抽油機減速器潤滑劑的選用

賈品元，雷璐娟，羅海強，劉 敏

1.中國石油長慶油田分公司第五采油廠 （陜西 西安 710200）2.西安石油大學機械工程學院 （陜西 西安 710065）3.中國石油長慶油田分公司礦區(qū)事業(yè)部 （寧夏 銀川 750006）

減速器是抽油機的關鍵部件，對抽油機的正常工作起著至關重要的作用。抽油機常年在野外分散作業(yè)，作業(yè)環(huán)境惡劣，但人們對減速器潤滑劑的選用、更換周期重視不夠，普遍存在用油、換油不規(guī)范。據調查統(tǒng)計，國內油田企業(yè)經常使用的潤滑劑多達10余個品種、20多個黏度規(guī)格，油品質量差異較大，無法對抽油機減速器提供良好的保護[1]。減速器生產企業(yè)在潤滑劑選用上，往往沒有明確的標準和規(guī)范，僅憑經驗及使用單位反饋信息選用，有時同一機型選油都有差別，造成潤滑劑使用混亂。為此，國家質檢總局與全國齒輪標準化技術委員分別在2001年、2009年分別頒布了關于齒輪潤滑油選擇的標準JB/T 8831—2001《工業(yè)閉式齒輪的潤滑油選用方法》和GB/T 13608—2009《合理潤滑技術通則》，以規(guī)范減速器不同工況下潤滑劑的選擇和使用。在國家標準推薦的基礎上，綜合考慮抽油機的實際工況，分析適合抽油機減速器的油品類別、質量等級和黏度規(guī)格，為抽油機減速器規(guī)范用油、合理換油提供系統(tǒng)科學的依據。

1　抽油機減速器的潤滑特點分析

1.1　抽油機減速器結構特點分析

不同于普通的減速器，抽油機減速器是雙圓弧齒輪，齒廓曲率半徑小，齒面嚙合接觸面積小。從表1抽油機減速器基本參數中看到，減速器齒面硬度較低，在240～310 HB之間，且承載較大交變負荷，甚至沖擊負荷。嚙合過程中，齒面間既有滾動又有滑動，所以在齒面上滾動摩擦與滑動摩擦并存，潤滑不良時齒面會嚴重磨損。

減速器軸承與齒輪系統(tǒng)共用一個油箱，軸承潤滑及密封要求高、難度大。由于多種原因，減速器漏油是油田企業(yè)設備管理的一個難點，也是減速器治理的重點[2]。如果通過潤滑劑能夠解決或作為一種輔助手段解決部分漏油問題，則可以使減速器減少許多復雜的裝置，實現低成本治漏。

1.2　抽油機減速器工作環(huán)境分析

我國油田多分布于北方干旱、嚴寒地區(qū)，風沙較大，冬季溫度低，四季溫差大。減速器在這樣的惡劣環(huán)境下工作，若密封不嚴，進水、進塵沙現象時有發(fā)生，易造成潤滑品質下降。

表1　26型抽油機減速器基本參數

抽油機減速器體積大、安裝位置距離地面又高，所以加油、換油等潤滑作業(yè)困難且存在安全風險；另外，減速器用油量相對較大，更換成本高，油品更換及油箱清洗也困難，廢油處理困難且成本高。

1.3　抽油機減速器潤滑劑特點分析

在油田現場，抽油機減速器潤滑劑使用品種較多，有 15W/40CD、CKC150、HM100、000號半流體等，各潤滑劑都各有其特點。

1）15W/40CD是為柴油發(fā)動機設計的潤滑油，著力解決柴油發(fā)動機高溫積碳和高溫氧化等問題。雖然其通用性較強，但對于抽油機減速器需要重點解決的極壓抗磨性、抗水性、防漏問題幾乎沒有幫助；而且產品的抗剪切安定性較差[3]。

