船用设备的开式齿轮润滑–下
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
- 不对中： 齿的一端比另一端啮合更多，受力不均匀，因此小齿轮的一端承受更大的负载，从而导致产生更高的温度
- 润滑剂喷雾 ：如果由于系统阻塞或喷雾不均匀导致无法正常润滑，将在小齿轮区域产生更多的热量
图10：齿面温度分布情况（横坐标的1和5为齿面的两端）
2.4频闪仪/频率分析
- 当频闪灯的频率与齿轮的旋转速度同步时，则齿轮运转看起来很稳定
- 频闪灯在开式齿轮检查中的主要用途是检查旋转齿轮的齿面以及润滑剂沿齿面的分布
2.5 震动分析仪
任何机器都会发出一定程度的振动，但是振动必须在可接受的范围内。机器可接受的振动级别由制造商决定，并且还取决于ISO标准所定义的机器类型。
对于每个机器类型， ISO标准列出了用于判断机器振动的四个级别，例如对于III类机器来说：
- 状况良好：低于 1.8毫米/秒
- 可接受： 1.8至<4.5毫米/秒
- 可以忍受： 4.5至<11毫米/秒
- 状况不佳： >11毫米/秒
分析振动读数和设置警报极限的最准确方法是监控随时间的变化趋势。在15-20次读数后（假设定期进行读数），可以使用声音测量和统计数据来建立良好的警报极限。具体操作可以咨询设备厂家。
3.结束语
经过三篇文章的简单介绍，我们大致了解了开式齿轮润滑的相关内容，希望对大家在开式齿轮的维护保养上起到一些帮助和借鉴作用。
END
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