利用油液磨粒分析技术探究温度对齿轮摩擦磨损特性的影响.pdf

收稿日期：2023-03-28基金项目：2022年度安徽省高校自然科学研究重点项目（2022AH052195）作者简介：张广祥（1982-），男，安徽亳州人，讲师，硕士。利用油液磨粒分析技术探究温度对齿轮摩擦磨损特性的影响张广祥a，张旭b，李玉爽b（芜湖职业技术学院 a.信息与人工智能学院；b.智能制造学院，安徽 芜湖 241006）摘要：探究齿轮副在不同润滑油温度下的摩擦磨损特性，可从理论和试验的角度分析润滑油的粘温特性和对齿轮啮合的影响。通过分析润滑油的粘温特性，可得出润滑油的粘温特性曲线以及粘温变化趋势。利用冷却循环系统的冷却液对油温进行控制，在85 和110 时进行齿轮运转试验，采集油液样本对铁谱进行分析，可得出齿轮在不同润滑油温度下的磨损情况。对比两种温度下的数据可知：润滑油的粘度随温度的升高而变小，但是在95 以后粘度的变化趋于平缓；与85 下的齿轮相比，110 条件下的齿轮磨损更严重。关键词：齿轮温度；润滑油粘度；齿轮磨损；铁谱分析中图分类号：TH132.41文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0087-05DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.03.016第 19 卷第 3 期2 0 2 3 年 7 月Vol.19 No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）齿轮磨损对齿轮的寿命和振动发出的噪声有很大的影响。因此，众多学者从齿形修形、加工工艺及温度等角度对齿轮运转进行分析探索：薛建华对高速重载齿轮的润滑和油温特性耦合进行了分析，为改善齿轮的磨损提供了借鉴1；陈长征等人通过ANSYS的APDL语言进行齿轮建模，结合传热学、摩擦学和齿轮啮合理论对齿轮的温度场进行分析，研究了齿轮的摩擦因数，对解决齿轮的摩擦磨损问题有一定的指导意义2；苟向锋等人主要研究了闪温对齿轮动态特性的影响3-4；齿面间乏油润滑是造成齿轮磨损的关键因素之一，丁有永5从理论模型的角度分析了齿轮润滑油温度对齿轮磨损的影响，邵飞先6从新材料的角度分析了齿面间的摩擦和润滑油的关系，可见润滑油的粘度是影响齿轮磨损的重要原因；杨冰对工业齿轮所用的润滑油进行了高精度粘温特性分析，建立了粘温的数学模型，为分析润滑油的粘温提供了有效的方法7。综上所述，业界对于齿轮磨损的研究虽然比较全面，但就文献而言，能够将几个关键的重要因素综合在一起的则较少；同时，没有更加直观有效的试验方法去验证各因素对齿轮磨损的影响。因此，在结合温度和粘温特性对齿轮的影响的研究成果的基础上，本文根据精确的粘温特性试验和铁谱分析试验，研究温度对齿轮磨损特性的影响，为行业内提供一定的数据支撑和实践依据。1温度对齿轮影响的理论分析1.1齿轮温度对齿形影响分析齿轮啮合时的温度包括接触温度B、本体温度M和齿面闪温F。三者的关系如下：第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）B=M+F（1）齿面接触温度由本体温度和闪温构成，在齿面啮合接触过后，闪温与润滑油液结合，迅速降低。齿轮的本体温度是指在齿轮啮合过程中由于摩擦产生的热量与散热达到平衡时的温度，一般情况下与润滑油温度接近，但略高于油温。本体温度的变化会引起齿轮的齿形、齿廓和齿轮基圆等变化，对齿轮啮合造成一定的影响。根据文献 8，当本体温度变化时，轮齿齿顶附近的齿形会变窄，曲率变大；分度圆附近到基圆附近的齿形会变厚，曲率变小，如图1所示。图1温度变化导致的齿形变化图中，ft为偏离误差。当齿轮的本体温度增加时，齿轮的渐开线形状被破坏。随着齿中位置的曲率增大，齿面的接触应力会增大，齿面间的滑动摩擦力也会增大，使齿面的微裂纹增加，导致齿面间的磨损增加。1.2油温对齿轮磨损的影响分析根据以上分析可知：不同的本体温度对齿轮的齿廓形状造成影响，进而影响齿轮啮合。齿轮箱中的齿轮直接与润滑油接触，齿轮啮合时由于摩擦产生的热量使油液温度升高，润滑油再通过冷却系统和齿轮箱体进行散热。因此，润滑油因散热情况不同，对齿轮啮合产生的影响也不同。尤其是润滑油的粘度会随着温度的变化而变化，使得油液粘度直接影响齿轮间润滑油膜的厚度。利用SV-10正弦波粘度计对GL-5润滑油进行油液粘温特性试验，可得出该润滑油的粘温特性曲线，如图2所示。图2润滑油的粘温特性曲线由图2可知：随着温度的升高，油液粘度逐渐减小。在25 95 范围内，油液的粘度随着温度的升高而迅速下降；在95 110 范围内，随着温度升高，油液粘度的变化趋于平缓。所以，当油温大于95 时，油液粘度对齿轮啮合的影响很小。但是当油液温度不同时，对齿轮散热的影响也会不同，油液温度越高，齿轮本体的温度也就越高。油液粘度减小对齿轮磨损产生影响的途径有两种：1）油液粘度减小，使齿面间更难形成油膜，造成齿面间发生干摩擦的几率增大，进而增大齿轮磨损的可能性；2）粘度小的润滑油更容易渗入齿面的微裂纹内，当润滑油进入裂纹后，经过齿面间的挤压，在裂纹里的润滑油被挤出之前裂纹口由于挤压而封闭，则齿面间的压力会传递给润滑油，更容易导致裂纹扩大而很快剥落。