齒面單坑缺陷下齒輪磨損演變與映射機(jī)制研究

張立國(guó)，朱玉麒，袁偉，郭前建，譚帥，薛鵬

(1.山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255000；2.國(guó)家采油裝備工程技術(shù)研究中心，山東東營(yíng) 257091)

0 前言

在高速、重載場(chǎng)合，斜齒輪的嚙合性、平穩(wěn)性較直齒圓柱齒輪更為優(yōu)越，所以常應(yīng)用于大型鉆井礦業(yè)機(jī)械、輪船、軍備等場(chǎng)合。對(duì)于此類大型齒輪箱，根據(jù)它在傳動(dòng)鏈中的工作位置，不宜頻繁拆裝。由非正常摩擦磨損引起的機(jī)械設(shè)備的故障占比大約為75%，齒輪失效為50%。通常情況下齒輪的異常磨損不易察覺(jué)，齒面磨損會(huì)降低齒輪傳動(dòng)的效率和精度，產(chǎn)生沖擊和噪聲，齒輪很可能在短時(shí)間內(nèi)由較小的缺陷發(fā)展成斷齒等嚴(yán)重事故，局部損傷影響輻射范圍廣，且隨機(jī)性大，難以評(píng)估。LEI等和MENG等研究了一對(duì)外直齒圓柱齒輪在不同點(diǎn)蝕程度下的嚙合剛度的變化規(guī)律。MENG等研究了不同裂紋寬度、長(zhǎng)度和位置的剝落對(duì)齒輪時(shí)變嚙合剛度的影響，研究結(jié)果表明缺陷會(huì)降低齒輪剛度，加劇齒輪嚙合振動(dòng)。何國(guó)旗等通過(guò)建立錐齒輪模型仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)不同直徑凹坑形貌面齒輪進(jìn)行了傳動(dòng)誤差分析，研究結(jié)果表明齒面凹坑形貌增大了傳動(dòng)誤差。鄧澍杰通過(guò)對(duì)齒面設(shè)置不同類型的凹坑缺陷，發(fā)現(xiàn)圓形坑狀缺陷對(duì)齒輪嚙合狀態(tài)和轉(zhuǎn)速輸出影響最小。傳動(dòng)系統(tǒng)部件彼此耦合，當(dāng)齒輪發(fā)生故障時(shí)，其他部件也會(huì)受到嚴(yán)重影響，故障診斷技術(shù)顯得十分必要，徐啟圣等通過(guò)對(duì)油樣中磨粒特征進(jìn)行分析，利用支持向量機(jī)獲取磨粒指標(biāo)參數(shù)，提高了磨損狀態(tài)評(píng)估的效率。林麗等人通過(guò)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)分析了磨粒數(shù)量、生成率，為基于油樣檢測(cè)磨粒信息提供了預(yù)測(cè)基礎(chǔ)。為確定設(shè)備的磨損狀況和機(jī)制特征，常利用鐵譜分析技術(shù)對(duì)油樣中的磨損粒子進(jìn)行分析，WANG等利用鐵譜儀獲取磨粒鐵譜圖像，基于蟻群算法判別不同類型的磨損粒子特征，從而確定設(shè)備磨損狀態(tài)。曲敬淵、王遠(yuǎn)宏利用鐵譜分析技術(shù)對(duì)不同階段下齒輪磨損特性進(jìn)行了分析，為齒輪磨損機(jī)制提供一定的參考價(jià)值。

然而，研究者很少涉及齒輪缺陷磨損遷移研究，同一載荷狀態(tài)下，正常齒輪與齒面單坑齒輪對(duì)磨損的過(guò)程映射影響不同，探究缺陷點(diǎn)附近的磨損遷移變化情況和缺陷齒輪磨損衰減趨勢(shì)，有必要進(jìn)行試驗(yàn)探究。凹坑和剝落常出現(xiàn)在輪齒表面，所以，磨損試驗(yàn)選用常見(jiàn)的圓坑缺陷，缺陷的位置為點(diǎn)蝕和剝落最易出現(xiàn)的齒輪節(jié)線附近，以正常齒輪磨損與缺陷齒輪磨損試驗(yàn)做對(duì)比，通過(guò)金相顯微鏡觀察不同磨粒分布及磨粒形貌特征，結(jié)合有限元分析與齒面掃描電鏡圖分析單坑缺陷對(duì)齒輪嚙合狀態(tài)的映射機(jī)制和齒面磨損形貌特征，為診斷大型閉式齒輪傳動(dòng)系初始缺陷提供了重要依據(jù)，同時(shí)為齒輪傳動(dòng)工況優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。

