大型礦用挖掘機開式齒輪潤滑劑的開發及應用

楊文義 薛萬安 郭振俊 李 勇 張華明 姬儒東

（1.神華北電勝利能源有限公司，內蒙古自治區錫林浩特市，026000；2.中石化潤滑油天津分公司，天津市漢沽區，300480）

挖掘機是露天開采工藝中最重要的設備之一，挖掘機開式齒輪機構的潤滑歷來都是個難題，潤滑劑選擇不當常常會出現嚴重的點蝕、擦傷、刮傷及過度磨損等現象，使開式齒輪未達到使用壽命就進入大修，增加了維修成本，且35m3及以上的挖掘機開式齒輪潤滑劑份額一直都被殼牌、美孚、BP和Withmore等國外公司占據，國內的技術空白導致國外產品價格昂貴，也使得挖掘機開式齒輪潤滑劑的使用成本居高不下。隨著近期煤炭價格的走低，效益與成本矛盾日益突出，開發出應用品質優良且價格低廉的國產開式齒輪潤滑劑已迫在眉睫。

1 WK-35型挖掘機開式齒輪結構及潤滑條件

WK-35型挖掘機開式齒輪集中潤滑系統主要由以下幾部分構成：潤滑油油箱、氣動潤滑泵、液動換向閥、分布于平臺下部的大齒圈護罩、起重臂上的分配器、噴射控制閥及管路等，由一臺林肯公司的氣動泵供油。使用FARVAL 公司的液動換向閥 （DR-460B）作為雙線系統切換和控制的組件。換向閥換向壓力范圍為3.5～24.5MPa，出廠設定壓力為10.5 MPa。根據不同環境的溫度工況，換向閥的換向壓力一般設定在5.0～15 MPa 左右。夏季氣溫高宜取小值，冬季氣溫低宜取大值，根據需要在工作范圍內進行調節。潤滑間隔時間由電氣來設定和控制，一般工況下，潤滑間隔時間可設定為15～30min，可根據實際情況進行調整。

1.1 回轉齒輪結構及潤滑條件要求

WK-35型挖掘機回轉大齒圈及小齒輪共有8個噴嘴，分布于前后回轉小齒輪兩側的上下部位。大齒圈和前后兩個驅動小齒輪齒面都與地面垂直，采用側噴下排的開式齒輪潤滑方式，對潤滑劑的噴射效果及附著力要求較高。回轉機構示意圖見圖1，回轉機構開式齒輪潤滑劑噴嘴技術參數見表1。

圖1 回轉機構示意圖

1.2 推壓齒輪結構及潤滑條件要求

推壓齒輪上部橫置2個噴嘴，齒條朝下，潤滑劑流失速度快，要求潤滑劑附著力強且推壓沖擊較大，即潤滑劑極壓的性能很高，推壓大臂側面與地面垂直，上部裸露，附著力要求高。推壓機構示意圖見圖2，推壓機構開式齒輪潤滑劑噴嘴參數表見表2。

表1 回轉機構開式齒輪潤滑劑噴嘴技術參數表

表2 推壓機構開式齒輪潤滑劑噴嘴參數表

圖2 推壓機構示意圖

WK-35型挖掘機開式齒輪機構的總體潤滑特點是低轉速、齒面間在短時間內經常會有重機械載荷、潤滑劑反復受到短時間高載荷的影響、接觸面間隙在20～40μm 之間、開式齒輪是在混合潤滑條件下運轉以及設備可在野外運行，勝利能源有限公司所在地錫林浩特市冬季最低溫度可達-35℃，對產品的低溫流動性能和低溫泵送性能有極高要求。

2 開式齒輪潤滑劑的工藝要求

2.1 選擇合適的基礎油

基礎油的研究首先要考慮的是基礎油的粘度，通常情況下，根據理論計算得出粘度參考范圍，再根據實際情況進行修正，是一般潤滑設計中通常的方法。根據Hamrock-Dowson 公式，潤滑油膜的厚度與速度成正比，與潤滑油粘度成正比，與載荷成反比，為了保證較好的潤滑油膜，低速軸承用較高粘度的基礎油、高速軸承用較低粘度的基礎油比較科學。根據計算，工作溫度下的粘度范圍是2450～4900mm2／s。

