开式齿轮点蚀概论

前言选用齿轮作为动力传动的部件，轮齿的损耗不可避免，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。对转窑类设备中广泛使用的大型开式齿轮，如未根据轮齿的实际机加工条件和运行工况，采取有针对性的润滑方案，点蚀的形成和点蚀的后续扩展往往不可避免。针对开式齿轮的运行条件提供系列润滑方案，在保障良好润滑状态、降低齿轮磨损量、延长齿轮寿命的同时，能够有效杜绝点蚀损伤的发生，并缓解既有点蚀的扩展。一、点蚀的形貌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。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。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,点蚀分为宏观点蚀和微点蚀两大类。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、片蚀或剥落。下列图片显示了在水泥行业回转窑、球磨机和火电厂球磨机开式齿轮出现的各种点蚀具体形貌。图1球磨机小齿轮根部的初期点蚀图2回转窑小齿轮根部的扩展性点蚀图3回转窑大齿轮的扩展性点蚀图4球磨机小齿轮的扩展性点蚀图5球磨机小齿轮上的片蚀图5回转窑小齿轮上的片蚀二、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，通过有效的润滑能够防止早期点蚀的发生、抑制或缓解既有点蚀的发展。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。此时选用合适的专用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。克鲁勃为开式齿轮提供最佳磨合润滑方案，图6a是某回转窑开式齿轮投入使用前的齿面状态，图6b是使用磨合润滑剂KluberfluidB-F1Ultra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为更好的保护现场环境，顺应越来越高的环保意识，并进一步提高磨合效果，克鲁勃最新研制出新一代磨合润滑剂KluberfluidB-F2Ultra，为洁净、透明磨合润滑脂，可以通过频闪仪动态监测球磨机齿轮状态，对于回转窑这类慢速较慢的设备，即便是在运转状态，也可通过肉眼观察齿面状态。该磨合剂同时适用于油浴、浆轮、循环润滑、自动喷射等多种润滑方式。2、使用高粘度的润滑油能够有效杜绝点蚀损伤的发生，并缓解既有点蚀的扩展。若齿面已具备足够的接触比例，为防止齿轮的过度磨损，须及时将润滑剂更换为操作润滑油。高粘度操作润滑油在保障润滑状态、降低齿轮磨损量的同时，能够防止蚀损伤的发生，并缓解既有点蚀的扩展。克鲁勃提供透明、高粘度合成开式齿轮润滑油系列，其中KluberfluidC-F3Ultra具有16500mm2/s@40℃的超高粘度。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，能够有效抑制或缓解点蚀的扩展。图7显示的是使用KluberfluidC-F3Ultra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KluberfluidC-F3Ultra时的齿面状态图7b换用KluberfluidC-F3Ultra近2年后的齿面状态三、结束语对于齿面加工精度较低的大型开式齿轮，由于齿轮加工及安装等原因，齿面载荷集中现象会经常发生。