范瑞麗 李海霞 管洪杰 郭情情

摘 要：GB/T 19936.2-2024是通過(guò)FZG階梯加載試驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際工作條件下的高極壓油環(huán)境，評(píng)估齒輪在高極壓油條件下的相對(duì)膠合承載能力。本文對(duì)GB/T 19936.2-2024標(biāo)準(zhǔn)制定的背景意義及主要解決的問(wèn)題進(jìn)行了介紹，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的部分要點(diǎn)和試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)試驗(yàn)程序和各載荷級(jí)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，為更好地理解該標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

關(guān)鍵詞：齒輪，F(xiàn)ZG試驗(yàn)程序，高極壓油，相對(duì)膠合承載能力，F(xiàn)ZG階梯加載試驗(yàn)，A10/16.6R/120

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2024.04.018

0 引 言

受潤(rùn)滑油影響的齒輪損傷類型有膠合、低速磨損和表面點(diǎn)蝕疲勞損傷。膠合[1]是由于高溫和高壓引起齒輪嚙合表面潤(rùn)滑油油膜的缺失或破壞，造成齒面擦傷或焊合的一種特別嚴(yán)重的輪齒表面損傷形式[2，3]，由于其具有發(fā)展過(guò)程短、預(yù)測(cè)難、磨損嚴(yán)重、危害性高等特點(diǎn)，嚴(yán)重危害高端齒輪傳動(dòng)裝置的可靠性和壽命[4]。

合適的潤(rùn)滑油品可以在齒輪接觸區(qū)域形成一層均勻的潤(rùn)滑膜，減少金屬齒輪的摩擦和磨損，延長(zhǎng)齒輪使用壽命。高極壓油主要應(yīng)用于那些需要承受較高壓力、載荷或沖擊的設(shè)備和機(jī)械中，用于潤(rùn)滑和減少齒輪嚙合過(guò)程中的摩擦和磨損的一種特殊潤(rùn)滑劑，在汽車(chē)的變速器、傳動(dòng)系統(tǒng)和差速器等部位有廣泛的應(yīng)用。由于高極壓油的特殊性質(zhì)，故齒輪膠合承載能力成為評(píng)估其性能的重要方法。

FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)評(píng)定潤(rùn)滑油的承載和抗磨性能是目前實(shí)驗(yàn)室中最有代表性的一種評(píng)價(jià)方式[4，5]。王金國(guó)等[6]通過(guò)四球試驗(yàn)機(jī)、Falex、Timkon和FZG 4種試驗(yàn)機(jī)比較了潤(rùn)滑脂的承載性能，發(fā)現(xiàn)FZG研究方法的結(jié)果和實(shí)際工況環(huán)境吻合性最好。

GB/ T 19936.2-2024描述的試驗(yàn)方法是通過(guò)FZG階梯加載的方式，模擬實(shí)際工作環(huán)境中齒輪傳動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)，評(píng)估齒輪在高極壓油環(huán)境下的相對(duì)膠合承載能力。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試驗(yàn)的具體要求和測(cè)試過(guò)程，包括樣品準(zhǔn)備、試驗(yàn)裝置搭建、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定等。通過(guò)對(duì)樣品在特定載荷和潤(rùn)滑條件下的階梯加載試驗(yàn)，可以獲得樣品的磨損量和膠合承載能力。

本文將對(duì)GB/T 19936.2-2024《齒輪 FZG試驗(yàn)程序 第2部分：高極壓油的相對(duì)膠合承載能力FZG階梯加載試驗(yàn)A10/16.6R/120》標(biāo)準(zhǔn)部分要點(diǎn)進(jìn)行分析，為更好地理解該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容和使用FZG試驗(yàn)方法提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)制定的背景和依據(jù)

20世紀(jì)60年代在德國(guó)Niemann教授領(lǐng)導(dǎo)下，通過(guò)大量的齒輪膠合試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)。由于其性能可靠、能耗很低、評(píng)價(jià)準(zhǔn)確，被納入了德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 51354。英美等國(guó)也相繼承認(rèn)FZG的可靠性，并將其列入自己的工業(yè)齒輪油規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)中。

