核電站RCV泵聯(lián)軸器潤(rùn)滑脂發(fā)黑原因分析

周曉龍 祝 丹 劉海常

(遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116000)

1 故障現(xiàn)象描述

RCV泵由電機(jī)、齒輪箱、離心泵組成，電機(jī)輸出端與齒輪箱輸入端、齒輪箱輸出端與離心泵輸入端依靠2個(gè)結(jié)構(gòu)一致、尺寸不一的齒輪聯(lián)軸器連接。齒輪聯(lián)軸器內(nèi)加有某品牌EP1型號(hào)的潤(rùn)滑脂作為潤(rùn)滑劑，在年度的拆機(jī)檢修中發(fā)現(xiàn)部分RCV泵聯(lián)軸器潤(rùn)滑脂發(fā)黑嚴(yán)重，見(jiàn)圖1(a)，該潤(rùn)滑脂正常顏色為棕色，見(jiàn)圖1(b)。齒輪箱與離心泵之間的聯(lián)軸器潤(rùn)滑脂發(fā)黑的概率和程度較電機(jī)與齒輪箱之間的聯(lián)軸器高。

2 檢測(cè)分析方案的確定

為找出潤(rùn)滑脂發(fā)黑原因，對(duì)發(fā)黑的潤(rùn)滑脂及一個(gè)潤(rùn)滑脂發(fā)黑較嚴(yán)重的聯(lián)軸器進(jìn)行了相關(guān)的檢測(cè)分析，檢測(cè)項(xiàng)目及意義見(jiàn)表1。

3 檢測(cè)結(jié)果及分析

3.1 潤(rùn)滑脂檢測(cè)結(jié)果及分析

對(duì)聯(lián)軸器上取得的4個(gè)發(fā)黑程度不同的潤(rùn)滑脂及新脂樣品進(jìn)行了檢測(cè)分析，新脂及聯(lián)軸器在用脂的型號(hào)都為某品牌EP 1，詳細(xì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 潤(rùn)滑脂樣品檢測(cè)結(jié)果Table 2 Grease samples test results

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7323-2008《極壓鋰基潤(rùn)滑脂》及該品牌潤(rùn)滑脂提供的相關(guān)典型值，新脂的各項(xiàng)性能檢測(cè)指標(biāo)無(wú)明顯異常，排除因新脂質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致潤(rùn)滑脂發(fā)黑的可能性。

通過(guò)對(duì)在用潤(rùn)滑脂的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，發(fā)黑潤(rùn)滑脂中磨損金屬元素含量明顯偏高，例如外觀完全呈黑色的1#在用脂和3#在用脂中磨損金屬元素含量明顯比2#、4#在用脂的高，表現(xiàn)在磨損金屬元素Fe、Cu偏高，鐵譜分析中存在異常磨損顆粒，見(jiàn)圖2。4種在用脂中磨損金屬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

圖2 1#在用脂中異常磨損顆粒Fig 2 Abnormal wear particles in used grease 1

表3 在用脂中磨損金屬元素含量比較
Table 3 Wear metal element content comparison in used grease

參數(shù)1#在用脂2#在用脂3#在用脂4#在用脂參考值(新脂)外觀黑色棕色黑色深棕略帶黑色棕色Fe>6 000477952745Cu32<11<1<1Cr306<162<1

從4種在用脂的檢測(cè)結(jié)果可以看出，潤(rùn)滑脂的發(fā)黑與脂中是否存在磨損顆粒存在一定關(guān)聯(lián)度[1]，從而可以推斷金屬磨損顆粒是導(dǎo)致潤(rùn)滑脂發(fā)黑的原因之一，金屬磨損顆粒導(dǎo)致潤(rùn)滑脂看上去是黑色的微觀機(jī)制是大量細(xì)微金屬顆粒散布在潤(rùn)滑脂中，使其呈現(xiàn)黑色外觀。

