大型开式齿轮常见损伤及润滑建议

　　前言

　　在水泥行业中的烧成和生料、熟料、煤的破碎等工艺设备中，大型开式齿轮常被选作设备的主要驱动单元。其传动齿轮副长期处于低速、重载、大冲击力的工况中，齿轮表面往往会出现不同形式的损伤，如过度磨损、擦伤、胶合、点蚀、塑性变形等，继而导致齿面金属材料的遗失，改变齿轮的几何尺寸，严重影响齿轮副的使用寿命，降低生产的连续性。

　　本文针对大型开式齿轮常见的齿面损伤，结合具体的图片，提出防止损伤发生及合理润滑的建议，供现场技术人员参考并有望解决现场问题。

　　克鲁勃根据开式齿轮的运行条件和损伤产生的机理，提供系列开式齿轮润滑产品及技术服务，创造并保障良好润滑条件、降低齿轮磨损、减少损伤的出现，并抑制既有损伤的扩展。

　　一、磨损

　　磨损是指由于机械、化学或其它因素导致材料的慢速损失，齿轮表面发生改变。并非所有的磨损都定义为损伤，对于大型开式齿轮，齿轮运行初期发生的正常磨损有利于改善设备运行状态和润滑条件。

　　1．正常磨损   

　　这种磨损发生在齿轮运转的早期阶段，粗糙的开式齿轮表面的机加工痕迹逐渐消失，齿面呈光亮状态，常称为跑合磨损。磨光和中等磨损都属于正常磨损类型。

　　正常磨损的形貌特征：磨光是一种缓慢的磨合，两接触齿面的凹凸不平逐渐被磨去，机加工痕迹逐渐消失，齿面粗糙度大为降低，因此产生光滑的齿面，磨光对改善齿轮的运转状态有积极的促进作用，左下图为磨光图片实例。中等磨损齿面的特征是两齿面都有金属移失，在节曲面附近出现一条连续的条带，如右下图。在寿命以内的正常磨损并不影响齿轮的使用。

a) 磨光实例                               b) 中等磨损实例  

图1  齿轮运转早期阶段的正常磨损类型

　　用于转窑类设备驱动的齿轮精度在8~9级 (AGMG 2000)，用于管磨类设备的齿轮精度在9~10级 (AGMG 2000)。因此，大型开式齿轮副在运转初期，接触面积小，存在局部过载，高点的局部接触应力往往超过材料的接触疲劳强度，疲劳裂纹就会陆续出现。若此类疲劳裂纹不能快速消除，疲劳裂纹会持续发展成点蚀损伤。

　　因此，对于新制大型开式齿轮或翻面使用的齿面，克鲁勃提出：在齿轮的运行初期，必须通过磨合过程来达到磨光的目的，借助专用磨合润滑剂快速降低表面粗糙度、提高接触比例，防止出现初期损伤，为后期取得良好润滑状态创造条件。

　　2．磨料磨损

　　磨料磨损是指由于混在润滑剂中的坚硬颗粒（如砂粒、锈蚀物、金属杂质等），在齿面啮合时的相对运动中，使齿面材料发生遗失或错位。齿面上嵌入坚硬的颗粒，也会造成磨料磨损。       

　　磨料磨损的形貌特征：齿面出现不同尺寸的分散凹坑，其边缘比较圆滑。

图2  齿轮磨料磨损实例

　　此种损伤类型与润滑无关，且不会持续扩展，但降低了齿轮的接触比例，可采取如下预防性措施：

　　1)在设备的安装阶段，清除齿轮副和齿轮罩上的杂质；

　　2)若采用喷射润滑或循环润滑方式，需做好润滑系统相关部件的清洁工作，避免杂质混入。若采用油池润滑方式，需仔细清理油池和带油部件； 

　　3) 改善润滑系统和齿轮罩的密封条件，避免外部异物混入润滑剂。

　　3. 过度磨损    

　　过度磨损是指由于长期使用性能欠缺的润滑剂，抗磨损性能差，摩擦系数过高，大的滑动摩擦力使轮齿表面快速磨损，从而使齿轮副达不到设计寿命。

　　过度磨损的形貌特征：齿轮表面明显粗糙，严重时齿廓失去渐开线形状，通常过度磨损的齿轮伴随着胶合、擦伤等损伤，但由于磨损较快，不易出现裂纹和点蚀。 

图3  齿轮过度磨损实例

　　齿轮的过度磨损和所用润滑剂性能直接相关。要求润滑剂具有适合工况推荐的工作粘度，含极压添加剂、良好的抗磨性能、低的滑动摩擦系数，能够有效降低齿轮的磨损速度，延长齿轮寿命。

