齿轮损伤原理初探

今年暑假，我与同学组队参加挑战杯，赛题为CS-03航发齿轮损伤智能化识别项目。作为非机械专业学生，为了更好地理解赛题和数据，我需要先了解一些齿轮损伤的基本原理，以下是我查阅了一些文献资料后对相关内容的总结。内容不够全面严谨，仅供参考。

齿轮损伤原理

一、擦伤

产生原理

• 核心机制：润滑失效导致齿面金属直接接触，在高压力和相对滑动作用下，微凸体发生粘着、撕裂及材料转移。
• 影响因素：
  • 润滑条件：油膜厚度不足（如高速重载时润滑油粘度低、油量不足）。
  • 材料与表面：表面粗糙度过高、材料硬度低，易发生塑性变形。
  • 工况：接触压力超过材料屈服强度，滑动速度与载荷特性加剧摩擦。

形貌特点

• 齿面呈现沿滑动方向的粗糙划痕或撕裂痕迹，宽度和深度不一，严重时可见材料转移或堆积。
• 显微镜下观察：表面不规则起伏，有塑性变形特征及细小裂纹。

对剩余寿命的影响

• 较严重
• 轻微擦伤：及时改善润滑可减小影响，寿命略微降低。
• 严重擦伤：接触应力集中加剧，加速疲劳裂纹扩展，剩余寿命大幅缩短，可能短期失效。

损伤叠加与竞争

• 叠加：与剥落、点蚀叠加时，擦伤形成的损伤区易成为裂纹萌生源，加剧材料脱落。
• 竞争：与磨损可能竞争——若磨损去除表面损伤层，可能抑制擦伤发展；反之，擦伤加剧磨损。

二、剥落

产生原理

• 核心机制：齿面在接触应力反复作用下，次表层萌生疲劳裂纹并扩展，最终导致材料脱落。
• 影响因素：
  • 材料缺陷：渗碳层质量不佳（残余应力、碳化物分布不均）、夹杂物。
  • 工况：过载、疲劳、装配误差导致接触应力分布不均，润滑不良加剧应力集中。

形貌特点

• 疲劳剥落早期特征：剥落起始位置的周围以及下方亮带区可见明显鱼鳞状排布的微裂纹。
• 分布位置：所有的轮齿在工作面靠近齿根位置均存在一条白色亮带，剥落损伤基本发生在齿根亮带附近。
• 宏观特点：材料呈片状大片剥落，形状呈三角形、椭圆形或不规则形状；齿面出现不规则片状或块状凹坑，边缘陡峭，坑底有疲劳条纹，宏观上可能沿应力方向分布。
• 微观特点：坑底和边缘有塑性变形、疲劳裂纹，可见夹杂物等缺陷。

严重程度评估

• 亮带区可见许多沿齿长方向的鱼鳞状的微裂纹，斜向基体内部扩展，为剥落的早期形貌。剥落起始区周围的齿面也呈现更为严重的鱼鳞状损伤，严重的已经发展为小的剥落凹坑。

对剩余寿命的影响

• 剥落会显着降低疲劳寿命（最严重！）
• 轻度剥落：承载面积减小，寿命显著降低。
• 严重剥落：可能引发断齿，剩余寿命几乎为零。

损伤叠加与竞争

• 叠加：与擦伤、点蚀叠加时，剥落坑加剧应力集中，会加剧其他损伤扩展，如擦伤因表面完整性破坏而加重。
• 竞争：与磨损可能竞争——若磨损快速去除剥落边缘，可能延缓裂纹扩展；反之，剥落主导损伤进程。

三、点蚀

产生原理

• 核心机制：齿面周期性接触应力超过疲劳极限，表层/次表层萌生微裂纹，润滑油渗入后在压力下促使裂纹扩展，微小的齿轮材料剥落，最终形成麻点凹坑。
• 影响因素：
  • 接触应力：节线附近滑动速度低、油膜薄，应力集中易引发点蚀。齿轮的几何特性也会产生不可忽略的影响。
  • 材料特性：硬度不足、韧性差或内部缺陷（如夹杂物）加速裂纹萌生。
  • 化学反应：渗入的润滑剂与齿轮发生化学反应，随后可能产生应力腐蚀开裂、蚀刻或反应层等：抗磨损（AW）和极压（EP）添加剂可能促进微点蚀。

