選用正確潤滑油以控制齒輪微孔蝕 ( 三 )
2007-11-05
選用正確潤滑油以控制齒輪微孔蝕 ( 三 )
吳世榮
本文針對微孔蝕產生的來龍去脈，列出改善潤滑，避免微孔蝕的幾項應注意的方法供作參考，其中並非每個方法對各種條件狀況產生的微孔蝕都有效且可行，但是考慮得愈周全、執行得愈徹底，效果會愈明顯。
‧碎屑
先前提到齒輪在微孔蝕初始所剝落的金屬碎屑遠大過EHL的油膜厚度，這些碎屑顆粒在滾動的過程中很容易被帶入兩齒面間。這些脆硬的碎屑經過了高壓的接觸之後，會裂成更小塊的顆粒，部分顆粒埋入輪齒表面，更小的粒子則可能通過接觸面；較硬的碎屑也可能被壓成較扁平的形狀，同時兩齒面也會被壓成凹痕，造成較大的間隙容許這些較小的碎屑通過。
另外，脆的碎屑所產生的凹痕比較小而深，邊緣較銳利；而硬碎屑的凹痕則較大而淺，邊緣較平順。
碎屑凹痕留下局部性的低窪區，這會造成EHL油膜厚度的減低，及凹痕周邊的應力集中。在重覆循環的接觸後會產生塑性變形和抗拉殘餘應力，最終發展為微孔蝕。
另外，設備在製造過程中所留下來的碎屑如果沒有清除乾淨，在磨合期間很容易造成永久性的碎屑凹痕，隨後又會發展成微孔蝕的問題。為了避免這些困擾，新的齒輪系統在運轉之初應該將系統沖洗乾淨，且在運轉期間也必須能維持齒輪系統和滑油一定的清潔度。
潤滑油的效用
‧水污染
從實驗的結果顯示，含有水分的滑油比較容易產生微孔蝕。使用中的潤滑油都會受到水分的污染，其中酯類的油品以及含有抗拖曳抗磨損添加劑的礦物油特別容易吸收水分，而當油中含有高水分時齒輪的疲勞壽命會降低。
彈性液動潤滑
齒輪運轉的潤滑裡，當兩齒輪的輪齒囓合時，兩金屬表面的粗糙部分開始接觸產生彈性的平坦變形，附著在表面的潤滑油膜則被帶入兩接觸部分之間，因壓力的增加，致使潤滑油的黏度急遽的上升而建立彈性液動油膜的潤滑條件。
‧油膜的厚度
彈性液動潤滑油膜的厚度是受到兩輪齒的表面形狀、溫度及速度的影響，齒輪運轉的負荷對於彈性變形有些許的影響，但是對油膜厚度的影響並不太大。彈性液動潤滑的油膜厚度最主要是決定於滑油的黏度及速度。當然兩齒面的囓合，在齒輪的中央部位可能會產生瞬間的局部高溫，但是油膜厚度基本上仍舊是以平均的齒輪運轉溫度來決定。在運轉齒輪的中央接觸部位，承受著大部分的負載。潤滑油進入這微小的間隙裡，黏度在高壓下瞬間大增形成固態狀的平均油膜層，這個階段的接觸時間非常的短暫，過了接觸點之後，滑油又回復到正常的黏度流動狀態。
所以，理想的齒輪潤滑油是一種高黏度、高黏壓係數和低牽引係數的油品。然而這是個理想的滑油狀況和一般潤滑油品的性質是背道而馳的，因為高黏度油品的摩擦熱會增加，從而降低了滑油的黏度，而且高黏度油品本身的牽引係數也會偏高。
從更精密的顯微研究金屬表面粗糙度的結果，金屬表面放大後的真實形狀直接影響到其凸出點間接觸的干涉和負荷的承受，但是對於油膜厚度本身則無太大的影響。所以，這些表面的真實形狀對微孔蝕的影響是在其凸出部分的相互接觸干涉產生的金屬疲勞，而非單純以油膜的厚度就可能左右的。
避免微孔蝕
針對微孔蝕產生的來龍去脈，以下列出改善潤滑，避免微孔蝕的幾項應注意的方法供作參考，其中並非每個方法對各種條件狀況產生的微孔蝕都有效且可行，但是考慮得愈周全、執行得愈徹底，效果會愈明顯。
＊油膜厚度最大化，可以有效的避免微孔蝕困擾
‧增加油膜的厚度：
1.選用最為可行的高黏度油品。
2.齒輪能高速運轉。
3.有效冷卻輪齒。
4.如果輪齒操作溫度高過80℃，應選用合成油。
‧改善表面的粗糙度（精度）：
1.輪齒覆以鐵和錳、銅、銀等合金金屬。
2.齒輪磨合期間考慮選用特定的油品。
3.磨合期預先過濾滑油且使用較細的濾芯(如6μ)。
4.磨合期儘量保持低油溫。
5.磨合期應循序漸進增加負荷且設設定適當的轉速。
6.磨合後更換新的滑油且更換濾芯。
‧選用最適合、最優良特性的滑油：
1.滑油經實際測試能抗拒微孔蝕。
2.低牽引力的滑油。
3.選用高壓力黏度係數油品。
4.避免含有過於活性的抗拖曳抗磨損添加劑。
5.滑油良好的冷卻。
6.避免固態的污染物。
7.保持乾燥，避免水分污染。
控制微孔蝕的參數（變數）
‧負載：
從許多的實際經驗顯示，負載對微孔蝕的產生其影響並不大。重荷的運作條件不見得齒輪一定會產生微孔蝕；在輕負荷甚至是輪齒的背面輕荷且不定接觸面也會發生微孔蝕現象。
‧速度：
齒輪的接觸狀況有滾動和滑動接觸兩種。在滾動接觸時滑油進入兩接觸齒面之間，油膜厚度瞬間增加而減少嚴苛的接觸干涉，所以不易產生負面的影響；而滑動接觸時則會產生高熱，直接影響到滑油的黏度且增加了嚴苛運轉的困擾。
‧溫度：
輪齒的平衡溫度和微孔蝕直接有關，因為溫度影響到彈性液動潤滑EHL的油膜厚度和其中添加劑的活動。平衡溫度是由摩擦熱、擾動熱和傳導對流的熱散效應所混合的溫度平衡點，所以高速運轉的齒輪其輪齒的溫度可能遠高於供給齒輪潤滑的滑油溫度。原則上，溫度昇高時，對於抗拒微孔蝕的能力下降。然而有些滑油的添加劑卻可以在溫度上昇時，同時提升抗拒微孔蝕的效能。所以經由實際的操作溫度來測試油品微孔蝕保護狀況，才是最確實有效的。
微孔蝕對齒輪的傷害起初由粗糙表面凸出部分相互接觸干涉開始，再漫延至整個齒輪表面。微孔蝕的齒面看起來會比較暗沉、灰白色澤。微孔蝕產生的程度隨著齒輪表面精度、負荷、速度和溫度等或多或少都有關聯，而滑油的基礎油類別、黏度、添加劑組成，以及外界的污染物都會影響到滑油對抑制微孔蝕的效能。