沖擊載荷下Al2O3磨料對(duì)齒輪磨損行為的作用機(jī)理研究

袁 偉, 王昊天, 郭前建, 王文華, 朱帥倫, 陳書(shū)童, 呂學(xué)祜, 朱玉麒

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

大型風(fēng)電設(shè)備要正常工作需要其內(nèi)部齒輪的正常運(yùn)行，而齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)受到波動(dòng)載荷與惡劣環(huán)境的影響，在早期工作時(shí)齒輪中難免會(huì)混入硬質(zhì)顆粒，最終導(dǎo)致其失效.齒輪失效后其在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)出較大噪音且頓挫感增強(qiáng)，此時(shí)齒輪間的相互磨損率增大溫度升高，并伴隨劇烈的沖擊載荷導(dǎo)致輪齒折斷[1].如何提高齒輪質(zhì)量成為了齒輪制造業(yè)亟需解決的重要難題，然而我們當(dāng)前的技術(shù)只能盡量減少齒輪磨損量，不能完全避免齒輪磨損.

如何更好監(jiān)測(cè)齒輪的磨損狀態(tài)成為現(xiàn)在學(xué)者們普遍研究的重點(diǎn)[2].目前，對(duì)磨損狀態(tài)的監(jiān)測(cè)方法主要有油液監(jiān)測(cè)和振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)兩種.Peng等[3]開(kāi)發(fā)了1個(gè)自動(dòng)磨損磨粒檢測(cè)和分析系統(tǒng)，為在線(xiàn)機(jī)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供了發(fā)展條件.Cao等[4]基于油液監(jiān)測(cè)技術(shù)，改進(jìn)了在線(xiàn)磨損預(yù)測(cè)模型，提高了磨損預(yù)測(cè)精度.徐超等[5]設(shè)計(jì)了一種新型超聲磨粒傳感器,對(duì)傳感器的輸出一致性、油液溫度以及黏度對(duì)傳感器輸出的影響進(jìn)行了試驗(yàn)分析，提出了磨粒在檢測(cè)區(qū)域中的軸向位置、油液溫度以及黏度影響因素的修正方法，Odi-Owei等[6]首次將數(shù)字圖像處理引入鐵譜技術(shù).沈智憲等[7]采用解析建模的方法構(gòu)造了4個(gè)基于振動(dòng)信號(hào)嚙合頻率邊帶的診斷指標(biāo)，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該指標(biāo)的有效性.李蓉[8]以現(xiàn)代信號(hào)處理方法為研究手段，以復(fù)合故障診斷為研究目標(biāo)，對(duì)變轉(zhuǎn)速齒輪箱復(fù)合故障振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究.Bachar等[9]分別對(duì)健康齒輪和故障齒輪進(jìn)行了試驗(yàn)?zāi)M并且考慮表面粗糙度等的影響，研究了不同工況和齒輪自身故障對(duì)齒輪振動(dòng)的影響.Sahoo等[10]所改進(jìn)的信息處理技術(shù)更適合于故障識(shí)別，更適用于齒輪的狀態(tài)檢測(cè).Li等[11]提出一種基于多中心頻率和振動(dòng)信號(hào)頻譜的特征提取故障診斷方法.因此，在線(xiàn)式檢測(cè)技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位，在線(xiàn)式磨粒檢測(cè)技術(shù)有等待時(shí)間短和操作方便等特點(diǎn)，但是還存在磨粒檢測(cè)范圍較小和磨粒圖像自動(dòng)識(shí)別不夠完善等缺點(diǎn).

本文中通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)并設(shè)置初始條件控制變量，采用振動(dòng)分析技術(shù)和油液分析技術(shù)對(duì)沖擊載荷下受Al2O3硬質(zhì)顆粒作用的齒輪箱進(jìn)行磨損狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究，并通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)試驗(yàn)齒輪齒面的磨痕微觀形貌進(jìn)行分析.

