大型開式齒輪常見損傷及潤滑建議

　　前言

　　在水泥行業(yè)中的燒成和生料、熟料、煤的破碎等工藝設備中，大型開式齒輪常被選作設備的主要驅動單元。其傳動齒輪副長期處于低速、重載、大沖擊力的工況中，齒輪表面往往會出現(xiàn)不同形式的損傷，如過度磨損、擦傷、膠合、點蝕、塑性變形等，繼而導致齒面金屬材料的遺失，改變齒輪的幾何尺寸，嚴重影響齒輪副的使用壽命，降低生產(chǎn)的連續(xù)性。

　　本文針對大型開式齒輪常見的齒面損傷，結合具體的圖片，提出防止損傷發(fā)生及合理潤滑的建議，供現(xiàn)場技術人員參考并有望解決現(xiàn)場問題。

　　克魯勃根據(jù)開式齒輪的運行條件和損傷產(chǎn)生的機理，提供系列開式齒輪潤滑產(chǎn)品及技術服務，創(chuàng)造并保障良好潤滑條件、降低齒輪磨損、減少損傷的出現(xiàn)，并抑制既有損傷的擴展。

　　一、磨損

　　磨損是指由于機械、化學或其它因素導致材料的慢速損失，齒輪表面發(fā)生改變。并非所有的磨損都定義為損傷，對于大型開式齒輪，齒輪運行初期發(fā)生的正常磨損有利于改善設備運行狀態(tài)和潤滑條件。

　　1．正常磨損   

　　這種磨損發(fā)生在齒輪運轉的早期階段，粗糙的開式齒輪表面的機加工痕跡逐漸消失，齒面呈光亮狀態(tài)，常稱為跑合磨損。磨光和中等磨損都屬于正常磨損類型。

　　正常磨損的形貌特征：磨光是一種緩慢的磨合，兩接觸齒面的凹凸不平逐漸被磨去，機加工痕跡逐漸消失，齒面粗糙度大為降低，因此產(chǎn)生光滑的齒面，磨光對改善齒輪的運轉狀態(tài)有積極的促進作用，左下圖為磨光圖片實例。中等磨損齒面的特征是兩齒面都有金屬移失，在節(jié)曲面附近出現(xiàn)一條連續(xù)的條帶，如右下圖。在壽命以內的正常磨損并不影響齒輪的使用。

a) 磨光實例                               b) 中等磨損實例  

圖1  齒輪運轉早期階段的正常磨損類型

　　用于轉窯類設備驅動的齒輪精度在8~9級 (AGMG 2000)，用于管磨類設備的齒輪精度在9~10級 (AGMG 2000)。因此，大型開式齒輪副在運轉初期，接觸面積小，存在局部過載，高點的局部接觸應力往往超過材料的接觸疲勞強度，疲勞裂紋就會陸續(xù)出現(xiàn)。若此類疲勞裂紋不能快速消除，疲勞裂紋會持續(xù)發(fā)展成點蝕損傷。

　　因此，對于新制大型開式齒輪或翻面使用的齒面，克魯勃提出：在齒輪的運行初期，必須通過磨合過程來達到磨光的目的，借助專用磨合潤滑劑快速降低表面粗糙度、提高接觸比例，防止出現(xiàn)初期損傷，為后期取得良好潤滑狀態(tài)創(chuàng)造條件。

　　2．磨料磨損

　　磨料磨損是指由于混在潤滑劑中的堅硬顆粒（如砂粒、銹蝕物、金屬雜質等），在齒面嚙合時的相對運動中，使齒面材料發(fā)生遺失或錯位。齒面上嵌入堅硬的顆粒，也會造成磨料磨損。       

　　磨料磨損的形貌特征：齒面出現(xiàn)不同尺寸的分散凹坑，其邊緣比較圓滑。

圖2  齒輪磨料磨損實例

　　此種損傷類型與潤滑無關，且不會持續(xù)擴展，但降低了齒輪的接觸比例，可采取如下預防性措施：

　　1)在設備的安裝階段，清除齒輪副和齒輪罩上的雜質；

　　2)若采用噴射潤滑或循環(huán)潤滑方式，需做好潤滑系統(tǒng)相關部件的清潔工作，避免雜質混入。若采用油池潤滑方式，需仔細清理油池和帶油部件； 

　　3) 改善潤滑系統(tǒng)和齒輪罩的密封條件，避免外部異物混入潤滑劑。

　　3. 過度磨損    

　　過度磨損是指由于長期使用性能欠缺的潤滑劑，抗磨損性能差，摩擦系數(shù)過高，大的滑動摩擦力使輪齒表面快速磨損，從而使齒輪副達不到設計壽命。

　　過度磨損的形貌特征：齒輪表面明顯粗糙，嚴重時齒廓失去漸開線形狀，通常過度磨損的齒輪伴隨著膠合、擦傷等損傷，但由于磨損較快，不易出現(xiàn)裂紋和點蝕。 

圖3  齒輪過度磨損實例

　　齒輪的過度磨損和所用潤滑劑性能直接相關。要求潤滑劑具有適合工況推薦的工作粘度，含極壓添加劑、良好的抗磨性能、低的滑動摩擦系數(shù)，能夠有效降低齒輪的磨損速度，延長齒輪壽命。

