4 膠合和磨損
4.1膠合和磨損的產(chǎn)生
當(dāng)齒輪輪齒完全被潤滑油膜分開時(shí),兩齒面的凹凸不平之間是不接觸的,通常不存在膠合和磨損,此時(shí)的磨擦因數(shù)相當(dāng)小。在油膜較厚時(shí),由于突然的熱不穩(wěn)定性[19]引起的類似膠合損傷的這種特殊情況不在此討論。
當(dāng)彈性流體動(dòng)力油膜較薄時(shí),齒面凹凸之間偶爾會(huì)直接接觸,隨著平均油膜厚度的減薄,直接接觸的次數(shù)相應(yīng)增加,則可能會(huì)產(chǎn)生磨料磨損、粘著磨損或膠合。由于齒輪輪齒的滾動(dòng)作用或潤滑油中含有磨粒會(huì)引起磨料磨損。粘著磨損是由先局部焊合,隨即分離,從而導(dǎo)致一個(gè)或兩個(gè)嚙合輪齒上的材料微粒轉(zhuǎn)移而引起的。如果磨粒磨損或粘著磨損是輕微的,且隨著時(shí)間的推移而減輕,作為一種正常跑合過程則對(duì)輪齒不會(huì)造成危害。
與輕微磨損不同,膠合是能導(dǎo)致輪齒擴(kuò)展性損傷的黏著磨損的嚴(yán)重形式。與具有明顯發(fā)展期的點(diǎn)蝕和疲勞折斷不同,瞬時(shí)過載會(huì)導(dǎo)致膠合失效。
潤滑油中過分進(jìn)氣或存在污染,諸如懸浮的金屬顆粒或水,也會(huì)增加膠合的危險(xiǎn)。高速齒輪膠合后,由于振動(dòng)而引起更大的動(dòng)載荷,振動(dòng)通常會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的膠合、點(diǎn)蝕、斷齒損傷。
在大多數(shù)情況下,使用具有增強(qiáng)抗膠合添加劑1)的潤滑油能提高齒輪抗膠合承載能力,然而,重要的一點(diǎn)是要意識(shí)到使用抗膠合添加劑的一些不足之處:使銅腐蝕、彈性材料的脆化,以及缺乏全球通用性等。
本方法不適用于評(píng)價(jià)冷膠合,冷膠合通常在低速(節(jié)圓線速度小于4m/s)、質(zhì)量很差的調(diào)質(zhì)重載齒輪上產(chǎn)生。
4.2轉(zhuǎn)換圖
在使用液體潤滑油潤滑的運(yùn)行條件下,較嚴(yán)重的鋼接觸滑動(dòng)的潤滑狀況可用轉(zhuǎn)換圖描述[20][21][22][23]。圖1所示的轉(zhuǎn)換圖適用于恒定油浴溫度下的接觸運(yùn)行。
當(dāng)法向力Fn和相對(duì)滑動(dòng)速度vg同時(shí)落在A1-S線以下,即圖1的Ⅰ區(qū)時(shí),潤滑狀況的特征可用磨擦因數(shù)大約為0.1、單位磨損率(即:每單位法向力、每單位滑動(dòng)距離下的體積磨損量)為10-2~10-6mm3(N·m)來表達(dá)。
當(dāng)vg不大于S點(diǎn)的值,且載荷增加進(jìn)入Ⅱ區(qū)時(shí),剛轉(zhuǎn)換進(jìn)入第二種潤滑狀況。這種輕微磨損潤滑條件的特征可用磨擦因數(shù)大約為0.3~0.4、單位磨損率為1~5 mm3(N·m)來表達(dá)。
如果載荷進(jìn)一步增加,則轉(zhuǎn)換進(jìn)入第三種潤滑狀況,即進(jìn)入以A2-S為邊界線的Ⅲ區(qū)。這個(gè)區(qū)域的特征可用磨擦因數(shù)等于0.4~0.5來表達(dá),然而,與Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)相比磨損率相當(dāng)高,從100~1000 mm3(N·m)。磨損表面呈現(xiàn)膠合形式的嚴(yán)重磨損。當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度超過S點(diǎn)后,如果載荷增加,則直接從Ⅰ區(qū)轉(zhuǎn)換到Ⅲ區(qū)。