1 齒輪磨損試驗(yàn)

1.1 數(shù)據(jù)采集一體化齒輪試驗(yàn)臺(tái)

因齒輪箱的優(yōu)良特性，搭建了可用于沖擊載荷加載的數(shù)據(jù)采集一體化齒輪試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)介紹分為數(shù)據(jù)采集模塊和工作模塊[圖1(a)].試驗(yàn)臺(tái)工作模塊主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、試驗(yàn)齒輪箱、副齒輪箱、彈性軸與磁粉制動(dòng)器組合而成，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)電流大小來(lái)控制磁粉制動(dòng)器輸出扭矩，數(shù)據(jù)采集一體化試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖1(b)所示.數(shù)據(jù)采集模塊由循環(huán)蠕動(dòng)泵、DH186壓電式加速度傳感器和便攜式數(shù)據(jù)采集箱組成.循環(huán)蠕動(dòng)泵通過(guò)軟管、鋼管和磁力表座將試驗(yàn)齒輪箱頂端注油口與底部放油閥連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)齒輪箱油液循環(huán)，達(dá)到不停機(jī)取樣要求，并在每次采集完磨粒后對(duì)潤(rùn)滑油系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)過(guò)濾.試驗(yàn)采用半浸泡潤(rùn)滑方式進(jìn)行潤(rùn)滑，齒輪箱中加入800 ml油樣剛好浸過(guò)齒輪的一半，半浸泡潤(rùn)滑加速了齒輪磨損進(jìn)程.

Fig.1 (a) Data acquisition module and working module, (b) test bench structure圖1 (a) 數(shù)據(jù)采集模塊和工作模塊，(b) 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.2 試驗(yàn)方案

為加速試驗(yàn)進(jìn)程，縮短試驗(yàn)周期，獲得齒輪失效數(shù)據(jù)，以及明顯的齒面磨損效果，待測(cè)齒輪試樣齒寬設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪齒寬的1/3，采用退火工藝對(duì)45鋼斜齒輪進(jìn)行降低齒面硬度處理，試驗(yàn)采用無(wú)添加劑的32 Caltex White Oil Pharma潤(rùn)滑油(具有良好的氧化穩(wěn)定性，黏度為32，閃點(diǎn)為208 ℃)來(lái)加速試驗(yàn)的磨損進(jìn)程.在800 ml試驗(yàn)油樣中加入160 mg的Al2O3硬質(zhì)顆粒(直徑為270 μm，目數(shù)為80目)，另調(diào)制一杯同樣濃度的油樣作為取樣后試驗(yàn)的補(bǔ)充油樣，在注入齒輪箱前攪拌搖勻，使Al2O3硬質(zhì)顆粒在油液中保持均勻性和離散性.圖2所示為試驗(yàn)所采用的沖擊加載方式，每隔30 min沖擊加載到40 N·m，固定加載25 N·m.電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 200 r/min，并在相同的轉(zhuǎn)速、加載方式和潤(rùn)滑的工況下，設(shè)置無(wú)初始硬質(zhì)顆粒Al2O3的齒輪試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比.本試驗(yàn)采用的齒輪為45鋼斜齒輪，齒輪參數(shù)列于表1中.

表1 齒輪參數(shù)數(shù)據(jù)Table 1 Gear parameter data

Fig.2 Impact loading mode圖2 沖擊加載方式

1.3 油樣與磨粒采集

齒輪箱油液中包含大量齒輪磨損信息，提取磨粒的外貌特征、數(shù)量關(guān)系和潤(rùn)滑油的化學(xué)特性，是油液分析的重要研究方向[12-14].試驗(yàn)每隔60 min從試驗(yàn)齒輪箱取20 ml油樣，針對(duì)所取得的油樣，量取5 ml制備譜片，剩余15 ml油樣采用YJS-170顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行檢測(cè)(表2)，從而確定油液中磨粒的大小與數(shù)量.在試驗(yàn)過(guò)程中，采取紅外測(cè)溫槍對(duì)齒輪箱殼體進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)溫(30～60 ℃).試驗(yàn)選用F01A-STP-B046型蠕動(dòng)泵(流速10 ml/min)來(lái)保證試驗(yàn)齒輪箱內(nèi)磨粒的均勻性(圖3).制備好的鐵譜片通過(guò)金相顯微鏡觀察，以判別不同磨損時(shí)期的磨粒形態(tài).