　　二、擦伤

　　擦伤是由于齿轮表面承受过大的接触压力、润滑剂极压性能不足或齿面缺乏足够的润滑剂，导致润滑油膜不能建立，齿轮处于干摩擦或边界摩擦状态，啮合齿面直接接触，造成齿轮材料的移除。

　　擦伤的形貌特征：在齿面上沿滑动方向出现沟槽，主要分布在滑动速度较快的齿顶、齿根区域。按照损伤面积的大小，可分为轻微擦伤、中等擦伤、严重擦伤。 

图4  齿轮中等擦伤实例  

图5  齿轮严重擦伤实例

　　防止齿轮擦伤，除避免设备超负荷运行，造成轮齿接触压力过大外。在润滑方面需注意如下方面： 

　　1)选用承载能力强、粘度高的润滑剂，改善润滑条件，提高油膜厚度。

　　2)保障足量的润滑剂到达啮合齿面，若采取喷射润滑方式，需合理设置系统参数，避免喷射间隔时间过长、润滑剂用量过低，在运行中注意防止出现润滑系统故障，若采取油池润滑方式，需在日常检查中注意液位的高低，尤其是当齿轮中心线和油池液面具有一定斜度时，注意油位的的高度应以高端为准。

　　三、胶合

　　胶合是由于齿轮承受过大的接触压力或较高的齿面温度，导致润滑油膜不能建立，齿面上不平的峰谷在接触时发生局部高压熔焊，而后随着齿面的相对运动，促使节点发生塑性变形和破裂，导致齿面材料的损失和迁移。由于高温导致润滑失效而形成的胶和称为“热胶和”，由于啮合齿轮间接触压力超过润滑油承载能力导致润滑失效而形成的胶和称为“冷胶合”。

　　胶合的形貌特征：相互啮合齿面间齿面表层材料发生撕裂，形成连续的、一定面积、一定深度的凹坑，严重时可能覆盖整个齿宽。胶合通常发生在相对滑动速度较高的齿顶和齿根区域。

图6  齿轮胶合实例

　　对于胶合损伤，一方面需要避免超负荷运行，即便齿轮短时处于过载状态，过大的接触压力也会在齿面上产生胶合。另外在润滑方面必须选择合适的润滑剂，由于胶和现象必须在破坏润滑油膜时才能发生，因此选用粘度高、粘附性能好、含极压添加剂的齿轮润滑剂能够抑制胶合的产生。

　　四、点蚀和剥落

　　点蚀的初期形貌是疲劳裂纹。若轮齿接触应力超过极限应力值，并达到一定的循环次数时，材料就可能出现疲劳裂纹。随着这些裂纹扩展、连接，最终造成齿面金属材料的脱落，形成初期点蚀，并可能持续发展为扩展性点蚀、片蚀或剥落。点蚀损伤对齿轮的使用寿命有较大的影响，严重时使齿轮厚度大大减少，甚至出现断齿。