2）CKC150是油田企業(yè)經常選用的潤滑劑，該產品對于抽油機減速器的不足是低溫性能差、抗水性能一般，對減緩沖擊負荷、減速器防漏能力不足。

3）HM100是一種抗磨液壓油，抗磨性能較好，但低溫性能差，不適應低溫和寬溫度范圍的使用需要，用在抽油機減速器上黏度略微偏小。

4）000號半流體潤滑劑用于抽油機減速器，比減速器潤滑油更能適應較重負荷、有沖擊負荷的工況，比潤滑油防漏、防盜效果好，產品使用壽命長、消耗低。存在的問題是產品的流動性差，減速器軸承油道流動不暢。雖然這些油品優(yōu)點突出，在油田應用較廣，但對于抽油機減速器的潤滑劑并不是十分理想的選擇。

1.4　抽油機減速器潤滑劑的特殊要求

作為減速器潤滑劑，一般應具有良好的極壓抗磨性、氧化安定性、防腐及防銹性。①極壓抗磨性能決定齒輪的承載能力及齒輪的壽命，除了與潤滑油的黏度有關外，還與潤滑油添加劑的性能有關；②氧化安定性要求是因為齒輪潤滑劑在工作中被不斷攪拌，與空氣、金屬、雜質等接觸，在溫度較高的情況下會氧化變質；③防腐蝕、防銹蝕性能是由于潤滑劑氧化產生的酸性物質對齒輪可造成腐蝕，以及由于溫差變化而產生水汽、減速器進水等造成齒面及油箱銹蝕、腐蝕。

減速器潤滑劑除上述基本要求外，根據抽油機減速器結構特點和作業(yè)環(huán)境，對抽油機減速器的潤滑劑還有一些特殊要求。

1）因齒面在嚙合瞬間接觸面積小，形成油楔和油膜條件差，每次嚙合都需重新形成油膜。因此，應選擇黏度相對較大、潤滑性能好的潤滑劑。

2）抽油機減速器為超低轉速齒輪系統(tǒng)，靠齒輪旋轉攜帶潤滑劑進行潤滑時易造成潤滑劑流失，不利于形成動壓油膜。因此應選擇黏度較大、黏附性能好的潤滑劑，以保證齒面嚙合時能形成足夠的油膜。

3）為緩沖齒輪承受的較大交變載荷和沖擊負荷，使斷裂、點蝕、疲勞磨損等失效減緩，應盡量選用黏度大、油膜厚，加有極壓抗磨劑的潤滑劑，以分散載荷、提高油膜強度，減少齒面磨損[3]。

4）為避免進水、進雜風險，應選擇抗水性能好、抗腐蝕及抗銹性能好，極壓性能好的潤滑劑。

5）為保證抽油機減速器在冬季低溫下良好的潤滑，要求潤滑劑必須具有良好的低溫性能，并可在冬夏寬溫度范圍內使用。因此，潤滑劑應該滿足抗氧化性能好、各項指標衰減慢、換油周期長、綜合管理成本低的要求。

2　抽油機減速器用潤滑油的選擇

2.1　選擇原則

工業(yè)齒輪潤滑油是目前抽油機減速器最常用的一類潤滑劑。各國在潤滑劑的選用上都有一定的原則和標準，美國的選油方法主要是從齒輪傳動的類型、中心距大小和工況環(huán)境條件來確定，德國的選油規(guī)范主要考慮接觸應力的大小，選擇齒輪油的黏度、極壓性能要求[4]。2001年，我國參照ANSI/AGMA 9005—D94標準修訂并發(fā)布了JB/T 8831—2001《工業(yè)閉式齒輪的潤滑油選用方法》，其中包括選擇潤滑油的種類（性能分類）、黏度等級以及潤滑方式等。