2004年ISO將DIN 51354轉(zhuǎn)換為ISO 14635標(biāo)準(zhǔn)使其更加全面和通用，使用ISO 14635標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果更易于被全球范圍內(nèi)的用戶接受和使用。齒輪潤(rùn)滑油的FZG承載級(jí)別已成為用于評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油在齒輪抗膠合能力方面的一項(xiàng)國(guó)際公認(rèn)的重要指標(biāo)。

FZG功率封閉試驗(yàn)機(jī)齒輪膠合試驗(yàn)是一種非常特殊的試驗(yàn)方法，其目的是減少各種變量因素，得到齒輪潤(rùn)滑油單一因素對(duì)齒輪膠合失效的影響。目前我國(guó)很多科研院所和企業(yè)在FZG試驗(yàn)臺(tái)上開(kāi)展了許多齒輪膠合試驗(yàn)和理論研究，同時(shí)也都在使用ISO 14635標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)齒輪油品膠合承載能力。

ISO 14635目前分為3個(gè)部分：第1部分：油品的相對(duì)膠合承載能力FZG試驗(yàn)方法A/8.3/90；第2部分：高極壓油的相對(duì)膠合承載能力FZG階梯加載試驗(yàn)；第3部分：半流體齒輪潤(rùn)滑脂相對(duì)膠合承載能力和磨損特性的FZG試驗(yàn)方法A/2.8/50。

這3部分有很大的相同之處，如：試驗(yàn)齒輪的制造工藝、試驗(yàn)臺(tái)、裝置的準(zhǔn)備、試驗(yàn)臺(tái)的維護(hù)等。

目前我國(guó)采標(biāo)了2個(gè)部分。G B / T 19 9 3 6 .1-2005[7]等同采標(biāo)ISO 14635-1：2000[8]，主要說(shuō)明了普通齒輪油的抗膠合承載能力試驗(yàn)的裝備及過(guò)程，適用于一般用途的齒輪傳動(dòng)。GB/T 19936.2-2024等同采標(biāo)ISO 14635-2：2023[9]，通過(guò)改變?cè)囼?yàn)條件（采用A10/16.6R/120），約定高加載條件FZG方式，形成了高極壓油的抗膠合承載能力的試驗(yàn)方法，適用于車(chē)輛齒輪和工業(yè)高應(yīng)力齒輪。GB/ T19936.1-20 05與GB/ T 19936.2-2024兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要差別見(jiàn)表1。

2 標(biāo)準(zhǔn)解決的主要問(wèn)題

在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于極壓條件的存在，齒輪表面可能出現(xiàn)膠合現(xiàn)象，即在高負(fù)載和高速運(yùn)行條件下，齒輪表面形成的接觸區(qū)域出現(xiàn)黏結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增加和潤(rùn)滑性能下降，進(jìn)而引發(fā)齒面磨損和齒輪失效。

GB/T 19936.2-2024規(guī)定了FZG階梯加載試驗(yàn)A10/16.6R/120的具體測(cè)試程序和參數(shù)，用于評(píng)定齒輪在高負(fù)荷、高速度和高極壓油潤(rùn)滑條件下的相對(duì)膠合承載能力。即通過(guò)齒輪表面膠合損傷程度來(lái)定級(jí)評(píng)價(jià)高極壓油用于齒輪傳動(dòng)時(shí)的抗膠合能力。這種試驗(yàn)方法適用于車(chē)輛齒輪和工業(yè)高應(yīng)力齒輪在高赫茲接觸應(yīng)力條件下油品的性能評(píng)估，有助于齒輪制造行業(yè)評(píng)估齒輪在實(shí)際工作條件下的可靠性和耐久性，以及油潤(rùn)滑條件下的性能表現(xiàn)。

GB/T 19936.2-2024的主要內(nèi)容包括失效判據(jù)方法、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)齒輪的規(guī)格尺寸和制造技術(shù)要求、FZG試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)程序和試驗(yàn)報(bào)告等。

3 試驗(yàn)設(shè)備及程序

3.1 試驗(yàn)臺(tái)