如果齿轮副投入运行后发生齿面载荷集中，疲劳裂纹就会在短时间内出现，若不及时采取针对性措施，裂纹的快速扩展将导致齿面上点蚀坑数量上升和点蚀坑尺寸增大。在齿轮的磨合阶段，采用克鲁勃新一代环保、透明磨合润滑剂KluberfluidB-F2Ultra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，采用克鲁勃全透明、高粘度合成开式齿轮润滑油KluberfluidC-F3Ultra系列，可以防止点蚀的产生。对于已经出现点蚀坑的齿面，使用KluberfluidC-F3Ultra也会抑制或缓解点蚀的扩展。参考文献[1]《AppearanceofGearTeeth-terminologyofWearandFailure》,AmericaNationalStandard.联系人：黄曦联系电话：023-6806517068065172Emai:[e-mail]前言在水泥行业中的烧成和生料、熟料、煤的破碎等工艺设备中，大型开式齿轮常被选作设备的主要驱动单元。其传动齿轮副长期处于低速、重载、大冲击力的工况中，齿轮表面往往会出现不同形式的损伤，如过度磨损、擦伤、胶合、点蚀、塑性变形等，继而导致齿面金属材料的遗失，改变齿轮的几何尺寸，严重影响齿轮副的使用寿命，降低生产的连续性。本文针对大型开式齿轮常见的齿面损伤，结合具体的图片，提出防止损伤发生及合理润滑的建议，供现场技术人员参考并有望解决现场问题。克鲁勃根据开式齿轮的运行条件和损伤产生的机理，提供系列开式齿轮润滑产品及技术服务，创造并保障良好润滑条件、降低齿轮磨损、减少损伤的出现，并抑制既有损伤的扩展。一、磨损磨损是指由于机械、化学或其它因素导致材料的慢速损失，齿轮表面发生改变。并非所有的磨损都定义为损伤，对于大型开式齿轮，齿轮运行初期发生的正常磨损有利于改善设备运行状态和润滑条件。1．正常磨损这种磨损发生在齿轮运转的早期阶段，粗糙的开式齿轮表面的机加工痕迹逐渐消失，齿面呈光亮状态，常称为跑合磨损。磨光和中等磨损都属于正常磨损类型。正常磨损的形貌特征：磨光是一种缓慢的磨合，两接触齿面的凹凸不平逐渐被磨去，机加工痕迹逐渐消失，齿面粗糙度大为降低，因此产生光滑的齿面，磨光对改善齿轮的运转状态有积极的促进作用，左下图为磨光图片实例。中等磨损齿面的特征是两齿面都有金属移失，在节曲面附近出现一条连续的条带，如右下图。在寿命以内的正常磨损并不影响齿轮的使用。a)磨光实例b)中等磨损实例图1齿轮运转早期阶段的正常磨损类型用于转窑类设备驱动的齿轮精度在8~9级(AGMG2000)，用于管磨类设备的齿轮精度在9~10级(AGMG2000)。因此，大型开式齿轮副在运转初期，接触面积小，存在局部过载，高点的局部接触应力往往超过材料的接触疲劳强度，疲劳裂纹就会陆续出现。若此类疲劳裂纹不能快速消除，疲劳裂纹会持续发展成点蚀损伤。因此，对于新制大型开式齿轮或翻面使用的齿面，克鲁勃提出：在齿轮的运行初期，必须通过磨合过程来达到磨光的目的，借助专用磨合润滑剂快速降低表面粗糙度、提高接触比例，防止出现初期损伤，为后期取得良好润滑状态创造条件。2．磨料磨损磨料磨损是指由于混在润滑剂中的坚硬颗粒（如砂粒、锈蚀物、金属杂质等），在齿面啮合时的相对运动中，使齿面材料发生遗失或错位。齿面上嵌入坚硬的颗粒，也会造成磨料磨损。磨料磨损的形貌特征：齿面出现不同尺寸的分散凹坑，其边缘比较圆滑。图2齿轮磨料磨损实例此种损伤类型与润滑无关，且不会持续扩展，但降低了齿轮的接触比例，可采取如下预防性措施：1)在设备的安装阶段，清除齿轮副和齿轮罩上的杂质；2)若采用喷射润滑或循环润滑方式，需做好润滑系统相关部件的清洁工作，避免杂质混入。