碳酸鈣粉體設備開式齒輪跑合潤滑脂研制應用

胡雄風　唐弓斌　趙金城　王玥　黃福川

摘 要： 針對碳酸鈣粉體設備中開式齒輪在跑合階段的工作特性和工況的分析，以及跑合階段開式齒輪對潤滑脂所要求的性能；利用基于模糊集合理論的模糊層次分析法（FAHP），對潤滑脂的基礎油和添加劑進行優選。采用Ⅱ類基礎油650SN與聚內烯烴（PIO）復合作為研制潤滑脂基礎油，以及適量添加劑，研制出碳酸鈣粉體設備跑合階段工況使用的專用跑合潤滑脂。并通過現場多臺不同型號設備試用，證明能很好滿足使用要求。

關 鍵 詞：碳酸鈣粉體設備；開式齒輪；跑合潤滑脂

中圖分類號：TE624 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2017）07-1479-04

Development and Application of Open Gear Running-in Grease for

the Calcium Carbonate Powder Processing Equipment

HU Xiong-feng1，2， TANG Gong-bin1，2， ZHAO Jin-cheng1，2， WANG Yue1，2， HUANG Fu-chuan1，2，3

（1. School of Chemistry and Chemical Engineering， Guangxi University， Guangxi Nanning 530004，China；

2. Guangxi Engineering Academy for Calcium Carbonate Industry， Co.， Ltd.， Guangxi Nanning 530004，China；

3. Key Laboratory of Guangxi Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology， Guangxi Nanning 530004，China）

Abstract： According to the analysis of working characteristics and working conditions of the open gears in the calcium carbonate powder processing equipment， the performance requirements of open gear running-in grease were proposed. By the fuzzy analytic hierarchy process method based on fuzzy set theory， suitable base oil and additives for the grease were determined. Special running-in grease for the calcium carbonate powder processing equipment was developed by using Class II base oil SN-650 and poly-internal-olefins （PIO） composite synthetic oil as the base oil and adding appropriate amount of additives. And application results of the grease in multiple devices proved that it can meet the requirements of the use.

Key words： Calcium carbonate powder processing equipment； Open gear； Running-in grease

碳酸鈣粉體被廣泛應用于造紙、牙膏、塑料、橡膠、涂料、無紡布、人造石等行業，不僅可以大幅度降低成本，而且還可以作為功能性填料，改善制品的強度、韌性、穩定性、透氣性、遮蓋率、耐水性等許多應用性能[1]。

碳酸鈣粉體主要分為輕質和重質兩種。輕質碳酸鈣（合成碳酸鈣）為選用優質石灰巖或方解石， 經過一系列鍛燒、硝化、碳化工藝后合成的產品；而重質碳酸鈣（天然碳酸鈣）選用具有較高純、高白特性的方解石、大理巖、石灰石等天然碳酸鹽礦物為原料，經破碎、研磨干法或濕法工藝得到的產品。由于廣西不僅擁有大面積的喀斯特地貌，天然碳酸鈣原礦石資源豐富，而且礦石資源利用率高、下游產品需求巨大。隨著“十三五”計劃的穩步展開，廣西的碳酸鈣產業勢必會得到極大的發展空間。碳酸鈣粉體設備，是碳酸鈣產業中，至關重要的關鍵性機械設備，加工設備的性能好壞，直接制約著碳酸鈣加工產能和效益。常見的碳酸鈣行業粉體加工設備主要有：顎式破碎機、雷蒙磨粉機、立式磨粉機、環輥式磨粉機、球磨機等。這類機械工作原理大致相同，均是通過電機驅動齒輪傳動系統，傳動至研磨腔，通過磨輪、磨盤或顎板的相對運動，迫使礦石受到擠壓、劈裂、沖擊、折屈作用，而破碎。由于大多數礦石加工設備生產環境惡劣，生產過程中，產生的大量的礦石粉塵懸浮于空氣中，容易進入相關設備的傳動系統中，造成傳動系統潤滑工況惡化，并且加劇運動副的磨損和能耗增加，增加生產設備維護成本的同時，造成了產能降低。特別是一些大型采用開式齒輪傳動的碳酸鈣粉體機械部位。由于野外工作條件限制，這類設備的開式傳動齒輪相當多的是直接暴露在外，且這類設備的齒面加工制造工藝的原因，齒輪間潤滑劑極易因受到粉塵、大氣中的水分污染而導致潤滑防銹性失效，造成設備損壞。相關資料顯示：除齒輪結構設計、加工工藝、安裝后期維護等因素外，潤滑與維護不良共占到了開式齒輪傳動裝置損壞因素的18.2%左右[2]。

