關于半自磨機開式齒輪潤滑油選用的探討

高 峰

（攀鋼礦業公司白馬選礦廠，四川 攀枝花 617063）

關于半自磨機開式齒輪潤滑油選用的探討

高 峰

（攀鋼礦業公司白馬選礦廠，四川 攀枝花 617063）

通過齒輪摩檫學對漸開線齒輪嚙合傳動受力以及齒輪典型損傷進行分析，針對開式齒輪潤滑工況特點對適用潤滑油脂進行對比分析，現場使用對比后，提出適合開式齒輪的潤滑方案。

齒輪；摩擦；潤滑；油膜；磨損；能耗

一、齒輪摩檫學

齒輪摩擦不同于滾動軸承與滑動軸承，兩者有顯著區別，齒輪接觸面潤滑條件相對困難。因此，齒輪傳動對潤滑劑有更高要求。

齒輪嚙合過程中，齒面負荷和表面速度以整個齒嚙合距離是連續變化的。齒面速度總和等于流體力學有效速度VΣ，齒面速度之差等于滑動速度Vg。該滑動速度連同局部有效壓力（即所謂的齒面接觸的滑動、滾動接觸壓力）造成沿切線方向流向齒面的摩擦負荷，從而導致滑動、滾動接觸溫度升高。如圖2所示，在整個齒嚙合過程中，只有在節點接觸C處是純滾動移動而無滑動速度。

圖1

齒嚙合中靜態和動態負荷分布，如圖2（a）所示靜態負荷沿齒嚙合距離的分布。在單齒嚙合面，整個負荷由一對齒傳遞，而在雙齒嚙合面則由兩對齒傳遞。由于齒的彈性，由雙齒嚙合向單齒嚙合以及再回到雙齒嚙合的轉變不是突變性而是接近線性的變化。齒嚙合是一個振動系統，振動系統內動態負荷有時明顯超過靜態負荷分布。在齒輪傳動系統中，具有黏度的潤滑劑具有吸振作用。齒輪運行中，潤滑劑大量吸收振動，降低齒輪振動、噪聲，同時吸收的能量轉化為熱能，使接觸面齒輪溫度升高，同時也降低了齒輪傳遞效率。

齒輪嚙合面潤滑膜的生成。齒輪嚙合形成良好潤滑的關鍵因素是在嚙合面形成足夠的潤滑油膜厚度。在每個輪齒嚙合全長上可以看出，在節點C上輪齒作純滾動而無滑動，擁有相對最好的潤滑條件（僅僅考慮滑動速度比，不考慮其他因素）。潤滑油膜隨著每一個新嚙合齒尖重新形成，隨著每一個輪齒嚙合分開而破壞。因此，齒輪傳動的劇烈的間歇工況條件相比滾動、滑動軸承非常不利于潤滑油膜的形成。

在低速和邊界潤滑條件下，主要發生磨損。齒面膠合，在高速和齒面硬化情況下，主要發生膠合和磨粒磨損。白馬選礦廠磨機開式齒輪磨損不是這種破壞。

微觀形成機理：在載荷作用下，齒面微觀高點在外力作用下,會反復不斷進行搖擺，超過疲勞周期，在其根部表面下0.2μ m附近會形成微小裂紋，隨著破壞不斷進行，最終微小裂紋會躍出表面，形成與外界相通的微小裂隙，肉眼無法觀察到的微小疲勞破壞（需用顯微鏡觀察）。隨著微觀高點的搖擺，黏度低的潤滑油會滲入這些微隙，在外載荷作用下，在微隙中產生超高壓強，向深部發展，如果連續不斷進行損傷，這些早期的微小疲勞損傷將會擴大，形成點蝕。收斂型最終會從較深部像表面發展，最終剝落，形成麻點蝕（肉眼可見）；擴展性點蝕會向深部不斷發展，最終因輪齒強度不足而發生折齒事故。點蝕是微點蝕發展后期，經常發生在淬火-回火和表面硬化的齒輪上。點蝕主要發生在沿節圓高度附近，因為這里發生最高負荷F動態-齒嚙合線內的齒力，此部位材料較快進入疲勞破壞。點蝕出現表面硬化齒輪和淬火-回火齒輪的表現形式有較大區別：在表面硬化的齒面，點蝕僅僅出現一個齒面或沒有表現（微點蝕狀態），其他齒面沒有任何損傷。

與之相反，淬火-回火齒輪點蝕破壞會表現在整圈齒面上。我廠9M半自磨機出現過嚴重的點蝕破壞就是這種情況，表現為：大齒圈（淬火-回火）在節圓附近出現嚴重點蝕破壞，發展為擴展性點蝕，進而產生折齒破壞，小齒輪（滲氮或滲碳處理）沒有任何損傷（圖3、4為大小齒輪對比）。

圖2 齒嚙合過程動態負荷分布

圖3 9M大齒輪

圖4 9M小齒輪

二、齒輪潤滑油

選用的潤滑油如不適應齒輪傳動機構運行和工礦條件，除引起齒輪裝置早期故障，還可能擴展導致最大的損傷直至傳動系統破壞導致事故。

大型開式齒輪具有傳遞大功率、齒面粗糙度較高、工作條件苛刻（礦漿、沖擊載荷等）的工礦條件。

（1）低速、重載、伴有沖擊載荷。

（2）易受粉塵、漿液、水的侵襲。

（3）有時伴有高溫。

獨特的工況條件決定了其潤滑油選擇要具備以下性能：①黏附性強（不易甩脫和損耗）；②高的抗磨性和抗極壓性能（FZG測試級別≥12，四球焊接符合>650kg）；③磨機振動大，具備足夠的油膜強度（能減弱沖擊負荷對齒面的影響）；④含有一定比列的固體添加劑和EP（極壓）添加劑（滿足邊界潤滑和緊急潤滑）；⑤良好的噴灑。

