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，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，此時的磨擦因數(shù)相當(dāng)小。在油膜較厚時，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)彈性流體動力油膜較薄時，齒面凹凸之間偶爾會直接接觸，隨著平均油膜厚度的減薄，直接接觸的次數(shù)相應(yīng)增加，則可能會產(chǎn)生磨料磨損、粘著磨損或膠合。由于齒輪輪齒的滾動作用或潤滑油中含有磨粒會引起磨料磨損。粘著磨損是由先局部焊合，隨即分離，從而導(dǎo)致一個或兩個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，且隨著時間的推移而減輕，作為一種正常跑合過程則對輪齒不會造成危害。

與輕微磨損不同，膠合是能導(dǎo)致輪齒擴展性損傷的黏著磨損的嚴(yán)重形式。與具有明顯發(fā)展期的點蝕和疲勞折斷不同，瞬時過載會導(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，也會增加膠合的危險。高速齒輪膠合后，由于振動而引起更大的動載荷，振動通常會導(dǎo)致進(jìn)一步的膠合、點蝕、斷齒損傷。

在大多數(shù)情況下，使用具有增強抗膠合添加劑^1）的潤滑油能提高齒輪抗膠合承載能力，然而，重要的一點是要意識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。

本方法不適用于評價冷膠合，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行條件下，較嚴(yán)重的鋼接觸滑動的潤滑狀況可用轉(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行。

當(dāng)法向力F_n和相對滑動速度v_g同時落在A1-S線以下，即圖1的Ⅰ區(qū)時，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、每單位滑動距離下的體積磨損量）為10^-2～10^-6mm³(N·m)來表達(dá)。

當(dāng)v_g不大于S點的值，且載荷增加進(jìn)入Ⅱ區(qū)時，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)相對滑動速度超過S點后，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)F_n和v_g同時落在此線以下時，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。對于這種情況，稱為“邊界彈流動力潤滑”[21]。

在Ⅲ區(qū)中，液體油膜完全推動了作用，這個區(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、凸輪及從動件等。這個轉(zhuǎn)換圖符合四球試驗及柱——環(huán)試驗的結(jié)果。

沿A1-S-A3曲線的溫度范圍（從油池溫度開始，依次為整個本體溫度，接觸面本體溫度）：在v_g=0.001m/s時為28℃到v_g=10m/s時的接觸溫度為498℃。這個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的計算接觸溫度則趨向于一個恒定的值，即用GCr15鋼時大約為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，引起了表面磨損機理的變化，也許還包括熱彈不穩(wěn)性機理[30][31]。

因此，結(jié)果表明膠合與接觸溫度的臨界值有關(guān)。對于鋼，用礦物油潤滑時，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初始膠合時的磨擦

在圖1所示的轉(zhuǎn)換圖中，膠合時，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℃。這個接觸溫度是測量的接觸面的本體溫度28℃與計算的閃溫470℃的和。

在計算閃溫時所用的磨擦因數(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)實驗而且還要用于齒輪傳動（在設(shè)計階段）時，在計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，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，較精確；

——根據(jù)以前的經(jīng)驗，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，對于不加和加少量添加劑和礦物油，油和滾動材料的每一種組合有一個臨界膠合溫度。通常，這個溫度是恒定的，與運行條件、載荷、速度和幾何參數(shù)無關(guān)。

對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行條件變化而變化。因此，此時的臨界溫度必須由模擬齒輪裝置運行條件的實驗分別確定。