魯 哲，王遠(yuǎn)宏，李海燕

(1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院 汽車與船舶工程系，山東 煙臺(tái) 264670；2.上海通用汽車東岳動(dòng)力有限公司，山東 煙臺(tái) 264670)

1 引言

齒輪磨損對于齒輪的振動(dòng)和壽命有重要的影響，因此，國內(nèi)外學(xué)者對于齒輪磨損過程和機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。有的學(xué)者從建模和仿真的角度對齒輪磨損進(jìn)行研究和預(yù)測。何照榮等人將灰色系統(tǒng)模型和時(shí)間序列模型進(jìn)行結(jié)合建立新的模型對齒輪磨損過程進(jìn)行預(yù)測，利用鐵譜分析驗(yàn)證其新的模型比單獨(dú)使用灰色模型更能準(zhǔn)確預(yù)測齒輪磨損[1]。其方法的不足之處在于仿真不能夠真實(shí)的反應(yīng)齒輪磨損的過程。文獻(xiàn)[2]在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，利用激光掃描共焦顯微技術(shù)和圖像處理工具對齒輪的粗糙度、磨損嚴(yán)重度和磨損深度進(jìn)行視覺化分析，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了一定的參考。但是其研究并不能真正的將齒輪的磨損進(jìn)行數(shù)字量化。文獻(xiàn)[3-4]比較相似，都是利用油液分析和鐵譜分析技術(shù)，通過對油液中的磨粒數(shù)量統(tǒng)計(jì)對齒輪的磨損階段進(jìn)行區(qū)分，同時(shí)利用顯微鏡觀察區(qū)分了磨粒的種類，用于分析磨損的狀態(tài)。文獻(xiàn)[5]聯(lián)合使用鐵譜分析和灰色系統(tǒng)模型的方法對工程機(jī)械用變速箱進(jìn)行了磨損過程和故障預(yù)測，預(yù)測效果顯著，而且對不同類型的鐵譜利用高倍顯微鏡進(jìn)行了分類，以判斷齒輪的磨損狀態(tài)。文獻(xiàn)[3-5]的研究和真實(shí)的齒輪磨損過程更加接近，但是該方法依然存在較大的誤差，因?yàn)橹荒芙y(tǒng)計(jì)總磨粒數(shù)和大小等級的磨粒濃度，無法統(tǒng)計(jì)每種類型磨粒的濃度和數(shù)量，所以就無法判斷此刻齒輪以哪種磨損狀態(tài)為主。LNF-Q200顆粒分析儀，不僅能夠?qū)X輪的總磨粒數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而且能夠利用智能算法和特定的投影方法將各種磨粒進(jìn)行自動(dòng)分類并統(tǒng)計(jì)在油液中的數(shù)量和濃度，因此，較之以上的研究，此顆粒分析方法用于齒輪磨損更能反映齒輪的磨損機(jī)理和過程。

粗糙度作為關(guān)鍵的表面完整性參數(shù)之一，對齒輪的磨損有重要的影響，嚴(yán)宏志等人從粗糙度的角度對齒面的接觸應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，接觸應(yīng)力對于齒面摩擦磨損性能有重要的影響[6]，其研究可以間接為研究粗糙度對齒面磨損提供一定的理論依據(jù)。文獻(xiàn)[7]對不同工藝加工齒面所產(chǎn)生的粗糙度對齒輪潤滑磨損的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)磨齒比剃齒工藝所得齒面更加光滑，更易于形成潤滑油膜。文獻(xiàn)[8]主要研究了齒面粗糙度對齒輪疲勞點(diǎn)蝕和微點(diǎn)蝕的影響，其研究可以為粗糙度對疲勞磨損的影響提供一定的依據(jù)。文獻(xiàn)[9]通過理論計(jì)算對齒面粗糙度隨著磨損過程的變化而進(jìn)行了分析，并且探究了齒輪點(diǎn)蝕和微點(diǎn)蝕與齒面微觀形貌的關(guān)系。以上齒面粗糙度以及磨損研究，存在的不足為不能從試驗(yàn)方面真實(shí)的反應(yīng)齒面粗糙度隨齒面磨損的變化，并進(jìn)一步分析各磨損階段粗糙度與齒輪磨損的關(guān)系。

為探究更加真實(shí)的齒面磨損過程，聯(lián)合分析整個(gè)齒輪生命周期的粗糙度變化和齒輪油液磨粒的變化，對齒面磨損機(jī)理和過程變化規(guī)律進(jìn)行了研究。以一對直齒圓柱齒輪為研究對象，開展齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，定時(shí)的對齒面進(jìn)行粗糙度檢測，定時(shí)對油液進(jìn)行油液磨粒分析，得出粗糙度和齒輪磨損的關(guān)系，并進(jìn)一步分析齒輪磨損機(jī)理，為相關(guān)的研究提供一定的參考。