最早期的開式齒輪潤滑劑選用的是瀝青（2#齒輪油即黑牙油）類，通常在瀝青中加有極壓添加劑和溶劑，具有較高的黏度，形成的油膜比較厚，能耐高溫。但因為環保問題，逐步被新型潤滑劑取代。

其后又發展為純油類，純油類無論是礦物油或者是合成油，通常加有極壓添加劑，基礎油為高黏度。

在純油類基礎上添加固體添加劑形成了復合油（缺點是靜置固體添加劑會沉淀）潤滑劑，提高了純油類潤滑劑的抗沖擊載荷能力，并增加了緊急載荷功能。

最后發展了開式齒輪潤滑脂，基礎油添加稠化劑，同時添加極壓添加劑和固體添加劑。由于其承載能力高、油膜厚、耐高溫和水、抗磨性能優良、密封性好、易于觀察載荷分布，逐漸在市場上占有主導地位。

潤滑油脂與潤滑油的優缺點對比：

（1）耐負荷性：潤滑脂（含有固體添加劑）優于潤滑油。

（2）工作溫度關聯性：潤滑脂關聯性低，工作溫度對潤滑脂綜合黏度影響不大，目前國際上無標準；潤滑油黏度與工作溫度關聯性高。

（3）粘附性：潤滑脂優于潤滑油。

（4）含固體添加劑（石墨）具備緊急（沖擊負荷或震動）潤滑功能。

（5）邊界潤滑性能：開齒一般要求基礎油黏度>1500cst(40℃)即可，關鍵看極壓添加劑的性能。潤滑油、潤滑脂兩者均有極壓添加劑，邊界潤滑性能相當。

（6）應急潤滑功能：潤滑脂具備緊急潤滑功能，潤滑油不具備緊急潤滑功能。

（7）流動性：潤滑油優于潤滑脂。

（8）散熱性：潤滑油優于潤滑脂。

（9）密封性：潤滑脂優于潤滑油。

（10）防水性：潤滑脂優于潤滑油。

三、半自磨機使用情況

我廠1#、2#、3#三臺半自磨機分別于2010年9月、2011年7月、2011年10月投產。1#、2#半自磨機為相同的7.32m半自磨機、3#為9.15m雙驅半自磨機。1#半自磨機使用L牌潤滑脂（黏度3000），2#、3#使用K牌潤滑油，1#半自磨機于2013年3月更換為K牌潤滑油使用至今。下面從能源消耗、備件消耗及潤滑油成本等方面對其使用情況進行對比：

能源消耗：二期投產以來，1#、2#、3#半自磨機沒有進行單獨計量，生產車間均根據二期設備裝機總功率按比列劃分為工序消耗。磨選分為二期工序、半自磨工序，半自磨車間分為破礦工序、磨礦工序、管道工序。選擇合適的時段對同一工序比較可較為準確地分析、對比出潤滑油使用對能耗的影響。2#、3#半自磨機于2011年下半年投產，投產后對1#、2#、3#半自磨電單耗均影響較大，沒有可比性。3#半自磨原礦計量2013年7月前使用記錄車數方法計量原礦量，誤差較大，3#半自磨2012-2014年電單耗縱向對比只有參考價值。2013年底選廠完成四改三改造，尾礦濃度提高等技術改造，對電單耗影響較大，2014年指標只有參考意義。2012-2013年度工礦大致接近，指標具有指導意義。1#半自磨于2013年3月更換潤滑油，專門針對該設備采用從4月1日起至年底的磨礦量、耗電量及作業率等相應真實數據指標核算出相應電單耗。重點對1#半自磨2012年度、013.4-2013.12指標進行對比。

相同條件下影響電單耗主要兩方面：第一，臺時給礦量；第二，設備狀況。為盡量滿足相同條件對比，采用折比方法。即以2012年臺時指標為對比標準，折比電單耗：2013年用電量為實際用電量除以折算磨礦量。折算磨礦量按同道工序2012年的臺時指標根據作業率及日歷時間折算而得，這樣可以盡量消除生產臺時對電單耗的影響，電單耗可以反映出實際的設備狀況對能耗的影響程度。備注欄以折算電單耗除以2012年實際電單耗，可反映出設備狀況的影響程度。

如表1對比可以看出：2014年、2013年對比降低1.2%，較真實。2#半自磨2013年、2014年均有降低，與臺時提高相符，2014年四改三及臺時雙重影響，幅度較大。3#半自磨計量影響，只有參考價值，2014年電單耗小幅降低符合臺時提高影響規律。1#半自磨2013年大幅提高，與選用潤滑油有直接關系，四改三影響，2014年較2013年降低8%左右與2#半自磨2014年較2013年降低8%左右相同，可以判斷數據真實可信。排除2013年臺時降低影響，潤滑油影響可達5%以上。2014年1#半自磨電費1467萬元，選用適宜潤滑油按5%計全年可節約電費73.35萬元。推廣至1#、3#,全年估計可節約300萬元電費。

備件消耗：1#半自磨至投產以來一直使用原小齒輪，同樣型號2#半自磨后投產，已消耗一套小齒輪，現兩臺半自磨可能均需更換小齒輪。1#半自磨齒輪使用壽命高于2#半自磨（小齒輪總成89萬元/套）。

潤滑油成本：兩種潤滑油消耗量相同，L牌潤滑脂采購成本低于K牌潤滑油10%～20%。

由此可見，磨機低速重載開式齒輪傳動使用效果潤滑脂優于潤滑油。

表1 電單耗對比表

TH132.4

B

1671-0711（2016）05-0078-03