線形初始缺陷下斜齒輪磨損特征演變研究

王星燦，郭前建，袁偉，賀磊，張磊安，黃雪梅

(山東理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山東淄博 255049)

0 前言

齒輪加工中會產(chǎn)生一些無法避免的初始缺陷，例如齒輪切削加工會破壞胚料組織，齒輪鍛造則會出現(xiàn)成形困難、成形載荷高等缺陷[1]。大型工業(yè)機組的傳動系統(tǒng)一旦出現(xiàn)缺陷，齒輪在高速轉(zhuǎn)動時便會承受強大的沖擊載荷和切向應(yīng)力[2]，運行一段時間后，可能提前出現(xiàn)齒面磨損、塑性變形、齒面裂紋、斷齒等形式的失效[3]，引起重大災(zāi)難性事故。因此，通過研究線形初始缺陷下齒輪磨損的演變、觀察磨粒特性等信息來判斷齒輪磨損演變形式，對齒輪健康狀態(tài)進行評估，有助于及時改善齒輪副潤滑狀態(tài)，減少設(shè)備損耗，并在合適的時間點及時停機檢修，從而避免因齒輪傳動系統(tǒng)失效導(dǎo)致其他重要零部件發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。

目前，磨損狀態(tài)識別方法主要有2種：鐵譜分析技術(shù)和振動傳感器檢測。AGOSTON等[4]通過振動傳感器研究發(fā)動機潤滑油的黏度特性，但是振動傳感器無法檢測到特定的聚合物添加劑對宏觀黏度的影響。史訓(xùn)兵等[5]通過檢測油液的黏稠度以及油液的氧化信息，來判斷齒輪磨損狀態(tài)，但是油液檢測有較大的局限性，對特定研究的處理與分析能力較差。隨著高鐵、風(fēng)電等大型機械的全面發(fā)展，馮偉等人[6]基于鐵譜分析技術(shù)、油液光譜分析和診斷系統(tǒng)，建立了一套油液檢測診斷體系。王強等人[7]研究了油樣中不同磨粒速率對微流體油液檢測芯片顆粒技術(shù)靈敏度的影響。從磨損機制研究的現(xiàn)狀來看，與微聲傳感器檢測技術(shù)相比，鐵譜分析技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展更成熟，所以本文作者主要使用鐵譜分析技術(shù)來探究齒輪的磨損演變過程。由于現(xiàn)階段對磨損狀態(tài)的研究大多數(shù)都是基于特定條件下的磨損實驗，對于更加基礎(chǔ)的理論體系的研究不足。本文作者探究線形初始缺陷下斜齒輪磨損演變過程，為磨損機制的研究提供參考。

相比于模型仿真，通過實驗探究線形缺陷對于齒輪的影響更為直觀，得到的實驗數(shù)據(jù)更加符合真實工況下齒輪的磨損狀態(tài)。本文作者對線形初始缺陷下的斜齒輪進行磨損實驗，分別在齒根位置附近設(shè)置不同深度的線形缺陷，通過觀察磨粒鐵譜，得到不同時刻的磨粒信息，對比完好齒輪，分析初始線形缺陷對于齒輪壽命以及磨損進程的影響，為診斷大型閉式齒輪傳動系初始缺陷提供參考。

1 齒輪實驗

1.1 實驗方案

首先在實驗齒輪表面進行電火花線切割加工，沿齒寬方向制造線形初始缺陷，缺陷位于齒根位置，深度為0.01 mm、寬度為0.25 mm，如圖1所示。

圖1 線形初始缺陷齒輪

電機轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 200 r/min,并在轉(zhuǎn)速、載荷和潤滑工況相同的條件下，設(shè)置無初始缺陷齒輪實驗進行對比。為縮短實驗周期，實驗齒輪的齒寬為無初始缺陷齒輪的1/3。在齒輪監(jiān)測實驗中,采用32號白油潤滑并對齒輪設(shè)置大小為225 N的恒定載荷。實驗中采用的齒輪為斜齒輪，參數(shù)如表1所示。

表1 齒輪數(shù)據(jù)

1.2 實驗設(shè)備

實驗臺如圖2所示，包括電機、實驗齒輪箱、參考齒輪箱、彈性扭力軸、加載法蘭和控制面板。齒輪磨損機構(gòu)如圖3所示。通過轉(zhuǎn)動加載法蘭使彈性扭力軸產(chǎn)生軸向應(yīng)力，當(dāng)加載法蘭上的2個孔可以對接時，使用定位銷鎖住法蘭，兩邊齒輪會受到彈性扭力軸形變產(chǎn)生的加載力。加載力的大小可由法蘭轉(zhuǎn)動的角度計算，如公式(1)所示：