在錫林浩特，冬季最低溫度可達-35℃，夏季最高溫度可達35℃，要保證潤滑脂在-35℃～35℃的泵送性能。考慮到冬季大部分時間氣溫在-20℃左右，因此在計算基礎油粘度時，工作溫度以-20℃為根據。如果以-35℃為準，會造成在大部分時間的基礎油粘度偏小，基礎油傾點要小于-35℃，以保證在-35℃情況下有良好泵送性能，基礎油確定情況見表3。

2.2 極壓劑的確定依據

開式齒輪工作在嚴酷的條件下，屬低速重載設備，需加入極壓抗磨添加劑和固體添加劑。固體添加劑通過易于晶格變形結構來承受高剪切載荷，可以在啟動、沖擊和緊急情況下，提供短時間的表面保護。同時，加入極壓抗磨添加劑，可以提供更好的潤滑保護。

表3 開式齒輪潤滑脂基礎油的確定

二硫化鉬層狀結構是鉬和硫通過共價鍵結合在一起的六方晶系結構，每一個晶體有很多二硫化鉬分子組成，每一個二硫化鉬分子層分為3 個原子層，上下兩層為硫原子層，中間一層為鉬原子層，每個鉬原子被6個硫原子所包圍 （6個硫原子分布在三棱柱體的各頂端），只有硫原子暴露在分子層的表面，每個分子層的厚度為0.626nm，二硫化鉬良好的潤滑性能是由其晶體結構決定的。因為每個分子層的硫原子與鉬原子之間的結合力很強，而分子之間的硫原子與鉬原子之間的結合力很弱，因而產生了一個低剪切力的平面，當分子之間受到很小的剪切力時沿分子層很容易斷裂，而形成滑移面。

由二硫化鉬的物理和化學性質可見，該物質具有摩擦系數低、硬度低、適用的溫度、載荷及速度變化范圍廣的特點，具有優良的潤滑性、附著性、抗壓性、抗腐蝕性和超低溫及熱穩定性等優點，特別適用于接觸面極緊密以及精度高的機械摩擦副潤滑，能長時間地保持潤滑狀態，可以解決一般潤滑油難以潤滑和工作環境惡劣的摩擦面。

石墨具有耐高溫、抗腐蝕和自潤滑等特性，作為良好的固體潤滑劑及潤滑添加劑，以各種形式應用于機械設備以及加工工藝的潤滑。起到了性能維護及節能降耗、提高生產效率的作用。石墨系材料良好的潤滑性來源于其本身層狀的晶體結構，在石墨層狀的晶體結構中，碳原子以sp2 雜化軌道構成了六角網狀的石墨層面，其碳-碳間的鍵能屬于一種共振σ- 鍵 （σ- 電 子 共 價 鍵），鍵 能 高 達627kJ／mol，它賦予了石墨層面堅固的性質；而石墨層與層之間的作用屬于弱的范德華力，石墨層面兩側的共軛效應由H- 鍵相作用而產生，其鍵能只有5.4kJ／mol，僅是層內碳原子間共價σ- 鍵強度的1／110。基于這種結構上的特征，決定了石墨層耐負荷、耐腐蝕、抗高溫、抗輻射的特性以及層面間良好的滑移性，為石墨作為高性能的潤滑材料奠定了基礎，固體添加劑結構見圖3。

