循環(huán)交變載荷斜齒輪磨損特征與機(jī)制分析

李浩，郭前建，張立國(guó)，叢建臣，王昊天，呂學(xué)祜，袁偉

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博 255049)

0 前言

由于齒輪系統(tǒng)具有傳動(dòng)能力強(qiáng)、效率高、可靠性好、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性良好等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著重要的角色，在工程機(jī)械、發(fā)電裝備、汽車和機(jī)器人等方面廣泛應(yīng)用。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的工作環(huán)境十分不穩(wěn)定，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)經(jīng)常受到強(qiáng)大的載荷沖擊和復(fù)雜的應(yīng)力，長(zhǎng)期在此狀態(tài)下運(yùn)行可能會(huì)出現(xiàn)過載折斷、疲勞斷裂、齒面磨損和塑性變形等形式的失效。因此，建立齒輪磨損測(cè)試平臺(tái)，研究交變載荷和恒定載荷下的齒輪磨損特征，通過觀察磨粒特征，分析磨粒鐵譜譜片、磨損量和齒面磨痕形貌等信息來(lái)判斷不同載荷下的齒輪磨損特征具有重要意義。

齒輪故障檢測(cè)技術(shù)目前主要分為油液分析技術(shù)和鐵譜分析技術(shù)。王克等人闡述了液壓系統(tǒng)中顆粒污染物的產(chǎn)生機(jī)制和顆粒污染物造成液壓系統(tǒng)故障的具體原因，建立了液壓油液中固體顆粒物形狀和尺寸分布等與液壓系統(tǒng)故障的關(guān)系。陳經(jīng)鋒根據(jù)高速泵增速箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種油液監(jiān)測(cè)和振動(dòng)分析相結(jié)合的早期故障診斷方法，可以準(zhǔn)確地判斷設(shè)備的早期故障。隨著鐵譜分析技術(shù)的迅速發(fā)展，馮偉等人通過大量的鐵譜磨粒圖像進(jìn)行了基于不同顆粒特征的分類識(shí)別探究，建立了一套油液檢測(cè)診斷體系。周長(zhǎng)江等由時(shí)變接觸線長(zhǎng)百分比和彎-扭-軸結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型來(lái)確定載荷，并通過等效接觸模型和Hertz接觸理論獲得齒輪表面壓力和具體滑動(dòng)距離，進(jìn)而求出恒定和動(dòng)載荷下的齒面磨損量。ATANASIU等采用解析法分析了斜齒輪的齒面磨損對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳遞誤差的影響。王曉筍等通過Weber-Banaschek公式計(jì)算獲取嚙合齒輪對(duì)的時(shí)變嚙合剛度，并通過時(shí)變嚙合剛度建立內(nèi)部誤差激勵(lì)的齒輪傳動(dòng)方程，得到了沿嚙合線載荷的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。OSMAN和VELEX建立了原始模型，將寬齒直齒輪和斜齒輪的磨粒磨損加入到了準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬仿真中。因?yàn)橛鸵悍治黾夹g(shù)和鐵譜分析技術(shù)均發(fā)展得比較成熟，故本文作者主要使用鐵譜分析技術(shù)探究齒輪的磨損過程。

1 齒輪實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，定載荷采用載荷閉流式加載方式，動(dòng)載荷采用彈簧振子系統(tǒng)與恒定載荷串聯(lián)加載。為加速齒輪實(shí)驗(yàn)，采用32號(hào)無(wú)添加劑的白礦物油潤(rùn)滑、電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1 200 r/min、恒定載荷設(shè)為200 N·m、油液采樣時(shí)間為10～30 min，齒輪參數(shù)如表1所示。

圖1 齒輪磨損測(cè)試平臺(tái)

