殼牌TCO專刊：開式齒輪的傳動與潤滑

本刊記者 沈 穎

1 齒輪傳動

齒輪傳動是 機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應用廣泛，傳遞的功率可達數十萬千瓦，圓周速度可達150m/s（最高達300m/s），直徑能做到10m以上。

齒輪傳動分為三種，即開式，半開式和閉式。齒輪傳動沒有防塵罩或機殼，齒輪完全暴露在外面，這叫開式齒輪傳動。這種傳動不僅外界雜物極易侵入，而且潤滑不良，因此工作條件不好，輪齒也容易磨損，故只宜用于低速傳動。當齒輪傳動裝有簡單的防護罩，有時還把大齒輪部分浸入油池中，則稱為半開式齒輪傳動。它的工作條件雖有改善，但仍不能做到嚴密防止外界雜物侵入，潤滑條件也不算最好。而汽車、 機床、航空 發動機等所用的齒輪傳動，都是裝在經過精確加工而且封閉嚴密的箱體（機匣）內，這稱為閉式齒輪傳動（齒輪箱）。它與開式或半開式的相比，潤滑及防護等條件最好，多用于重要的場合。但由于開式傳動方式具備傳送巨大力矩的優勢，因此多為大型水泥設備所采用，如球磨機、管磨機、回轉窯等。當然較大的力矩傳送勢必使齒圈承受較高應力，為保證設備正常的工作，對使用單位而言，潤滑劑、潤滑劑用量以及潤滑方式的選擇是極其重要的。

開式齒輪傳動中易落入灰塵、屑等外部介質而造成潤滑油污染，齒輪易于產生磨料磨損。當對開式齒輪給以覆蓋時，在相同的工作條件下，開式齒輪的潤滑要求與閉式齒輪相同。

開式齒輪傳動通常使用高粘度油、瀝青質潤滑劑或潤滑脂，并在比較低的速度下能有效工作。現有三個檔次的分類，即普通開式齒輪油（CKH）、極壓開式齒輪油（CKJ）及溶劑稀釋型開式齒輪油（CKM）。

2 開式齒輪傳動設備易出現的問題

水泥行業連續運轉的大型設備,一般都長期處于高溫、重負荷、潮濕、多塵的苛刻環境下,設備比較龐大且投資較高,因此維修費用高,停機損失大,對潤滑油品的要求也特別高。如果潤滑不當，設備表面會出現不同程度的損傷，主要表現在過度磨損、擦傷、膠合、點蝕、塑性變形等，繼而導致齒面金屬材料遺失，改變齒輪幾何尺寸，嚴重影響齒輪副的使用壽命，降低設備連續運行，對生產造成影響。

過度磨損：是指由于長期使用性能與工況條件不符的潤滑劑，由于潤滑劑本身抗磨損性能差，摩擦系數過高，大的滑動摩擦力會使齒輪表面快速磨損，從而使齒輪副達不到設計壽命，主要表現為齒輪表面明顯粗糙，嚴重時齒廓失去漸開線形狀。

擦傷：由于齒輪表面承受過大的接觸應力所致。潤滑劑如果擠壓性能不足或齒面缺少足夠的潤滑劑，導致潤滑油膜不能及時建立，齒輪處于干摩擦或臨界摩擦狀態，嚙合齒面直接接觸，造成齒輪材料的移除。主要表現為齒面上沿滑動方向出現溝槽，分布在滑動速度較快的齒頂、齒根區域。

膠合：膠合是由于齒輪承受過大的接觸應力或較高的齒面溫度，導致油膜不能建立，齒面上峰谷接觸時發生局部熔焊，而后伴隨齒面的相對運動，促使節點發生塑性變形和破裂，導致齒面材料損傷或遷移。主要表現為相互嚙合齒面間齒面表層材料發生撕裂，形成連續的、一定面積、一定深度的凹坑，嚴重時可能覆蓋整個齒寬。

點蝕和剝落：點蝕的初期形貌變現為疲勞破壞。隨著裂紋擴展、連接，最終造成齒面金屬材料脫落，形成初期點蝕，并可能持續發展為擴展性點蝕、片蝕或剝落。點蝕損傷對齒輪的使用壽命有較大影響，嚴重時齒輪厚度大大減少，甚至出現斷齒。主要表現為齒面金屬材料的遺失、出現凹坑、且凹坑的邊緣較為尖銳。

