電動輪自卸車輪邊減速器用潤滑油的性能要求

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

前言

鋼鐵和煤炭行業(yè)為全球經(jīng)濟的發(fā)展提供了基礎材料和能源支持,其原材料鐵礦石及煤炭的開采、運輸工作與礦產(chǎn)資源的高效開發(fā)利用息息相關。隨著國內(nèi)外大型露天礦山規(guī)模的不斷擴大,電動輪自卸車在年開采量1 000萬t級以上大型露天礦山的運輸設備中起著舉足輕重的作用。目前大型電動輪自卸車作為大型露天礦山的主要運輸工具,承擔著世界上40%的煤、90%的鐵礦的開采運輸量［1～4］。

電動輪的發(fā)展有近50年的歷史。1968年,美國通用電氣(GE)公司在礦用自卸車的基礎上推出了電動輪的結構,即將電動機、輪邊減速器和制動器合為一體,從而誕生了礦用電動輪自卸車。電動輪結構的出現(xiàn)大大推進了電傳動礦用自卸車的發(fā)展。電動輪布置靈活,且減少了零件個數(shù),提高了整個傳動系統(tǒng)的可靠性,同時也減少了功率系統(tǒng)內(nèi)的損失,提高了發(fā)動機功率利用率。由于電傳動系統(tǒng)在傳動結構和重載工況下的諸多優(yōu)勢,全球各大礦山機械行業(yè)的公司逐漸對這項技術加以重視,并隨后推出了自己的礦用電傳動自卸車［5～7］。

電動輪自卸車輪邊減速器(以下簡稱輪邊減速器)作為電動輪自卸車上的核心傳動部件,對整車的運動性能、可靠性、維護成本和使用壽命有著極大的影響,使輪邊減速器保持良好的潤滑狀態(tài),對于整車的正常運轉和維護保養(yǎng)至關重要。

輪邊減速器的潤滑要求

電動輪自卸車概況

露天礦崎嶇復雜的路況和惡劣的作業(yè)環(huán)境對電動輪自卸車提出了較高的要求,要求電動輪自卸車載重大、馬力大、爬坡能力強、便于啟動,且低速轉矩好。

100 t以上的礦用自卸車由于自重和載重,車輛如果使用機械傳動,各機械傳動部件都會因為載荷太大而極其容易損壞。采用電傳動會大大減少齒輪和軸承數(shù)量。電傳動與機械傳動的對比見圖1。

圖1 電傳動與機械傳動對比

電動輪機構簡化了從發(fā)動機輸出的動力通過驅(qū)動橋經(jīng)過變速箱、主減速器傳遞到車輪的程序,取消了變速箱、主減速器,從而使得齒輪軸承數(shù)直線下降,簡化了動力傳動的過程,電驅(qū)動后輪可以有效減少易損件個數(shù),降低維修和保養(yǎng)費用。一般來說,100 t以上的自卸車都需要采用電傳動的方式來運行［8］。

電動輪自卸車與機械傳動自卸車相比,由于齒輪和軸承數(shù)減少,且電制動對制動器沒有磨損,維修成本更低;同時部件性能更可靠,維修周期延長,并且拉運效率更高。

電動輪結構分析

電動輪主要由電動機、輪邊減速器、輪轂、輪胎和制動器組成,見圖2。

電動輪的工作過程為：電動機接收電源信號輸出高轉速小力矩的機械運動,然后經(jīng)過輪邊減速器減速增矩后帶動輪轂,最后驅(qū)動固定聯(lián)接在輪轂上的橡膠輪胎促使整個礦用電動輪自卸車運動起來［9］。

圖2 電動輪內(nèi)部結構

輪邊減速器減速機構是一個典型的具有3個相同內(nèi)嚙合齒輪副和3個相同外嚙合齒輪副的NW型定軸輪系傳動系統(tǒng),見圖3。減速機構共2級：第1級為中心輪和大星輪組成的外嚙合齒輪傳動,第2級為小星輪和內(nèi)齒輪組成的內(nèi)嚙合齒輪傳動［10～11］。

輪邊減速器具有以下顯著特點：

◇能夠進行功率分流是NW型定軸輪系的最大特點和優(yōu)勢。其高速級和低速級上的每一對齒輪副上的載荷都變?yōu)椴徊捎霉β史至鲿r的1/3,整個齒輪系的結構也比較緊湊。

◇在低速級齒輪傳動中靈活運用了內(nèi)齒輪副。相對外齒輪副傳動來說,2個齒輪的中心距更小,結構也更緊湊。接觸應力相對外嚙合時會大大減小,從而提高齒輪副的承載能力和使用壽命。

◇中心輪和內(nèi)齒輪的中心線同軸,整個轉動裝置在軸線方向的尺寸將大大減小,從而充分利用電動輪內(nèi)部的軸向空間。

◇傳動比大。整個齒輪系統(tǒng)一共8個齒輪,實現(xiàn)了很大的傳動比,可達20～50。

◇傳動效率高。由于兩級齒輪傳動系統(tǒng)中都有3對齒輪副均勻分布,所以中心輪、內(nèi)齒輪、軸承、及其機架上的作用力能夠得到平衡。整個齒輪傳動系統(tǒng)的傳動效率大大提高,一般可以達到0.97以上。

