油品添加劑對(duì)微點(diǎn)蝕的影響

工作中齒輪因點(diǎn)蝕及微點(diǎn)蝕而失效的現(xiàn)象是常有發(fā)生的,點(diǎn)蝕及微點(diǎn)蝕是一種典型的接觸疲勞破壞,是齒輪常見(jiàn)的失效形式,在機(jī)械傳動(dòng)中可造成嚴(yán)重的后果。它并不是一個(gè)新問(wèn)題,近幾年,由于微點(diǎn)蝕問(wèn)題導(dǎo)致許多大型工業(yè)傳動(dòng)機(jī)械和一些汽車(chē)傳動(dòng)機(jī)械失效,微點(diǎn)蝕問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注。微點(diǎn)蝕問(wèn)題在風(fēng)力發(fā)電工業(yè)中顯得尤為重要,它會(huì)影響齒牙的準(zhǔn)確性,導(dǎo)致噪音增加和引起振動(dòng),從而減少齒輪的使用壽命。目前,潤(rùn)滑油都朝著長(zhǎng)壽命方向發(fā)展,疲勞引起的點(diǎn)蝕及微點(diǎn)蝕成為性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。①微點(diǎn)蝕是細(xì)微的滾動(dòng)接觸疲勞和磨損,它經(jīng)常發(fā)生在磨削、硬質(zhì)鋼的表面硬化齒輪齒面上,通常在滾動(dòng)和滑動(dòng)接觸、油膜較薄的條件下出現(xiàn)。齒面發(fā)生微點(diǎn)蝕時(shí)表現(xiàn)為齒面上有大量的、微小的凹坑,盡管每個(gè)凹坑通常為幾十微米,但大量的凹坑可造成齒面大面積的損傷,表現(xiàn)為灰色的、磨砂的齒面。與其它磨損機(jī)理類(lèi)似,微點(diǎn)蝕對(duì)零件的耐久性有著不利的影響,它能夠引起顯著的材料損失,可導(dǎo)致齒面輪廓的損失而造成噪聲、振動(dòng)增大和不穩(wěn)定的載荷,更嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致齒輪輪齒的斷裂,此外,微點(diǎn)蝕最終將發(fā)展為大規(guī)模的點(diǎn)蝕,也可引起其它的表面破壞形式,如齒面擦傷等。微點(diǎn)蝕是一種潛在的失效模式,使用中可造成明顯的危害性問(wèn)題,引起了摩擦學(xué)研究人員的極大關(guān)注。微點(diǎn)蝕問(wèn)題可以從運(yùn)動(dòng)學(xué)、表面處理、冶金學(xué)和潤(rùn)滑等幾個(gè)方面研究。微點(diǎn)蝕的機(jī)理目前還不完全清楚,但齒輪操作條件、表面粗糙度和潤(rùn)滑對(duì)微點(diǎn)蝕的影響是肯定的。從油品的性能考慮,提高抗微點(diǎn)蝕性能的一種手段是增加潤(rùn)滑油的粘度,從而增加接觸區(qū)域的有效油膜厚度,減少齒輪表面微凸體的直接接觸,但較高的粘度會(huì)增加齒輪傳動(dòng)過(guò)程中的攪動(dòng)損失,從而降低能量效率,對(duì)經(jīng)濟(jì)性是不利的。提高油品抗微點(diǎn)蝕性能的另一種手段是在保持或者減少潤(rùn)滑油粘度的同時(shí),改變添加劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)。

1微點(diǎn)蝕試驗(yàn)室篩選方法

篩選試驗(yàn)

FZG篩選試驗(yàn)采用“C”型齒輪,表面粗糙度Ra為±μm,中心線(xiàn)速度為/s,小齒輪扭矩為300Nm,試驗(yàn)周期為72h,試驗(yàn)油溫不控制,更接近實(shí)際使用工況。在試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)微點(diǎn)蝕導(dǎo)致的破壞情況進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)項(xiàng)目包括:微點(diǎn)蝕、點(diǎn)蝕以及2個(gè)齒輪磨損的總失重。

