大型礦用挖掘機(jī)開式齒輪潤(rùn)滑劑的開發(fā)及應(yīng)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(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市，026000；2.中石化潤(rùn)滑油天津分公司，天津市漢沽區(qū)，300480）

挖掘機(jī)是露天開采工藝中最重要的設(shè)備之一，挖掘機(jī)開式齒輪機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑歷來都是個(gè)難題，潤(rùn)滑劑選擇不當(dāng)常常會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的點(diǎn)蝕、擦傷、刮傷及過度磨損等現(xiàn)象，使開式齒輪未達(dá)到使用壽命就進(jìn)入大修，增加了維修成本，且35m3及以上的挖掘機(jī)開式齒輪潤(rùn)滑劑份額一直都被殼牌、美孚、BP和Withmore等國(guó)外公司占據(jù)，國(guó)內(nèi)的技術(shù)空白導(dǎo)致國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格昂貴，也使得挖掘機(jī)開式齒輪潤(rùn)滑劑的使用成本居高不下。隨著近期煤炭?jī)r(jià)格的走低，效益與成本矛盾日益突出，開發(fā)出應(yīng)用品質(zhì)優(yōu)良且價(jià)格低廉的國(guó)產(chǎn)開式齒輪潤(rùn)滑劑已迫在眉睫。

1 WK-35型挖掘機(jī)開式齒輪結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑條件

WK-35型挖掘機(jī)開式齒輪集中潤(rùn)滑系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：潤(rùn)滑油油箱、氣動(dòng)潤(rùn)滑泵、液動(dòng)換向閥、分布于平臺(tái)下部的大齒圈護(hù)罩、起重臂上的分配器、噴射控制閥及管路等，由一臺(tái)林肯公司的氣動(dòng)泵供油。使用FARVAL 公司的液動(dòng)換向閥 （DR-460B）作為雙線系統(tǒng)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(shè)定壓力為10.5 MPa。根據(jù)不同環(huán)境的溫度工況，換向閥的換向壓力一般設(shè)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(jù)需要在工作范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。潤(rùn)滑間隔時(shí)間由電氣來設(shè)定和控制，一般工況下，潤(rùn)滑間隔時(shí)間可設(shè)定為15～30min，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

1.1 回轉(zhuǎn)齒輪結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑條件要求

WK-35型挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)大齒圈及小齒輪共有8個(gè)噴嘴，分布于前后回轉(zhuǎn)小齒輪兩側(cè)的上下部位。大齒圈和前后兩個(gè)驅(qū)動(dòng)小齒輪齒面都與地面垂直，采用側(cè)噴下排的開式齒輪潤(rùn)滑方式，對(duì)潤(rùn)滑劑的噴射效果及附著力要求較高?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖見圖1，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開式齒輪潤(rùn)滑劑噴嘴技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

1.2 推壓齒輪結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑條件要求

推壓齒輪上部橫置2個(gè)噴嘴，齒條朝下，潤(rùn)滑劑流失速度快，要求潤(rùn)滑劑附著力強(qiáng)且推壓沖擊較大，即潤(rùn)滑劑極壓的性能很高，推壓大臂側(cè)面與地面垂直，上部裸露，附著力要求高。推壓機(jī)構(gòu)示意圖見圖2，推壓機(jī)構(gòu)開式齒輪潤(rùn)滑劑噴嘴參數(shù)表見表2。

表1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開式齒輪潤(rùn)滑劑噴嘴技術(shù)參數(shù)表

表2 推壓機(jī)構(gòu)開式齒輪潤(rùn)滑劑噴嘴參數(shù)表

圖2 推壓機(jī)構(gòu)示意圖

WK-35型挖掘機(jī)開式齒輪機(jī)構(gòu)的總體潤(rùn)滑特點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速、齒面間在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)常會(huì)有重機(jī)械載荷、潤(rùn)滑劑反復(fù)受到短時(shí)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(rùn)滑條件下運(yùn)轉(zhuǎn)以及設(shè)備可在野外運(yùn)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(dá)-35℃，對(duì)產(chǎn)品的低溫流動(dòng)性能和低溫泵送性能有極高要求。