根據標準JB/T 8831—2001，抽油機減速器在現有潤滑方式下，所用潤滑油的選擇主要應考慮潤滑劑類別、質量級別以及黏度規(guī)格。具體應遵循以下基本原則：根據齒面接觸應力及使用工況選擇質量級別；根據齒輪線速度選擇齒輪油的黏度等級；根據使用環(huán)境溫度、工作溫度選擇齒輪油的溫度適應等級；綜合考慮減速器的工況、技術特點和管理要求，選擇產品類別。

2.2　質量級別的選擇

由于減速器為低轉速（齒輪節(jié)圓圓周速度不超過25 m/s）、閉式齒輪系統(tǒng)，因此選擇閉式工業(yè)齒輪油作為抽油機減速器的潤滑油比較適宜。齒輪油的質量等級可按照閉式工業(yè)齒輪油的質量等級及主要適應條件（GB/T 7631.7—1995），由齒面接觸應力來確定。

2.2.1抽油機減速器齒面應力

抽油機減速器為雙圓弧齒輪，按GB/T 13799—1992的規(guī)定齒面接觸應力σH按公式（1）計算：

式中各參數的含義如表1所示。以26型減速器為例，把其各參數數據代入公式（1），計算可得齒面接觸應力為：σH=467.88 N/mm2。

2.2.2質量級別選擇

根據計算的齒面接觸應力、閉式工業(yè)齒輪油的質量等級及主要適應條件（GB/T 7631.7—1995），可選擇CKB級別。但考慮到油田露天作業(yè)，太陽直射，齒輪箱容易受水分和雜質污染，以及抽油機減速器存在沖擊負荷、齒面粗糙等因素，因此可選擇中負荷閉式工業(yè)齒輪油。

2.2.3溫度適應性選擇

我國油田大多地處北方寒區(qū)、嚴寒區(qū)，冬季一般氣溫低于-15℃，個別作業(yè)區(qū)最低氣溫可達到-30℃以下，而且溫差較大，加之潤滑系統(tǒng)沒有加熱裝置，使減速器潤滑的溫度條件變得苛刻。而CKC級別的工業(yè)齒輪油主要是為室內工作的減速器設計的，其傾點一般在-9℃以上，低溫性能差。冬季使用該產品不僅能耗高，而且停機后啟動困難。有些油田為了解決低溫用油問題，推薦使用低凝點或黏度小的潤滑油。雖然能解決低溫問題，但到夏季溫度回升后黏度太小，不利于形成油膜，減速器磨損嚴重。

按照標準JB/T 8831—2001要求，抽油機減速器所選擇潤滑油的傾點至少要比環(huán)境溫度最低值低5℃，以便在啟動溫度下潤滑油能自由流動；同時又必須有足夠高的黏度，以便在正常溫度（-16～70℃）下有足夠的油膜厚度承受載荷。因此，根據油田的溫度特點應該選擇寬溫度范圍的CKS或CKT級別。

抽油機減速器為露天工作設備，風吹、日曬、雨淋，且井場灰塵較大，對齒輪油的抗氧化、抗腐蝕、抗磨損要求比室內設備高。同時由于CKS不適應沖擊負荷的工況，因此建議選擇CKT閉式工業(yè)齒輪油。

2.3　黏度等級的選擇

2.3.1黏度等級的初選

齒輪油黏度的選擇主要考慮齒輪運行的節(jié)圓圓周速度和環(huán)境溫度。齒輪節(jié)圓圓周速度可按公式（2）計算：

式中：v為齒輪節(jié)圓圓周速度，m/s；dwl為小齒輪的節(jié)圓直徑，mm；n1為小齒輪的轉速，r/min。

以長慶油田為例，抽油機沖次多為7.5次/min，以26、37型抽油機減速器為例進行計算，其低速級小齒輪的節(jié)圓速度分別為0.3 m/s和0.35 m/s。如實際使用時抽油機沖次變化，上述計算結果會稍有不同，一般不超過5 m/s。