1 磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)齒輪前處理

為加速試驗(yàn)進(jìn)程，采用線切割的方式對(duì)試驗(yàn)齒輪箱內(nèi)的試驗(yàn)斜齒輪進(jìn)行1/3減薄處理。試驗(yàn)齒輪由硬度219HBS的45鋼制成，模數(shù)為1.5 mm，齒數(shù)為82，螺旋角為15°，表面粗糙度為3 μm。為探究單坑缺陷對(duì)輪齒摩擦磨損的輻射影響，在輪齒節(jié)圓附近加工直徑=600 μm的凹坑缺陷，如圖1所示。通過(guò)表面粗糙儀測(cè)量凹坑深度為178.409 73 μm。

圖1 齒面凹坑制造形位圖

1.2 齒輪磨損試驗(yàn)臺(tái)

如圖2所示，通過(guò)自行搭建的力系封閉式齒輪臺(tái)進(jìn)行探究性試驗(yàn)，主要原理如圖3所示：通過(guò)加載法蘭施加恒定的力矩，施加的扭矩便會(huì)傳遞到彈性軸上，彈性軸所受扭矩始終作用在試驗(yàn)輪齒對(duì)偶面上。施加力矩與加載法蘭相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)角度之間的函數(shù)關(guān)系式為

圖2 齒輪疲勞磨損試驗(yàn)臺(tái)

圖3 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理

=15182 46-14729 82

(1)

其中：為施加扭矩，N·m;為加載法蘭所轉(zhuǎn)過(guò)的角度。兩加載法蘭每轉(zhuǎn)過(guò)2.5°便有兩對(duì)鉸制孔對(duì)齊。

在PLC集成面板控制的基礎(chǔ)上，控制三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和記錄試驗(yàn)時(shí)間，電機(jī)通過(guò)皮帶將輸出功率傳遞到齒輪箱上帶動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)。此試驗(yàn)采用正轉(zhuǎn)加載的方式，施加61.2 N·m的恒定載荷，設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min。

1.3 油樣與磨粒采集

磨損粒子是摩擦副磨損過(guò)程的直接產(chǎn)物，能夠準(zhǔn)確反映磨損趨勢(shì)。因此，作為設(shè)備潤(rùn)滑的主要介質(zhì)，潤(rùn)滑油(32# Caltex White Oil Pharma)能加速試驗(yàn)的磨損進(jìn)程。在40 ℃，其運(yùn)動(dòng)黏度為32 mm/s。閃點(diǎn)為208 ℃，密度為0.86 kg/L，此潤(rùn)滑油具有良好的氧化穩(wěn)定性，防止過(guò)早地因氧化變質(zhì)惡化潤(rùn)滑環(huán)境，避免這些物質(zhì)過(guò)早地引起齒輪表面的損壞。此潤(rùn)滑油常應(yīng)用于沖擊、重載等工作場(chǎng)合。試驗(yàn)每隔60 min在試驗(yàn)齒輪箱里采集油樣20 mL，采集不同磨損時(shí)間段內(nèi)的油樣用于鐵譜片的制備和顆粒計(jì)數(shù)器的磨損粒子量化統(tǒng)計(jì)。為保證油液中的磨損粒子均勻性，試驗(yàn)采用蠕動(dòng)泵循環(huán)的方式采集油樣，如圖4所示。通過(guò)金相顯微鏡對(duì)附著磨損粒子的鐵譜片進(jìn)行分析，以判別不同磨損時(shí)期的磨粒形態(tài)。通過(guò)顆粒計(jì)數(shù)器對(duì)特征時(shí)段的磨損粒子統(tǒng)計(jì)定量研究，探究齒輪的疲勞磨損壽命及齒輪所處的磨損狀態(tài)。