2 開式齒輪潤(rùn)滑劑的工藝要求

2.1 選擇合適的基礎(chǔ)油

基礎(chǔ)油的研究首先要考慮的是基礎(chǔ)油的粘度，通常情況下，根據(jù)理論計(jì)算得出粘度參考范圍，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修正，是一般潤(rùn)滑設(shè)計(jì)中通常的方法。根據(jù)Hamrock-Dowson 公式，潤(rùn)滑油膜的厚度與速度成正比，與潤(rùn)滑油粘度成正比，與載荷成反比，為了保證較好的潤(rùn)滑油膜，低速軸承用較高粘度的基礎(chǔ)油、高速軸承用較低粘度的基礎(chǔ)油比較科學(xué)。根據(jù)計(jì)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(dá)-35℃，夏季最高溫度可達(dá)35℃，要保證潤(rùn)滑脂在-35℃～35℃的泵送性能。考慮到冬季大部分時(shí)間氣溫在-20℃左右，因此在計(jì)算基礎(chǔ)油粘度時(shí)，工作溫度以-20℃為根據(jù)。如果以-35℃為準(zhǔn)，會(huì)造成在大部分時(shí)間的基礎(chǔ)油粘度偏小，基礎(chǔ)油傾點(diǎn)要小于-35℃，以保證在-35℃情況下有良好泵送性能，基礎(chǔ)油確定情況見表3。

2.2 極壓劑的確定依據(jù)

開式齒輪工作在嚴(yán)酷的條件下，屬低速重載設(shè)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(jié)構(gòu)來承受高剪切載荷，可以在啟動(dòng)、沖擊和緊急情況下，提供短時(shí)間的表面保護(hù)。同時(shí)，加入極壓抗磨添加劑，可以提供更好的潤(rùn)滑保護(hù)。

表3 開式齒輪潤(rùn)滑脂基礎(chǔ)油的確定

二硫化鉬層狀結(jié)構(gòu)是鉬和硫通過共價(jià)鍵結(jié)合在一起的六方晶系結(jié)構(gòu)，每一個(gè)晶體有很多二硫化鉬分子組成，每一個(gè)二硫化鉬分子層分為3 個(gè)原子層，上下兩層為硫原子層，中間一層為鉬原子層，每個(gè)鉬原子被6個(gè)硫原子所包圍 （6個(gè)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(gè)分子層的厚度為0.626nm，二硫化鉬良好的潤(rùn)滑性能是由其晶體結(jié)構(gòu)決定的。因?yàn)槊總€(gè)分子層的硫原子與鉬原子之間的結(jié)合力很強(qiáng)，而分子之間的硫原子與鉬原子之間的結(jié)合力很弱，因而產(chǎn)生了一個(gè)低剪切力的平面，當(dāng)分子之間受到很小的剪切力時(shí)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(xué)性質(zhì)可見，該物質(zhì)具有摩擦系數(shù)低、硬度低、適用的溫度、載荷及速度變化范圍廣的特點(diǎn)，具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性、附著性、抗壓性、抗腐蝕性和超低溫及熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于接觸面極緊密以及精度高的機(jī)械摩擦副潤(rùn)滑，能長(zhǎng)時(shí)間地保持潤(rùn)滑狀態(tài)，可以解決一般潤(rùn)滑油難以潤(rùn)滑和工作環(huán)境惡劣的摩擦面。

石墨具有耐高溫、抗腐蝕和自潤(rùn)滑等特性，作為良好的固體潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑添加劑，以各種形式應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備以及加工工藝的潤(rùn)滑。起到了性能維護(hù)及節(jié)能降耗、提高生產(chǎn)效率的作用。石墨系材料良好的潤(rùn)滑性來源于其本身層狀的晶體結(jié)構(gòu)，在石墨層狀的晶體結(jié)構(gòu)中，碳原子以sp2 雜化軌道構(gòu)成了六角網(wǎng)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(jià) 鍵），鍵 能 高 達(dá)627kJ／mol，它賦予了石墨層面堅(jiān)固的性質(zhì)；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(cè)的共軛效應(yīng)由H- 鍵相作用而產(chǎn)生，其鍵能只有5.4kJ／mol，僅是層內(nèi)碳原子間共價(jià)σ- 鍵強(qiáng)度的1／110。基于這種結(jié)構(gòu)上的特征，決定了石墨層耐負(fù)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(rùn)滑材料奠定了基礎(chǔ)，固體添加劑結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 固體添加劑結(jié)構(gòu)

經(jīng)過配伍性試驗(yàn)篩選得出最佳極壓劑配比，配伍性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表見表4。

表4 配伍性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

由表4的配伍性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表可以看出，配方2極壓抗磨性能及防銹性能皆優(yōu)秀，所以選擇2號(hào)配方。