試驗(yàn)方法

MPR篩選方法利用MPR試驗(yàn)機(jī)對(duì)油品的抗微點(diǎn)蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià),其優(yōu)勢(shì)是試驗(yàn)時(shí)間短,可在幾小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生較好的區(qū)分性,國(guó)外石油公司研究表明該試驗(yàn)方法與實(shí)際使用具有較好的相關(guān)性。該試驗(yàn)機(jī)的核心部件由中心輥?zhàn)雍团c輥?zhàn)咏佑|的3個(gè)圓環(huán)組成,試驗(yàn)中可精確控制滑滾比、赫茲應(yīng)力、夾帶速度和溫度等參數(shù),試驗(yàn)后中心輥?zhàn)拥闹睆綋p失或微點(diǎn)蝕的面積作為評(píng)價(jià)齒輪油抗微點(diǎn)蝕性能的指標(biāo)。

2FVA54/Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)微點(diǎn)蝕試驗(yàn)

該試驗(yàn)由2個(gè)階段組成,第一階段是負(fù)荷級(jí)試驗(yàn),第二階段是耐久性試驗(yàn),微點(diǎn)蝕試驗(yàn)首先要在510N/mm2的赫茲接觸壓力下進(jìn)行1h的磨合,緊接著是5到10級(jí)的負(fù)荷級(jí)試驗(yàn),赫茲接觸壓力由5級(jí)的/mm2逐級(jí)增加到10級(jí)的/mm2,增加梯度大約為150N/mm2,齒輪的中心線(xiàn)速度為/s,每級(jí)負(fù)荷下的運(yùn)行周期為16h,由噴油頭以2L/min的速度供油至齒牙的嚙合處,總油量25L,試油進(jìn)口溫度控制在90℃。在每級(jí)負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)束后,要對(duì)小齒輪齒牙的平均輪廓偏差進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)為平均輪廓偏≤μm。如果試驗(yàn)失敗發(fā)生在5、6、7級(jí)負(fù)荷下,則試驗(yàn)結(jié)束,給出發(fā)生微點(diǎn)蝕的面積、齒輪失重。如果試驗(yàn)失敗發(fā)生在8、9、10級(jí)負(fù)荷下,則緊接著要進(jìn)行耐久性試驗(yàn),首先在第8級(jí)負(fù)荷下進(jìn)行80h,然后在第10級(jí)負(fù)荷下進(jìn)行5次以80h為周期的耐久性試驗(yàn)。在每80h試驗(yàn)結(jié)束后,要對(duì)齒牙的平均輪廓偏差進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)為≤20μm。