表2 YJS-170顆粒計(jì)數(shù)器參數(shù)數(shù)據(jù)Table 2 YJS-170 particle counter parameter data

Fig.3 Oil sample collection function diagram圖3 油樣采集功能圖

2 試驗(yàn)振動(dòng)和磨粒監(jiān)測(cè)分析

2.1 振動(dòng)信號(hào)研究

為了使結(jié)果更加明顯，通常希望高頻時(shí)段頻率分辨率較低，而低頻時(shí)段頻率分辨率要高一些，采用小波變換來(lái)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理.

設(shè)Ψ(t)∈L2(R)，L2(R)表示平方可積的實(shí)數(shù)空間，即能量有限的信號(hào)空間，其傅立葉變換為Ψ(t)，當(dāng)Ψ(t)滿(mǎn)足條件[15]：

式中：t為變換時(shí)間，w為采樣信號(hào)的頻率.則Ψ(t)為1個(gè)基波，對(duì)Ψ(t)平移變換處理，可得到1個(gè)小波序列：

式中：a、b分別叫做伸縮、平移因子.一般時(shí)域函數(shù)f(t)∈L2(R)的連續(xù)小波變換為

振動(dòng)信號(hào)頻譜圖攜帶大量齒輪故障信息，可以判斷齒輪是否產(chǎn)生異常磨損[16-18].在本文中磨損試驗(yàn)小齒輪轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，在此條件下計(jì)算出電機(jī)和主動(dòng)輪工頻f1為20 Hz，大齒輪工頻f2為5.122 Hz，嚙合頻率fz為420 Hz.

使用平方包絡(luò)譜分析通過(guò)振動(dòng)信號(hào)能量隨時(shí)間周期性變化進(jìn)行降噪處理，通過(guò)構(gòu)造解析信號(hào)，將平方包絡(luò)譜進(jìn)行傅立葉變換提取故障特征(圖4)，圖中橫坐標(biāo)為振動(dòng)頻率(f)，縱坐標(biāo)為幅值大小(P1).圖4(a)所示為磨損初期恒定載荷為25 N·m時(shí)的振動(dòng)信號(hào)圖，此時(shí)齒輪正處于磨合期且載荷較小，振動(dòng)變化主要來(lái)自于加入的硬質(zhì)顆粒.圖4(b)所示為磨損初期沖擊載荷下的振動(dòng)信號(hào)圖，可以看出相對(duì)于圖4(a)，沖擊載荷下出現(xiàn)了3.276 Hz的峰值，說(shuō)明沖擊載荷對(duì)齒輪振動(dòng)幅度影響較大.圖4(c)和(d)所示分別為劇烈磨損期的振動(dòng)信號(hào)圖和齒輪失效后沖擊載荷下的振動(dòng)信號(hào)圖，從圖中可以看出，與初始階段相比高頻信號(hào)特別強(qiáng)烈，這是由于齒面發(fā)生嚴(yán)重磨損和輪齒折斷造成的異常振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)分別達(dá)到10.5和11.763 Hz.磨損后期齒輪表面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，試驗(yàn)結(jié)束后拆卸齒輪發(fā)現(xiàn)其表面存在許多剝落坑.由于受到齒輪齒面磨粒磨損、點(diǎn)蝕以及疲勞磨損的影響，齒輪齒面磨損嚴(yán)重其表面形貌發(fā)生改變，導(dǎo)致齒輪間隙增大，齒輪振動(dòng)加劇.