2 齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和鐵譜試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)齒輪

試驗(yàn)對象是某型減速器的直齒圓柱齒輪，根據(jù)某減速箱公司以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該齒輪在疲勞點(diǎn)蝕前幾乎不可能發(fā)生疲勞折斷，所以選取的齒輪可以滿足齒輪整個(gè)接觸疲勞壽命周期。齒輪磨齒精度8-9級，設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 齒輪參數(shù)Tab.1 Gear Design Parameters

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及檢測儀器

2.2.1 齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)

齒輪試驗(yàn)臺(tái)架屬合作公司保密設(shè)備不宜公開，其原理圖，如圖1所示。為節(jié)省用電，采用機(jī)械功率封閉流試驗(yàn)臺(tái)架[8]，該試驗(yàn)臺(tái)可以節(jié)省(70～80)%的電量，轉(zhuǎn)矩范圍(0～2000)N/m，轉(zhuǎn)速范圍(0～170000)r/min試驗(yàn)潤滑油采用某型船用齒輪油，為提高加載精度和防止齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中扭矩波動(dòng)，采用液壓裝置對臺(tái)架進(jìn)行加載。

圖1 齒輪試驗(yàn)臺(tái)架示意圖Fig.1 Gear Test Bench

2.2.2 粗糙度檢測儀

為探究齒輪不同運(yùn)轉(zhuǎn)階段的粗糙度變化情況，采用德國霍梅爾T1000 Wave型粗糙度檢測儀，相比手持式粗糙度儀，該儀器檢測過程更加穩(wěn)定，保證每次檢測的一致性，提高數(shù)據(jù)的分析準(zhǔn)確性。粗糙度檢測儀，如圖2所示。

圖2 粗糙度檢測儀Fig.2 Roughness Checking Machine

2.2.3 油液顆粒分析儀

傳統(tǒng)的鐵譜分析儀，可以從磨粒角度定量的對齒輪磨損過程進(jìn)行分析，但是只能對齒輪磨粒大小和多少進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，需要借助于外部設(shè)備對磨粒的類型進(jìn)行分類，如高倍顯微鏡，而無法自行檢測和統(tǒng)計(jì)不同類型的磨粒。

采用SPECTRO-LNF-Q210型油液顆粒分析儀，如圖3所示。不僅可以對齒輪磨粒的總數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、磨粒的大小進(jìn)行分級，還可以利用智能算法和投影裝置，識(shí)別磨粒的形態(tài)對磨粒進(jìn)行分類，如切削磨粒，滑移磨粒、疲勞磨粒和非金屬磨粒等，并將不同的磨粒以投影圖像的形式顯示出來，如圖4所示。并對其數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對于分析齒輪的磨損類型和磨損過程的變化有重要的意義。

圖3 油液顆粒分析儀Fig.3 Oil Particle Analysis Machine

圖4 顆粒分析儀投影的不同磨粒形態(tài)Fig Different Project Shape by Particle Analysis Machine

2.3 試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)方案共包含三個(gè)子試驗(yàn)，齒輪疲勞運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、粗糙度檢測和油液磨粒分析試驗(yàn)，后兩者是在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，需要在不同齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)階段停機(jī)對齒面進(jìn)行粗糙度檢測、在齒輪箱中抽取油液樣本以供油液磨粒分析(粗糙度檢測時(shí)間間隔基本是采油樣的兩倍)。齒輪疲勞運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)為了盡快得到所要的粗糙度數(shù)據(jù)和油液磨粒分析數(shù)據(jù)，采取的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩并沒有嚴(yán)格按照船用齒輪箱的工況進(jìn)行。具體的實(shí)施的方案，如表2所示。

表2 齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和采取油液樣本Tab.2 Gear Work Test and Oil Particle Analysis

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 油液中磨粒分析試驗(yàn)結(jié)果

直到齒輪發(fā)生疲勞失效，齒輪一共運(yùn)轉(zhuǎn)了62h，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程采取油液樣本32個(gè)，對油液樣本進(jìn)行分析，可以得到齒輪的總磨粒濃度(包含金屬磨粒和非金屬磨粒)，如圖5所示。切削磨粒、滑移磨粒和疲勞磨粒濃度的變化趨勢，如圖6所示。

