学文网工作中齿轮因点蚀及微点蚀而失效的现象是常有发生的,点蚀及微点蚀是一种典型的接触疲劳破坏,是齿轮常见的失效形式,在机械传动中可造成严重的后果。它并不是一个新问题,近几年,由于微点蚀问题导致许多大型工业传动机械和一些汽车传动机械失效,微点蚀问题日益受到人们的关注。微点蚀问题在风力发电工业中显得尤为重要,它会影响齿牙的准确性,导致噪音增加和引起振动,从而减少齿轮的使用寿命。目前,油都朝着长寿命方向发展,疲劳引起的点蚀及微点蚀成为性能评价的重要指标。①微点蚀是细微的滚动接触疲劳和磨损,它经常发生在磨削、硬质钢的表面硬化齿轮齿面上,通常在滚动和滑动接触、油膜较薄的条件下出现。齿面发生微点蚀时表现为齿面上有大量的、微小的凹坑,尽管每个凹坑通常为几十微米,但大量的凹坑可造成齿面大面积的损伤,表现为灰色的、磨砂的齿面。与其它磨损机理类似,微点蚀对零件的耐久性有着不利的影响,它能够引起显著的材料损失,可导致齿面轮廓的损失而造成噪声、振动增大和不稳定的载荷,更严重时可导致齿轮轮齿的断裂,此外,微点蚀最终将发展为大规模的点蚀,也可引起其它的表面破坏形式,如齿面擦伤等。微点蚀是一种潜在的失效模式,使用中可造成明显的危害性问题,引起了摩擦学研究人员的极大关注。微点蚀问题可以从运动学、表面处理、冶金学和等几个方面研究。微点蚀的机理目前还不完全清楚,但齿作条件、表面粗糙度和对微点蚀的影响是肯定的。从油品的性能考虑,提高抗微点蚀性能的一种手段是增加油的粘度,从而增加接触区域的有效油膜厚度,减少齿轮表面微凸体的直接接触,但较高的粘度会增加齿轮传动过程中的搅动损失,从而降低能量效率,对经济性是不利的。提高油品抗微点蚀性能的另一种手段是在保持或者减少油粘度的同时,改变添加剂的化学结构。
1微点蚀试验室筛选方法
1.1FZG筛选试验
FZG筛选试验采用“C”型齿轮,表面粗糙度Ra为0.3±0.05μm,中心线速度为6.25m/s,小齿轮扭矩为300Nm,试验周期为72h,试验油温不控制,更接近实际使用工况。在试验结束后,对微点蚀导致的破坏情况进行评价,评价项目包括:微点蚀(小齿轮的16个齿牙的微点蚀面积的平均值)、点蚀(小齿轮的16个齿牙的点蚀面积的总值)以及2个齿轮磨损的总失重。
1.2MPR试验方法
MPR筛选方法利用MPR试验机对油品的抗微点蚀性能进行评价,其优势是试验时间短,可在几小时内产生较好的区分性,国外石油公司研究表明该试验方法与实际使用具有较好的相关性。该试验机的核心部件由中心辊子和与辊子接触的3个圆环组成,试验中可精确控制滑滚比、赫兹应力、夹带速度和温度等参数,试验后中心辊子的直径损失或微点蚀的面积作为评价齿轮油抗微点蚀性能的指标。
2FVA54/Ⅳ标准微点蚀试验
该试验由2个阶段组成,第一阶段是负荷级试验,第二阶段是耐久性试验,微点蚀试验首先要在510N/mm2的赫兹接触压力下进行1h的磨合,紧接着是5到10级的负荷级试验,赫兹接触压力由5级的795.1N/mm2逐级增加到10级的1547.3N/mm2,增加梯度大约为150N/mm2,齿轮的中心线速度为8.3m/s,每级负荷下的运行周期为16h,由喷油头以2L/min的速度供油至齿牙的啮合处,总油量25L,试油进口温度控制在90℃。在每级负荷试验结束后,要对小齿轮齿牙的平均轮廓偏差进行测量,通过标准为平均轮廓偏≤7.5μm。如果试验失败发生在5、6、7级负荷下,则试验结束,给出发生微点蚀的面积、齿轮失重。如果试验失败发生在8、9、10级负荷下,则紧接着要进行耐久性试验,首先在第8级负荷下进行80h,然后在第10级负荷下进行5次以80h为周期的耐久性试验。在每80h试验结束后,要对齿牙的平均轮廓偏差进行测量,通过标准为≤20μm。