2试验分析2.1试验对象以某重型商用车的变速器中的齿轮为研究对象，齿轮加工过程中的滚齿、热处理（渗碳处理）及磨齿等工序都在同一批次，成品的硬度、粗糙度等参数都属于合格范围内。齿轮的具体参数见表1。表1齿轮参数和机床参数齿数z模数mn/mm303.57303.57齿轮参数主动轮从动轮88第 3 期张广祥，等：利用油液磨粒分析技术探究温度对齿轮摩擦磨损特性的影响压力角n/螺旋角/磨削深度ap/m进给速度vf/（m min-1）砂轮磨削速度vs/（m s-1）齿面硬度HRC粗糙度Ra/m2022.6750.2565590.422022.6750.2565590.41齿轮参数主动轮从动轮2.2试验平台总体设计本试验所用的齿轮试验台架的原理如图3所示。图3齿轮试验台架原理齿轮试验台架的实物主要由驱动电机、负载电机、冷却系统、试验齿轮组、数据采集系统等组成。驱动电机直接连接齿轮箱的输入轴，调节输入的转速和转矩，负载电机调节齿轮箱的负载。驱动电机具有冷却系统，通过调节冷却液的温度可以有效调节减速箱的油液温度和箱体温度，如图4所示。图4齿轮试验台架实物试验台架的设计转速范围为03 000 r/min，转矩范围为01 500 N/m。参考标准GB/T 37681996 声学声压法测定噪声源声功率级反射面上包络测量面的简易法，安装传感器采集数据，在主齿轮箱（齿轮径向方向）上安装灵敏度为100 mV/g的振动传感器，在主齿轮箱上方400 mm处安装灵敏度为 50 mV/Pa的噪声传感器9，传感器采集到的振动和噪声数据通过数据线连接到数据采集仪并进行存储。2.3磨粒的铁谱分析本试验采用SPECTRO-LNF-Q210型油液颗粒分析仪，如图5所示。图5油液颗粒分析仪普通的铁谱分析仪可以对齿轮箱中的磨粒数量进行统计，对磨粒总量的变化趋势进行分析，但是对于油液中的磨粒的类型不能进行区别统计。根据齿轮磨损类型而产生的磨粒可分为滑动磨损磨粒、切削磨损磨粒、疲劳磨损磨粒和其他铁磁性磨粒。SPECTRO-LNF-Q210型油液颗粒分析仪不仅可以对油液中的磨粒总数进行统计，而且可对样本里的磨粒和其他类型的颗粒进行区分，从而排除其他颗粒对分析磨粒的影响，例如气泡、碳颗粒、塑料颗粒等，大大提高了对齿轮磨损颗粒变化趋势的分析精度。2.4试验方案2.4.1试验规程为了对比不同齿轮本体温度下的磨损性能，同时排除油液粘温特性对齿轮啮合的影响，结合温度导致的齿形变化规律（图1），对两对齿轮进行运转表1（续）89第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）试验。在齿轮运转过程中，每隔一段时间对润滑油的温度进行测量，当油温分别达到85 和110 时，通过冷却系统使油液温度稳定下来并测量齿轮本体温度。在维持工况稳定的前提下，每隔一定时间对油液样本取样，以用于磨粒分析。具体试验方案如表2所示。表2齿轮运转试验具体方案工况跑合阶段（650 N/m）取油阶段（1 200 N/m）齿温测量时间运转时间/h0.51313转速/（rmin-1）800900900检查间隔/h0.511对相同工况下的同类齿轮进行运转试验，其中一组试验从室温为25 时开始进行，设置齿轮转速为800 r/min，属于低转速，可以使齿轮箱平缓升温，当油温升到85 时，齿轮箱需要运转4 h5 h，此时通过冷却循环系统使油温维持在 85 上下（3）；另一组试验从室温为25 时开始，采用和第一组相同的跑合条件运转，当油温升到110时，齿轮箱需要再运转6 h7 h，此时通过冷却循环系统使油温维持在110 上下（3）。通过这种方式，维持第一对齿轮在油温为 85 时运转，第二对齿轮在油温为110 时运转，然后进行后续取样。2.4.2试验变量控制在齿轮运转试验过程中，为了得出齿轮本体温度对齿轮磨损性能的影响，需要对试验过程中的变量进行控制。试验时，两组试验齿轮都从室温为25 时开始运转，并且采用相同的GL-5润滑油，加入齿轮箱的油量相同，输入的扭矩和转速也相同。在铁谱分析过程中，要保证两次试验的取油量（5 mL）和取油的停机时间间隔一致，两次油液样本本身的温度要冷却到相同的室温时再进行分析。2.5试验结果对样本进行磨粒浓度分析，对数据进行处理，分别得到85 和110 条件下的齿轮的磨粒浓度变化曲线，如图6所示。图6两对齿轮的磨粒浓度变化曲线从图6可以看出：在第5 h前，两队齿轮的磨粒浓度变化大致相同；油温在第 5 h时达到 85 附近，此时调节冷却循环系统，对齿轮箱进行冷却处理，使齿轮温度维持在85 附近，之后磨粒浓度逐渐变化平缓；对于第二对齿轮副，油温在第7 h时达到110，此时调节冷却循环系统，对齿轮箱进行冷却处理，使齿轮温度维持在110 附近，之后磨粒浓度逐渐变化平缓。对比两对齿轮试验可以看出，温度越高，齿轮磨损越严重，其主要原因有两方面：一是温度升高，会使齿轮的齿形发生变化，破坏了齿轮的渐开线特性，不利于齿轮的摩擦磨损性能；二是温度越高，润滑油的粘度越低，齿轮啮合形成的油膜容易被破坏，从而增加齿轮的磨损。3结论1）温度的大幅增加可以影响齿轮的渐开线特性，进而影响齿轮的磨损性能；2）随着温度的升高，润滑油的粘度降低，但是当温度大于95 时，粘度变化缓慢；3）温度的升高可以降低润滑油的粘性，不利于形成齿轮间的油膜，进而增加齿轮间的干摩擦概率，使齿轮磨损更加严重。