Fig.4 (a) Spectrum diagram of dead load at the initial stage of wear, (b) spectrum diagram of impact loading at the initial stage of wear, (c) spectrum diagram of dead load at the later stage of wear, (d) spectrum diagram of impact loading in case of gear failure圖4 (a) 磨損初期恒定載荷頻譜圖，(b) 磨損初期沖擊載荷頻譜圖，(c) 磨損后期恒定載荷頻譜圖，(d) 齒輪失效時(shí)沖擊載荷頻譜圖

2.2 磨粒檢測(cè)分析

齒輪磨損試驗(yàn)進(jìn)程中，由于油液蠕動(dòng)泵的循環(huán)作用，取得的每支油樣都能在一定程度上反映整個(gè)試驗(yàn)齒輪箱內(nèi)磨粒的產(chǎn)生情況.在齒輪嚙合過(guò)程中，選取的磨粒尺寸過(guò)小則磨粒數(shù)量龐大，尺寸差距顯著，而磨粒尺寸過(guò)大具有一定隨機(jī)性，難以準(zhǔn)確表征磨損率變化，因此，本文中選取15～25 μm之間的磨粒尺寸用于表征齒輪試驗(yàn)的磨損狀態(tài)變化情況 (圖5)，且直徑在15～25 μm之間的磨粒也可以用于表征疲勞磨損[19].

Fig.5 Comparison of wear particle changes圖5 磨粒變化對(duì)比圖

根據(jù)先前的研究[20]，三體磨粒磨損破壞了齒輪表面的油脂膜并加劇了磨損.磨損顆粒的濃度與點(diǎn)蝕面積的增長(zhǎng)趨勢(shì)相似[21].由圖5可知，受硬質(zhì)顆粒的影響在磨損初期，加硬質(zhì)顆粒的一組試驗(yàn)在0～20 h內(nèi)磨粒濃度飆升到了17 000 ml-1(這是由于在三體磨料的作用下，磨損初期齒輪表面的應(yīng)力集中增加，加劇了磨粒磨損)，隨后又迅速下降并長(zhǎng)期維持在2 000 ml-1，即進(jìn)入到穩(wěn)定磨損期.130 h之后加入硬質(zhì)顆粒的一組試驗(yàn)，在極短的時(shí)間內(nèi)磨粒濃度上升到12 500 ml-1，振動(dòng)和噪音增大，磨損率持續(xù)上升，最終出現(xiàn)沖擊異響，發(fā)生斷齒，該階段為齒輪劇烈磨損期，磨損率急劇增大拐點(diǎn)為失效時(shí)間.圖中a、b以及c點(diǎn)是試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中停機(jī)冷卻后重開(kāi)機(jī)二次磨合所達(dá)到的短暫磨粒濃度峰值，此三處的磨粒濃度峰值呈現(xiàn)遞減狀態(tài).對(duì)比試驗(yàn)組的穩(wěn)定磨損期相對(duì)較長(zhǎng)，說(shuō)明加入硬質(zhì)磨粒加速了齒輪的磨損，致使齒輪失效(圖5).此外，磨粒磨損的加劇導(dǎo)致齒輪表面的點(diǎn)蝕面積擴(kuò)大.