圖2 齒輪磨損實驗臺

圖3 齒輪磨損機構(gòu)示意

y=21.688 29x-12.797 82

(1)

式中：x為加載法蘭的轉(zhuǎn)角，通過法蘭上的定位孔的旋轉(zhuǎn)個數(shù)確定；y為所施加的扭矩，N·m。

1.3 油樣采集

實驗分析的數(shù)據(jù)來自于齒輪箱中潤滑油所包含的磨粒信息。加入到齒輪箱潤滑油的總油量為300 mL，每1 h對潤滑油進行1次取樣，每次取樣為120 mL，取樣后通過輸油口加入等體積的潤滑油以維持齒輪箱中潤滑油總量不變，當(dāng)發(fā)生斷齒后，進行最后一次取樣并結(jié)束實驗，斷齒如圖4所示。為避免人為因素產(chǎn)生誤差，進行多次實驗，取試樣均值作為油樣數(shù)據(jù)。

圖4 線形初始缺陷齒輪失效

2 磨粒分析

對油液樣本磨粒進行離散化處理[8]，使磨粒在油樣中均勻分布，然后通過顆粒計數(shù)器獲取油液中不同尺寸范圍的磨粒數(shù)量；通過單聯(lián)式分析鐵譜儀FTP-X2制作譜片，并用顯微鏡觀察特定尺寸下的大磨粒沉積面積。

2.1 磨粒數(shù)量分析

對比分析缺陷齒輪和對比齒輪實驗中油樣磨粒數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。通過顆粒計數(shù)器獲取兩齒輪箱油液中所包含的磨粒信息。胡志紅等[9]分析風(fēng)電齒輪箱油液中磨粒狀態(tài)，得出如果系統(tǒng)中大于10 μm的磨粒有明顯增加，則說明發(fā)生不正常磨損，是工件失效的預(yù)兆。因此，直徑在15～25 μm之間的磨粒可以用于表征疲勞磨損的變化狀況。

圖5 磨粒變化對比

由圖5可以看出：在磨損初期，兩齒輪都會經(jīng)歷1個磨合期，此時會有較高數(shù)量的大磨粒產(chǎn)生，主要是氧化膜和畢氏層剝落導(dǎo)致的[10]，但是齒輪經(jīng)過一定的磨合后，齒輪接觸面硬度提升，大磨粒數(shù)量逐漸下降，進入穩(wěn)定磨損階段；當(dāng)齒輪進入磨損后期時，具有線形初始缺陷齒輪的大磨粒數(shù)量急速上升，且在較短的時間內(nèi)發(fā)生斷齒，然而對比齒輪的大磨粒數(shù)量則上升較為緩慢且未發(fā)生斷齒。

2.2 磨粒鐵譜分析

2.2.1 磨合階段鐵譜分析

制作鐵譜片進行觀察分析，進一步探究磨損狀態(tài)。圖6所示為齒輪磨合階段鐵譜圖。由圖(a)(b)可以看出：此時的磨粒鏈成鏈較粗，其中還包括一些離散分布的氧化油泥和直徑為幾十微米的大磨粒。由圖(c)(d)可知：此時的磨粒鏈由大片的剝落磨粒組成，所以兩齒輪都處于磨合期。對比圖(a)(b)可明顯看出：此時含有缺陷的齒輪的大磨粒數(shù)量以及氧化油污有了顯著降低，可推測此時的缺陷齒輪磨損進程早于完整齒輪，說明線形初始缺陷會加速齒面磨損進程。

圖6 齒輪磨合階段鐵譜圖

2.2.2 磨損階段鐵譜分析

圖7所示為齒輪磨損階段鐵譜圖。對比磨損階段與磨合期(圖6)的鐵譜圖可以看出：隨著實驗的進行，磨粒鏈由粗變細(xì)，且大磨粒數(shù)較圖6明顯減少，說明此時齒輪箱已經(jīng)進入平穩(wěn)磨損階段。通過對比圖7(c)(d)可以發(fā)現(xiàn)：在平穩(wěn)磨損階段，2種齒輪產(chǎn)生的大磨粒不同，含有線形初始缺陷的齒輪所產(chǎn)生的磨粒是長條狀的，說明此時齒輪正在發(fā)生磨粒磨損，而產(chǎn)生磨粒磨損的主要原因是齒輪受到強化表面脫落磨粒的劃傷或者刮擦；對比齒輪的磨粒則尺寸較小、圓形片狀、表面光滑，說明齒輪正在正常運轉(zhuǎn)。