3潤(rùn)滑油添加劑對(duì)微點(diǎn)蝕的影響

BrianOC''''onnor等人對(duì)調(diào)和工業(yè)齒輪油的主要添加劑極壓劑EP、抗磨劑AW、以及金屬鈍化劑MP對(duì)微點(diǎn)蝕的影響進(jìn)行了考察。所用極壓劑EP和抗磨劑AW的化學(xué)組成見(jiàn)表1。首先,用簡(jiǎn)單的3因素2水平的正交試驗(yàn)考察了極壓劑EP、抗磨劑AW、以及金屬鈍化劑MP對(duì)微點(diǎn)蝕的影響,試驗(yàn)方法采用FZG篩選試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出,試樣中如果不加入極壓劑EP及抗磨劑AW,齒輪將由于嚴(yán)重磨損而導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行評(píng)價(jià)其微點(diǎn)蝕及點(diǎn)蝕情況。當(dāng)試樣中單獨(dú)加入極壓劑EP-1、抗磨劑AW-1或者兩者同時(shí)加入時(shí),金屬鈍化劑MP的加入對(duì)油品抗微點(diǎn)蝕/點(diǎn)蝕性能是有利的。由試驗(yàn)A4的結(jié)果可以看出,抗磨劑對(duì)微點(diǎn)蝕有不利影響,試驗(yàn)結(jié)果最差?？傮w而言,表2中的配方A1、A2、A3、A5的抗微點(diǎn)蝕/點(diǎn)蝕性能比較好,尤其是配方A1的綜合性能最為優(yōu)異。在表2的基礎(chǔ)上,考察了極壓劑EP-1與不同的抗磨劑組合,以及抗磨劑AW-1與不同的極壓劑組合對(duì)油品抗微點(diǎn)蝕/點(diǎn)蝕性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中可以看出,極壓劑EP-1分別與4種不同的抗磨劑復(fù)配,或者抗磨劑AW-1分別與4種不同的極壓劑組合,齒牙產(chǎn)生微點(diǎn)蝕/點(diǎn)蝕的情況是不同的,綜合考慮,抗磨劑AW-1與極壓劑EP-1復(fù)配、抗磨劑AW-1與極壓劑EP-4復(fù)配,油品的綜合性能比較好。在上述試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了第3組試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4,同時(shí)對(duì)表4的配方進(jìn)行了FVA54/I-Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)微點(diǎn)蝕試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表5。從表3和表4中可以看出,在篩選試驗(yàn)中未出現(xiàn)點(diǎn)蝕且磨損值比較低的2個(gè)試樣A1與A2在FVA54/I-Ⅳ微點(diǎn)蝕標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中的疲勞壽命比較長(zhǎng),分別為480h和320h,另外,試樣A5在篩選試驗(yàn)中與試樣A1相比,只是磨損比較大,微點(diǎn)蝕面積比較接近,且未出現(xiàn)點(diǎn)蝕,但在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的耐久性試驗(yàn)階段在160h就產(chǎn)生了點(diǎn)蝕,由此可見(jiàn),篩選試驗(yàn)的效果比較好。

4預(yù)測(cè)油品抗微點(diǎn)蝕/點(diǎn)蝕試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)模型

為了研究影響潤(rùn)滑油抗微點(diǎn)蝕/點(diǎn)蝕性能的影響因素,以便更好地解決油品的抗微點(diǎn)蝕/點(diǎn)蝕性能。人們通過(guò)研究,建立了預(yù)測(cè)FVA54/I-Ⅳ微點(diǎn)蝕標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)模型。用表6中的23個(gè)試樣的結(jié)果建立了預(yù)測(cè)FVA54/I-Ⅳ微點(diǎn)蝕標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中通過(guò)負(fù)荷級(jí)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)負(fù)荷級(jí)數(shù)學(xué)模型為:負(fù)荷級(jí)=×邊界潤(rùn)滑摩擦系數(shù)-×彈流潤(rùn)滑油膜厚度-×Ra。式中邊界潤(rùn)滑摩擦系數(shù)和彈流潤(rùn)滑油膜厚度的測(cè)試方法見(jiàn)表7。1為預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性。從圖1可以看出,預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值有一定的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為。圖1實(shí)測(cè)的通過(guò)負(fù)荷級(jí)

5結(jié)論

齒輪的微點(diǎn)蝕是一種典型的齒輪失效形式,是齒輪表面滾動(dòng)接觸疲勞破壞,可影響齒牙的準(zhǔn)確性,導(dǎo)致噪音增加和引起振動(dòng),從而減少齒輪的使用壽命。因此,對(duì)微點(diǎn)蝕的研究、開(kāi)發(fā)抗微點(diǎn)蝕性能的齒輪油產(chǎn)品已成為各大石油公司關(guān)注的焦點(diǎn)。

微點(diǎn)蝕的試驗(yàn)室篩選試驗(yàn)對(duì)開(kāi)發(fā)抗微點(diǎn)蝕齒輪油新產(chǎn)品具有重要意義。建立微點(diǎn)蝕模擬試驗(yàn)