3 磨粒定性分析

過(guò)度磨損模式的存在會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油系統(tǒng)出現(xiàn)故障，同時(shí)影響金屬部件[22].利用分析式鐵譜儀將油樣制成譜片，然后用金相顯微鏡觀察齒輪在各個(gè)階段的磨損狀況并得到齒輪磨損中常見(jiàn)的幾種磨粒.在磨損初期加入硬質(zhì)磨粒組，試驗(yàn)?zāi)p獲得的磨粒明顯比對(duì)照試驗(yàn)組要多[圖6(a)和(b)]，由此可知加入硬質(zhì)磨粒對(duì)磨損初期的齒輪具有加速磨損作用.而在齒輪磨合期磨粒數(shù)量差別不大，可以看出硬質(zhì)磨粒對(duì)齒輪穩(wěn)定磨損階段影響不大.圖6(c)中的磨粒外形規(guī)整且呈圓片狀和長(zhǎng)條狀，為齒輪摩擦副正常磨損脫落生成，表明此時(shí)潤(rùn)滑良好.圖6(d)所示為觀測(cè)到的大磨粒鏈條，出現(xiàn)在齒輪磨損后期劇烈磨損階段，其中混雜著各種混合物，此時(shí)摩擦副在沖擊載荷的工況作用下，振動(dòng)加劇油膜破裂并產(chǎn)生了大量的黏著磨粒和疲勞磨粒.不同磨損階段會(huì)產(chǎn)生不同磨損磨粒，若在油液中發(fā)現(xiàn)大量異常磨粒，則說(shuō)明此時(shí)齒輪磨損異常，可將此作為預(yù)防齒輪故障的手段[21].

Fig.6 (a) Ferrogram at the initial stage of wear in the group with hard abrasive particles, (b) ferrogram at the initial stage of wear in the control group, (c) 500 times of thin circular flakes and long strip-shaped large abrasive particles, (d) 200 times of large abrasive chain in the later stage of wear圖6 (a) 加硬質(zhì)磨粒組磨損初期鐵譜，(b) 對(duì)照組磨損初期鐵譜圖，(c) 薄圓片狀和長(zhǎng)條狀大磨粒500倍片，(d) 磨損后期大磨粒鏈條200倍片

4 齒面微觀形貌磨損分析

因齒輪經(jīng)過(guò)了退火處理，其硬度大大降低，齒輪失效前在沖擊載荷的作用下，齒輪輪齒發(fā)生嚴(yán)重變形，我們拍攝了磨損試驗(yàn)開(kāi)始前的齒輪與磨損試驗(yàn)結(jié)束后的失效齒輪照片，并試圖直觀地從齒面磨損量上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)而研究其微觀形貌磨損.通過(guò)對(duì)比觀察失效齒輪與完整齒輪，我們可以很清楚的看到輪齒齒根處磨損程度較低，節(jié)線(xiàn)以上部分的齒磨損較為嚴(yán)重且發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形[圖7(a)和圖7(b)].

Fig.7 (a) Before wear of experimental gear, (b) after wear of experimental gear, (c) changes of gear profile under different wear depths圖7 (a) 試驗(yàn)齒輪磨損前，(b) 試驗(yàn)齒輪磨損后，(c) 不同磨損深度下齒輪齒廓的變化

為了研究齒廓磨損變化情況，引入Archard方程來(lái)計(jì)算齒廓的磨損深度，齒廓上任何嚙合點(diǎn)Q的磨損深度可以表示為[23]

式中：k是摩擦系數(shù)，hQ,n和hQ,n-1分別是Q點(diǎn)的第n次和第n-1次磨損深度，sQ為Q點(diǎn)的相對(duì)滑動(dòng)距離，pQ,n-1為n-1嚙合時(shí)間點(diǎn)Q處的接觸應(yīng)力.由此可以畫(huà)出不同磨損深度下齒輪齒廓的變化圖[圖7(c)].

齒面接觸應(yīng)力是突變的，應(yīng)力多次反復(fù)后，在節(jié)線(xiàn)附近靠近齒根表面上產(chǎn)生了若干小裂紋，裂紋中充斥著潤(rùn)滑油，在沖擊的反復(fù)作用下，使得裂紋也逐漸擴(kuò)大并最終導(dǎo)致表層小片狀剝落形成麻點(diǎn)，如圖8(a)所示，其放大圖如圖8(b)所示.