圖4 鐵譜片的制備過(guò)程

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磨粒定量分析

潤(rùn)滑油作為設(shè)備潤(rùn)滑的主要介質(zhì)，其攜帶的磨粒信息可以充分體現(xiàn)齒輪摩擦磨損進(jìn)程。在整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程中，磨損粒子濃度曲線可表征輪齒磨損演變的特征，此試驗(yàn)通過(guò)磨損粒子的定量分析和鐵譜分析技術(shù)相結(jié)合對(duì)正常齒輪-缺陷齒輪的磨損信息進(jìn)行分析，揭示坑狀缺陷下斜齒輪摩擦磨損的規(guī)律。HONG等研究發(fā)現(xiàn)粒徑在0～50 μm之間的磨?？捎糜诒碚髌谀p的變化狀況。顆粒計(jì)數(shù)器能夠分析出齒輪箱潤(rùn)滑油中所含磨粒的尺寸與數(shù)量，通過(guò)對(duì)不同時(shí)段的油樣進(jìn)行檢測(cè)，可以判斷出齒輪運(yùn)行過(guò)程中所處的磨損狀態(tài)以及磨損程度。圖5為正常齒輪磨損試驗(yàn)和缺陷齒輪磨損試驗(yàn)?zāi)p粒子濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以得到：坑狀缺陷齒輪磨損試驗(yàn)和正常齒輪磨損試驗(yàn)都具有相同的磨損趨勢(shì)，呈凹字形。在重載運(yùn)行條件下，試驗(yàn)主要分析齒輪的穩(wěn)定磨損時(shí)段，即齒輪的主要工作階段，單坑缺陷齒輪較正常齒輪的穩(wěn)定磨損時(shí)段明顯縮短，可以得到：雖然單坑缺陷的存在并不會(huì)造成齒輪在磨損過(guò)程中直接的非正常折斷失效，齒輪完成了齒輪磨損的3個(gè)必經(jīng)階段：磨合階段、穩(wěn)定磨損階段、劇烈磨損階段，但是缺陷的存在明顯縮短了齒輪的正常磨損壽命。齒輪進(jìn)入劇烈磨損期，伴隨著齒輪箱振動(dòng)、異響，齒輪快速失效，主要原因是：齒輪經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)已經(jīng)達(dá)到疲勞極限，輪齒發(fā)生嚴(yán)重磨損，表面材料撕裂、脫落導(dǎo)致大磨粒數(shù)量迅速上升。

圖5 正常、缺陷齒輪磨粒數(shù)量變化趨勢(shì)

2.2 磨粒定性分析

通過(guò)鐵譜分析技術(shù)，根據(jù)磨粒的形態(tài)、尺寸、數(shù)量等來(lái)分析齒輪的磨損部位、類型和程度，并可對(duì)設(shè)備故障壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。試驗(yàn)利用金相顯微鏡得到不同特征時(shí)段的鐵譜圖像并對(duì)其進(jìn)行定性分析，可以識(shí)別出不同特征時(shí)段的磨損程度，以正常齒輪試驗(yàn)組采集的具有磨粒特征的鐵譜圖片為基礎(chǔ)判別缺陷齒輪組不同磨損特征時(shí)段的磨損特征更為準(zhǔn)確，圖6(a)所示的嚴(yán)重滑動(dòng)磨粒表面有明顯的劃痕，尺寸較大，說(shuō)明此時(shí)齒輪的磨損比較劇烈，輪齒表面發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，其表面混切層應(yīng)力超過(guò)了極限，晶體保護(hù)層遭到破壞，大面積的材料破碎、脫落；磨粒尾部聚集著一些黑色氧化物，分析為輪齒嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的高溫致使磨屑氧化，生成的四氧化三鐵與潤(rùn)滑油中的雜質(zhì)聚合成黑色氧化物；嚴(yán)重滑動(dòng)磨粒的尺寸一般大于20 μm，當(dāng)油液中該特征的磨粒數(shù)量上升，表明此時(shí)齒輪箱潤(rùn)滑不良，即將出現(xiàn)故障。圖6(b)所示的磨粒外形規(guī)整呈薄圓片狀且表面非常平滑，為齒輪摩擦副正常磨損脫落生成。圖6(c)所示的切削磨粒呈條形，形狀細(xì)長(zhǎng)但尺寸較大，表面附著黑色氧化聚合物，產(chǎn)生的原因?yàn)闈?rùn)滑液中較硬的雜質(zhì)或齒面剝落下的大磨粒進(jìn)入到齒輪接觸面中，在外力的作用下，硬磨粒與軟齒表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)形成切削磨損。圖6(d)為觀測(cè)到的大磨粒鏈條，出現(xiàn)在齒輪磨損后期劇烈磨損階段，其中混雜各種混合物，此時(shí)摩擦副在重載高速的接觸條件下，振動(dòng)加劇，油膜破裂產(chǎn)生大量的黏著磨粒、疲勞磨粒。不同的磨損時(shí)期會(huì)產(chǎn)生不同特征的磨粒，當(dāng)在油液中發(fā)現(xiàn)大量異常磨粒，則說(shuō)明此時(shí)齒輪出現(xiàn)故障，可以將此作為預(yù)防齒輪故障的手段。