1 開式齒輪的跑合及潤滑脂優選

跑合階段主要是指由于機械設備內齒輪加工及裝配工藝原因，在新齒輪裝置的使用中，需要經過一段時間跑合運轉，逐漸磨掉表面凸起部分金屬，降低凸起點局部油膜剪切應力應力，增大實際接觸面積，避免發生微凸體處塑性疲勞產生膠合，使嚙合表面保持最適宜的間隙和最佳的接觸狀態，使物理力學性能從最初狀態過渡到使用狀態[3，4]，如圖1所示。新的碳酸鈣粉體機械設備中，開式齒輪良好的跑合，是避免齒輪后期使用中產生潤滑不良的重要影響因素之一，對設備的使用壽命起著決定作用[5]。

在跑合階段，通常采用固體含量較高的專用跑合潤滑脂，來使齒面得到有效的磨損和拋光[6]，有效延長齒輪使用壽命?；谝陨系脑?，開發一種適用于碳酸鈣粉體機械中開式傳動齒輪，能明顯提高新齒輪副承載能力，使齒輪副能得到有效磨損、齒面硬化、降低齒面粗糙度以減少齒輪過早損傷，并且能起到防銹、潤滑、延長使用壽命作用的粉體設備開式齒輪跑合潤滑脂，能滿足碳酸鈣粉體設備中開式齒輪，跑合工況的基本需求。從圖2中可以看到，在新的潤滑脂研制過程中，需要認真分析一系列使用設備的工作工況因素、已確定配方中各組分的品種數量和效能影響的關系。模糊層次分析法基于模糊集合理論的模糊一致關系和模糊一致矩陣。解決了矩陣一致性和矩陣與人的思維差異問題， 并且易于編程實現， 具有比較好的實用性。在評價指標較多、評價帶有模糊性的方案優選中能得到更加滿意的優選結果[7]。因此，在設備潤滑材料研發過程中，納入模糊層次分析法（FAHP），針對目標設備所面對的不同工況因素，進行可靠性權重分配，以達到潤滑脂配比方案優化的目的，可以獲得最優的專用潤滑脂配比并對其進行評價。

2 開式齒輪工況特點及潤滑脂性能要求

基礎油、稠化劑和添加劑是潤滑脂重要的三個組成部分。基礎油的選擇對潤滑脂性能影響較大，是重要的分散介質；稠化劑為是潤滑脂的結構骨架，能減少重力、壓力及向心力等外力帶來的潤滑脂流失，并決定了潤滑脂的耐熱、抗水性能；而添加劑的加入能帶來潤滑脂某種特性的提升與改善。三者的選擇都要求，對所研脂工作工況，做出合理分析，并提出恰當的均衡綜合性能要求。

針對碳酸鈣粉體設備中，大型開式齒輪傳動具有低轉速、重載荷、持續運轉、結構尺寸較大、粉塵污染嚴重的特點；而在跑合期間，又需要對相應齒輪副進行有效的有益磨損。因此，提出研制的跑合潤滑脂應具有下列特性：

（1）良好的極壓抗磨性；極壓抗磨性是開式齒輪最重要的參考指標之一。在跑合階段，良好的極壓抗磨性，能有效避免齒輪嚙合面直接接觸，造成齒面磨損、膠合及點蝕。并且加快齒面細微凸起部分金屬的有益磨損，有效提升跑合質量，縮短跑合運轉時間。

（2）較高的黏度和粘附性；開式齒輪一般處于低轉速、重載荷工況下，足夠的粘度能保證在彈性流體動力潤滑狀態下，不流失形成足夠厚的油膜，使齒輪具有足夠的承載能力，減少齒面點蝕[8]；室外作業時，良好的黏溫特性能使潤滑脂在各種環境溫度下正常工作。

（3）良好的防銹性和抗氧化安定性；開式齒輪直接暴露在外，雨水和碳酸鈣加工粉塵等污染都使其相對閉式齒輪更易氧化銹蝕。另一方面，潤滑脂自身在使用過程中也會發生氧化，產生腐蝕酸性并加劇開式齒輪的腐蝕。因此，潤滑脂自身需具備良好的抗氧化安定性能。

（4）良好的抗外來物干擾性或抗污染性；由于碳酸鈣粉體設備工作環境惡劣多變，粉塵顆粒、水及其他細小雜質都容易進入開式齒輪傳動系統，降低潤滑脂使用壽命，加劇齒輪損耗。良好的抗分油性、膠體穩定性、抗水淋和抗污染性能是這類設備潤滑脂應該考慮到的。