圖3 固體添加劑結構

經過配伍性試驗篩選得出最佳極壓劑配比，配伍性試驗數據表見表4。

表4 配伍性試驗數據表

由表4的配伍性試驗數據表可以看出，配方2極壓抗磨性能及防銹性能皆優秀，所以選擇2號配方。

3 試制樣品與在用樣品 （外樣）性能的對比分析

3.1 TIMKEN OK 值對比測試分析

根據GB／T 11144廣泛用于測定潤滑液的極壓性能，用戶在確定規格值時應考慮方法的精密度和偏差。在測定潤滑劑承載能力的過程中，出現刮傷或卡咬現象時加在負荷杠桿砝碼盤上的最小質量（重量）稱為刮傷值。當潤滑油膜大量存在，試塊上則得到光滑的磨痕；當油膜破裂時，則會發生刮傷或試塊的表面破壞。最簡單且最容易辨認的創傷形式是：試塊上的磨痕比較寬且有犁痕產生，試環表面上有過量的金屬堆積，這種表面破壞的形式經常會遇到。但是也有如下的情況發生，磨痕表面比較光滑，但存在局部的破壞，即劃痕延伸到磨痕之外，這種情況也視為刮傷。還有一種情況是雖然在光滑的磨痕內有劃痕產生，但未延伸到磨痕之外，這種情況不認為是刮傷。該方法是將潤滑脂在24±6℃被壓到試驗環上， 主軸在轉速為800±5r／min的條件下運轉10min±15s，觀察試塊表現磨痕來確定試驗結果，評定出潤滑脂的極壓性能。

根據實際需要，可計算試環和試塊之間的接觸壓力，在OK 值被確定之后，卸下試塊，用航空洗滌汽油和丙酮清洗并吹干。用顯微鏡上的測微器測量OK 值下的磨痕寬度，測準到0.05 mm（0.002in）。試驗可根據磨痕寬查到對應負荷下的接觸壓力，此處可以通過GB／T 11144查詢，試制樣品及外樣極壓值對比表見表5。

由于加入固體添加劑后，為TIMKEN OK 值的測試評判帶來困難，因此改用測試相同負荷條件下的磨斑情況來判定極壓性能的優劣。

表5 試制樣品及外樣極壓值對比表

從表5可以看出，試制樣品與外樣TIMKEN OK 對比數據，在45lb的測試條件下，外樣1磨斑較大而形貌分布不規則從而磨損量較大，外樣2磨斑較小而形貌分布較均勻從而磨損量較小；樣品1磨斑較大形貌分布較均勻從而磨損量較大，樣品2磨斑較小形貌分布較均勻從而磨損量較小。

3.2 極壓性能對比測試分析

本方法規定了在極壓四球機上測定潤滑脂極壓性能的方法。在規定的負荷下，上面一個鋼球對著下 面 靜 止 的 3 個 鋼 球 旋 轉， 轉 速 為1770±60r／min，潤滑脂溫度為27±8℃，然后逐級增大負荷進行一系列試驗后測量球盒內任何1個或3個鋼球的磨痕直徑，直到測出發生燒結為止。該方法適用于區分潤滑脂的極壓性能。

燒結負荷在本試驗條件下，使轉動球與3個靜止的球發生燒結 （或磨痕超過4 mm）的最小負荷，表示已超過潤滑脂的極壓能力極限。使用四球試驗機進行測試時，接觸應力遠遠大于挖掘機實際工作時的接觸壓力，當負荷試驗達到400kg 時，極壓性能就可以達到實際工況對極壓性能的要求，試制樣品及外樣極壓值對比表見表6。

表6 試制樣品及外樣極壓值對比表

從表6試制樣品機外樣極壓值對比表看，樣品1和樣品2的極壓值和磨斑直徑都與外樣1和外樣2非常接近，性能甚至好于外樣。

3.3 動力粘度分析

流變性能測試對比圖見圖4。

圖4 流變性能測試對比圖

為了對比試制樣品與外樣流變性能，實驗室制作了流變性能測試對比圖，從圖4流變性能測試對比圖看，試制樣品性能處于外樣1和外樣2之間，樣品1低溫性能較好。

3.4 泵送性能分析

美鋼聯泵送性能測試主要考察潤滑脂在特定的溫度下泵送性能。美鋼聯泵送性能測試對比數據見表7。

表7 美鋼聯泵送性能測試對比表

由表7可以看出，外樣1在-10℃和5℃下的泵送量較差，外樣2和樣品1的泵送量較好，而樣品2比外樣1的泵送量較多。樣品1和外樣2在選擇的基礎油、稠化劑和添加劑體系能夠滿足開式齒輪的潤滑管路的輸送，不會在-10℃以上的氣候下堵塞管線，同時降低管路輸送能量。

