4 膠合和磨損

4.1膠合和磨損的產生

當齒輪輪齒完全被潤滑油膜分開時，兩齒面的凹凸不平之間是不接觸的，通常不存在膠合和磨損，此時的磨擦因數相當小。在油膜較厚時，由于突然的熱不穩定性[19]引起的類似膠合損傷的這種特殊情況不在此討論。

當彈性流體動力油膜較薄時，齒面凹凸之間偶爾會直接接觸，隨著平均油膜厚度的減薄，直接接觸的次數相應增加，則可能會產生磨料磨損、粘著磨損或膠合。由于齒輪輪齒的滾動作用或潤滑油中含有磨粒會引起磨料磨損。粘著磨損是由先局部焊合，隨即分離，從而導致一個或兩個嚙合輪齒上的材料微粒轉移而引起的。如果磨粒磨損或粘著磨損是輕微的，且隨著時間的推移而減輕，作為一種正常跑合過程則對輪齒不會造成危害。

與輕微磨損不同，膠合是能導致輪齒擴展性損傷的黏著磨損的嚴重形式。與具有明顯發展期的點蝕和疲勞折斷不同，瞬時過載會導致膠合失效。

潤滑油中過分進氣或存在污染，諸如懸浮的金屬顆粒或水，也會增加膠合的危險。高速齒輪膠合后，由于振動而引起更大的動載荷，振動通常會導致進一步的膠合、點蝕、斷齒損傷。

在大多數情況下，使用具有增強抗膠合添加劑^1）的潤滑油能提高齒輪抗膠合承載能力，然而，重要的一點是要意識到使用抗膠合添加劑的一些不足之處：使銅腐蝕、彈性材料的脆化，以及缺乏全球通用性等。

本方法不適用于評價冷膠合，冷膠合通常在低速（節圓線速度小于4m/s）、質量很差的調質重載齒輪上產生。

4.2轉換圖

在使用液體潤滑油潤滑的運行條件下，較嚴重的鋼接觸滑動的潤滑狀況可用轉換圖描述[20][21][22][23]。圖1所示的轉換圖適用于恒定油浴溫度下的接觸運行。

當法向力F_n和相對滑動速度v_g同時落在A1-S線以下，即圖1的Ⅰ區時，潤滑狀況的特征可用磨擦因數大約為0.1、單位磨損率（即：每單位法向力、每單位滑動距離下的體積磨損量）為10^-2～10^-6mm³(N·m)來表達。

當v_g不大于S點的值，且載荷增加進入Ⅱ區時，剛轉換進入第二種潤滑狀況。這種輕微磨損潤滑條件的特征可用磨擦因數大約為0.3～0.4、單位磨損率為1～5 mm³(N·m)來表達。

如果載荷進一步增加，則轉換進入第三種潤滑狀況，即進入以A2-S為邊界線的Ⅲ區。這個區域的特征可用磨擦因數等于0.4～0.5來表達，然而，與Ⅰ區和Ⅱ區相比磨損率相當高，從100～1000 mm³(N·m)。磨損表面呈現膠合形式的嚴重磨損。當相對滑動速度超過S點后，如果載荷增加，則直接從Ⅰ區轉換到Ⅲ區。

有足夠的證據證明A1-S-A3線的位置取決于潤滑油黏度[24]及赫茲接觸壓力[20][21]。當F_n和v_g同時落在此線以下時，則認為，齒面由一層較薄的潤滑油膜分隔開，但此膜被粗糙的凹凸部分所穿透。對于這種情況，稱為“邊界彈流動力潤滑”[21]。

在Ⅲ區中，液體油膜完全推動了作用，這個區域即為“初始膠合”區域[25]。有證據表明以A2-S線為邊界發生的轉換與接觸溫度達到臨界值相關。這就是布洛克的基本概念。

給出的這個轉換圖適用于新的組件（即未氧化鋼的接觸），如齒輪、凸輪及從動件等。這個轉換圖符合四球試驗及柱——環試驗的結果。

沿A1-S-A3曲線的溫度范圍（從油池溫度開始，依次為整個本體溫度，接觸面本體溫度）：在v_g=0.001m/s時為28℃到v_g=10m/s時的接觸溫度為498℃。這個溫度特性充分表明在恒定的接觸或接觸面本體溫度下，（邊界）彈流動力潤滑未被破壞，例如與化學吸附性材料的軟化有關。相反，隨著滑動速度的增加承載能力的明顯降低則認為是由于潤滑油黏度的降低[24] [24] [26] [27] [28] [29]。

與上述情況不同，沿曲線A2-S-A3的計算接觸溫度則趨向于一個恒定的值，即用GCr15鋼時大約為500℃，見圖1。這表明從Ⅱ區到Ⅲ區的轉換與用鋼的不同有關，從輕微粘著到嚴重粘著，引起了表面磨損機理的變化，也許還包括熱彈不穩性機理[30][31]。

因此，結果表明膠合與接觸溫度的臨界值有關。對于鋼，用礦物油潤滑時，臨界值大約為500℃，它并不取決于載荷、速度和幾何參數。

4.3初始膠合時的磨擦

在圖1所示的轉換圖中，膠合時，磨擦因數從0.25跳躍到0.5。相應的接觸溫度大約為500℃。這個接觸溫度是測量的接觸面的本體溫度28℃與計算的閃溫470℃的和。

在計算閃溫時所用的磨擦因數是剛要轉換前的磨擦因數，即μ=0.35。如果這種方法不僅要用于柱與環實驗而且還要用于齒輪傳動（在設計階段）時，在計算中接觸溫度的臨界值和磨擦因數值的選取應協商一致。

齒輪承載能力可以預估：

——當使用磨擦因數μ=0.5時，偏于安全；

——根據潤滑油的不同，所使用的磨擦因數為μ=0.25μ～=0.35時，較精確；

——根據以前的經驗，在穩定的工作條件下，所用的磨擦因數較低，那么限定的接觸溫度相應地也較低。

根據經驗，對于不加和加少量添加劑和礦物油，油和滾動材料的每一種組合有一個臨界膠合溫度。通常，這個溫度是恒定的，與運行條件、載荷、速度和幾何參數無關。

對于加大量添加劑的礦物油和一些種類的復合油，臨界膠合溫度隨著裝置運行條件變化而變化。因此，此時的臨界溫度必須由模擬齒輪裝置運行條件的實驗分別確定。