圖7 齒輪磨損階段鐵譜圖

2.2.3 失效階段鐵譜分析

圖8所示為齒輪失效階段鐵譜圖。

圖8 齒輪失效階段鐵譜圖

由圖8(a)(b)可以看出：當(dāng)齒輪發(fā)生斷齒時，會產(chǎn)生大量聚合物和摩擦氧化物，導(dǎo)致磨粒鏈增粗，同時磨粒數(shù)增多，且有特大磨粒出現(xiàn)，雖然無缺陷的齒輪也出現(xiàn)了磨粒增多的現(xiàn)象，但是鐵屑鏈條稀疏，并未出現(xiàn)特大磨粒。因此可推測，在齒輪斷裂的瞬間，產(chǎn)生高溫高熱，使油液發(fā)生氧化反應(yīng)，與斷齒的碎屑生成油泥和摩擦氧化物。由圖(c)可知：當(dāng)齒輪發(fā)生斷齒時，發(fā)生了嚴(yán)重的滑動磨損，產(chǎn)生的滑動磨粒尺寸大于25 μm，且磨粒表面具有多處劃痕。圖(d)中的磨粒為疲勞剝落所產(chǎn)生的，尺寸較小且形狀規(guī)則。

3 齒面分析

黏著磨損會導(dǎo)致材料塑性流動，在高溫下形成大面積的損傷，使摩擦副表面材料向兩側(cè)延展，F(xiàn)LODIN和ANDERSSON[11]把Archard磨損模型推廣到了齒輪磨損計算中，磨損公式如公式(2)所示：

(2)

式中：hp,n、hp,(n-1)分別表示點p經(jīng)過n和n-1次嚙合后的磨損深度；Δt為等分一次嚙合時間后，其中一段的時間間隔；k為一個嚙合周期平分的時段個數(shù)；N為更新齒面形貌并重新計算接觸應(yīng)力時，所經(jīng)過的嚙合數(shù)；pp,i為嚙合時所受的接觸應(yīng)力；vp,i為嚙合的滑動速度。

在初始線形缺陷下，由于齒輪齒面發(fā)生微觀位置變化，相互嚙合時產(chǎn)生交變接觸應(yīng)力較大，導(dǎo)致摩擦副的表面材料產(chǎn)生彈性塑性形變，進而使輪齒表面發(fā)生反復(fù)形變，導(dǎo)致齒面出現(xiàn)裂紋和剝落磨粒，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的齒面疲勞磨損。

為進一步探究線形初始缺陷對斜齒輪磨損機制的影響，需要分析齒面發(fā)生的磨損特征。利用掃描電子顯微鏡(SEM)對實驗結(jié)束后的2種齒輪進行微觀觀測，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯糊X面出現(xiàn)了典型的疲勞磨損裂紋以及疲勞剝蝕；由于剪應(yīng)力的影響，齒輪齒面發(fā)生了塑性流動以及黏著磨損。

圖9 50倍電鏡齒面磨損對比

4 結(jié)論

在齒輪齒根附近位置設(shè)置線形缺陷，通過減半齒寬和使用白油潤滑進行加速實驗，研究特征缺陷下齒輪磨損演變特征。得到以下結(jié)論：(1)分析磨損過程中磨粒數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在磨合期時，線形初始缺陷對磨粒產(chǎn)生的影響不大；當(dāng)齒輪磨合期結(jié)束以后，磨粒的數(shù)量呈現(xiàn)一定的下降趨勢并進入平穩(wěn)的磨損階段；一旦進入劇烈磨損期，含有初始缺陷的齒輪大磨粒的數(shù)量上升較快并迅速發(fā)生斷齒，而無初始缺陷齒輪的大磨粒數(shù)上升較慢且運行時間較長；(2)初始缺陷會加速齒輪磨損，無論是磨損初期還是中期，磨粒數(shù)量都會高于正常磨損的齒輪；當(dāng)進入磨損后期時，磨損加劇，大磨粒數(shù)量激增，磨粒鏈變得更粗且顏色更重，摩擦氧化物以及油泥聚合物增多；(3)觀察齒輪齒面磨損，含有初始線形缺陷的齒輪會較早地發(fā)生疲勞磨損，基于油楔理論，在齒輪不斷的嚙合過程中，易產(chǎn)生典型的點蝕坑；正常齒輪則是由于潤滑衰減，發(fā)生齒面塑性流動及黏著磨損，有產(chǎn)生膠合的惡化趨勢。