有足夠的證據(jù)證明A1-S-A3線的位置取決于潤滑油黏度[24]及赫茲接觸壓力[20][21]。當(dāng)Fn和vg同時(shí)落在此線以下時(shí),則認(rèn)為,齒面由一層較薄的潤滑油膜分隔開,但此膜被粗糙的凹凸部分所穿透。對(duì)于這種情況,稱為“邊界彈流動(dòng)力潤滑”[21]。
在Ⅲ區(qū)中,液體油膜完全推動(dòng)了作用,這個(gè)區(qū)域即為“初始膠合”區(qū)域[25]。有證據(jù)表明以A2-S線為邊界發(fā)生的轉(zhuǎn)換與接觸溫度達(dá)到臨界值相關(guān)。這就是布洛克的基本概念。
給出的這個(gè)轉(zhuǎn)換圖適用于新的組件(即未氧化鋼的接觸),如齒輪、凸輪及從動(dòng)件等。這個(gè)轉(zhuǎn)換圖符合四球試驗(yàn)及柱——環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果。
沿A1-S-A3曲線的溫度范圍(從油池溫度開始,依次為整個(gè)本體溫度,接觸面本體溫度):在vg=0.001m/s時(shí)為28℃到vg=10m/s時(shí)的接觸溫度為498℃。這個(gè)溫度特性充分表明在恒定的接觸或接觸面本體溫度下,(邊界)彈流動(dòng)力潤滑未被破壞,例如與化學(xué)吸附性材料的軟化有關(guān)。相反,隨著滑動(dòng)速度的增加承載能力的明顯降低則認(rèn)為是由于潤滑油黏度的降低[24] [24] [26] [27] [28] [29]。
與上述情況不同,沿曲線A2-S-A3的計(jì)算接觸溫度則趨向于一個(gè)恒定的值,即用GCr15鋼時(shí)大約為500℃,見圖1。這表明從Ⅱ區(qū)到Ⅲ區(qū)的轉(zhuǎn)換與用鋼的不同有關(guān),從輕微粘著到嚴(yán)重粘著,引起了表面磨損機(jī)理的變化,也許還包括熱彈不穩(wěn)性機(jī)理[30][31]。
因此,結(jié)果表明膠合與接觸溫度的臨界值有關(guān)。對(duì)于鋼,用礦物油潤滑時(shí),臨界值大約為500℃,它并不取決于載荷、速度和幾何參數(shù)。
4.3初始膠合時(shí)的磨擦
在圖1所示的轉(zhuǎn)換圖中,膠合時(shí),磨擦因數(shù)從0.25跳躍到0.5。相應(yīng)的接觸溫度大約為500℃。這個(gè)接觸溫度是測量的接觸面的本體溫度28℃與計(jì)算的閃溫470℃的和。
在計(jì)算閃溫時(shí)所用的磨擦因數(shù)是剛要轉(zhuǎn)換前的磨擦因數(shù),即μ=0.35。如果這種方法不僅要用于柱與環(huán)實(shí)驗(yàn)而且還要用于齒輪傳動(dòng)(在設(shè)計(jì)階段)時(shí),在計(jì)算中接觸溫度的臨界值和磨擦因數(shù)值的選取應(yīng)協(xié)商一致。
齒輪承載能力可以預(yù)估:
——當(dāng)使用磨擦因數(shù)μ=0.5時(shí),偏于安全;
——根據(jù)潤滑油的不同,所使用的磨擦因數(shù)為μ=0.25μ~=0.35時(shí),較精確;
——根據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn),在穩(wěn)定的工作條件下,所用的磨擦因數(shù)較低,那么限定的接觸溫度相應(yīng)地也較低。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于不加和加少量添加劑和礦物油,油和滾動(dòng)材料的每一種組合有一個(gè)臨界膠合溫度。通常,這個(gè)溫度是恒定的,與運(yùn)行條件、載荷、速度和幾何參數(shù)無關(guān)。
對(duì)于加大量添加劑的礦物油和一些種類的復(fù)合油,臨界膠合溫度隨著裝置運(yùn)行條件變化而變化。因此,此時(shí)的臨界溫度必須由模擬齒輪裝置運(yùn)行條件的實(shí)驗(yàn)分別確定。