液压泵齿轮副摩擦学特性测试浅析

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摘要:为提升齿轮液压泵的稳定性和安全性，对齿轮副的摩擦学特性进行测试，基于振动检测技术对其机械损伤进行定性诊断。通过摩擦试验机，得出齿轮副啮合点相对速度、啮合压力对平均摩擦系数和摩擦稳定系数的影响规律。分析齿轮副的失效机理，采用振动与动平衡测试仪得出齿面磨损和齿面断裂的振动响应特性。该研究能够为液压泵工作参数的优化提供重要依据，有效降低液压设备的维护成本。

关键词:液压泵;齿轮;摩擦;磨损;振动

0引言

液压泵是液压系统中的重要动力元件［1］，常见的类型包括齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等。其中，齿轮泵的承载能力［2］较强，在复杂和高污染条件下的应用率更高。齿轮泵内的传动副为啮合的齿轮组，长期处于高速和高压状态［3］，因此容易出现摩擦失效问题。齿轮泵内部齿轮副的机械损伤主要有压力磨损、颗粒点蚀、接触面胶合、齿根擦伤等，位置主要位于齿轮副的接触工作面。液压泵的齿轮一般选用调制钢材料，强度和韧性良好，但是在长期摩擦条件下将出现接触面或接触点的磨损问题［4－6］，并在摩擦热量作用下诱发“点焊”问题，加快齿轮工作面的损伤速度。齿轮泵发生机械故障时，传动机构将发生明显振动，通过振动信号的检测能够有效地预测齿轮副所发生的故障以及形成原因。齿轮之间的摩擦接触是疲劳破坏和机械冲击的主要原因，因此，文中基于摩擦学理论对液压泵齿轮副试样的摩擦学参数进行测试，研究不同工况条件下的响应特性。同时，通过振动测试方法检测液压泵外壳的振动反馈信号，为液压泵的维护和维修提供重要依据。

1液压泵齿轮副的摩擦性能测试

1.1啮合面摩擦机理分析

液压泵内部齿轮副之间的啮合接触与摩擦为离散方式，根据传动比原理可知，分度圆直径较小的齿轮承受载荷的循环次数更多，因此更容易发生疲劳损伤［7］。齿轮主要依靠正压力传递力矩，在较大的挤压力作用下，齿轮表面的微凸结构将发生塑性变形。一般情况下，齿轮传递的力矩越大，摩擦副之间的真实接触面积越大，因此摩擦力随之增大。但是，压力并不是影响摩擦性能的唯一参数。摩擦系数的变化与接触面内接触斑点的生成率有着密切的联系，即啮合区域的相对运动速度。齿轮副表面在接触摩擦中主要有三种状态:弹性、塑性和弹塑结合等。当塑性状态保持的时间过长，会导致实际接触面积指数增大，宏观表现为磨损。根据摩擦微凸理论可知，齿轮啮合面发生弹性向塑性转变时满足:n

1.2试验方案设计

为研究液压泵工作条件对齿轮副接触状态的影响，制备标准试样并采用RTEC摩擦试验机在不同转速和压力条件下对试样进行摩擦学测试。在试验机内安装高频往复模块，设定采样频率为0．01s，摩擦基体与试样之间的相对速率定义在5～30m/s，压力范围定义在1．0～3．0MPa。在单试验周期内，得出摩擦系数的变化规律如图1所示。为确保试验结果的可靠性，摩擦系数的评定值采用多个试验周期内的平均值。图1可以看出:液压泵齿轮副试样在摩擦过程中的动态摩擦系数呈现出三个显著不同的阶段;阶段1的摩擦系数急剧增大，此时摩擦逐渐进入稳定状态，摩擦力随之递增，齿轮副微凸结构的啮合作用强烈;阶段2的摩擦系数有一定的降低趋势，摩擦力进入调整状态，此时真实接触面积内的斑点数量增多;阶段3进入摩擦稳定状态，摩擦系数在很小的范围内波动。为进一步研究齿轮副接触状态的稳定性，在摩擦系数的基础上引入摩擦稳定系数的概念。摩擦稳定系数与摩擦系数不同，其主要用于衡量摩擦系数在不同工况条件下的波动性。在数值量化方面，摩擦稳定系数的单位为百分比，其数值越大，越利于液压泵齿轮副啮合的平顺性。摩擦稳定系数的数学表达式为:

1.3啮合点相对速度对摩擦性能的影响

齿轮副啮合点的相对线速度是影响摩擦热量和摩擦系数的关键因素，同时为了排除压力因素干扰，文中在不同定压模式下测试啮合点相对速度与摩擦学参数之间的关系，得出平均摩擦系数和摩擦稳定系数的变化规律分别如图2和图3所示。图2可以看出:啮合压力不会改变摩擦系数的整体变化趋势，但是会改变摩擦系数值;当齿轮处于高速转动时，其接触状态更为稳定，摩擦系数值更小;在特定的转速条件下，液压泵的齿轮副更容易发生切向力的波动，使得运行不够平稳，该转速范围是需要避免的。图3中可以看出:不同压力下的摩擦稳定系数随相对速度的变化规律有着明显的不同，当接触压力较小时，摩擦系数的稳定度较低，出现了先增大后减小的变化趋势;在最大与最小的相对转速条件下，摩擦稳定系数的差值低于20%，表明齿轮副的总体稳定性较高，能够适应大部分工作条件。