　　点蚀的形貌特征：齿面金属材料的遗失、出现凹坑、且凹坑的边缘较为尖锐。下列图片显示了各种点蚀的具体形貌。

图7  初期点蚀实例

图8  扩展性点蚀实例

图9  点蚀引起的材料剥落实例

　　对于点蚀损伤，需抑制其发展源头，即裂纹的产生，在开式齿轮的不同运行阶段，借助于润滑，可以防止点蚀的出现。 

　　1)在齿轮副投入使用的初期，使用专用的磨合润滑剂，使齿轮快速经历磨光过程，在消除已产生裂纹的同时，提高齿轮的接触比例，防止新的疲劳裂纹产生。

　　2)当齿轮接触比例上升后，换用高粘度的润滑油，建立足够厚度的润滑油膜，使载荷平均分布，降低接触压力。如此，能够有效杜绝点蚀损伤的发生，并缓解既有点蚀的扩展。

　　五、塑性变形

　　轮齿的塑性变形是一种卸去施加的载荷后不能恢复的变形，其诱因都是轮齿受过大载荷造成的。轮齿的塑性变形可以分为两大类：齿体塑变和齿面塑变。前者是由于齿体材料受到的应力超过弹性极限所致，而后者除了高应力外还与轮齿啮和时的摩擦条件有关（摩擦使齿面材料流动）。对于开式齿轮，典型的齿面塑变类型为起脊。

　　起脊的形貌特征：齿轮材料在齿表上流动，齿面上出现类似山脊的形状，平行于齿轮的啮合线，严重时沿整个齿宽分布。

图10  塑性变形实例

　　对于开式齿轮，过大的冲击载荷和滑动摩擦力是形成塑性变形的主要因素，除设备安装、维护时注意保证各安装限度和尺寸外，良好的润滑条件能够缓解塑性变形的产生。 

　　1) 选用能够形成足够润滑油膜的润滑油，有效吸收齿轮啮合时的冲击力，降低齿轮承受的冲击载荷。

　　2)良好的润滑能够降低摩擦系数，降低齿轮受到的滑动摩擦力，避免齿面材料出现流动。

　　六、如何选择合适开式齿轮润滑剂

　　通过对上述的开式齿轮常见损伤分析，可以得出如下结论：对于不同运行阶段的大型开式齿轮，对润滑剂有着完全不同的要求：

　　1、新齿轮或翻面齿轮，齿轮表面粗糙，接触比例偏低，不可避免出现轻微擦伤和疲劳裂纹，因此需防止轻微擦伤持续发展为严重擦伤，防止疲劳裂纹持续发展为点蚀和剥落。必须借助特殊的磨合润滑剂，通过磨光阶段，消除不断产生的擦痕、裂纹，快速提升齿轮的接触比例，减少擦痕、裂纹产生的机率。

　　克鲁勃为开式齿轮的磨合提供专用的透明磨合润滑剂KLUBERFLUID B-F2 ULTRA，同时适用于喷射、循环、油池等多种润滑方式，下图显示了一回转窑开式齿轮的磨合效果。

图11  齿轮运转初期的磨光效果实例

　　2.、当齿表具备足够的接触比例后，磨光阶段即可结束，此时齿面具备形成良好润滑油膜的基本条件。为创造良好的润滑条件，需换用合适的润滑剂来降低齿轮磨损量，防止齿轮出现擦伤、胶合、塑性变形、点蚀等损伤，延长齿轮使用寿命，并避免因润滑不当造成的既有损伤的持续发展。为防止出现前述的各类损伤，要求选用的润滑剂具备高的粘度，承载能力强、粘附性能好、含极压添加剂、良好的抗磨损性能、适应齿面较高的工作温度，以达到下述目的：

　　a)能够在啮合齿面间形成足够厚度的油膜；
　　b)承受较高的齿轮运行温度；
　　c)降低摩擦系数；
　　d)能够有效吸收齿轮啮合时的冲击力，降低齿轮承受的冲击载荷；
　　e)能够有效降低齿轮的磨损速度，延长齿轮寿命；
　　f)使载荷平均分布，降低接触压力；
　　g)能够有效防止齿轮出现新的损伤，或缓解既有损伤的扩展。

　　克鲁勃为开式齿轮的操作运行提供全透明、高粘附性的开式齿轮润滑剂KLUBERFLUID C-F3 ULTRA，具备超高粘度，40℃黏度达16500mm2/s ，同时适用于喷射、循环、油池等多种润滑方式，能够完全达到上述的各项要求，并已在全球范围内得到广泛使用。克鲁勃还提供丰富的同系列产品，其粘度的跨度从3100 —22000 mm2/s (40℃)，以适应不同喷射系统和环境温度的要求。

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

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