　　二、擦傷

　　擦傷是由于齒輪表面承受過大的接觸壓力、潤滑劑極壓性能不足或齒面缺乏足夠的潤滑劑，導致潤滑油膜不能建立，齒輪處于干摩擦或邊界摩擦狀態(tài)，嚙合齒面直接接觸，造成齒輪材料的移除。

　　擦傷的形貌特征：在齒面上沿滑動方向出現(xiàn)溝槽，主要分布在滑動速度較快的齒頂、齒根區(qū)域。按照損傷面積的大小，可分為輕微擦傷、中等擦傷、嚴重擦傷。 

圖4  齒輪中等擦傷實例  

圖5  齒輪嚴重擦傷實例

　　防止齒輪擦傷，除避免設備超負荷運行，造成輪齒接觸壓力過大外。在潤滑方面需注意如下方面： 

　　1)選用承載能力強、粘度高的潤滑劑，改善潤滑條件，提高油膜厚度。

　　2)保障足量的潤滑劑到達嚙合齒面，若采取噴射潤滑方式，需合理設置系統(tǒng)參數(shù)，避免噴射間隔時間過長、潤滑劑用量過低，在運行中注意防止出現(xiàn)潤滑系統(tǒng)故障，若采取油池潤滑方式，需在日常檢查中注意液位的高低，尤其是當齒輪中心線和油池液面具有一定斜度時，注意油位的的高度應以高端為準。

　　三、膠合

　　膠合是由于齒輪承受過大的接觸壓力或較高的齒面溫度，導致潤滑油膜不能建立，齒面上不平的峰谷在接觸時發(fā)生局部高壓熔焊，而后隨著齒面的相對運動，促使節(jié)點發(fā)生塑性變形和破裂，導致齒面材料的損失和遷移。由于高溫導致潤滑失效而形成的膠和稱為“熱膠和”，由于嚙合齒輪間接觸壓力超過潤滑油承載能力導致潤滑失效而形成的膠和稱為“冷膠合”。

　　膠合的形貌特征：相互嚙合齒面間齒面表層材料發(fā)生撕裂，形成連續(xù)的、一定面積、一定深度的凹坑，嚴重時可能覆蓋整個齒寬。膠合通常發(fā)生在相對滑動速度較高的齒頂和齒根區(qū)域。

圖6  齒輪膠合實例

　　對于膠合損傷，一方面需要避免超負荷運行，即便齒輪短時處于過載狀態(tài)，過大的接觸壓力也會在齒面上產(chǎn)生膠合。另外在潤滑方面必須選擇合適的潤滑劑，由于膠和現(xiàn)象必須在破壞潤滑油膜時才能發(fā)生，因此選用粘度高、粘附性能好、含極壓添加劑的齒輪潤滑劑能夠抑制膠合的產(chǎn)生。

　　四、點蝕和剝落

　　點蝕的初期形貌是疲勞裂紋。若輪齒接觸應力超過極限應力值，并達到一定的循環(huán)次數(shù)時，材料就可能出現(xiàn)疲勞裂紋。隨著這些裂紋擴展、連接，最終造成齒面金屬材料的脫落，形成初期點蝕，并可能持續(xù)發(fā)展為擴展性點蝕、片蝕或剝落。點蝕損傷對齒輪的使用壽命有較大的影響，嚴重時使齒輪厚度大大減少，甚至出現(xiàn)斷齒。

　　點蝕的形貌特征：齒面金屬材料的遺失、出現(xiàn)凹坑、且凹坑的邊緣較為尖銳。下列圖片顯示了各種點蝕的具體形貌。

圖7  初期點蝕實例

圖8  擴展性點蝕實例

圖9  點蝕引起的材料剝落實例

　　對于點蝕損傷，需抑制其發(fā)展源頭，即裂紋的產(chǎn)生，在開式齒輪的不同運行階段，借助于潤滑，可以防止點蝕的出現(xiàn)。 

　　1)在齒輪副投入使用的初期，使用專用的磨合潤滑劑，使齒輪快速經(jīng)歷磨光過程，在消除已產(chǎn)生裂紋的同時，提高齒輪的接觸比例，防止新的疲勞裂紋產(chǎn)生。