3 基礎油的選擇

在潤滑脂的組分中，基礎油質量分數大約占到70%～85%。基礎油對潤滑脂具有舉足輕重的作用，其理化特性直接影響潤滑脂的使用性能。潤滑脂基礎油的選擇，可以對碳酸鈣粉體設備工況特點及潤滑脂性能要求關系的綜合分析，并結合模糊層次分析方法，對不同種類基礎油進行比較評價、優化篩選。在優選過程中，除了要求基礎油自身具有優異的潤滑性能外，還需要基礎油能作為優良的添加劑載體，并兼顧一定的經濟性。表1為對當前較為常用合成潤滑脂基礎油理化指標的綜合比較評價。

Ⅱ類基礎油（API Ⅱ）是一次加氫處理的基礎油，多以飽和烷烴分子結構為主，具有較好的溶解性和分散性，對非極性和極性添加劑具有良好的的溶解分散能力[9]。由于Ⅱ類基礎油以溶劑工藝和加氫工藝相結合的形式制得，相較Ⅰ類基礎油來說，反應過程改變了烴類結構[10]。使得Ⅱ類基礎油具有較少雜質，良好熱安定性和抗氧性，含更多飽和烴，高黏度和優秀黏溫性和低揮發的特點。

聚α-烯烴（以下簡稱PAO）具有良好的黏溫性能和低溫流動性、氧化穩定性，同時具有礦物油的大多數優點。但其極性小， 對溶解極性添加劑的溶解能力有限，且價格相對昂貴，經濟性差。而聚內烯烴（以下簡稱PIO）在既保持了PAO的基本性能基礎上，價格卻是PAO的75%～80%[11]。PIO是二聚體、三聚體和四聚體的混合物，具有典型的線性結構[12]。若選擇PIO作為潤滑脂基礎油，將具有下列優勢[11]：（1）PIO傾點明顯較API Ⅲ類礦物油低，這保證其在低溫環境下仍具有優良的流動性；（2）優良的高溫清凈性和抗磨性能，確保了潤滑處于邊界潤滑范圍以內，避免齒輪表面擦傷；（3）PIO的氧化安定性、水解安定性均與PAO相當，并優于API Ⅲ類礦物油，使潤滑脂不易酸化變質及水解；（4）優良的低溫動力粘度（CCS）及蒸發損失，保證潤滑脂在不同溫限下都能保持良好的潤滑、冷卻及降噪性能。此外，PIO在生物降解性、添加劑相溶性等方面都優于PAO。通過一系列實驗結果以及理化指標綜合分析（見表2），最終選定按質量比60%～50%（m）的Ⅱ類基礎油650SN與40%～50%（m）的聚內烯烴（PIO）復合作為所研制潤滑脂基礎油。

添加劑的選擇與評定

通過對碳酸鈣粉體設備中開式齒輪工況的分析，選定了以Ⅱ類基礎油650SN與聚內烯烴（PIO）復合作為所研制潤滑脂基礎油。面對設備本身所處的惡劣多變工作條件，單獨依靠基礎油性能，并不能完全滿足使用過程中復雜的需求。因此，需要加入極壓抗磨劑、抗氧防腐劑、固體潤滑劑等添加劑，提升潤滑脂綜合性能。

4.1 稠化劑的選擇

稠化劑能在基礎油中分散和形成結構骨架，并使基礎油被吸附和固定在結構骨架之中，從而形成具有塑性的半固體狀潤滑脂[13]。稠化劑占有潤滑脂總重量的相當大成分，約占到5%～30%的比例?？紤]到碳酸鈣粉體設備的惡劣工況，選擇了具有良好機械安定性、低溫性、抗水性以及優異稠化能力的預制復合鋰鈣稠化劑。不僅可以增強潤滑脂的各項基本性能，而且還能強化所研潤滑脂的抗水性能，提升潤滑脂使用壽命。由于要求研發脂具有相應的錐入度，復合稠化劑添加量約15%～21%（m）時，可滿足要求。

4.2 固體潤滑劑的選擇

固體潤滑劑具有承載能力高、邊界潤滑及吸附性能優異等特點。潤滑脂中加入固體添加劑后，大量的非油性固體微粒均勻地懸浮在潤滑脂中，可以大幅提升潤滑脂的承載能力，有效避免接觸表面金屬凸點間的直接接觸，使混合潤滑和邊界潤滑狀態下的摩擦系數下降，減少摩擦阻力和磨損[14]。為了加強潤滑脂的跑合性能，在所研潤滑脂中，添加一定含量的固體潤滑劑，能有效克服跑合階段，開式齒輪表面金屬加工精度和質量及系列缺陷，并且使齒面得到有效的磨損和拋光，避免齒面出現點蝕與膠合，縮短跑合所需的時間，延長整個傳動系統使用壽命。經過對常用的幾類固體潤滑劑進行綜合分析，應用模糊層次分析法（見表3），選定經濟性較高且綜合性能優異的石墨，作為所研潤滑脂的固體潤滑劑添加劑。