對于環(huán)境溫度，冬季油田作業(yè)區(qū)的低溫一般在-40～-15℃之間，高溫一般在30～35℃之間。

根據計算出的低速級齒輪節(jié)圓圓周速度和環(huán)境溫度，齒輪油黏度可參考表2進行選擇。由表2可知，黏度等級（40℃）應在100～320 mm2/s之間，其中低溫要達到合成油100號在低溫條件下的流動性，高溫要達到環(huán)境溫度35℃時320號的黏度要求。結合齒輪油的低溫流動極限，減速器潤滑劑CKT的黏度應達到：在一定低溫下（-20℃）的表觀黏度不大于150 Pa·s；在35℃高溫時，黏度能夠達到320號的黏度要求。

2.3.2黏度選擇需考慮的其他問題

1）潤滑狀態(tài)與油膜厚度的關系。減速器齒輪的潤滑狀態(tài)與齒輪的粗糙程度以及潤滑劑的油膜厚度有密切關系。杜遜[5]曾提出了齒面粗糙度和齒面損傷的關系式：

式中：h為油膜厚度，μm；σr為兩齒面綜合粗糙度中σ1、σ1為兩齒面各自的平均粗糙度，μm。

根據公式（3），當油膜厚度與齒面粗糙度之比λ＞3時，也就是膜厚比大于3時，摩擦副處于全膜彈性流體動壓潤滑狀態(tài)，可認為不會發(fā)生黏著磨損；λ＞2時，為彈性流體潤滑狀態(tài)；λ在0.7～2之間時，為混合潤滑狀態(tài)，摩擦副可能發(fā)生疲勞磨損和點蝕；λ＜0.7時，則進入邊界潤滑狀態(tài)，齒輪系統(tǒng)會發(fā)生不同程度的損傷。

表2　工業(yè)閉式齒輪傳動裝置潤滑油黏度等級的選擇

由于抽油機減速器兩個齒面的粗糙度相同，均為3.2 μm，齒面硬度不高，又存在沖擊負荷。為保證減速器齒輪彈性流體潤滑狀態(tài)，hmin應大于6.2 μm，最好在6.2～9.6 μm之間，而且黏附性要好?？紤]改善漏油的需要，黏度也應較大。當然，黏度的選擇還要兼顧產品的低溫性能和減速器的能耗，黏度也不能太大。

2）黏度與摩擦的關系。在JB/T 8831—2001[6]標準中，齒輪油選用的基本思想是黏度大，純礦物油是中性流體，屬物理吸附，則吸附于齒面的油品多，能保證把足夠油帶到嚙合部位。但是，新的高效油品中加有大量極壓添加劑（極性物質），在高溫下與金屬表面反應形成化學吸附，其吸附強度較物理吸附提高許多，此時在摩擦面起抗磨作用的主要是極壓添加劑反應生成的化學反應膜。另外，單純從摩擦學的角度，黏度越小越有利于及時把添加劑輸送到嚙合部位。所以也應該考慮在不影響密封的條件下，適當降低齒輪油黏度。

綜上所述，選擇CKT150、CKT220合成閉式工業(yè)齒輪油作為抽油機減速器用潤滑油是比較適宜的。

3　半流體潤滑劑的選擇

選擇CKT閉式工業(yè)齒輪潤滑劑作為抽油機減速器用潤滑油雖然具有低溫性能和極壓抗磨性能好的優(yōu)點，但對于解決抽油機減速器的潤滑難題依然存在著一些不足，如CKT質量級別的潤滑油如果黏度選擇不當，夏季高溫時會黏度偏小，或不能真正做到四季通用；流體型潤滑油由于黏度小，油膜厚度小，不利于緩沖載荷，設備振動噪音較大；CKC工業(yè)齒輪油類似于CKT的性能，而且抗水性能有限等。而半流體潤滑劑因具有良好的低溫性能、防漏性能、抗沖擊負荷能力、抗水性能、抗氧化性能以及抗剪切性能。因此，將半流體潤滑劑作為抽油機減速器用潤滑劑也是完全可行的。