各潤(rùn)滑脂樣品的紅外光譜如圖3所示?？梢钥闯觯?種在用脂的紅外光譜圖特征峰與新脂基本一致，表明各在用脂的化學(xué)組分與新脂相比沒(méi)有明顯差異。但1#在用脂在1 709 cm-1處出現(xiàn)特征峰，雖然特征峰峰值并不是很突出。1 709 cm-1處特征峰是由羰基C=O伸縮振動(dòng)吸收造成的，說(shuō)明潤(rùn)滑脂中含有C=O基團(tuán)的有機(jī)化合物，而這類(lèi)化合物的產(chǎn)生，通常是潤(rùn)滑脂在高溫下氧化降解成為具有更小分子量并帶有C=O基團(tuán)有機(jī)化合物的結(jié)果。這說(shuō)明1#在用脂存在一定程度高溫氧化的情況，而從在用脂的外觀來(lái)看，1#在用脂的發(fā)黑程度較其他在用脂更深，從這個(gè)角度也可以推斷潤(rùn)滑脂的發(fā)黑程度與其高溫氧化程度密切相關(guān)[2-3]。

圖3 各潤(rùn)滑脂樣品紅外光譜Fig 3 Infrared spectrum of each grease sample

3.2 聯(lián)軸器檢測(cè)結(jié)果及分析

3.2.1 電鏡能譜分析

根據(jù)JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》，對(duì)聯(lián)軸器內(nèi)外齒的齒面及齒頂部位進(jìn)行了電鏡能譜檢測(cè)分析，檢測(cè)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 聯(lián)軸器外齒能譜分析結(jié)果Fig 4 Coupling outer teeth energy spectrum analysis results (a) outer teeth surface analysis area 1 (tooth surface);(b) outer teeth surface analysis area 2 (tooth top)

圖5 聯(lián)軸器內(nèi)齒能譜分析結(jié)果Fig 5 Coupling inner teeth energy spectrum analysis results (a) inner teeth surface analysis area 1 (tooth surface);(b) inner teeth surface analysis area 2 (tooth top)

聯(lián)軸器內(nèi)外齒的電鏡能譜分析表明，內(nèi)外齒齒面O元素含量明顯偏高；此外，內(nèi)外齒表面還含有一定量的S、Si元素。內(nèi)外齒的齒面區(qū)域都存在O元素含量偏高，而齒頂區(qū)域O元素含量較少甚至沒(méi)有，推斷O元素來(lái)源于齒面間發(fā)生的高溫氧化。

3.2.2 金相組織分析

參照 GB/T 13298-1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，對(duì)聯(lián)軸器內(nèi)外齒進(jìn)行了金相組織的分析，檢測(cè)得到的外齒試樣金相磨面經(jīng)浸后的顯微組織形貌如圖6所示，得到的內(nèi)齒試樣金相磨面經(jīng)浸后的顯微組織形貌如圖7所示。

聯(lián)軸器內(nèi)外齒金相組織分析表明，外齒和內(nèi)齒材料金相組織均為“鐵素體+珠光體”，屬于退火或正火的組織狀態(tài)；材料組織均勻、細(xì)小，外齒和內(nèi)齒材料的晶粒度等級(jí)均為8級(jí)；外齒材料的珠光體含量多于內(nèi)齒材料，表明外齒材料的碳元素含量高于內(nèi)齒材料；外齒和內(nèi)齒材料均未發(fā)現(xiàn)存在異常組織缺陷。

聯(lián)軸器內(nèi)外齒的金相組織分析結(jié)果無(wú)明顯異常，從側(cè)面可以推斷聯(lián)軸器內(nèi)外齒間出現(xiàn)的高溫，并沒(méi)有達(dá)到使內(nèi)外齒材料出現(xiàn)組織相變改變的程度。

圖6 外齒試樣金相磨面經(jīng)浸后的顯微組織形貌(50×)Fig 6 Microstructure of the metallographic surface of the outer teeth sample after immersion(50×)(a) tooth top;(b) tooth root

3.2.3 硬度檢測(cè)分析

參照GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，在聯(lián)軸器內(nèi)外齒區(qū)域離表面0.015 mm的位置分別進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。從聯(lián)軸器硬度檢測(cè)結(jié)果可看出，外齒材料的硬度高于內(nèi)齒材料的硬度。

同樣地，聯(lián)軸器內(nèi)外齒的硬度檢測(cè)分析結(jié)果無(wú)明顯異常，也從側(cè)面可以推斷聯(lián)軸器內(nèi)外齒間出現(xiàn)的高溫，并沒(méi)有達(dá)到使內(nèi)外齒材料出現(xiàn)硬度改變的程度[4]。