◇中心輪質(zhì)量小、浮動迅速、均載性能好,抗沖擊和振動的能力強,傳動平穩(wěn),動態(tài)載荷小,使用壽命長。

綜上所述,電動輪體積較小,傳遞功率大;速度較低,承載較大,伴有沖擊負荷;現(xiàn)場環(huán)境惡劣,冬夏溫差較大。此外應指出的是,其關鍵傳動設備對密封材料相容性要求很高。因此,其對油品的氧化安定性、抗泡性能、抗微點蝕性能、軸承保護性能、橡膠材料兼容性及高低溫性能均有較高的要求。

輪邊減速器用油性能要求

根據(jù)對電動輪結構的分析、齒輪材料和工況特點等,可知輪邊減速器用油除了常規(guī)工業(yè)齒輪油所必須具備的性能(良好的高低溫性能、極壓抗磨性能、防銹性能和防腐性能等),還對抗微點蝕性能、軸承保護性能、抗泡性能、抗氧化性能和密封相容性等特殊特性提出了要求。

抗微點蝕性能

圖3 NW型定軸輪系傳動系統(tǒng)示意

輪邊減速器運轉過程中由于有較大的減速比(20～50),齒輪轉速較慢,且整車負載較重,為典型的低速重載工況,齒輪極易出現(xiàn)微點蝕。微點蝕可能出現(xiàn)在工作的最初數(shù)個小時之內(nèi),在齒輪中產(chǎn)生的磨損會改變齒輪齒的形狀,引起破壞性磨損。隨著時間推移,會加大齒輪的磨損,產(chǎn)生噪音、振動;有時也會產(chǎn)生巨點蝕,嚴重時造成電動輪齒輪齒面剝落。如果不選擇具備抗微點蝕性能的工業(yè)齒輪油,會導致電動輪發(fā)生重大的設備故障。微點蝕對齒面的危害見圖4。

FZG 齒輪試驗機微點蝕試驗可評價齒輪油的抗微點蝕能力,目前多采用FVA54(C/8.3/90)進行評價。

軸承保護性能

軸承是電動輪中最為重要的零件之一,軸承在運轉過程中,滾道和滾動體表面之間經(jīng)受交變負荷的反復作用,由于安裝、潤滑、維護方面的原因,產(chǎn)生點蝕、裂紋、表面剝落等缺陷使軸承失效,而使齒輪副和機架等相關部位損壞。由于軸承失效而導致的齒輪災難性破壞,在電動輪自卸車運行中時有發(fā)生。

據(jù)統(tǒng)計,在正常的使用過程中,70%以上的軸承達不到預定壽命,其中在影響軸承失效的眾多因素中,屬于安裝方面的原因占16%,屬于污染方面的原因占16%,而屬于潤滑和疲勞方面的原因各占34%［12］。

電動輪運轉過程中,輪邊減速器軸承亦為低速重載工況,基本處于邊界潤滑,因此輪邊減速器軸承惡劣的工況對潤滑劑同樣提出了苛刻要求。若潤滑劑選擇不當,極易造成軸承異常磨損,降低軸承壽命,增加維護成本。

圖4 微點蝕對齒面的危害

FE-8軸承磨損保護性能試驗(DIN 51819)可以評價極壓混合摩擦工況下的磨損試驗,特別是邊界潤滑的磨損情況,因此可以較好地評價電動輪用油的軸承保護性能。

氧化安定性

齒輪油的氧化是造成油品劣化降級的主要因素,同時是造成油品黏度保持性下降的主要因素。

齒輪油在輪邊減速器中被攪動,與空氣、金屬和雜質(zhì)等接觸,在溫度較高的情況下,容易氧化變質(zhì)失去原有性能,而電動輪用齒輪油的換油期一般要求在3 000 h以上,氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)和油泥會腐蝕設備。同時抗氧化性能不足易造成油品性能加速下降,設備故障率提高,且換油期縮短,增加維護費用。齒輪油的抗氧化性能對電動輪自卸車的安全運行十分重要,因此要求油品有良好的氧化安定性,以保證其使用性能。

油品的氧化安定性測試(SH/T 0123或ASTM D2893)可以反映油品抗老化的能力。

抗泡性能

電動輪在運行過程中會攪動內(nèi)部的齒輪油和空氣,產(chǎn)生泡沫。油液中的泡沫破壞了油膜強度和穩(wěn)定性,易使摩擦面發(fā)生燒結或增加磨損,使?jié)櫥到y(tǒng)產(chǎn)生氣阻,影響油液的正常循環(huán),使輪邊減速器無法正常工作。電動輪體積小,若發(fā)生異常起泡,危害極大,因此對油品的抗泡性能要求更高。

Flender泡沫試驗(Flender GG-V 425)相對于常規(guī)的吹氣泡沫試驗,試驗條件更為苛刻,也更能真實地反映油品在實際齒輪箱中的抗泡性能。可采用該試驗來評價電動輪用齒輪油的抗泡沫性能。