1.4啮合压力对摩擦性能的影响

液压泵在不同的功率条件下，齿轮副的啮合压力有着明显的区别。啮合压力是影响齿轮副摩擦力的关键因素，也是造成齿面磨损的主要原因。同样地，为了排除速度因素干扰，在不同定速摩擦模式下测试啮合压力与摩擦学参数之间的关系，得出平均摩擦系数和摩擦稳定系数的变化规律分别如图4和图5所示。图4可以看出:在高频动摩擦条件下，摩擦系数与啮合压力之间呈现出递减变化趋势;当齿轮副之间的啮合压力改变时，较低的相对速度对摩擦系数的影响更为显著，当相对速度超过10m/s时，摩擦系数受压力的影响显著减小。图5可以看出:当啮合点相对线速度达到30m/s时，摩擦稳定系数的波动性较大，中等相对速度条件下的摩擦稳定性良好;在低速重载工况时，摩擦稳定系数可达90%。通过压力变量的摩擦学测试可知，压力并不是影响摩擦系数的唯一因素，而且与摩擦系数之间并非单调关系，在合理的参数区间才能达到最佳的工作效果。

2齿轮副故障诊断

2.1齿轮失效机理分析

液压泵的齿轮副发生失效的本质原因为摩擦，根据液压泵工作原理可将摩擦的主要类型分为:齿面滑动摩擦、啮合点滚动摩擦和齿轮变形摩擦等。不同类型的摩擦均会导致啮合面的温度升高，加剧强化表面的磨损量。齿轮的摩擦和磨损是无法避免的，但是根据摩擦学测试结果可知，在特定的工作条件下可有效降低摩擦系数并提升摩擦稳定性［8］，保持良好的动态摩擦平衡状态［9］，可有效提升承载部件的工作寿命。在液压泵内，齿轮的失效形式具有多样化，与齿轮本身的材质、热处理状态和运行工况等均密切相关。根据调研可知，液压泵内齿轮副的失效占所有动力部件失效率的50%以上。当齿轮副的制造误差较大、装配精度较低或不合理时，齿轮副将容易发生磨粒磨损、齿面胶合、表面刮伤、齿根裂纹、齿顶断裂等。若要避免因这些机械故障导致的系统失效，需要定期对液压泵进行故障诊断、检测和维护。机械传动机构在运行时将产生振动信号［10］，正常工作时的振动特性与机械故障时的信号有着显著的区别。因此，可根据检测信号的特征去辨别不同的故障类型［11－12］，对于液压系统的稳定、高效运行有着重要的保障作用。在液压泵内，齿轮副承载着压力油，而油液中的介质往往会诱发齿面的磨粒磨损问题。根据磨损面的形貌和磨损机理，可将齿面的擦伤分为磨料磨损和腐蚀磨损两大类。当齿轮发生磨粒磨损后，齿轮的齿形将发生变化并进一步引发传动过程中的机械振动，增加动载荷的负面作用，长期工作后，齿面有变薄的趋势。腐蚀磨损与磨料磨损一般同时存在，油液介质内的酸性物质对齿面产生氧化腐蚀作用，使得表面粗糙度增大，摩擦力随之增大，加剧了齿面强化表面的磨损量。

2.2振动信号诊断

将振动传感器安装至靠近齿轮轴的位置，通过便携式振动与动平衡测试仪可得出低速重载下的齿面磨损和齿面断裂的时域和频率信号分别如图6和图7所示。图6可以看出:该液压泵外壳表面的振幅主要在527～20μm之间，振动过程中没出现强烈的信号调制现象，齿面磨损处于中等水平，冲击性信号并不明显。图7可以看出:当磨损达到一定程度发生齿面局部断裂时，出现了明显的波动极值，振幅高达160μm;不同激振频率下的振幅有着显著的差异，在正常工作条件下，激振频率越高，振幅越大。齿轮副的磨损是一个逐步发展的过程，平稳工作下的液压泵振动测试结果将呈现出周期性的波动曲线，磨损量的大小可以从实际振幅的波动性来进行定性预测。一般地，当齿轮副表面的磨损量增大到一定程度后，振幅曲线中将呈现出明显的谐波偏离成分，而且振动能量随之增大，甚至频谱分析中的二次谐波振幅将超过激振频率下的最大幅值。磨损测试曲线具有较宽的脉冲特性，因此振幅的起伏特性是判定磨损量的主要参照和依据。液压泵内齿轮副发生断裂失效问题时，在测试周期内将出现明显的冲击性振幅和噪声，谐波间隔将减小，边频带的数量明显增多，而且幅值也会相比初始状态有着较大的增幅。在较大冲击能量作用下，频谱响应曲线呈现出明显的峰值特点。由于齿轮与主轴同步转动，因此在轴端的测试结果具有良好的可靠性。依据振动响应曲线对液压泵进行故障诊断，能够有效地调节工作参数，避免激振频率与工作频率的重叠，从而改善齿轮副的工作条件。

3结论

齿轮副是齿轮泵中容易损坏的承载元件，制造误差、安装误差等在长期工作后将发生集聚问题，使得齿面在摩擦力和正压力作用下产生较大磨损。文中通过摩擦学测试方法对齿轮副试样的摩擦响应特性进行了研究，能够为液压泵的最佳工作参数调节提供可靠依据。摩擦作用的负面效果为齿轮副的传动失效，因此需要采用先进合理的测试技术进行诊断和维护。振动信号作为有效的检测信号，能够为常见的失效故障作出定性的判断和预测，具有良好的经济效益和社会效益。

作者:贾丹丹 单位:烟台汽车工程职业学院