圖5 總磨粒濃度隨時(shí)間變化趨勢Fig.5 Total Particle Concentration by Time

圖6 不同類型的磨粒的變化趨勢Fig.6 Different Particle Variation

3.2 粗糙度檢測結(jié)果

每次抽取油液樣本后，對粗糙度進(jìn)行檢測，對每間隔4h的粗糙度數(shù)據(jù)(這些樣本已經(jīng)能夠顯示粗糙度的變化規(guī)律)進(jìn)行處理，如圖7所示。

圖7 齒面粗糙度變化趨勢Fig.7 Gear Surface Roughness by Time

3.3 結(jié)果分析與討論

由于試驗(yàn)過程有部分由人完成，因此粗糙度檢測結(jié)果和油液磨粒分析結(jié)果會(huì)帶有一定人為干擾誤差，但整個(gè)試驗(yàn)過程中，齒輪粗糙度和磨粒濃度的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。

通過觀察圖5，可以發(fā)現(xiàn)，齒輪磨損初期，齒輪總磨粒濃度快速上升，說明齒面間正進(jìn)行相互磨合，相互之間的碰撞會(huì)使部分微凸體發(fā)生折斷，游離態(tài)的微凸體進(jìn)入油液使得油液的磨粒濃度增大，在此階段齒輪的粗糙度逐漸變好；在(9～53)h之間，齒面粗糙度變化不大，齒輪的磨粒濃度整體緩慢上升，但是有上下的波動(dòng)，這是因?yàn)辇X面間剝落和碰撞所致的磨粒數(shù)量較少，磨粒濃度變化不大，同時(shí)，已有的較大的磨?？赡軙?huì)下沉到箱體，會(huì)減小磨粒的濃度，使齒輪磨粒的濃度呈現(xiàn)一定的波動(dòng)。54-62h，總的磨粒濃度快速上升，說明齒輪磨損到達(dá)末期，齒面急劇惡化，粗糙度值快速變大，表面間微凸體以及表面和游離磨粒的相互作用，使得總磨粒濃度升高。

結(jié)合圖6和圖7，可以發(fā)現(xiàn)，各種類型磨粒的變化和齒面粗糙度的變化具有一定的關(guān)聯(lián)性。對其進(jìn)行分析，在齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)初期(齒輪磨合期)，齒面接觸滑動(dòng)，齒面微凸體間發(fā)生碰撞脫落和擠壓變形，齒面粗糙度逐漸變好，同時(shí)，由于微凸體對齒面的溝犁作用，使得油液中的切削磨粒濃度快速上升，而此時(shí)疲勞磨粒和滑動(dòng)磨粒變化比較緩慢，表明齒輪磨損初期以切削磨損為主；在9-53h(正常磨損期)，表面粗糙度變化不大，微凸體碰撞和切削作用比較弱，由于初期的濃度積累，切削磨粒的濃度依然大于滑移磨粒和疲勞磨粒的濃度，但總體變化比較平穩(wěn)，由于齒面間摩擦和交互應(yīng)力的作用，滑移磨粒和疲勞磨粒濃度都在變化，其中前者速度增長速度最快，后者較慢，表明正常磨損期，以較弱的滑移磨損和疲勞磨損為主；54-62h，齒面急劇惡化，表面粗糙度值快速變大，此時(shí)，由于疲勞剝落和切削作用導(dǎo)致的切削磨粒和疲勞磨粒濃度也快速上升，而滑移磨粒則增長的比較緩慢，說明齒輪磨損后期以疲勞磨損和切削為主。

4 結(jié)論

探究了齒輪的磨損過程，結(jié)合不同時(shí)期的粗糙度齒輪油液中的磨粒對其進(jìn)行了分析。以一對直齒圓柱齒輪為研究對象，進(jìn)行齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，同時(shí)檢測了齒面不同磨損期的粗糙度并進(jìn)油液磨粒分析。結(jié)論：(1)齒面粗糙度值：在齒輪磨損初期，處于下降趨勢；在正常磨損期，沒有明顯大的變化；齒面磨損后期，急劇變大。；(2)齒輪總磨粒濃度：在齒輪磨損初期，濃度快速上升；在正常磨損期，濃度緩緩上升，且由于磨粒下沉，具有一定的波動(dòng)；齒輪磨損后期，齒面惡化，總磨粒濃度快速上升。(3)不同磨損階段的磨損類型：磨損初期，以切削磨損為主要磨損形式；正常磨損期，以較弱的滑動(dòng)磨損和疲勞磨損為主主要磨損形式；磨損后期，以劇烈的切削磨損和疲勞磨損為主要磨損形式。