表4 內(nèi)外齒硬度檢測(cè)結(jié)果Table 4 Inner and outer teeth hardness test results

4 聯(lián)軸器潤(rùn)滑分析

RCV泵用到2個(gè)齒輪聯(lián)軸器，1個(gè)位于電機(jī)和齒輪箱之間，另一個(gè)位于齒輪箱和泵之間，如圖8所示。2個(gè)聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)完全一致，且都為同一廠家生產(chǎn)，區(qū)別在于尺寸大小。

圖8 RCV泵電機(jī)側(cè)和泵側(cè)聯(lián)軸器Fig 8 RCV pump motor side and pump side coupling (a) coupling between motor and gearbox;(b) coupling between gearbox and pump

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于齒輪聯(lián)軸器的潤(rùn)滑并無(wú)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，大多企業(yè)對(duì)于齒輪聯(lián)軸器的潤(rùn)滑劑選擇，一般遵照聯(lián)軸器生產(chǎn)廠家的推薦或是潤(rùn)滑劑生產(chǎn)廠家的推薦[5-7]。美國(guó)齒輪制造業(yè)協(xié)會(huì)(AGMA)對(duì)撓性聯(lián)軸器的潤(rùn)滑有一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)——《AGMA 9001撓性聯(lián)軸器潤(rùn)滑》，可以作為齒輪聯(lián)軸器潤(rùn)滑劑選擇的參考依據(jù)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)齒輪的節(jié)圓速度v<40 m/s時(shí)，推薦使用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，大于該值時(shí)選擇潤(rùn)滑油潤(rùn)滑[8]。

下面根據(jù)已有的數(shù)據(jù)計(jì)算齒輪的節(jié)圓速度，以確定聯(lián)軸器應(yīng)該選擇潤(rùn)滑油還是潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。

電機(jī)側(cè)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速n=1 484 r/min=24.7 r/s，齒輪分度圓直徑d=0.18 m，則齒輪節(jié)圓速度

v=πdn=3.14×0.18 m×24.7 r/s=13.96 m/s。

泵側(cè)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速n=4 657 r/min=77.6 r/s，齒輪分度圓直徑d=0.108 m，則齒輪節(jié)圓速度

v=πdn=3.14×0.108 m×77.6 r/s= 26.31 m/s。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，電機(jī)側(cè)聯(lián)軸器和泵側(cè)聯(lián)軸器齒輪的節(jié)圓速度都小于40 m/s，因而都應(yīng)該選擇潤(rùn)滑脂作為潤(rùn)滑劑。而根據(jù)《AGMA 9001撓性聯(lián)軸器潤(rùn)滑》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)齒輪聯(lián)軸器潤(rùn)滑脂的選擇主要是依據(jù)3類(lèi)不同工作條件下，對(duì)應(yīng)選擇不同類(lèi)型的潤(rùn)滑脂，見(jiàn)表5、表6。

表5 AGMA脂潤(rùn)滑聯(lián)軸器運(yùn)行條件分類(lèi)Table 5 Grease lubrication coupling operating condition classification in AGMA

注：d為軸直徑，mm；T為扭矩，N·m。

表6 AGMA聯(lián)軸器潤(rùn)滑脂規(guī)格Table 6 Coupling grease specifications in AGMA

注：1)對(duì)于硬齒面聯(lián)軸器，建議潤(rùn)滑脂含二硫化鉬5%(最少)；2)某些聯(lián)軸器制造商推薦使用極壓添加劑。

計(jì)算得到的RCV泵電機(jī)側(cè)和泵側(cè)聯(lián)軸器相關(guān)參數(shù)如表7所示。

表7 RCV泵聯(lián)軸器參數(shù)Table 7 RCV pump coupling parameters

對(duì)比表7和表5可看出，RCV泵電機(jī)側(cè)和泵側(cè)聯(lián)軸器的工況類(lèi)型與CG-2更加吻合，因而潤(rùn)滑脂的選擇可參考表6中CG-2潤(rùn)滑脂各項(xiàng)指標(biāo)。目前， RCV泵聯(lián)軸器用到的某品牌EP1潤(rùn)滑脂的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如表8所示。

