船用设备的开式齿轮润滑–下

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发表时间：2021-01-21

上两篇文中我们介绍了船舶领域开式齿轮的应用，开式齿轮润滑的特点，开式齿轮润滑剂（OGL）的性能要求及种类，如何选择OGL，开式齿轮润滑的方式，OGL应用时的注意事项以及相关的OGL产品。今天我们最后再聊聊开式齿轮的失效类型，如何预防以及如何检查开式齿轮。

关键词：scuffing, scoring, 疲劳磨损，裂纹，断裂，油样分析，频率分析，震动，红外分析

1. 齿轮故障的类型

在AGMA（AmericanGear Manufacturers Association） 1010 E95标准中描述了7种齿轮失效类型：

磨损 ( wear)
胶合损伤 ( scuffing)
塑性变形 ( plastic deformation)
接触疲劳 ( contact fatigue)
裂纹 ( cracking)
断裂 ( fracture)
弯曲疲劳 ( bending fatigue)

在有些地方我们也会看到将齿轮失效分为如下几大类：划伤，磨损，点蚀，塑性变形以及齿断裂等，如下图1所示。

图1：齿轮失效分类

胶合损伤（scuffing）与划伤（scoring）之间的区别在于，scuffing是齿面在接触时，两个齿面的金属材料在高温下融化并粘合，然后在齿面分开时粘合部分被撕裂；而scoring则是由于在非常高的负载条件下，非常硬的磨粒对齿面造成的机械磨损，通常是三体磨损的状况。Scuffing通常出现在发动机活塞环和缸套之间的磨损以及齿轮齿面间的磨损。

有时我们如何去区别和判定不同类型的磨损，可以根据齿轮齿面的情况以及铁谱来做深层次分析，如下表1所示。

表1：典型的齿轮磨损和磨料分析

1.1 磨损（wear）

描述由于机械，化学或电腐蚀作用而引起的轮齿表面变化，涉及到齿轮表面材料的损失或移位

分为轻度，中度或严重
在许多应用中，轻度磨损被认为是正常现象
在某些特殊领域中，中等程度的磨损甚至有时是严重的磨损是可以接受的

腐蚀磨损

原因：被酸侵蚀或水污染

补救方法：排除污染源；定期清理齿轮并补充适量润滑剂；选用合适的OGL

图2：腐蚀磨损

1.2 胶合损伤（scuffing）

是严重的粘着磨损，由于高温粘合和撕裂而导致金属从一个齿面转移到另一齿面
损伤的区域有着粗糙或无光泽的纹理
损坏通常发生在远离工作节线的齿顶、齿根或两者都有，并发生在沿着滑动方向的区域
胶合损伤可能会集中产生在局部特定区域
在放大显示下，损伤的表面呈现粗糙，撕裂并且发生一定的塑性变形

图3：胶合损伤

胶合损伤/粘着磨损

原因：齿轮磨合期间粗糙齿面的正常磨损

补救方法：磨合期间以及磨合后选用合适的OGL，磨合后及时清理并补充适量润滑剂

1.3 塑性变形 (plastic deformation)

塑性变形是当接触应力超过材料强度时发生的永久变形
由于高的接触应力，它可能会出现在齿轮有效齿面的接触表面或浅表面，或者由于高的弯曲应力出现在齿根上

塑性变形

原因：应力超过材料强度

补救方法：减少接触应力，增加材料强度，选用合适的OGL

图4：塑性变形

1.4 接触疲劳 (contact fatigue)

反复的接触应力可能会导致齿面或齿面浅表层的疲劳裂纹，并导致齿轮表面的金属材料脱落。

图5：接触疲劳

接触疲劳/微点蚀

原因：高接触应力，材料抗疲劳强度低

补救：减少接触应力，增加特定的油膜厚度

1.5 裂纹 (cracking)

除了由于弯曲疲劳引起的齿轮齿根圆角裂纹外，由于机械应力，热应力，材料缺陷或加工不当，齿轮上的其他部位可能也会出现裂纹。

弯曲疲劳/齿根开裂

原因：高弯曲应力，材料的抗疲劳强度较低

补救：减少弯曲应力，增加材料的抗疲劳强度

图6：齿根开裂

1.6 断裂 (fracture)

齿轮超载时，可能会因塑性变形或断裂而失效
如果断裂，则故障可能是韧性断裂，然后是明显的塑性变形；发生脆性断裂前的塑性变形很小；或者韧性和脆性的混合断裂同时出现
当疲劳裂纹扩展到剩余的齿部分无法再承受载荷的程度时，疲劳失效通常最终导致断裂
从这个意义上讲，剩余接触表面的应力超载了；断裂是由疲劳裂纹而引发的次生失效故障

过载/韧性断裂

原因：高负荷，材料的屈服强度(Yield Strength)较低，或两者兼而有之

补救：减少负荷，增加材料的屈服强度，选用合适的OGL

图7：齿断裂

1.7 弯曲疲劳 (bending fatigue)

疲劳是一种渐进式破坏方式，包括三个不同的阶段：

第一阶段裂纹的产生
第二阶段裂纹的扩展
第三阶段导致最终断裂

大部分疲劳寿命都被阶段1和阶段2占据，直到裂纹增长到临界尺寸为止，在此阶段中突然发生断裂。断裂可能是韧性，脆性或混合式，具体取决于材料的韧性和所施加应力的大小。

2. 开式齿轮的检查

开式齿轮检查需要一些辅助设备（如下图8），OGL的取样检测，以及辅助的数据分析表格（如下表2）或工具。

图8：开式齿轮检查工具

表2：开式齿轮检查用辅助表格

2.1 润滑状态分析

过度润滑还是缺乏润滑
OGL的选择是否合适
加油方式是否正确 o 检查喷雾方式以及喷嘴位置是否正确 o 检查润滑剂管路是否破裂或泄漏
检查操作环境是否存在异常污染

2.2润滑剂分析/油样检测

对于船舶用的开式齿轮来说，一般我们都不会去给与太多的关注，但对于经常操作的设备中的开式齿轮，如吊机的回转齿轮和齿圈来说，还是建议给与足够的重视。特别是海上作业的浮吊等设备，一旦齿圈齿轮出现问题，将会耽误整个作业进度，那损失是无法估量的。

对于这些重要设备，我们还是建议定期检查以及定期进行OGL的取样化验，目的是掌握齿轮的整体状况和运行趋势，在问题发生前就采取必要补救措施，避免故障发生。下图9是开式齿轮润滑剂的取样。

图9：开式齿轮润滑剂的取样

2.3 温度检测/红外温枪

与齿轮相关的两个重要温度读数：整体齿面温度，以及沿齿腹宽度的温度变化。这些区域中的每个点都必须有警报温度的设置。对于整体齿轮温度，必须定义一个正常的最大值，并且当温度超过该值时，警报就会触发。
对于沿齿面宽度的温度读数，最高和最低之间的温度警报差应设置为 5ºC。齿轮齿腹温度的高差异通常直接与载荷不平衡有关，并且可能是齿轮轴没有很好对中的结果。

温度升高的原因