王星燦，郭前建，袁偉，賀磊，張磊安，黃雪梅

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

0 前言

齒輪加工中會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)法避免的初始缺陷，例如齒輪切削加工會(huì)破壞胚料組織，齒輪鍛造則會(huì)出現(xiàn)成形困難、成形載荷高等缺陷[1]。大型工業(yè)機(jī)組的傳動(dòng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)缺陷，齒輪在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便會(huì)承受強(qiáng)大的沖擊載荷和切向應(yīng)力[2]，運(yùn)行一段時(shí)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(guò)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(lái)判斷齒輪磨損演變形式，對(duì)齒輪健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，有助于及時(shí)改善齒輪副潤(rùn)滑狀態(tài)，減少設(shè)備損耗，并在合適的時(shí)間點(diǎn)及時(shí)停機(jī)檢修，從而避免因齒輪傳動(dòng)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(shí)別方法主要有2種：鐵譜分析技術(shù)和振動(dòng)傳感器檢測(cè)。AGOSTON等[4]通過(guò)振動(dòng)傳感器研究發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的黏度特性，但是振動(dòng)傳感器無(wú)法檢測(cè)到特定的聚合物添加劑對(duì)宏觀黏度的影響。史訓(xùn)兵等[5]通過(guò)檢測(cè)油液的黏稠度以及油液的氧化信息，來(lái)判斷齒輪磨損狀態(tài)，但是油液檢測(cè)有較大的局限性，對(duì)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(jī)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(cè)診斷體系。王強(qiáng)等人[7]研究了油樣中不同磨粒速率對(duì)微流體油液檢測(cè)芯片顆粒技術(shù)靈敏度的影響。從磨損機(jī)制研究的現(xiàn)狀來(lái)看，與微聲傳感器檢測(cè)技術(shù)相比，鐵譜分析技術(shù)在國(guó)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(lái)探究齒輪的磨損演變過(guò)程。由于現(xiàn)階段對(duì)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(shí)驗(yàn)，對(duì)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(guò)程，為磨損機(jī)制的研究提供參考。

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

1 齒輪實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

首先在實(shí)驗(yàn)齒輪表面進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 200 r/min,并在轉(zhuǎn)速、載荷和潤(rùn)滑工況相同的條件下，設(shè)置無(wú)初始缺陷齒輪實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。為縮短實(shí)驗(yàn)周期，實(shí)驗(yàn)齒輪的齒寬為無(wú)初始缺陷齒輪的1/3。在齒輪監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中,采用32號(hào)白油潤(rùn)滑并對(duì)齒輪設(shè)置大小為225 N的恒定載荷。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖2所示，包括電機(jī)、實(shí)驗(yàn)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(jī)構(gòu)如圖3所示。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)孔可以對(duì)接時(shí)，使用定位銷鎖住法蘭，兩邊齒輪會(huì)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(dòng)的角度計(jì)算，如公式(1)所示：

圖2 齒輪磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖3 齒輪磨損機(jī)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(guò)法蘭上的定位孔的旋轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)確定；y為所施加的扭矩，N·m。

1.3 油樣采集

實(shí)驗(yàn)分析的數(shù)據(jù)來(lái)自于齒輪箱中潤(rùn)滑油所包含的磨粒信息。加入到齒輪箱潤(rùn)滑油的總油量為300 mL，每1 h對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行1次取樣，每次取樣為120 mL，取樣后通過(guò)輸油口加入等體積的潤(rùn)滑油以維持齒輪箱中潤(rùn)滑油總量不變，當(dāng)發(fā)生斷齒后，進(jìn)行最后一次取樣并結(jié)束實(shí)驗(yàn)，斷齒如圖4所示。為避免人為因素產(chǎn)生誤差，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，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(duì)油液樣本磨粒進(jìn)行離散化處理[8]，使磨粒在油樣中均勻分布，然后通過(guò)顆粒計(jì)數(shù)器獲取油液中不同尺寸范圍的磨粒數(shù)量；通過(guò)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(duì)比分析缺陷齒輪和對(duì)比齒輪實(shí)驗(yàn)中油樣磨粒數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。通過(guò)顆粒計(jì)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(shuō)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(duì)比

由圖5可以看出：在磨損初期，兩齒輪都會(huì)經(jīng)歷1個(gè)磨合期，此時(shí)會(huì)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(guò)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(jìn)入穩(wěn)定磨損階段；當(dāng)齒輪進(jìn)入磨損后期時(shí)，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(shí)間內(nèi)發(fā)生斷齒，然而對(duì)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(jìn)行觀察分析，進(jìn)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(shí)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(shí)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(duì)比圖(a)(b)可明顯看出：此時(shí)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(cè)此時(shí)的缺陷齒輪磨損進(jìn)程早于完整齒輪，說(shuō)明線形初始缺陷會(huì)加速齒面磨損進(jìn)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(duì)比磨損階段與磨合期(圖6)的鐵譜圖可以看出：隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，磨粒鏈由粗變細(xì)，且大磨粒數(shù)較圖6明顯減少，說(shuō)明此時(shí)齒輪箱已經(jīng)進(jìn)入平穩(wěn)磨損階段。通過(guò)對(duì)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(zhǎng)條狀的，說(shuō)明此時(shí)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(qiáng)化表面脫落磨粒的劃傷或者刮擦；對(duì)比齒輪的磨粒則尺寸較小、圓形片狀、表面光滑，說(shuō)明齒輪正在正常運(yùn)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量聚合物和摩擦氧化物，導(dǎo)致磨粒鏈增粗，同時(shí)磨粒數(shù)增多，且有特大磨粒出現(xiàn)，雖然無(wú)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(cè)，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(shí)，發(fā)生了嚴(yán)重的滑動(dòng)磨損，產(chǎn)生的滑動(dòng)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(huì)導(dǎo)致材料塑性流動(dòng)，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(jì)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(diǎn)p經(jīng)過(guò)n和n-1次嚙合后的磨損深度；Δt為等分一次嚙合時(shí)間后，其中一段的時(shí)間間隔；k為一個(gè)嚙合周期平分的時(shí)段個(gè)數(shù)；N為更新齒面形貌并重新計(jì)算接觸應(yīng)力時(shí)，所經(jīng)過(guò)的嚙合數(shù)；pp,i為嚙合時(shí)所受的接觸應(yīng)力；vp,i為嚙合的滑動(dòng)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(shí)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(jìn)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(jìn)一步探究線形初始缺陷對(duì)斜齒輪磨損機(jī)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的2種齒輪進(jìn)行微觀觀測(cè)，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(dòng)以及黏著磨損。

圖9 50倍電鏡齒面磨損對(duì)比

4 結(jié)論

在齒輪齒根附近位置設(shè)置線形缺陷，通過(guò)減半齒寬和使用白油潤(rùn)滑進(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)，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(guò)程中磨粒數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在磨合期時(shí)，線形初始缺陷對(duì)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(shì)并進(jìn)入平穩(wěn)的磨損階段；一旦進(jìn)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(wú)初始缺陷齒輪的大磨粒數(shù)上升較慢且運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)；(2)初始缺陷會(huì)加速齒輪磨損，無(wú)論是磨損初期還是中期，磨粒數(shù)量都會(huì)高于正常磨損的齒輪；當(dāng)進(jìn)入磨損后期時(shí)，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(huì)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(guò)程中，易產(chǎn)生典型的點(diǎn)蝕坑；正常齒輪則是由于潤(rùn)滑衰減，發(fā)生齒面塑性流動(dòng)及黏著磨損，有產(chǎn)生膠合的惡化趨勢(shì)。