表1 齒輪參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)載荷

1.2.1 恒定加載模塊

恒定加載模塊由半聯(lián)軸器裝置和彈性扭力軸組成，如圖2(a)所示。2個(gè)半聯(lián)軸器凸緣上分別設(shè)置18和16個(gè)銷孔，通過對(duì)2個(gè)半聯(lián)軸器分別施加反向扭力，使得2個(gè)半聯(lián)軸器與初始位置相比，發(fā)生2.5°的轉(zhuǎn)角，指定銷孔對(duì)齊后，采用螺栓定位連接，從而使彈性扭力軸處于蓄力狀態(tài)，如圖2(b)所示，與彈性扭力軸連接的齒輪會(huì)受到2次相反的作用力，從而傳遞到嚙合位置，實(shí)現(xiàn)加載。通過調(diào)整凸緣聯(lián)軸器相對(duì)轉(zhuǎn)角大小或更換不同剛度的彈性扭力軸，可以獲得不同加載。

圖2 恒定加載模塊

通過線性擬合，得到了靜載荷加載系統(tǒng)加載聯(lián)軸器與加載扭矩的關(guān)系，法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)角度與加載力的計(jì)算公式(1)所示：

(1)

1.2.2 交變動(dòng)載加載模塊

交變動(dòng)載加載模塊由3個(gè)彈簧振子并聯(lián)耦合裝置產(chǎn)生所需的交變載荷。交變動(dòng)載模塊如圖3所示，啟動(dòng)激勵(lì)發(fā)生盤時(shí)，結(jié)合彈簧的剛度系數(shù)得出彈簧振子的初始載荷值，釋放所有振子后，彈簧振子在滑道上做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)摩擦加載裝置在固定滑道上滑動(dòng)，彈簧振子發(fā)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，交變的彈簧力為摩擦加載裝置提供正壓力，從而將高頻動(dòng)載荷轉(zhuǎn)化成高頻動(dòng)載荷摩擦力矩，最終施加到齒輪嚙合表面。

圖3 交變加載模塊原理

振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的加載力的大小如公式(2)所示：

=(++)

(2)

其中：為摩擦片的摩擦因數(shù)；、、為彈簧的剛度系數(shù)。

1.2.3 載荷變化曲線

圖4所示為單個(gè)振子一次激勵(lì)后的載荷變化曲線，由曲線變化趨勢(shì)可知，單個(gè)振子在激勵(lì)施加瞬時(shí)的振動(dòng)幅值最大，隨后受阻尼影響振動(dòng)幅值逐漸減小。

圖4 載荷變化曲線

2 磨粒分析

通過分析式鐵譜儀對(duì)磨粒進(jìn)行檢測(cè)，鐵譜分析技術(shù)能夠?qū)⒛チ挠鸵悍蛛x出來(lái)，并按照一定磁感應(yīng)線規(guī)律在玻璃譜片上呈鏈狀沉積，然后通過顯微鏡對(duì)磨粒進(jìn)行定性和定量分析。

2.1 恒定載荷下磨粒鐵譜分析

圖5(a)、5(b)分別為恒定載荷下齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)5、20 h后的齒輪磨粒譜片100倍放大圖。由圖5(a)可以看出:5 h后的齒輪磨粒譜片中以正常磨粒為主，大部分磨粒顆粒處于10 μm以下，大直徑磨粒較少，最大磨粒直徑為25 μm，在譜圖中能夠比較清晰地看到異常磨粒和正常磨粒的含量，譜片視野良好，表明此時(shí)齒輪處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，符合恒定載荷下齒輪初期跑合特征。由圖5(b)可以看出:20 h后的齒輪磨粒譜片中磨粒濃度較低，大磨粒數(shù)量較跑合初期較少，磨粒鏈細(xì)長(zhǎng)，說(shuō)明齒輪處于正常磨損狀態(tài)，磨損情況良好。