圖6 不同特征的磨粒

基于對(duì)不同特征磨粒的鐵譜分析，對(duì)齒面單坑齒輪的不同磨損時(shí)期的鐵譜圖像進(jìn)行分析。圖7所示為金相顯微鏡下200倍的鐵譜圖像，如圖7(a)所示：在600 min，齒輪處于磨合階段，此時(shí)磨損率較大，產(chǎn)生的磨粒鏈條較粗且磨損粒子形狀輪廓規(guī)則，表面光滑，大多呈圓片狀。如圖7(b)所示：在3 420 min，齒輪處于穩(wěn)定磨損階段，磨粒數(shù)量較少且保持穩(wěn)定，多為尺寸1～15 μm的細(xì)小薄片磨粒，說(shuō)明齒輪箱此時(shí)處于良好的潤(rùn)滑中。如圖7(c)所示：在6 120 min，隨著齒輪磨損的進(jìn)程，齒輪進(jìn)入劇烈磨損階段，大磨粒數(shù)量增多，形狀輪廓不規(guī)則，存在大量的長(zhǎng)條狀切屑磨粒和滑動(dòng)磨粒，說(shuō)明此時(shí)齒輪箱磨損嚴(yán)重，亟待更換，對(duì)于這種惡性磨損，需要及時(shí)停止此類異常工況發(fā)展。

圖7 坑狀缺陷齒輪(a)600 min、(b)3 420 min、(c)6 120 min的鐵譜圖像

2.3 輪齒齒面磨損分析

圖8(a)為金相顯微鏡下缺陷齒面圖，圖8(b)為缺陷齒面SEM圖，可以看出：坑狀缺陷邊緣未見(jiàn)嚴(yán)重磨損狀況?？梢缘贸觯嚎訝钊毕菘善饍?chǔ)存潤(rùn)滑油和硬質(zhì)顆粒的作用，改變摩擦副的接觸狀態(tài)，具有一定的潤(rùn)滑和減小齒面損傷程度的作用。

圖8 缺陷齒面

通過(guò)有限元分析可以直觀了解齒輪的接觸狀態(tài)，分析坑狀缺陷對(duì)齒輪嚙合的映射機(jī)制。為保證仿真結(jié)果的可對(duì)比性，保證同一條件下的對(duì)比齒輪組邊界約束條件和接觸位置。對(duì)模型簡(jiǎn)化，先進(jìn)行齒輪全局網(wǎng)格劃分，再對(duì)嚙合表面進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，缺陷齒輪網(wǎng)格單元數(shù)量為337 787，節(jié)點(diǎn)為559 949，正常齒輪網(wǎng)格單元數(shù)量為327 088，節(jié)點(diǎn)為558 930，施加約束和載荷后，得到輪齒齒面的分布和最大變形位移量，如圖9所示。

圖9 齒面接觸應(yīng)力分布

如圖10所示:齒輪接觸應(yīng)力值沿著嚙合線方向變化不均勻，正常齒輪輪齒齒面接觸應(yīng)力值靠近兩端位置最大，中間區(qū)域位置較兩端小，且應(yīng)力值變化過(guò)渡較為平緩。這是因?yàn)辇X輪嚙合過(guò)程中，嚙合部位發(fā)生彈性變形，齒輪齒寬方向兩端接觸承載能力較弱，使得輪齒的彈性變形不均勻，進(jìn)而影響接觸應(yīng)力的變化，正常齒輪最大接觸應(yīng)力為527.76 MPa。由于坑狀缺陷的存在，在嚙合過(guò)程中產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，齒面最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)在坑狀缺陷位置，應(yīng)力值為627.55 MPa。進(jìn)一步地，對(duì)齒輪齒根位置應(yīng)力進(jìn)行分析，缺陷齒輪齒根最大應(yīng)力為191.25 MPa，正常齒輪齒根最大應(yīng)力為178.55 MPa，說(shuō)明由于單坑缺陷的存在，使得齒輪輪齒齒根位置應(yīng)力值增大，在循環(huán)載荷作用下，加速齒輪齒根位置的疲勞斷裂進(jìn)程。如圖11所示：輪齒的最大形變發(fā)生在輪齒接觸位置，缺陷齒輪的最大形變量為0.028 15 mm，正常齒輪的最大形變量為0.010 792 mm。說(shuō)明由于單坑缺陷的存在，使得缺陷齒輪的形變量較正常齒輪增大2倍左右，導(dǎo)致齒輪接觸狀態(tài)改變，進(jìn)一步影響齒輪的磨損進(jìn)程。