参考文献1薛建华.高速重载齿轮系统热行为分析及修形设计 D.北京：北京科技大学，2015.2陈长征，郝仁强，刘杰，等.风力发电机高速级齿轮温90Influence of Temperature on Friction and Wear Characteristicsof Gear Investigated by Oil Particle AnalysisZHANG Guangxianga,ZHANG Xub,LI Yushuangb（a.School of Information and artificial intelligence;b.School of Mechanical Engineering,Wuhu Institute of Technology,Wuhu 241006,Anhui Province）Abstract：In order to investigate the friction and wear characteristics of gear pairs under different temperatureconditions of lubricating oil,the viscose-temperature characteristics of lubricating oil and its influence on gearmeshing were analyzed theoretically and experimentally.By analyzing the viscosity-temperature characteristicof lubricating oil,the viscosity-temperature characteristic curve and the trend of viscosity-viscosity change oflubricating oil were obtained.Based on the viscosity temperature characteristic curve of lubricating oil,twolubricating oil temperatures of 85 and 110 were selected for gear running test.The gear running test wascarried out by controlling the coolant temperature of cooling circulation system to control the oil temperature.In the test process,oil samples were collected to analyze the iron spectrum,and then the gear wear conditionsunder different lubricating oil temperature conditions were obtained.By comparing the data at the twotemperatures,it is concluded that the viscosity of lubricating oil decreases with the increase of temperature,butthe viscosity changes gradually after 95.Compared with the gear at 85,the gear wear at 110 is moreserious,and the influence of temperature on gear wear is obvious.Keywords：Gear temperature;Lubricating oil viscosity;Gear wear;Ferrographic analysis第 3 期张广祥，等：利用油液磨粒分析技术探究温度对齿轮摩擦磨损特性的影响度场及热变形仿真分析 J.机械传动，2015，39（11）：18-21.3 苟向锋，祁常君，朱凌云.含齿面温度的二级直齿轮系统动力学模型及其动态特性分析 J.振动工程学报，2015，28（5）：762-769.4 苟向锋，祁常君，陈代林.考虑齿面接触温度的齿轮系统非线性动力学建模及分析 J.机械工程学报，2015，51（11）：71-77.5丁有永.乏/无油润滑航空齿轮传动的磨损及温度场分析 D.南京：南京航空航天大学，2013.6 邵飞先.乏油条件仿生耦合齿轮材料的摩擦磨损行为D.长春：吉林大学，2015.7 杨冰.船闸用齿轮油粘温特性研究 J.中国水运，2021（1）：90-92.8李桂华，费业泰.标准渐开线齿轮热变形时的非渐开特性研究 J.哈尔滨工业大学学报，2006，38（1）：123-125.9李绍春，初永玲，于子强，等.抛光磨削工艺对齿轮振动噪声影响的试验分析 J.机械传动，2020，44（8）：137-141.91