FZG試驗(yàn)機(jī)是一種背靠背的封閉功率循環(huán)型的齒輪試驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示，由一臺(tái)最小功率為7. 5kW、轉(zhuǎn)速約為2900r/min的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，彌補(bǔ)系統(tǒng)的功率損耗和保證試驗(yàn)齒輪在高負(fù)載下能夠運(yùn)行。

試驗(yàn)機(jī)包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪箱和一個(gè)試驗(yàn)齒輪箱，通過(guò)軸1和軸2連接，形成一個(gè)封閉的試驗(yàn)臺(tái)。軸1上安裝一個(gè)加載聯(lián)軸器，通過(guò)在加載臂上施加轉(zhuǎn)矩載荷（砝碼和施力杠桿）的方式給試驗(yàn)系統(tǒng)施加不同級(jí)別的扭矩。軸2上串聯(lián)一個(gè)轉(zhuǎn)矩測(cè)量聯(lián)軸器，允許通過(guò)校準(zhǔn)的扭力軸和一個(gè)刻度盤(pán)直接讀數(shù)和檢查有效轉(zhuǎn)矩。

試驗(yàn)齒輪副在浸油潤(rùn)滑模式下以恒定轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)齒輪上施加載荷級(jí)數(shù)、小輪轉(zhuǎn)矩和節(jié)點(diǎn)赫茲應(yīng)力關(guān)系見(jiàn)GB/T 19936.2-2024的表4。

3.2 試驗(yàn)齒輪

試驗(yàn)采用一對(duì)模數(shù)相同的齒輪（具體幾何參數(shù)和制造要求見(jiàn)GB/T 19936.2-2024的表2和表3），其中試驗(yàn)小輪齒數(shù)為16，試驗(yàn)大輪齒數(shù)為24。

3.3 精密度

在FZG試驗(yàn)中，精密度是指測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這意味著在重復(fù)測(cè)試中，結(jié)果應(yīng)該是一致的，并且與實(shí)際情況相符合。精密度是評(píng)估測(cè)試方法的重要指標(biāo)，對(duì)于確保結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性非常重要。

評(píng)價(jià)試驗(yàn)精密度有兩個(gè)指標(biāo)，重復(fù)性和再現(xiàn)性。不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)符號(hào)r、R的定義不同，不統(tǒng)一。

在NB/SH/T 0306-2013[10]中定義r 為重復(fù)性，“在同一實(shí)驗(yàn)室，同一操作者使用同一儀器，按照相同方法，對(duì)同一試樣連續(xù)測(cè)定的兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果之差不能超過(guò)2級(jí)載荷。r =2”。R 定義為再現(xiàn)性，“在不同實(shí)驗(yàn)室，不同操作者使用不同儀器，按照相同方法，對(duì)同一試樣測(cè)定的兩個(gè)單一、獨(dú)立結(jié)果之差不能超過(guò)2級(jí)載荷。R =2”。

在NB/SH/T 0518-2016[11]中R 定義為再現(xiàn)性限值，“在再現(xiàn)性條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，使用正常和正確試驗(yàn)方法獲得的兩個(gè)單一、獨(dú)立的試驗(yàn)結(jié)果之差?！?/p>

在G B / T 6 3 7 9 -2 [ 1 2 ]規(guī)范性附錄A中，定義r為重復(fù)性限（repeatability limit），R 為再現(xiàn)性限（reproducibility limit），只有在作為下角標(biāo)的時(shí)候r為重復(fù)性，R 為再現(xiàn)性。

GB/T 19936.2-2024規(guī)范性引用了ISO 5725-2[13]（等同的國(guó)標(biāo)為GB/T 6379-2），故“r ”為重復(fù)性限，指在相同實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的一致性。重復(fù)性限為1個(gè)載荷級(jí)意味著在同一實(shí)驗(yàn)條件下，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)多次，得到的結(jié)果的變化范圍為1個(gè)載荷級(jí)，即結(jié)果的差異很小。

說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果在相同實(shí)驗(yàn)條件下具有較好的穩(wěn)定性和一致性?！癛 ”為再現(xiàn)性限，指在不同實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果的一致性。再現(xiàn)性限為2個(gè)載荷級(jí)意味著在不同實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果的變化范圍為2個(gè)載荷級(jí)，即結(jié)果的差異較大。說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果在不同實(shí)驗(yàn)條件下的一致性較差。