3 試制樣品與在用樣品 （外樣）性能的對(duì)比分析

3.1 TIMKEN OK 值對(duì)比測(cè)試分析

根據(jù)GB／T 11144廣泛用于測(cè)定潤(rùn)滑液的極壓性能，用戶在確定規(guī)格值時(shí)應(yīng)考慮方法的精密度和偏差。在測(cè)定潤(rùn)滑劑承載能力的過程中，出現(xiàn)刮傷或卡咬現(xiàn)象時(shí)加在負(fù)荷杠桿砝碼盤上的最小質(zhì)量（重量）稱為刮傷值。當(dāng)潤(rùn)滑油膜大量存在，試塊上則得到光滑的磨痕；當(dāng)油膜破裂時(shí)，則會(huì)發(fā)生刮傷或試塊的表面破壞。最簡(jiǎn)單且最容易辨認(rèn)的創(chuàng)傷形式是：試塊上的磨痕比較寬且有犁痕產(chǎn)生，試環(huán)表面上有過量的金屬堆積，這種表面破壞的形式經(jīng)常會(huì)遇到。但是也有如下的情況發(fā)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(nèi)有劃痕產(chǎn)生，但未延伸到磨痕之外，這種情況不認(rèn)為是刮傷。該方法是將潤(rùn)滑脂在24±6℃被壓到試驗(yàn)環(huán)上， 主軸在轉(zhuǎn)速為800±5r／min的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)10min±15s，觀察試塊表現(xiàn)磨痕來確定試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)定出潤(rùn)滑脂的極壓性能。

根據(jù)實(shí)際需要，可計(jì)算試環(huán)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(cè)微器測(cè)量OK 值下的磨痕寬度，測(cè)準(zhǔn)到0.05 mm（0.002in）。試驗(yàn)可根據(jù)磨痕寬查到對(duì)應(yīng)負(fù)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(duì)比表見表5。

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

表5 試制樣品及外樣極壓值對(duì)比表

從表5可以看出，試制樣品與外樣TIMKEN OK 對(duì)比數(shù)據(jù)，在45lb的測(cè)試條件下，外樣1磨斑較大而形貌分布不規(guī)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(duì)比測(cè)試分析

本方法規(guī)定了在極壓四球機(jī)上測(cè)定潤(rùn)滑脂極壓性能的方法。在規(guī)定的負(fù)荷下，上面一個(gè)鋼球?qū)χ?面 靜 止 的 3 個(gè) 鋼 球 旋 轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn) 速 為1770±60r／min，潤(rùn)滑脂溫度為27±8℃，然后逐級(jí)增大負(fù)荷進(jìn)行一系列試驗(yàn)后測(cè)量球盒內(nèi)任何1個(gè)或3個(gè)鋼球的磨痕直徑，直到測(cè)出發(fā)生燒結(jié)為止。該方法適用于區(qū)分潤(rùn)滑脂的極壓性能。

燒結(jié)負(fù)荷在本試驗(yàn)條件下，使轉(zhuǎn)動(dòng)球與3個(gè)靜止的球發(fā)生燒結(jié) （或磨痕超過4 mm）的最小負(fù)荷，表示已超過潤(rùn)滑脂的極壓能力極限。使用四球試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，接觸應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于挖掘機(jī)實(shí)際工作時(shí)的接觸壓力，當(dāng)負(fù)荷試驗(yàn)達(dá)到400kg 時(shí)，極壓性能就可以達(dá)到實(shí)際工況對(duì)極壓性能的要求，試制樣品及外樣極壓值對(duì)比表見表6。

表6 試制樣品及外樣極壓值對(duì)比表

從表6試制樣品機(jī)外樣極壓值對(duì)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(dòng)力粘度分析

流變性能測(cè)試對(duì)比圖見圖4。

圖4 流變性能測(cè)試對(duì)比圖

為了對(duì)比試制樣品與外樣流變性能，實(shí)驗(yàn)室制作了流變性能測(cè)試對(duì)比圖，從圖4流變性能測(cè)試對(duì)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(lián)泵送性能測(cè)試主要考察潤(rùn)滑脂在特定的溫度下泵送性能。美鋼聯(lián)泵送性能測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)見表7。

表7 美鋼聯(lián)泵送性能測(cè)試對(duì)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(chǔ)油、稠化劑和添加劑體系能夠滿足開式齒輪的潤(rùn)滑管路的輸送，不會(huì)在-10℃以上的氣候下堵塞管線，同時(shí)降低管路輸送能量。

3.5 產(chǎn)品典型數(shù)據(jù)

產(chǎn)品配方及工藝確定后，進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)見表8。

4 混兌試驗(yàn)