圖10 接觸應(yīng)力值

圖11 輪齒位移變形云圖

為探究單坑缺陷對(duì)齒輪齒面磨損的映射影響，對(duì)缺陷齒輪齒面進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析。在重載條件下，圖12為缺陷試驗(yàn)組輪齒的無(wú)初始缺陷的齒面SEM磨痕圖，通過(guò)齒面磨痕分析可以得出：圖12(a)所示的輪齒齒頂部分滑動(dòng)速度過(guò)大，這是因?yàn)槿毕葺嘄X嚙合過(guò)程中形變量變化過(guò)大造成嚴(yán)重的磨粒磨損現(xiàn)象；圖12(b)所示的輪齒齒面的節(jié)圓處由于滑動(dòng)速度方向的改變，壓應(yīng)力大，基于油楔理論齒面發(fā)生剝落，在長(zhǎng)時(shí)間的重載嚙合作用下，材料發(fā)生塑性變形；圖12(c)所示的輪齒齒根部分由于壓應(yīng)力過(guò)大，易產(chǎn)生壓潰，形成裂紋。

圖12 缺陷輪齒正常齒面SEM磨痕形貌

如圖13所示，缺陷齒輪斷口并不平整，說(shuō)明輪齒齒根附近磨損嚴(yán)重，受力較大，為齒輪危險(xiǎn)區(qū)域，屬于長(zhǎng)期受到交變載荷發(fā)生折斷。但是發(fā)生斷齒的輪齒并不是帶有單坑缺陷的輪齒，這說(shuō)明雖然圓坑缺陷破壞了輪齒強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，但同時(shí)圓坑缺陷儲(chǔ)存磨粒、潤(rùn)滑油，同時(shí)相對(duì)減緩其磨損，由于缺陷改變了齒輪整體振動(dòng)情況，最終導(dǎo)致某個(gè)輪齒折斷。輪齒斷口不平整，斷口附近出現(xiàn)材料的燒蝕現(xiàn)象，材料失去各向同性，說(shuō)明輪齒在嚙合過(guò)程中，由于初始缺陷的存在，降低了齒輪的嚙合精度，隨著齒面磨損的加重，輪齒剛度降低，并且輪齒長(zhǎng)期處于交變載荷沖擊作用下，最終導(dǎo)致輪齒發(fā)生疲勞斷裂。

圖13 齒輪斷齒失效圖片

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)磨損粒子的定量分析和齒面SEM磨痕分析，分析了特征缺陷下齒輪磨損演變機(jī)制，總結(jié)如下：

(1)在輪齒節(jié)圓位置制造坑狀缺陷的方法，雖然具有儲(chǔ)存磨粒和潤(rùn)滑油，減少了缺陷周圍齒面的磨損，并起到一定的微織構(gòu)作用，但凹坑打在承載區(qū)，沿齒寬方向應(yīng)力分布不均勻，且凹坑位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，齒根受力和輪齒變形變大，改變齒輪的嚙合狀態(tài)，在高應(yīng)力周期載荷作用下，加快了齒輪的疲勞斷裂，導(dǎo)致齒輪過(guò)早斷齒，縮短了齒輪的使用壽命。

(2)分析磨粒數(shù)量變化趨勢(shì)可知：正常齒輪磨粒數(shù)量上升緩慢，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)；齒面存在坑狀缺陷對(duì)齒輪進(jìn)入穩(wěn)定磨合期的時(shí)刻影響較小，齒輪進(jìn)入劇烈磨損的后期階段，嚴(yán)重磨損的齒面嚙合過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱，加快了潤(rùn)滑油失效，齒輪嚙合潤(rùn)滑環(huán)境惡化，便會(huì)產(chǎn)生大量的形狀、輪廓不規(guī)則的切削磨粒、滑動(dòng)磨粒和疲勞片狀磨粒，氧化物增多，磨粒鏈寬度明顯變粗，加劇齒輪的磨損進(jìn)而在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效。

(3)觀察輪齒齒面磨損，坑狀缺陷的存在改變了齒輪接觸應(yīng)力狀態(tài)，伴隨輪齒的磨損加重，輪齒剛度降低，導(dǎo)致齒面嚴(yán)重的剝落、塑性變形和齒根的疲勞斷裂。