1、收稿日期:作者简介:张胜男()女辽宁铁岭人东北大学博士研究生 孙志礼()男山东巨野人东北大学教授博士生导师.第卷第期 年 月东北 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.不同润滑条件下碳钢齿轮齿面磨损和点蚀研究张胜男 孙志礼 郭凡逸 王 健(东北大学 机械工程与自动化学院 辽宁 沈阳)摘 要:电化学腐蚀会在齿面上形成不含 的夹杂物夹杂物和 基体表面间的缝隙腐蚀可能成为点蚀的萌生位置由于润滑油的周期性压力作用缝隙不断扩大形成点蚀.不同润滑条件下的磨损和点蚀行为不同:在干摩擦条件下点蚀的发生率最低磨损最严重轮齿表面发生高温氧化腐蚀并在齿面上形成了一层氧化层在油润滑条件下润滑油以油膜的形式
2、黏附在齿面上点蚀的发生率和面积随润滑条件的改善而增加磨损程度随润滑条件的改善而减小.在干摩擦条件下齿面磨损为主要失效形式充分润滑条件下齿面点蚀变为主要失效形式.润滑油供给量减少时磨损深度最小值点会从节点位置向齿根方向发生偏移.关 键 词:不同润滑条件齿面点蚀齿面磨损碳钢齿轮 齿轮试验中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.:.):.:齿面磨损和齿面点蚀是齿轮使用寿命的绝对影响因素因此对齿轮表面磨损和点蚀的研究受到了国内外学者的长期关注.经过半个多世纪的快速发展针对不同工况、不同材料制成和不同加工方式获得的齿轮失效形式的研究逐渐深入和细化.啮合面之间有相对滑动必然会产生磨损对于正常运行的齿轮来
3、说磨损是不可避免的.齿轮在啮合过程中齿面受到周期变化的接触应力点蚀受接触应力影响是最常见的齿轮故障之一.除了齿面磨损和齿面点蚀其他几种失效形式在齿轮正常运行条件下发生的必然性较低:发生轮齿折断的前提条件是过载、长期工作或偏 载发生齿面胶合的前提条件是重载和润滑不良导致齿面塑性变形的前提条件是齿轮材质较软、重载及频繁启动.目前国内外学者对齿面磨损的研究主要包括:磨损模型的数值仿真、磨损特性的实验观测、材料和加工方法对磨损性能的影响、磨损检测方法和评估手段等.考虑现实中齿轮受工作环境的影响润滑状态会有所不同研究了润滑油量对磨损量的影响.国内外学者对齿面点蚀的研究主要包括:数值模型的建立、点蚀失效的
4、故障诊断、齿面点蚀的试验研究、点蚀对齿轮性能的影响、不同工作环境下的齿面点蚀研究 以及提高抗点蚀性能的手段.由于在研究点蚀时忽略了润滑油供给条件对其产生的影响有必要研究润滑条件对齿面点蚀的影响.点蚀是裂纹逐渐扩展的结果 为了阐明受损表面上的点蚀行为有必要研究裂纹的萌生机制.以前的研究都是从力学角度来分析点蚀的成因 等和 等早期研究了裂纹的萌生是在与表面有一定距离的最大等效应力处为点蚀的萌生理论提供了一种可能性解释.从润滑的角度分析油膜会改变齿面间的接触关系和受力情况.润滑可按供油量分类为:充分润滑、少油润滑和干摩擦.在充分润滑条件下轮齿接触表面完全浸入润滑油中碳钢不会直接与大气接触在润滑不足的
5、情况下润滑油的量不足以在齿面上形成连续的润滑油膜在干摩擦条件下齿面完全暴露在大气中没有润滑油的保护因此在这种条件下齿面点蚀的研究应考虑碳钢在大气中的点 蚀 行 为 及 温 度 对 碳 钢 腐 蚀 的 影响.基于 齿轮试验研究了润滑条件对碳钢齿轮齿面磨损和点蚀行为的影响磨损量和点蚀大小分布是衡量齿轮失效的重要参数.在 试验机上对 碳钢齿轮进行不同润滑条件的疲劳试验通过 和 图谱对试验后的轮齿表面的成分进行分析借助扫描电镜和三维形貌仪研究了润滑条件对点蚀面积和深度的影响三坐标测量仪测量试验前、后的齿廓以得到齿廓的磨损量.最后讨论了点蚀的萌生及润滑条件对表面成分、点蚀扩展和磨损深度的影响.齿轮失效试