考慮到新產(chǎn)品與進(jìn)口產(chǎn)品可能混用，需要注意潤(rùn)滑脂的相容性，因此進(jìn)行混兌試驗(yàn)，兩種產(chǎn)品以1∶1的比例混兌，混兌結(jié)果見表9。

表8 產(chǎn)品典型數(shù)據(jù)表

表9 兩種潤(rùn)滑脂混兌化驗(yàn)表

由表9可以看出，二者混用時(shí)，產(chǎn)品性能不會(huì)下降，不會(huì)對(duì)摩擦副造成不良影響，開始試用時(shí)，可以不清洗齒面。

5 試制產(chǎn)品在試用過程中的觀測(cè)和采樣分析

5.1 觀測(cè)器具及方法選擇

使用數(shù)碼相機(jī)用來定期記錄齒面情形，有無新的點(diǎn)蝕出現(xiàn)或舊的麻點(diǎn)有沒有擴(kuò)大等。

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

5.2 觀測(cè)及采樣分析

5.2.1 選擇最具代表性的點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)點(diǎn)

為了考察試制產(chǎn)品的性能，選擇了最有代表性的8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了定期觀測(cè)和采樣分析，觀測(cè)點(diǎn)及采樣點(diǎn)見表10。

在裝入試制產(chǎn)品的第二天進(jìn)行了采樣分析，元素分析表見表11。

表10 觀測(cè)點(diǎn)及采樣點(diǎn)表

由表11可以看出，試制產(chǎn)品在裝入的第二天已經(jīng)在所有觀測(cè)點(diǎn)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(jī)開式齒輪結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑特點(diǎn)，采到合適的樣品比較難，所以分析數(shù)據(jù)只能做參考用。

表11 元素分析表

圖5 推壓小齒輪齒面狀態(tài)對(duì)比

圖6 附著效果對(duì)比圖

5.2.2 齒面狀態(tài)對(duì)比

在裝入試制產(chǎn)品之前，推壓齒輪已經(jīng)存在不同程度的剝落現(xiàn)象，可以通過3個(gè)月對(duì)指定部位齒面剝落程度對(duì)比來評(píng)定試制產(chǎn)品的好壞，推壓小齒輪齒面狀態(tài)對(duì)比圖見圖5。

由圖5可以看出， 試制產(chǎn)品在WK-35型挖掘機(jī)上試用3個(gè)月，齒面未出現(xiàn)新的剝落點(diǎn)，原剝落面積也沒有擴(kuò)大。

5.2.3 附著效果及油膜對(duì)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(jìn)行了對(duì)比，附著效果對(duì)比圖見圖6。

由圖6可以看出，試制產(chǎn)品的附著效果較好，附著量已經(jīng)達(dá)到同類產(chǎn)品水平。

6 效益分析

開發(fā)和應(yīng)用WK-35型挖掘機(jī)開式齒輪潤(rùn)滑劑的目的是為了在滿足潤(rùn)滑條件的前提下降低潤(rùn)滑成本，應(yīng)用新產(chǎn)品后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益如下：新產(chǎn)品單價(jià)為60元／kg （估計(jì)）；進(jìn)口產(chǎn)品單價(jià)為80元／kg；WK-35型挖掘機(jī)單日用量為15kg，通過計(jì)算可得出單臺(tái)WK-35型挖掘機(jī)應(yīng)用新產(chǎn)品后年節(jié)約潤(rùn)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(tái)WK-35型挖掘機(jī)，全部應(yīng)用新產(chǎn)品后可節(jié)約657000元人民幣／a，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

7 結(jié)論

針對(duì)WK-35型挖掘機(jī)開式齒輪機(jī)構(gòu)研制開發(fā)的GRK- AB 開式齒輪潤(rùn)滑劑是通過對(duì)WK-35 型挖掘機(jī)開式齒輪結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑條件進(jìn)行分析，運(yùn)用潤(rùn)滑劑生產(chǎn)工藝的通用做法進(jìn)行選油、選稠化劑、選添加劑進(jìn)行調(diào)配，經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的試用觀測(cè)和采樣分析，最后得出結(jié)論GRK-AB 開式齒輪潤(rùn)滑劑滿足WK-35型挖掘機(jī)開式齒輪機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑要求，并且能夠節(jié)省不菲的潤(rùn)滑成本。

［1］ 丁燈.大型開式齒輪常見損傷及潤(rùn)滑建議 ［C］.西寧：2008年中國(guó)水泥技術(shù)年會(huì)暨第十屆全國(guó)水泥技術(shù)交流大會(huì)論文集，2008

［2］ 溫詩鑄，黃平.摩擦學(xué)原理 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002