橡膠密封適應性

橡膠相容性是反映油品對橡膠件影響的重要指標。作為系統(tǒng)密封材料的橡膠在齒輪箱中要與齒輪油接觸,若齒輪油與所用橡膠的適應性不好,就會造成橡膠的過度膨脹或收縮,并加速橡膠的老化,造成泄漏,污染環(huán)境,并有可能帶來安全隱患,影響設備的正常運行。

根據(jù)相關研究成果［13］,電動輪自卸車橡膠密封材料發(fā)生異常泄漏的主要原因包括密封圈本身的性能、裝配過程、潤滑劑、設備操作條件、密封環(huán)境和軸表面情況等。密封材料泄漏的影響因素見圖5［13］(圖中,紅色數(shù)值為發(fā)生短期泄漏影響因素占比,綠色數(shù)值為發(fā)生長期泄漏影響因素占比)。

由圖5可見,潤滑劑的選擇對于密封材料發(fā)生長期泄漏影響因素占比為40%,影響最大。因此應選用與橡膠有良好相容性的齒輪油,保障電動輪密封良好,避免因油品泄漏導致液位降低等不良后果,同時也可避免因泄漏污染環(huán)境。

綜上所述,輪邊減速器用油的性能要求包括：

◇具有優(yōu)異的極壓特性和良好的承載能力,可實現(xiàn)對齒輪的保護;

◇具有抗微點蝕性能,能滿足低速重載工況下的使用要求;

◇具有良好的軸承保護性能,可延長軸承壽命;

◇具有良好的低溫流動性,容易啟動,可滿足寒冷地區(qū)的使用要求;

◇具有優(yōu)異的泡沫穩(wěn)定性,能保證齒輪運轉順暢;

◇具有極優(yōu)的抗氧化性能,可延長油品的使用壽命;

◇具有與密封材料良好的兼容性,可保證設備的正常運轉,減少維護成本。

結論

圖5 密封材料泄漏的影響因素

☆在露天礦礦用自卸車領域,電動輪自卸車與機械傳動自卸車相比,由于齒輪和軸承數(shù)減少,且電制動對制動器沒有磨損,維修成本更低,性能更可靠,因此目前露天礦多使用電動輪自卸車用于物料運輸。

☆輪邊減速器是電動輪自卸車的核心傳動部件,為了保證電動輪自卸車的穩(wěn)定高效運行,需要重點關注輪邊減速器用潤滑油。根據(jù)電動輪的結構和工況特點,電動輪輪邊減速器用工業(yè)齒輪油應具備優(yōu)異的抗微點蝕性能、軸承保護性能、氧化安定性能、抗泡性能和橡膠密封適應性。

[1]朱廣輝. 關于“十二五”固體礦產(chǎn)資源高效開發(fā)利用重大技術裝備大型礦用電動輪自卸車的建議[J].電器工業(yè)，2009，（4）：70-73.

[2]胡傳正，孟慶勇. 礦用電動輪自卸卡車技術現(xiàn)狀及展望[J]. 工程機械，2011，42（7）：59-62.

[3]王蒙. 重型礦用電動輪自卸車的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 工程技術:文摘版，2016，（11）：294.

[4]萬海如，唐新蓬，段家典. 重型礦用電動輪自卸車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 重型汽車，2001，（1）：24-26.

[5]李勇，楊耀東，馬飛. 礦用電動輪自卸車的概況及未來發(fā)展趨勢[J].礦山機械，2010，38（14）：9-16.

[6]樊俊杰. 美國GE公司大型自卸車電傳系統(tǒng)及電動輪發(fā)展簡介[J]. 電氣牽引，2005，（2）：52-54.

[7]楊東平.工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的力量 GE礦業(yè)為礦用卡車用戶“智造”未來[J].礦業(yè)裝備，2014，（12）：98-100.

[8]余水華. 電傳動礦用自卸車基本知識[J]. 電氣牽引，2011，（1）：1-4.

[9]鐘新利. 輪邊減速器齒輪傳動參數(shù)優(yōu)化設計及其齒頂修形研究[D].湘潭：湖南科技大學，2011.

[10]王鋒.淺談大型礦用電動輪自卸車國產(chǎn)化輪邊減速器的技術及應用[J]. 露天采礦技術，2016，31（5）：69-72.

[11]楊鐘勝. 進口電動輪自卸車輪邊減速器傳動齒輪的研究與制造[J].汽車工藝與材料，2009，（6）：54-56.

[12]楊鐘勝. 電動輪自卸車輪邊減速器齒輪常見失效形式和預防措施[J].礦用汽車，2008，（1）：11-14.

[13]Dr Boris Traber，Dr Matthias Adler. Compatibility of sealing materials with fuels and lubricants[EB/OL]. 2017-04-04.http://www.umtf.de/pdf/vortrag_2017/04.04_08_Dr.%20Traber_Dr.%20Adler%20-%20 Compatibility%20of%20sealing%20 materials%20with%20fuels%20and%20 lubricants.pdf.