　　2)當齒輪接觸比例上升后，換用高粘度的潤滑油，建立足夠厚度的潤滑油膜，使載荷平均分布，降低接觸壓力。如此，能夠有效杜絕點蝕損傷的發(fā)生，并緩解既有點蝕的擴展。

　　五、塑性變形

　　輪齒的塑性變形是一種卸去施加的載荷后不能恢復的變形，其誘因都是輪齒受過大載荷造成的。輪齒的塑性變形可以分為兩大類：齒體塑變和齒面塑變。前者是由于齒體材料受到的應力超過彈性極限所致，而后者除了高應力外還與輪齒嚙和時的摩擦條件有關（摩擦使齒面材料流動）。對于開式齒輪，典型的齒面塑變類型為起脊。

　　起脊的形貌特征：齒輪材料在齒表上流動，齒面上出現(xiàn)類似山脊的形狀，平行于齒輪的嚙合線，嚴重時沿整個齒寬分布。

圖10  塑性變形實例

　　對于開式齒輪，過大的沖擊載荷和滑動摩擦力是形成塑性變形的主要因素，除設備安裝、維護時注意保證各安裝限度和尺寸外，良好的潤滑條件能夠緩解塑性變形的產(chǎn)生。 

　　1) 選用能夠形成足夠潤滑油膜的潤滑油，有效吸收齒輪嚙合時的沖擊力，降低齒輪承受的沖擊載荷。

　　2)良好的潤滑能夠降低摩擦系數(shù)，降低齒輪受到的滑動摩擦力，避免齒面材料出現(xiàn)流動。

　　六、如何選擇合適開式齒輪潤滑劑

　　通過對上述的開式齒輪常見損傷分析，可以得出如下結論：對于不同運行階段的大型開式齒輪，對潤滑劑有著完全不同的要求：

　　1、新齒輪或翻面齒輪，齒輪表面粗糙，接觸比例偏低，不可避免出現(xiàn)輕微擦傷和疲勞裂紋，因此需防止輕微擦傷持續(xù)發(fā)展為嚴重擦傷，防止疲勞裂紋持續(xù)發(fā)展為點蝕和剝落。必須借助特殊的磨合潤滑劑，通過磨光階段，消除不斷產(chǎn)生的擦痕、裂紋，快速提升齒輪的接觸比例，減少擦痕、裂紋產(chǎn)生的機率。

　　克魯勃為開式齒輪的磨合提供專用的透明磨合潤滑劑KLUBERFLUID B-F2 ULTRA，同時適用于噴射、循環(huán)、油池等多種潤滑方式，下圖顯示了一回轉窯開式齒輪的磨合效果。

圖11  齒輪運轉初期的磨光效果實例

　　2.、當齒表具備足夠的接觸比例后，磨光階段即可結束，此時齒面具備形成良好潤滑油膜的基本條件。為創(chuàng)造良好的潤滑條件，需換用合適的潤滑劑來降低齒輪磨損量，防止齒輪出現(xiàn)擦傷、膠合、塑性變形、點蝕等損傷，延長齒輪使用壽命，并避免因潤滑不當造成的既有損傷的持續(xù)發(fā)展。為防止出現(xiàn)前述的各類損傷，要求選用的潤滑劑具備高的粘度，承載能力強、粘附性能好、含極壓添加劑、良好的抗磨損性能、適應齒面較高的工作溫度，以達到下述目的：

　　a)能夠在嚙合齒面間形成足夠厚度的油膜；
　　b)承受較高的齒輪運行溫度；
　　c)降低摩擦系數(shù)；
　　d)能夠有效吸收齒輪嚙合時的沖擊力，降低齒輪承受的沖擊載荷；
　　e)能夠有效降低齒輪的磨損速度，延長齒輪壽命；
　　f)使載荷平均分布，降低接觸壓力；
　　g)能夠有效防止齒輪出現(xiàn)新的損傷，或緩解既有損傷的擴展。

　　克魯勃為開式齒輪的操作運行提供全透明、高粘附性的開式齒輪潤滑劑KLUBERFLUID C-F3 ULTRA，具備超高粘度，40℃黏度達16500mm2/s ，同時適用于噴射、循環(huán)、油池等多種潤滑方式，能夠完全達到上述的各項要求，并已在全球范圍內得到廣泛使用?？唆敳€提供豐富的同系列產(chǎn)品，其粘度的跨度從3100 —22000 mm2/s (40℃)，以適應不同噴射系統(tǒng)和環(huán)境溫度的要求。

　　參考文獻
　　[1] 《Appearance of Gear Teeth-terminology of Wear and Failure》, America National Standard.

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