表8 RCV泵用某品牌EP1潤(rùn)滑脂參數(shù)指標(biāo)Table 8 RCV pump grease parameter index

對(duì)比表8與表6可看出，某品牌 EP1潤(rùn)滑脂其他各項(xiàng)指標(biāo)雖均滿(mǎn)足CG-2聯(lián)軸器對(duì)潤(rùn)滑脂的要求，但潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油黏度(160 mm2/s)比CG-2型聯(lián)軸器要求的最低黏度(≥288 mm2/s)偏小很多。

3.3 聯(lián)軸器微動(dòng)磨損

對(duì)于齒輪聯(lián)軸器，理論上內(nèi)外齒在只傳遞扭矩的情況下屬于靜連接，內(nèi)外齒嚙合面是相對(duì)靜止的，不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。而實(shí)際上由于加工、制造、裝配誤差無(wú)法完全避免，外界載荷和環(huán)境導(dǎo)致的機(jī)械振動(dòng)始終存在，在這些原因或其他因素的影響下，聯(lián)軸器內(nèi)外齒嚙合面會(huì)出現(xiàn)微動(dòng)現(xiàn)象[9-10]。

微動(dòng)是兩接觸表面間發(fā)生微米量級(jí)的相對(duì)位移的運(yùn)動(dòng)。微動(dòng)運(yùn)動(dòng)的發(fā)生必須滿(mǎn)足 3 個(gè)必要條件：機(jī)械配合件之間“近似緊固”的接觸方式，外界振動(dòng)條件，極小的運(yùn)動(dòng)振幅。微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞是 2 種主要的微動(dòng)損傷形式，造成的損傷在工業(yè)中十分普遍，并可能引起災(zāi)難性的后果。

微動(dòng)磨損是指小振幅振動(dòng)下相互壓緊的金屬表面間產(chǎn)生的一種復(fù)合形式的磨損，會(huì)造成產(chǎn)生材料損失和構(gòu)件尺寸變化，引起構(gòu)件咬合、松動(dòng)、功率損失、噪聲或污染[11-13]。

通過(guò)前面的計(jì)算分析可看出，目前RCV泵聯(lián)軸器選用的某品牌 EP1潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油黏度(160 mm2/s)比CG-2型聯(lián)軸器要求的最低黏度(≥288 mm2/s)偏小很多。根據(jù)脂彈流潤(rùn)滑理論，齒輪間潤(rùn)滑油膜厚度范圍在0.1～1 μm之間，而潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油的黏度與油膜強(qiáng)度有直接關(guān)聯(lián)。通常情況下，潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油黏度越高，形成的油膜強(qiáng)度越高，破壞難度越高；基礎(chǔ)油黏度越低，形成的油膜強(qiáng)度越低，破壞難度越小。例如在高溫的條件下，由于基礎(chǔ)油的黏溫特性(黏度隨溫度升高而降低，隨溫度降低而升高)，基礎(chǔ)油黏度偏低很容易導(dǎo)致油膜很快被破壞，從而在齒輪的局部形成干摩擦，并帶來(lái)磨損；而干摩擦又會(huì)進(jìn)一步帶來(lái)溫度的上升，從而進(jìn)一步破壞油膜強(qiáng)度。通過(guò)這種惡性循環(huán)，齒輪間的潤(rùn)滑狀況和聯(lián)軸器的工況條件逐步惡化,造成聯(lián)軸器的磨損[14-15]。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)相關(guān)檢測(cè)分析，導(dǎo)致RCV泵聯(lián)軸器潤(rùn)滑脂發(fā)黑的首要原因是脂中存在金屬磨損顆粒物，金屬磨損顆粒物的多少與潤(rùn)滑脂發(fā)黑程度呈正相關(guān)；次要原因是潤(rùn)滑脂高溫氧化產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物使得潤(rùn)滑脂變黑。

(2)導(dǎo)致聯(lián)軸器內(nèi)外齒間出現(xiàn)高溫及異常磨損的原因是潤(rùn)滑劑選擇不當(dāng)，具體而言是目前所用的潤(rùn)滑脂的基礎(chǔ)油黏度偏低，達(dá)不到AGMA標(biāo)準(zhǔn)中CG-2型齒輪聯(lián)軸器對(duì)潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油最低黏度要求，從而導(dǎo)致在聯(lián)軸器內(nèi)外齒間微動(dòng)磨損較劇烈的情況下，內(nèi)外齒間的油膜破裂，進(jìn)而引發(fā)干摩擦，并進(jìn)一步帶來(lái)溫升和異常磨損。