3.5 產品典型數據

產品配方及工藝確定后，進行生產，產品數據見表8。

4 混兌試驗

考慮到新產品與進口產品可能混用，需要注意潤滑脂的相容性，因此進行混兌試驗，兩種產品以1∶1的比例混兌，混兌結果見表9。

表8 產品典型數據表

表9 兩種潤滑脂混兌化驗表

由表9可以看出，二者混用時，產品性能不會下降，不會對摩擦副造成不良影響，開始試用時，可以不清洗齒面。

5 試制產品在試用過程中的觀測和采樣分析

5.1 觀測器具及方法選擇

使用數碼相機用來定期記錄齒面情形，有無新的點蝕出現或舊的麻點有沒有擴大等。

油料分析光譜儀可以定期采到齒面樣品，進行元素分析，確定新產品的流出和進行磨損量分析。

5.2 觀測及采樣分析

5.2.1 選擇最具代表性的點進行觀測點

為了考察試制產品的性能，選擇了最有代表性的8個點進行了定期觀測和采樣分析，觀測點及采樣點見表10。

在裝入試制產品的第二天進行了采樣分析，元素分析表見表11。

表10 觀測點及采樣點表

由表11可以看出，試制產品在裝入的第二天已經在所有觀測點和采樣口噴出，噴射量與外樣比不相上下。由于WK-35型挖掘機開式齒輪結構及潤滑特點，采到合適的樣品比較難，所以分析數據只能做參考用。

表11 元素分析表

圖5 推壓小齒輪齒面狀態對比

圖6 附著效果對比圖

5.2.2 齒面狀態對比

在裝入試制產品之前，推壓齒輪已經存在不同程度的剝落現象，可以通過3個月對指定部位齒面剝落程度對比來評定試制產品的好壞，推壓小齒輪齒面狀態對比圖見圖5。

由圖5可以看出， 試制產品在WK-35型挖掘機上試用3個月，齒面未出現新的剝落點，原剝落面積也沒有擴大。

5.2.3 附著效果及油膜對比

為了證明試制樣品良好的附著能力，取外樣附著效果與裝入試制樣品后附著效果照片進行了對比，附著效果對比圖見圖6。

由圖6可以看出，試制產品的附著效果較好，附著量已經達到同類產品水平。

6 效益分析

開發和應用WK-35型挖掘機開式齒輪潤滑劑的目的是為了在滿足潤滑條件的前提下降低潤滑成本，應用新產品后產生的經濟效益如下：新產品單價為60元／kg （估計）；進口產品單價為80元／kg；WK-35型挖掘機單日用量為15kg，通過計算可得出單臺WK-35型挖掘機應用新產品后年節約潤滑成本為109500元人民幣。神華北電勝利能源有限公司擁有6 臺WK-35型挖掘機，全部應用新產品后可節約657000元人民幣／a，經濟效益可觀。

7 結論

針對WK-35型挖掘機開式齒輪機構研制開發的GRK- AB 開式齒輪潤滑劑是通過對WK-35 型挖掘機開式齒輪結構及潤滑條件進行分析，運用潤滑劑生產工藝的通用做法進行選油、選稠化劑、選添加劑進行調配，經歷了長時間的試用觀測和采樣分析，最后得出結論GRK-AB 開式齒輪潤滑劑滿足WK-35型挖掘機開式齒輪機構的潤滑要求，并且能夠節省不菲的潤滑成本。

［1］ 丁燈.大型開式齒輪常見損傷及潤滑建議 ［C］.西寧：2008年中國水泥技術年會暨第十屆全國水泥技術交流大會論文集，2008

［2］ 溫詩鑄，黃平.摩擦學原理 ［M］.北京：清華大學出版社，2002