若采用油池润滑方式，需仔细清理油池和带油部件；3)改善润滑系统和齿轮罩的密封条件，避免外部异物混入润滑剂。3.过度磨损过度磨损是指由于长期使用性能欠缺的润滑剂，抗磨损性能差，摩擦系数过高，大的滑动摩擦力使轮齿表面快速磨损，从而使齿轮副达不到设计寿命。过度磨损的形貌特征：齿轮表面明显粗糙，严重时齿廓失去渐开线形状，通常过度磨损的齿轮伴随着胶合、擦伤等损伤，但由于磨损较快，不易出现裂纹和点蚀。图3齿轮过度磨损实例齿轮的过度磨损和所用润滑剂性能直接相关。要求润滑剂具有适合工况推荐的工作粘度，含极压添加剂、良好的抗磨性能、低的滑动摩擦系数，能够有效降低齿轮的磨损速度，延长齿轮寿命。二、擦伤擦伤是由于齿轮表面承受过大的接触压力、润滑剂极压性能不足或齿面缺乏足够的润滑剂，导致润滑油膜不能建立，齿轮处于干摩擦或边界摩擦状态，啮合齿面直接接触，造成齿轮材料的移除。擦伤的形貌特征：在齿面上沿滑动方向出现沟槽，主要分布在滑动速度较快的齿顶、齿根区域。按照损伤面积的大小，可分为轻微擦伤、中等擦伤、严重擦伤。图4齿轮中等擦伤实例图5齿轮严重擦伤实例防止齿轮擦伤，除避免设备超负荷运行，造成轮齿接触压力过大外。在润滑方面需注意如下方面：1)选用承载能力强、粘度高的润滑剂，改善润滑条件，提高油膜厚度。2)保障足量的润滑剂到达啮合齿面，若采取喷射润滑方式，需合理设置系统参数，避免喷射间隔时间过长、润滑剂用量过低，在运行中注意防止出现润滑系统故障，若采取油池润滑方式，需在日常检查中注意液位的高低，尤其是当齿轮中心线和油池液面具有一定斜度时，注意油位的的高度应以高端为准。三、胶合胶合是由于齿轮承受过大的接触压力或较高的齿面温度，导致润滑油膜不能建立，齿面上不平的峰谷在接触时发生局部高压熔焊，而后随着齿面的相对运动，促使节点发生塑性变形和破裂，导致齿面材料的损失和迁移。由于高温导致润滑失效而形成的胶和称为“热胶和”，由于啮合齿轮间接触压力超过润滑油承载能力导致润滑失效而形成的胶和称为“冷胶合”。胶合的形貌特征：相互啮合齿面间齿面表层材料发生撕裂，形成连续的、一定面积、一定深度的凹坑，严重时可能覆盖整个齿宽。胶合通常发生在相对滑动速度较高的齿顶和齿根区域。图6齿轮胶合实例对于胶合损伤，一方面需要避免超负荷运行，即便齿轮短时处于过载状态，过大的接触压力也会在齿面上产生胶合。另外在润滑方面必须选择合适的润滑剂，由于胶和现象必须在破坏润滑油膜时才能发生，因此选用粘度高、粘附性能好、含极压添加剂的齿轮润滑剂能够抑制胶合的产生。四、点蚀和剥落点蚀的初期形貌是疲劳裂纹。若轮齿接触应力超过极限应力值，并达到一定的循环次数时，材料就可能出现疲劳裂纹。随着这些裂纹扩展、连接，最终造成齿面金属材料的脱落，形成初期点蚀，并可能持续发展为扩展性点蚀、片蚀或剥落。点蚀损伤对齿轮的使用寿命有较大的影响，严重时使齿轮厚度大大减少，甚至出现断齿。点蚀的形貌特征：齿面金属材料的遗失、出现凹坑、且凹坑的边缘较为尖锐。下列图片显示了各种点蚀的具体形貌。图7初期点蚀实例图8扩展性点蚀实例图9点蚀引起的材料剥落实例对于点蚀损伤，需抑制其发展源头，即裂纹的产生，在开式齿轮的不同运行阶段，借助于润滑，可以防止点蚀的出现。1)在齿轮副投入使用的初期，使用专用的磨合润滑剂，使齿轮快速经历磨光过程，在消除已产生裂纹的同时，提高齿轮的接触比例，防止新的疲劳裂纹产生。2)当齿轮接触比例上升后，换用高粘度的润滑油，建立足够厚度的润滑油膜，使载荷平均分布，降低接触压力。如此，能够有效杜绝点蚀损伤的发生，并缓解既有点蚀的扩展。五、塑性变形轮齿的塑性变形是一种卸去施加的载荷后不能恢复的变形，其诱因都是轮齿受过大载荷造成的。轮齿的塑性变形可以分为两大类：齿体塑变和齿面塑变。前者是由于齿体材料受到的应力超过弹性极限所致，而后者除了高应力外还