3油添加剂对微点蚀的影响
BrianOC''''onnor等人对调和工业齿轮油的主要添加剂极压剂EP、抗磨剂AW、以及金属钝化剂MP对微点蚀的影响进行了考察。所用极压剂EP和抗磨剂AW的化学组成见表1。首先,用简单的3因素2水平的正交试验考察了极压剂EP、抗磨剂AW、以及金属钝化剂MP对微点蚀的影响,试验方法采用FZG筛选试验。试验结果见表2。从表2中可以看出,试样中如果不加入极压剂EP及抗磨剂AW,齿轮将由于严重磨损而导致无法进行评价其微点蚀及点蚀情况。当试样中单独加入极压剂EP-1、抗磨剂AW-1或者两者同时加入时,金属钝化剂MP的加入对油品抗微点蚀/点蚀性能是有利的。由试验A4的结果可以看出,抗磨剂对微点蚀有不利影响,试验结果最差。总体而言,表2中的配方A1、A2、A3、A5的抗微点蚀/点蚀性能比较好,尤其是配方A1的综合性能最为优异。在表2的基础上,考察了极压剂EP-1与不同的抗磨剂组合,以及抗磨剂AW-1与不同的极压剂组合对油品抗微点蚀/点蚀性能的影响,试验结果见表3。从表3中可以看出,极压剂EP-1分别与4种不同的抗磨剂复配,或者抗磨剂AW-1分别与4种不同的极压剂组合,齿牙产生微点蚀/点蚀的情况是不同的,综合考虑,抗磨剂AW-1与极压剂EP-1复配(试验编号A1)、抗磨剂AW-1与极压剂EP-4复配(试验编号EP4),油品的综合性能比较好。在上述试验结果的基础上,进行了第3组试验(试验编号B1、B2、B3、B4),结果见表4,同时对表4的配方进行了FVA54/I-Ⅳ标准微点蚀试验,结果见表5。从表3和表4中可以看出,在筛选试验中未出现点蚀且磨损值比较低的2个试样A1与A2在FVA54/I-Ⅳ微点蚀标准试验中的疲劳寿命比较长,分别为480h和320h,另外,试样A5在筛选试验中与试样A1相比,只是磨损比较大,微点蚀面积比较接近,且未出现点蚀,但在标准试验的耐久性试验阶段在160h就产生了点蚀,由此可见,筛选试验的效果比较好。
4预测油品抗微点蚀/点蚀试验结果的数学模型
为了研究影响油抗微点蚀/点蚀性能的影响因素,以便更好地解决油品的抗微点蚀/点蚀性能。人们通过研究,建立了预测FVA54/I-Ⅳ微点蚀标准试验中试验结果的数学模型。用表6中的23个试样的结果建立了预测FVA54/I-Ⅳ微点蚀标准试验中通过负荷级的数学模型。通过负荷级数学模型为:负荷级=24.66-69.13×边界摩擦系数-0.038×弹流油膜厚度-29.31×Ra。式中边界摩擦系数和弹流油膜厚度的测试方法见表7。1为预测值与实测值的相关性。从***1可以看出,预测值与实测值有一定的相关性,相关系数为0.6603。***1实测的通过负荷级
5结论
(1)齿轮的微点蚀是一种典型的齿轮失效形式,是齿轮表面滚动接触疲劳破坏,可影响齿牙的准确性,导致噪音增加和引起振动,从而减少齿轮的使用寿命。因此,对微点蚀的研究、开发抗微点蚀性能的齿轮油产品已成为各大石油公司关注的焦点。
(2)微点蚀的试验室筛选试验对开发抗微点蚀齿轮油新产品具有重要意义。建立微点蚀模拟试验方法对齿轮油新产品开发和抗微点蚀添加剂开发都具有重要推动作用。
(3)添加剂的微点蚀试验结果表明:不同的添加剂组合对微点蚀性能有不同的影响,通过优选添加剂可以提高齿轮油的抗微点蚀性能。
(4)建立的预测油品抗微点蚀/点蚀试验结果的数学模型与实际试验结果具有一定的相关性。
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