圖5 恒定載荷下齒輪磨損階段鐵譜

2.2 交變載荷下磨粒鐵譜分析

圖6(a)、6(b)分別為交變載荷下齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)5、20 h后的齒輪磨粒譜片100倍放大圖。由圖6(a)可以看出:交變載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)5 h的齒輪磨粒數(shù)量和形態(tài)較多，直徑較恒定載荷更大，最大磨粒直徑為20～50 μm之間。由圖6(b)可以看出：交變載荷下運(yùn)轉(zhuǎn)20 h的齒輪譜片中以小磨粒為主，磨粒種類單一，表明此時(shí)為正常磨損狀態(tài)，但受到動(dòng)載荷的影響，齒輪齒面受到的應(yīng)力比恒定載荷更大，會(huì)加速齒輪的磨損。

圖6 動(dòng)載荷下齒輪磨損階段鐵譜

交變載荷下輪齒運(yùn)轉(zhuǎn)40 h后發(fā)生崩壞現(xiàn)象，圖7(a)為40 h后交變載荷下鐵譜圖像100倍放大圖，可以看出譜片中大磨粒數(shù)量和種類極多，說(shuō)明齒輪已經(jīng)發(fā)生劇烈磨損，符合齒輪后期磨損特征。

取出交變載荷下潤(rùn)滑油中的磨粒形態(tài)進(jìn)行分析，如圖7(b)、7(c)所示。由圖7(b)可以看到：磨粒鏈中的磨粒顆粒表面存在明顯劃痕，說(shuō)明在齒輪磨損過程中齒面劇烈摩擦，發(fā)生了嚴(yán)重的膠合和相對(duì)滑動(dòng)，屬于黏著磨損。圖7(c)中的磨粒表面較為光滑，呈現(xiàn)亮金屬色，磨粒輪廓不規(guī)則，屬于疲勞磨損。由磨粒形態(tài)可以得出，在交變載荷下齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)到后期的主要磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損，并且磨損程度十分嚴(yán)重。

圖7 動(dòng)載荷下齒輪失效前鐵譜

2.3 磨粒量定量分析

通過顆粒計(jì)數(shù)器對(duì)不同載荷下的磨粒進(jìn)行定量分析，觀察齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的磨損程度。

圖8所示為不同載荷下的磨粒曲線，可以看出：交變載荷的磨粒曲線走勢(shì)和恒定載荷下較為吻合，但交變載荷下的磨粒峰值和總磨粒量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于恒定載荷，穩(wěn)定磨損階段恒定載荷磨粒數(shù)量在6 000～8 000之間，比交變載荷低2 000，表明穩(wěn)定磨損階段交變載荷會(huì)加快齒輪磨損速度；30 h后，交變載荷下的齒輪進(jìn)入劇烈磨損階段，40 h后齒輪斷齒失效;恒定載荷下的齒輪在50 h后發(fā)生斷齒失效，表明交變載荷會(huì)加速齒輪的疲勞磨損，加快磨損進(jìn)程。

圖8 磨粒曲線

3 齒面磨損分析

3.1 齒面分析

圖9(a)、9(b)分別為交變載荷下的齒面分度圓處和齒頂處顯微鏡下100倍放大圖，可以看出:分度圓處的齒面裂紋較小，裂紋深度較淺；齒頂處的磨損程度較大，有少量擦傷;分度圓處和齒頂處的主要磨損形式均為疲勞點(diǎn)蝕和黏著磨損。圖9(c)為交變載荷下齒根處100倍放大圖，相比于齒面分度圓和齒頂，齒根處的磨損最嚴(yán)重，齒根處受到的接觸應(yīng)力過高，使?jié)櫥湍て屏眩饘購(gòu)凝X面上撕落出現(xiàn)了膠合現(xiàn)象，齒面表現(xiàn)出明顯的黏著磨痕和齒面局部損傷，100倍放大后可看到齒根處的溝痕密集，金屬亮澤明顯。