6、验考虑现实中齿轮的工作环境会有充分润滑、少油润滑、甚至干摩擦的极端状态为了更直观地研究润滑条件对齿面磨损和齿面点蚀的影响在 齿轮试验机上进行了不同润滑条件下的表面疲劳试验试验装置如图 所示.齿轮试验机为闭式动力循环系统能够为试验齿轮提供固定扭矩.主要组成包括:试验齿轮箱、连接轴、加载联轴器、扭矩测量联轴器、陪测齿轮箱等.陪测齿轮箱和试验齿轮箱通过轴连接连接轴上有加载联轴器将已知质量的载荷挂于负载联轴器的悬臂上以实现该试验机的扭矩施加.齿轮润滑站用于为试验齿轮提供不同流量的润滑油通过循环润滑的方式可以在齿轮副正常工作时控制润滑量从而达到不同程度的润滑效果.为了保证润滑油黏度的变化不会对试验结果产
7、生干扰润滑站增加了温度调节装置根据润滑油正常黏度的温度范围设定润滑油的工作温度.温度传感器用于实时监测油箱中润滑油的温度.在连续冷却过程中当温度低于设定温度时润滑油将被实时加热以保持温度不变.考虑到试验精度和时间成本本次试验选用 中负荷工业齿轮油(生产商:昆仑)作为试验齿轮润滑油主要参数如表 所示可加速试验齿轮的失效且不影响试验精度 图 工作原理图和试验台 ()工作原理图()试验台.表 主要参数 黏度等级运动黏度()/()闪点(开口)/倾点/第 期 张胜男等:不同润滑条件下碳钢齿轮齿面磨损和点蚀研究 选用 碳钢制造渐开线直齿轮齿轮参数如表 所示.在制作齿轮之前齿轮粗加工操作中留有 的余量首先在
8、 下加热 然后水淬高温回火 .实验前对样品进行超声波清洗和干燥.表 试验齿轮参数 齿轮小齿轮大齿轮齿数模数/齿宽/变位系数 压力角/()中心距/节圆直径/啮合角/()使用 组每组 对齿轮:齿轮为干摩擦试验齿轮即先进行简单的浸油处理然后添加少量润滑油齿轮为少油润滑试验齿轮即处于干摩擦和充分润滑的中间状态齿轮为充分润滑试验齿轮即确保工作齿面完全浸入润滑油.根据预试验结果确定每次试验的润滑油流量.在充分润滑试验中齿轮采用浸没润滑充分润滑浸没深度设定为齿高的 倍左右.少油润滑试验采用循环润滑以控制润滑量为充分润滑的 .通过试验对比 充分润滑对应的循环润滑流量为 /少油润滑的流量为 /.在干摩擦试验中为
9、了避免因直接接触摩擦热而产生的胶合添加了少量润滑油根据预试验结果流量为 /.润滑条件对齿面磨损的影响轮齿的磨损深度是由试验前、后的齿廓上各点的坐标变化来确定的.由于参与啮合的齿廓上的各点在接触过程中受力大小不同而且受加工精度影响的表面微观形貌不规则其微观表面沿齿廓方向分布是高低不平的因此磨损深度并不相同.对于不同润滑条件下的磨损深度作用在齿面上的正压力及齿面间摩擦系数/润滑油剪切力会受润滑油量的影响发生变化导致在不同润滑条件下的磨损深度有所不同.磨损深度的方向定义及计算方法齿轮磨损深度方向的定义准则直接影响磨损行为的判断研究将磨损深度定义为参与啮合齿廓上同一半径 的坐标值变化量为周向磨损深度图
10、 中箭头方向即为磨损深度方向表示磨损前齿廓上的任一点坐标为()表示磨损后齿廓上与磨损前对应同一半径的点坐标为().下文中出现的磨损深度值均是由此种方法计算而得的.图 磨损深度方向示意图 磨损深度表达式为()().()润滑条件对磨损深度的影响由于主动小齿轮受变位系数的影响其齿顶圆的弦齿厚非常小为了避免齿顶圆被完全磨掉而对测量结果产生影响选择大齿轮作为测试对象.通过对试验后齿轮进行观察和随机齿面轮廓测量发现每组的 个齿轮具有相似的磨损规律且磨损深度曲线的变化规律相似.在每组试验齿轮中随机选择一个大齿轮进行计算每个大齿轮上选择相隔 的 个轮齿进行齿面轮廓测量.图 为充分润滑条件下、少油润滑条件下和干
11、摩擦条件下的试验前、后齿廓形状测量结果从齿面轮廓对比可见干摩擦条件下的齿面轮廓变化最图 试验前、后齿面轮廓 ()干摩擦()少油润滑()充分润滑.东北大学学报(自然科学版)第 卷 明显其次为少油润滑充分润滑条件下的齿面轮廓变化最小.将试验前、后的齿廓相减得到磨损深度的分布规律如图 所示.为了方便进行比较利用每个齿轮上测得的磨损深度计算齿廓上各点的平均磨损深度曲线.不同润滑条件下的平均磨损深度值对比如图 所示.从润滑条件对齿面磨损的影响角度来看干摩擦条件下齿廓上各点的磨损深度最大充分润滑条件下齿廓上各点的磨损深度最小.从磨损深度在齿廓上的分布情况来看不同润滑条件下的磨损深度在齿廓上具有非常相似的分