3.1　半流體潤滑劑簡介

半流體潤滑脂又稱減速器潤滑脂，產生于20世紀70年代美國，改革開放后引進國內，它是指在標準條件下測試其錐入度值大于355個單位（1/10 mm）的一類較軟的潤滑脂。按照美國潤滑脂學會NLGI稠度分類標準，錐入度值在355～385范圍內的為0號潤滑脂，在400～430范圍內的為00號潤滑脂，在445～475范圍內的為000號潤滑脂。

由于半流體潤滑脂所含稠化劑量較少，受自身重量的作用，在沒有任何外加負荷的情況下也具有一定的流動性，具備潤滑脂、潤滑油雙重特性。在高剪切速度區(qū)，其黏度降低，環(huán)境溫度低達-20℃、甚至-40～-35℃時，具有良好的流動性和泵送性。半流體潤滑脂含有稠化劑和增黏劑，因此黏附性能好、油膜厚，在箱體和軸承的縫隙等非剪切或低剪切部位，能保持半流體固有的黏度黏附于縫隙處，起到密封和防漏作用，同時具備減振、降噪、抗沖擊載荷的作用。鋰基、鋁基等半流體潤滑劑有少量水分存在的情況下，不易乳化變質，主要性能指標穩(wěn)定、抗氧化性能好。由于半流體潤滑劑性能優(yōu)于一般工業(yè)齒輪油、機械油、抗磨液壓油等，已廣泛使用在野外作業(yè)的抽油機減速器的潤滑中。

3.2　質量規(guī)格的選擇

由于半流體潤滑劑所處的工況與流體型潤滑劑相同，因此半流體的質量級別也應該達到中負荷的要求，產品的極壓抗磨性能要不亞于CKC工業(yè)齒輪油，應是一種極壓抗磨型半流體。同時，作為寒區(qū)適用的潤滑劑，按照齒輪潤滑劑的流動極限，其低溫性能應該保證在最低工作溫度時（-30℃），相似黏度不大于150 Pa·s，產品類別應該屬于CKG+。

3.3　黏度的選擇

和流體潤滑劑一樣，半流體的相似黏度也同齒輪的潤滑狀態(tài)有著密切關系。相似黏度大的潤滑劑，油膜厚、強度高，但同時低溫性能會受影響，內阻力增大，流動性差，能耗偏高，在抽油機減速器軸承油道中流動不暢，影響軸承潤滑；相似黏度小的潤滑劑，低溫性能好，減速器運行能耗低，但潤滑性能、抗沖擊負荷的能力、密封性能會降低。

對于半流體潤滑劑的黏度選擇，目前還沒有相應的計算方法。根據現場實踐經驗，半流體的相似黏度在最低溫度時應保證不高于150 Pa·s，以保證產品良好的低溫性能；但也不宜太低，同一溫度下的相似黏度一般應保持在70～90 Pa·s之間，以保證減速器軸承油道良好的流動性和油膜厚度。

4　結束語

流體型潤滑劑是抽油機減速器通常選擇的類型，常用的CKC150低溫性能較差，在冬季需更換低溫性能更好的產品。根據JB/T 8831—2001《工業(yè)閉式齒輪的潤滑油選用方法》，結合抽油機減速器的技術參數和實際工況，北方油田企業(yè)應選擇CKT150、CKT220作為適應低溫環(huán)境、寬溫度范圍四季通用的潤滑油產品。

為更好地解決抽油機減速器潤滑難題，可選擇使用低溫相似黏度不大于150 Pa·s、質量級別不低于CKC的極壓抗磨型半流體潤滑劑。該產品具有低溫性能好、抗沖擊負荷、改善減速器防漏、換油周期長、適應野外工作容易進水的工況等諸多優(yōu)點。