。

　　2)良好的潤滑能夠降低摩擦系數(shù)，降低齒輪受到的滑動(dòng)摩擦力，避免齒面材料出現(xiàn)流動(dòng)。

　　六、如何選擇合適開式齒輪潤滑劑

　　通過對(duì)上述的開式齒輪常見損傷分析，可以得出如下結(jié)論：對(duì)于不同運(yùn)行階段的大型開式齒輪，對(duì)潤滑劑有著完全不同的要求：

　　1、新齒輪或翻面齒輪，齒輪表面粗糙，接觸比例偏低，不可避免出現(xiàn)輕微擦傷和疲勞裂紋，因此需防止輕微擦傷持續(xù)發(fā)展為嚴(yán)重擦傷，防止疲勞裂紋持續(xù)發(fā)展為點(diǎn)蝕和剝落。必須借助特殊的磨合潤滑劑，通過磨光階段，消除不斷產(chǎn)生的擦痕、裂紋，快速提升齒輪的接觸比例，減少擦痕、裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。

　　克魯勃為開式齒輪的磨合提供專用的透明磨合潤滑劑KLUBERFLUID B-F2 ULTRA，同時(shí)適用于噴射、循環(huán)、油池等多種潤滑方式，下圖顯示了一回轉(zhuǎn)窯開式齒輪的磨合效果。

圖11  齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)初期的磨光效果實(shí)例

　　2.、當(dāng)齒表具備足夠的接觸比例后，磨光階段即可結(jié)束，此時(shí)齒面具備形成良好潤滑油膜的基本條件。為創(chuàng)造良好的潤滑條件，需換用合適的潤滑劑來降低齒輪磨損量，防止齒輪出現(xiàn)擦傷、膠合、塑性變形、點(diǎn)蝕等損傷，延長齒輪使用壽命，并避免因潤滑不當(dāng)造成的既有損傷的持續(xù)發(fā)展。為防止出現(xiàn)前述的各類損傷，要求選用的潤滑劑具備高的粘度，承載能力強(qiáng)、粘附性能好、含極壓添加劑、良好的抗磨損性能、適應(yīng)齒面較高的工作溫度，以達(dá)到下述目的：

　　a)能夠在嚙合齒面間形成足夠厚度的油膜；
　　b)承受較高的齒輪運(yùn)行溫度；
　　c)降低摩擦系數(shù)；
　　d)能夠有效吸收齒輪嚙合時(shí)的沖擊力，降低齒輪承受的沖擊載荷；
　　e)能夠有效降低齒輪的磨損速度，延長齒輪壽命；
　　f)使載荷平均分布，降低接觸壓力；
　　g)能夠有效防止齒輪出現(xiàn)新的損傷，或緩解既有損傷的擴(kuò)展。

　　克魯勃為開式齒輪的操作運(yùn)行提供全透明、高粘附性的開式齒輪潤滑劑KLUBERFLUID C-F3 ULTRA，具備超高粘度，40℃黏度達(dá)16500mm2/s ，同時(shí)適用于噴射、循環(huán)、油池等多種潤滑方式，能夠完全達(dá)到上述的各項(xiàng)要求，并已在全球范圍內(nèi)得到廣泛使用?？唆敳€提供豐富的同系列產(chǎn)品，其粘度的跨度從3100 —22000 mm2/s (40℃)，以適應(yīng)不同噴射系統(tǒng)和環(huán)境溫度的要求。

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

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