塑性變形：塑性變形時一種卸去外部載荷后不能恢復的變形，其產生的主要原因是齒輪受到過大載荷沖擊所致。主要表現為齒輪材料在齒表上流動，齒面上出現類似山雞蛋形狀，平行于齒輪的嚙合線，嚴重時可以延伸到整個齒寬分布。

3 潤滑劑的要求

為避免水泥設備出現上述問題，就要求潤滑劑具備以下特點：

良好的粘附性能。潤滑劑只有具備較強的粘附性能才不至于在工作過程中被甩落導致損耗，從而保證潤滑劑具備足夠的量，實現設備的潤滑及帶走由于齒輪間摩擦產生的熱量。

優異的抗磨損性和抗擠壓性。由于該類型的傳動裝置需要傳遞較大的力矩，這就要求潤滑劑本身具備FZG測試級別12，四球燒結負荷800kg，只有具備上述技術要求才不至于潤滑劑從齒輪副間被擠出或潤滑性能失效。

應采用 含有一定比例的固體添加劑和一定量的擠壓抗磨添加劑，以滿足由于邊界潤滑和緊急潤滑的要求。固體添加劑和擠壓抗磨添加劑的加入有助于潤滑劑性能最大的發揮，但不當的加入會對基礎用油產生負面影響，對潤滑劑的初始粘度和流動性等存在抑制作用。

應具備良好的油膜強度。由于設備在運行過程中，尤其熱工設備，比如水泥設備回轉窯受具體操作條件和環境因素影響較大，齒輪副間產生交變應力和沖擊負荷的情況是經常性的，最大限度減弱這些沖擊對嚙合面的影響是選擇合適潤滑劑的基礎。

由于開式齒輪油一般粘度較大，不利于更換，因此要求潤滑劑使用條件或使用溫度應用范圍較廣，避免因季節的變換產生環境溫度的變化而變質或失效，這就要求潤滑劑中添加適當的防腐劑，對于使用噴灑或油池潤滑的系統，要求潤滑劑具有合理的流動性。

3.1 潤滑油的選擇

在決定開式齒輪傳動潤滑油時，應考慮下列因素：

(1) 封閉程度；

(2) 圓周速度；

(3）齒輪直徑尺寸；

(4）環境；

(5）潤滑油的使用方法；

(6）齒輪的可接近性。

開式齒輪傳動的潤滑方法一般是全損耗型的，而任何全損耗型潤滑系統，最終在其齒輪表面只有薄層覆蓋膜，它們常處在邊界潤滑條件下，因為當新油或脂補充到齒面時，由于齒面壓力、齒輪回轉時離心力等的綜合作用，只能在齒面上留下一層薄油膜，加上考慮齒輪磨合作用，因此潤滑油必須具備高粘度或高稠度和較強的粘附性，以確保有一層連續的油膜保持在齒輪表面上。

3.2 潤滑脂的選擇

最通用類型的開式齒輪傳動潤滑脂是一種像焦油瀝青那樣具有黑色、膠粘的極重石油殘渣材料，這種材料對齒輪起保護作用，要使用它們，必須加熱軟化。現在一般是通過供油者加一種溶劑，使它們變成一種液體，這種溶劑是一種揮發性無毒的碳氫化合物，使用時直涂上或噴上，當其溶劑揮發后，有一層塑性的類似橡膠膜覆蓋在齒面上，以達到阻止磨損、灰塵和水的損害，最終達到保護齒輪的目的。某些類型的開式齒輪潤滑劑要加入極壓抗磨添加劑，當它們與大氣接觸后，就能較稠而牢固地附著在齒輪表面，以阻止灰塵的沉積和水的侵蝕。在考慮潤滑方式時，應該知道：循環油比周期性加油對齒輪潤滑更有效和方便。對于小開式齒輪和齒輪輪系可使用比較軟的潤滑脂。

基礎油和添加劑對潤滑脂配方至關重要。殼牌公司特別指出，潤滑脂增稠劑是潤滑脂的重要成分，并影響潤滑脂的質量。在大多數國家，鋰基或復合鋰基增稠劑用于大多數設備（80%左右），這些潤滑脂提供出色的抗水性、卓越的機械穩定性、抗腐蝕性和高低溫條件下保持觸變性（充分的粘性）。對于高度專業的應用，比如開式齒輪，像皂土或復合鋁基增稠劑可以用于實現固有的耐溫性和負荷能力。