12、布规律:磨损深度最大值均出现在单对齿啮合区的下界点附近靠近齿根区域的磨损深度大于靠近齿顶区域的磨损深度磨损深度最小值点位于节点()和最大磨损深度图 不同润滑条件下的磨损深度 ()干摩擦()少油润滑()充分润滑.之间.由图 可知充分润滑条件下的最小磨损深度位置发生在节点附近并且轻微偏向于齿根方向随润滑条件的恶化最小磨损深度的位置逐渐从节点向齿根方向偏移.图 不同润滑条件下的平均磨损深度 齿面磨损深度对比结果说明润滑条件对齿面磨损行为有很大影响齿轮试验在充分润滑时齿廓上各点的磨损深度都很小少油润滑次之干摩擦条件下各点的磨损深度最大也就是说润滑条件越差齿面磨损越严重.润滑条件能够改变最小磨损深度的位
13、置随润滑条件变差最小磨损深度的发生位置会从节点向齿根方向偏移.齿面点蚀萌生的一种可能性点蚀的形成过程受到各种因素的影响例如:制造缺陷、齿面的物理损坏、表面或次表面的应力集中、润滑油中的杂质及相对齿面的划痕等都可能成为点蚀萌生的起始点.利用扫描电子显微镜观察和 分析试件表面的点蚀行为时发现电化学腐蚀会在齿面上形成不含 的夹杂物夹杂物和 基体表面间的缝隙腐蚀可能成为点蚀的萌生位置.本研究所选齿轮的材料为 钢其化学成分如表 所示.在每个大齿轮上选择一个轮齿来观察啮合面.在 加速电压下进行扫描电子显微镜()观察和 分析.在扫描电子显微镜观察之前用去离子水冲洗样品并在 气流中干燥.齿面夹杂物与点蚀的关系
14、为了确定点蚀的形成与齿面夹杂物之间的关系研究了不同润滑条件下齿面典型点蚀坑的表第 期 张胜男等:不同润滑条件下碳钢齿轮齿面磨损和点蚀研究 表 试验齿轮化学成分(质量分数)()余量面化学元素组成.图 为充分润滑、少油润滑和干摩擦条件下齿面上典型点蚀坑的 图像和相应的 图箭头方向为相对滑动方向.在每个齿面上都可以观察到 的贫瘠区域将 的贫瘠区域定义为夹杂物通过与 元素相应区域的对比可以发现这些夹杂物大多为氧化物.可知夹杂物的形状不规则且大小不均随机分布在齿面上.图 齿面上典型点蚀坑的 图像和相应的 图 ()充分润滑()少油润滑()干摩擦.东北大学学报(自然科学版)第 卷 在充分润滑条件下可以在一些
15、点蚀的边缘观察到夹杂物(图 中的区域)但由于萌生点蚀的因素有多种因此并非所有的点蚀坑边缘都有夹杂物受夹杂物所在位置及受力情况等因素的影响并非所有夹杂物都会形成点蚀坑(区域).在少油润滑条件下从图 可以看出与充分润滑呈相同规律.在干摩擦条件下夹杂物零星分布在受损齿面上(图 中区域)由 的检测发现与其他润滑条件相比的质量分数明显增加表明齿面成分发生了变化.相对平坦的表面区域 的质量分数比相对粗糙的表面区域的高很多(图 中的区域).干摩擦条件下齿面损伤主要是黏着和磨损当发生黏着失效时齿面上的材料会被接触的对方齿面带走.因此可以判断图 中的区域 是由于黏着和磨损而新生成的表面.在充分润滑和少油润滑条件
16、下齿面夹杂物对点蚀的萌生和分布存在影响夹杂物的存在会增加点蚀萌生的可能性在干摩擦条件下夹杂物的分布和数量与齿面点蚀无关.点蚀萌生机制齿面在润滑条件下的腐蚀机理如图 所示齿面腐蚀可分为以下几个阶段:)和 的混入:齿轮啮合时由于摩擦热的作用两齿面间的润滑油温度升高.润滑油温度越高表面的空气湿度越大导致溶解在润滑油中的水增加.混入润滑油中的 和 会对齿面产生电化学腐蚀.理论上 在水膜中呈均匀分布当轮齿表面发生电化学腐蚀时靠近轮齿表面区域的 的质量浓度会减少导致 在水膜中的分布形成了一定的浓度梯度促使 向轮齿表面迁移.)的活性溶解:钢内部含有大量的铁原子当部分轮齿表面被水膜覆盖时轮齿内部的铁原子会发生活性溶解以游离铁离子的形式存在并依附在轮齿表面或存在于靠近齿面的区域.图 齿面腐蚀机理简示 )和 在水膜中发生腐蚀反应:和发生电化学腐蚀时水膜作为反应的电解质溶液齿面为阳极溶入水膜中的 为阴极.阳极上的 失去电子并形成 阴极上的 得到并形成.反应式为阳极:阴极:总反应式:.)的还原反应:与 反应所生成的 不断团聚且附着在齿面上部分 单独存在并脱离齿面随润滑油移动.团聚在齿面上的 含量不断增加 会与