Fig.8 (a) Pitting pits group figure, (b) enlarged view of pitting pits figure, (c) composition analysis of oil sludge圖8 (a) 點(diǎn)蝕坑群圖(b) 點(diǎn)蝕坑放大圖(c) 油泥成分分析

為進(jìn)一步探究齒輪磨損狀態(tài)，對(duì)點(diǎn)蝕坑內(nèi)的油泥混合物進(jìn)行成分元素分析.本試驗(yàn)采用的是45鋼，其主要成分是Fe、C、Si等元素.經(jīng)分析，除這些元素外還有含量較高的Gr、Mn元素，檢測(cè)結(jié)果如下圖8(c)所示.齒輪箱各零部件中圓柱滾子軸承采用的材料為GCr15SiMn，這些成分的存在是因?yàn)辇X輪磨損的同時(shí)，軸承也發(fā)生了劇烈的磨損，所生成的磨屑進(jìn)入到潤(rùn)滑油內(nèi)生成油泥.此現(xiàn)象反映出齒輪箱中軸承等零部件也發(fā)生了劇烈磨損，表明齒輪劇烈磨損階段產(chǎn)生斷齒故障.

圖9所示為磨損后齒輪切片齒面SEM照片.圖9(a)所示為沖擊載荷反復(fù)作用下使得齒面發(fā)生了呈閃電狀的塑性變形.圖9(b)所示為齒面塑性變形后產(chǎn)生的表面硬化，標(biāo)記處已然發(fā)生了材料脫落，脫落的材料成碎片狀沉積在齒輪箱底部.圖9(c)和(d)所示為輪齒齒頂附近的SEM照片，此時(shí)的齒頂附近表面材料大面積脫落，并形成了較深的凹坑，里面儲(chǔ)存了大量油污和大磨?；旌衔?齒輪節(jié)線(xiàn)和齒根處磨損程度較小，而齒頂處磨損較為嚴(yán)重.

Fig.9 SEM micrographs of the tooth surface of the gear slice after wear: (a) surface plastic deformation; (b) surface hardening caused by plastic deformation; (c) surface material falling off; (d) material falling off in a large area圖9 磨損后齒輪切片齒面SEM照片：(a) 表面塑性變形，(b) 塑性變形導(dǎo)致的表面硬化，(c) 表面材料脫落，(d) 材料大面積脫落

5 結(jié)論

本研究從油液磨粒分析、振動(dòng)分析、齒輪磨損量分析和齒面磨損剖面分析4個(gè)方面探討三體磨料Al2O3(0.2 mg/ml)磨損狀態(tài)下大型風(fēng)力發(fā)電齒輪在沖擊載荷作用下的磨損特性及演化機(jī)理，結(jié)果如下：

a.通過(guò)對(duì)磨損過(guò)程中磨粒數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在磨損初期硬質(zhì)顆粒對(duì)齒輪磨損早期(<20 h)的影響較大，磨粒濃度升高到17 000 ml-1.這意味著在磨合期Al2O3磨料加速齒輪磨損.

b.早期恒定載荷下硬質(zhì)顆粒對(duì)齒輪振幅增加不大，但會(huì)使齒輪穩(wěn)定性變差；在劇烈磨損期中Al2O3磨料會(huì)造成強(qiáng)烈的異常振動(dòng)，加速齒輪磨損惡化；磨損初期施加沖擊沖擊載荷后齒輪出現(xiàn)顯著的高頻振動(dòng)，加速早期磨損.

c.硬質(zhì)顆粒會(huì)加速齒輪磨損.當(dāng)進(jìn)入磨損后期時(shí)，磨損加劇，大磨粒激增，磨粒鏈變得更粗且顏色加重，摩擦氧化物以及油泥聚合物增多.

d.觀察齒輪齒面磨損，在沖擊載荷的反復(fù)作用下，齒輪齒面節(jié)線(xiàn)以上部分磨損嚴(yán)重并發(fā)生變形；加入硬質(zhì)顆粒的一組較早發(fā)生疲勞磨損，基于油楔理論，在齒輪的運(yùn)行過(guò)程中，易發(fā)生點(diǎn)蝕接而出現(xiàn)塑性變形、表面硬化現(xiàn)象，最終表面材料大塊脫落.