圖9 齒面磨損在顯微鏡下的100倍放大圖

3.2 齒面SEM形貌對(duì)比分析

3.2.1 分度圓處齒面形貌對(duì)比分析

圖10(a)、10(b)分別為恒定載荷和交變載荷下分度圓處齒面SEM形貌圖，可知：恒定載荷和交變載荷下分度圓處齒輪主要磨損形式均為疲勞點(diǎn)蝕，恒定載荷下分度圓處齒面出現(xiàn)較小的點(diǎn)蝕坑，主要集中在局部應(yīng)力過高的位置，屬于早期點(diǎn)蝕；交變載荷下分度圓齒面出現(xiàn)的點(diǎn)蝕坑大而且深，屬于破壞性點(diǎn)蝕，這種點(diǎn)蝕隨著磨損會(huì)不斷擴(kuò)展，使齒面嚴(yán)重?fù)p傷，最終使齒輪失效斷齒。

圖10 分度圓齒面SEM形貌

3.2.2 齒頂處齒面形貌對(duì)比分析

圖11(a)、11(b)分別為恒定載荷和交變載荷下齒頂處齒面SEM形貌圖，可以看出：恒定載荷下齒頂處的齒面存在剝落現(xiàn)象，并且存在較為淺平的剝落坑，主要由齒面疲勞磨損導(dǎo)致，部分齒面表層發(fā)生壓潰，這是由于表層的齒面材料受到了較大的局部壓應(yīng)力；交變載荷下齒頂處齒面壓碎嚴(yán)重，溝痕密集，齒面帶有大量破碎的磨粒，這是由于交變載荷下齒面受到的瞬時(shí)振動(dòng)、沖擊壓力極高，使齒頂處齒面過度磨損，進(jìn)而導(dǎo)致齒面被破壞，剝落的磨粒又將齒面劃出溝痕，使得齒頂處形貌破壞嚴(yán)重，并且加劇齒輪的磨損速度。

圖11 齒頂處齒面SEM形貌

3.2.3 齒根處齒面形貌對(duì)比分析

圖12(a)、12(b)分別為恒定載荷和交變載荷下齒根處齒面SEM形貌圖，對(duì)比分度圓和齒頂形貌圖，發(fā)現(xiàn)2種載荷下齒根處的磨損最嚴(yán)重。恒定載荷下，齒根處齒面存在壓潰現(xiàn)象，附著破損的磨粒，說(shuō)明在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，上邊界受到較大的振動(dòng)和沖擊力，容易發(fā)生磨損失效，恒定載荷下齒根處磨損主要類型是黏著磨損。交變載荷下齒根處磨損最嚴(yán)重，整個(gè)齒面嚴(yán)重?fù)p傷，發(fā)生塑性形變，無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這是由于在交變載荷強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)下，輪齒材料的屈服極限大大降低，進(jìn)而發(fā)生齒體塑變，齒面上被壓潰的磨粒會(huì)在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生磨粒磨損，加劇齒輪的摩擦磨損，潤(rùn)滑油中的磨粒又會(huì)使?jié)櫥湍て屏眩过X面上的材料撕落，導(dǎo)致出現(xiàn)黏著現(xiàn)象。

圖12 齒根處齒面形貌

4 結(jié)論

通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)齒輪分別加載交變載荷和恒定載荷，進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，研究不同載荷下的齒輪摩擦磨損演變機(jī)制，總結(jié)如下：

(1)齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)初期和后期異常磨粒的數(shù)量和種類較多，交變載荷下的齒輪磨損程度較恒定載荷更為劇烈，油液中的異常磨粒濃度更高，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間小于恒定載荷下齒輪穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間；分析油液中磨?？芍?，交變載荷下齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)到后期的主要磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損，并且磨損程度十分嚴(yán)重。

(2)觀察齒輪齒面磨損形貌，齒面不同位置磨損程度和磨損機(jī)制不同，分度圓處磨損最小，齒頂較為嚴(yán)重，齒根處磨損最嚴(yán)重。在磨損機(jī)制上，分度圓處主要為接觸疲勞磨損，齒頂和齒根處多為黏著磨損。

(3)在相同位置，交變載荷下齒面受到的沖擊和振動(dòng)比恒定載荷更嚴(yán)重，隨著磨損加劇，材料脫落形成凹坑，凹坑邊界材料失去各向同性，發(fā)生塑性流動(dòng)，加速齒面磨損進(jìn)程。