形貌特点

• 一般发生在靠近节线的齿根面处
• 点蚀可以分为微点蚀和宏观点蚀，这里的定义比较模糊，目前看来本次比赛中的“点蚀”指的是微点蚀，而宏观点蚀对应的是剥落。后续讨论“点蚀”均指的是微点蚀。
• 齿面分布大小不一的麻点状凹坑，初期直径几微米到几十微米，后期可相互连接，节线附近及齿根区域更密集。
• 凹坑分布的区域尺寸沿齿形的深度和宽度不超过数十微米，而其沿轴向的长度通常可达上百微米。
• 凹坑形状近似圆形/椭圆形，边缘整齐，坑底平滑。

对剩余寿命的影响

• 初期影响较小，一旦放任导致加剧后则较为严重。
• 初期点蚀：寿命降低约20%~50%，及时处理可延缓恶化。
• 严重点蚀：有效承载面积大幅减小，寿命可能仅为正常的20%以下，最终因疲劳失效报废。

损伤叠加与竞争

• 叠加：与擦伤叠加时，擦伤加剧齿面粗糙，促进点蚀裂纹萌生；与剥落叠加时，点蚀坑成为剥落裂纹源。
• 竞争：与磨损可能竞争——良好润滑下点蚀主导，润滑恶化时磨损加剧可能抑制点蚀（磨损去除表面微裂纹）。

四、磨损

定义比较模糊

产生原理

• 磨粒磨损：硬质颗粒（如灰尘、金属屑）进入齿面，刮削材料导致损失。
• 粘着磨损：润滑不良时齿面直接接触，金属粘着后撕裂，导致材料转移。→ 擦伤
• 腐蚀磨损：润滑油含腐蚀性物质或环境潮湿，齿面发生化学/电化学反应，产物脱落加剧磨损。

形貌特点

• 磨损的特点是接触齿轮齿表面的滑动和滚动运动导致材料逐渐损失，在齿轮系统的整个使用寿命期间不断改变齿形。
• 当齿轮齿出现裂纹时，每颗齿轮齿的磨损量会发生变化，随着与裂纹齿的距离而逐渐减少。连续相邻磨损齿的退化过程是一致的。
• 磨粒磨损：齿面有沿滑动方向的细密划痕，表面粗糙如砂纸打磨，严重时齿廓变形。
• 粘着磨损：齿面出现不规则粘着痕迹（材料转移堆积），撕裂处有裂纹和剥落。
• 腐蚀磨损：齿面有锈斑、氧化物，表面粗糙暗淡，后期出现腐蚀坑。

对剩余寿命的影响

• 轻度磨损：维护后寿命影响有限。
• 严重磨损：齿厚减薄、啮合精度下降，加速疲劳裂纹和剥落，剩余寿命大幅缩短，可能因强度不足断齿。

损伤叠加与竞争

• 叠加：与擦伤、点蚀叠加时，磨损导致齿面粗糙，润滑失效加剧擦伤，应力集中促进点蚀。
• 竞争：与点蚀竞争——磨损快速去除表面缺陷时抑制点蚀，反之点蚀主导。

五、压伤

产生原理

• 核心机制：外来硬质物体（如金属碎片、砂石）嵌入齿面或被碾压，导致局部塑性变形或凹坑。
• 影响因素：异物进入啮合区、冲击载荷过大、接触应力异常，使齿面材料塑性流动。

形貌特点

• 齿面出现局部凹坑或变形区域，形状与压入物相关，边缘圆滑，周围材料塑性隆起，压伤区硬度降低。

对剩余寿命的影响

• 轻度压伤：若不发展，影响较小，但可能成为疲劳裂纹源。
• 严重压伤：局部承载能力下降，引发剥落或裂纹，剩余寿命缩短，可能立即失效。

损伤形貌

Identification of gear wear damage using topography analysis

• The skewness (Ssk) parameter is suitable to quantify the shape of the asperity distribution;
• The root mean square height (Sq) parameter is suitable to quantify the severity of damage;
• A new roughness parameter was proposed: surface motion orientation (Smo);
• The Smo parameter is suitable to quantify the surface texture orientation with respect to the motion direction;
• The Ssk and Smo parameters were used to distinguish between failure modes originating from the adhesive wear (scuffing) to those triggered by the contact fatigue wear mechanism (micropitting, macropitting and spalling)

• 偏度 （Ssk） 参数适用于量化凹凸度分布的形状;
• 均方根高度 （Sq） 参数适用于量化损坏的严重程度;
• 提出了一个新的粗糙度参数：表面运动方向 （Smo）;
• Smo 参数适用于量化表面纹理相对于运动方向的方向;
• Ssk 和 Smo 参数用于区分源自粘着磨损（划伤）的失效模式和由接触疲劳磨损机制触发的失效模式（微点蚀、宏点蚀和剥落）

表面纹理相对于运动方向的方向已被证明是区分粘着磨损 （scu） 和疲劳失效（mpt、pit、spa）的合适特征。

参考文献

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