3.4 試驗(yàn)程序

FZG試驗(yàn)是一種用于評(píng)估齒輪潤(rùn)滑油性能的實(shí)驗(yàn)方法，從第1載荷級(jí)開(kāi)始，采用逐級(jí)加載的方式。

施加第1載荷級(jí)：在加載聯(lián)軸器上施加加載力臂H1，啟動(dòng)電機(jī)，以逆時(shí)針?lè)较蝌?qū)動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)以設(shè)定7.5min旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)齒輪，關(guān)閉電機(jī)。

施加第2級(jí)載荷：在加載聯(lián)軸器上施加加載力臂H 2 ，啟動(dòng)電機(jī)，以逆時(shí)針?lè)较蝌?qū)動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)以設(shè)定7.5min旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)齒輪，關(guān)閉電機(jī)。

施加第3級(jí)載荷：在加載聯(lián)軸器上施加加載力臂H 2 和托盤(pán)，啟動(dòng)電機(jī)，以逆時(shí)針?lè)较蝌?qū)動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)以設(shè)定7.5min旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)齒輪，關(guān)閉電機(jī)。

施加第4 級(jí)載荷：在加載聯(lián)軸器上施加加載力臂H 2 、托盤(pán)和砝碼W 1 ，初始油溫要控制在117～123℃之間。啟動(dòng)電機(jī)，以逆時(shí)針?lè)较蝌?qū)動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)以設(shè)定7.5min旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)齒輪后，關(guān)閉電機(jī)。

從第4載荷級(jí)開(kāi)始，每一級(jí)的初始油溫要控制在117～123℃之間。在每個(gè)載荷級(jí)的試驗(yàn)中，允許油溫自由上升。

加載聯(lián)軸器上的加載組合方式見(jiàn)G B / T19936.2-2024表4。

從第5載荷級(jí)開(kāi)始以上每一級(jí)加載結(jié)束后，檢查小輪的齒面損傷，標(biāo)記出表面的全部變化。當(dāng)損傷達(dá)到失效準(zhǔn)則，或者當(dāng)?shù)?0級(jí)載荷運(yùn)轉(zhuǎn)后仍未達(dá)到失效準(zhǔn)則時(shí)，認(rèn)定試驗(yàn)完成。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試驗(yàn)樣品的高極壓性能進(jìn)行評(píng)估。

每一級(jí)開(kāi)始與結(jié)束，都要對(duì)小輪轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀察記錄，如果兩次結(jié)果一致說(shuō)明此次試驗(yàn)有效，方可進(jìn)行下一級(jí)試驗(yàn)。

各級(jí)計(jì)算轉(zhuǎn)矩、計(jì)算輪齒載荷、計(jì)算節(jié)點(diǎn)赫茲應(yīng)力見(jiàn)表3。由于每種方法每一步選取值的近似位數(shù)不同，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果會(huì)有誤差，國(guó)內(nèi)某型FZG試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算結(jié)果與ISO 14635-2：2023表中的計(jì)算誤差不到1%。

5 結(jié) 語(yǔ)

ISO 14635-2：2023的采標(biāo)引進(jìn)，可以幫助大部分的齒輪制造和應(yīng)用行業(yè)選擇最為合適的潤(rùn)滑條件，以使齒輪箱產(chǎn)品可以最大限度地延長(zhǎng)服役壽命。同時(shí)，確保國(guó)內(nèi)不同企業(yè)和組織在測(cè)試和評(píng)估產(chǎn)品時(shí)使用相同的方法和程序，以達(dá)到潤(rùn)滑油試驗(yàn)結(jié)果的一致性和可比性。

本文件通過(guò)對(duì)GB/T 19936.2-2024標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)背景和確定依據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)解決的主要問(wèn)題進(jìn)行了介紹，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)程序進(jìn)行了分析，并對(duì)國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性和一致性，為標(biāo)準(zhǔn)的使用者更方便地理解該標(biāo)準(zhǔn)提供了思路。

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