4.3 極壓抗磨劑、防銹劑的選擇

礦山設備的開式齒輪，工作負荷一般較大，需要添加一定量的極壓抗磨劑，能在嚙合齒面承受負荷而產生局部高溫時，生成剪切強度低的硫化、磷化或氯化金屬固體保護膜，將金屬接觸面隔離，防止金屬磨損和燒結[15]。而通常多種添加劑進行復合使用，比單一添加劑表現出來的性能更加優異，合理的調配能克服單一添加劑各自的缺陷。因此選擇硫化異丁烯與磷酸三甲酯進行復合后作為極壓抗磨劑。其能在開式齒輪常遇到的低轉速、高扭矩工況下對齒面形成良好的保護。通過四球機試驗對選定極壓抗磨劑進行了考察后發現：當極壓抗磨劑添加量4%～5%（m）時，對所研潤滑脂綜合抗磨效果最佳。另外，防銹是開式齒輪特別需要注意的一個地方，由于氧、水、碳酸鈣礦石粉塵和其他雜質都會引起電化學腐蝕而導致銹蝕，降低齒面強度。因此，所研潤滑脂的防銹性能至關重要，通過模糊層次分析后優選了石油磺酸鈉與烯基丁二酸復合物作為添加的防銹劑，添加質量分數約為0.5%～1.0%（m）的劑量。

4.4 其他添加劑的選擇

碳酸鈣粉體設備一般都安裝于室外，開式齒輪直接處于暴露狀態。由于對環境溫度、濕度、抗水淋等環境因素感知明顯，因此也對開式齒輪相適配的粘附性、稠化度、抗氧防腐性能、以及抗酸腐蝕性能等都提出了嚴格的要求。對此，為了保證跑合潤滑脂良好的低溫啟動性與高溫潤滑性，選擇聚異丁烯（T603C）與乙丙共聚物（T613）復合作為黏度指數改進劑。為抑制因潤滑脂在空氣中氧化而產生的對齒輪的腐蝕，需添加少量硫磷丁辛基鋅鹽與二硫化氨基甲酸鉬復合物作為抗氧防腐劑。油性劑對金屬具有較強親和力，具有減少摩擦與磨損的功能[16]，由于跑合階段對潤滑脂抗磨性能和較低摩擦系數的要求，可以添加少量苯三唑脂肪酸胺鹽作為油性劑來改善?？紤]到金屬表面離子會促進潤滑脂的氧化，從而對齒輪產生腐蝕，可以添加一定的苯三唑衍生物作為金屬減活劑來與防銹劑配合使用，提升潤滑脂的防銹、抗酸腐蝕性能。

4.5 研制脂理化性能分析

所研碳酸鈣粉體設備開式齒輪跑合階段潤滑脂主要理化指標如表4所示。經過在多臺碳酸鈣礦石粉體設備上的現場試用后，設備跑和運轉期齒輪未發現齒面點蝕和膠合現象的發生，并且對齒輪嚙合面的拋光及表面硬化效果良好，滿足設備制造商要求，其他各項表現也均達到了研制要求。

5 結 論

（1）針對碳酸鈣粉體加工設備中開式齒輪在跑合階段的潤滑要求，將Ⅱ類基礎油650SN與聚內烯烴（PIO）復合后作為所研潤滑脂基礎油，這一基礎油配方不僅使Ⅱ類基礎油添加劑溶劑性、黏溫性及揮發損失方面的不足得以彌補，而且減少對聚內烯烴（PIO）、固體潤滑劑等相對價格較高的添加劑的使用量，使所研潤滑脂具有較高的經濟性。添加了適量的固體潤滑劑后，使潤滑脂更加適合開式齒輪跑合階段工況，所研潤滑脂達到預期要求。

（2）通過選用適當的功能添加劑，本研制油的各項性能良好，完全滿足跑合階段齒輪工況對潤滑脂極壓抗磨、抗腐蝕、抗氧化等方面的需求，使齒輪得到了有效的拋光、有益磨損，并且開式齒輪的跑合效果明顯的提升，延長了齒輪的使用壽命。

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