P&H 2800XPB電鏟專用齒輪潤滑脂的開發(fā)及應(yīng)用

張曉凱 王兆坤 張洪濱

中國石化潤滑油有限公司天津分公司

對P&H 2800XPB電鏟齒輪工況進(jìn)行分析，提出了電鏟齒輪潤滑脂應(yīng)具備的性能要求，緊密結(jié)合電鏟實(shí)際工況和齒輪設(shè)計參數(shù)，完成了P&H 2800XPB電鏟專用齒輪潤滑脂的配方設(shè)計與研制。經(jīng)理化評定和性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，研制產(chǎn)品具有優(yōu)異的耐低溫性、極壓抗磨性、黏附性和良好的油膜承載能力等性能特點(diǎn)。應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，研制產(chǎn)品滿足中煤平朔P&H 2800XPB電鏟的潤滑工況要求，得到了客戶的技術(shù)認(rèn)可和使用。

電鏟是露天礦開采工藝中最重要的設(shè)備之一。電鏟齒輪機(jī)構(gòu)的潤滑歷來都是一個難題，潤滑劑選擇不當(dāng)常常造成嚴(yán)重的點(diǎn)蝕、擦傷、刮傷、過度磨損等現(xiàn)象，使齒輪未達(dá)到使用壽命就進(jìn)入大修，增加了維修成本。電鏟齒輪潤滑劑市場份額一直都被國外品牌殼牌、美孚、BP、威特姆等占據(jù)，使電鏟開式齒輪潤滑劑使用成本居高不下。隨著近期煤炭價格走低，效益與成本矛盾日益突出，開發(fā)品質(zhì)優(yōu)良、價格低廉的國產(chǎn)開式齒輪潤滑劑已迫在眉睫。

中煤平朔露天礦的P&H 2800XPB電鏟齒輪系統(tǒng)一直使用進(jìn)口潤滑脂產(chǎn)品潤滑。經(jīng)過前期的交流和溝通，其齒輪潤滑脂需要進(jìn)行國產(chǎn)化替代，急需開發(fā)一款適合此型號電鏟的專用齒輪潤滑脂替代國外產(chǎn)品。本文介紹了P&H 2800XPB電鏟專用齒輪潤滑脂（以下簡稱2800XPB電鏟脂）的研制及應(yīng)用情況。

P&H 2800XPB 電鏟齒輪結(jié)構(gòu)及潤滑要求

P&H 2800XPB電鏟由美國哈尼斯格公司生產(chǎn)，斗容為25 m3，該電鏟主要由3部分組成，包括工作裝置、行走裝置和回轉(zhuǎn)裝置。2800XPB電鏟的結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

挖掘過程中，鏟斗的上升靠提升鋼繩提拉，而下降只靠鏟斗自重。挖掘機(jī)挖掘土壤的動作全部由提升和推壓兩機(jī)構(gòu)一起配合完成。挖掘時，挖掘機(jī)靠近工作表面，鏟斗通過鋼絲繩和推壓機(jī)構(gòu)的聯(lián)合作用，使其自下而上地沿著一定的挖掘曲線強(qiáng)制運(yùn)動，同時將鏟斗裝滿礦石，之后離開工作表面運(yùn)動到卸載高度，此時推壓力逐漸減小至幾乎為零，提升力保持為一個定值，然后回轉(zhuǎn)至卸載位置，打開鏟斗斗底，通過礦石自重完成卸載，卸載后再次回轉(zhuǎn)并下降至工作表面開始下一次的挖掘工作。

根據(jù)電鏟齒輪的具體工況條件，其用脂需滿足的性能要求包括[1]：

◇抗燒結(jié)性能：為了最大限度地防止齒輪表面的膠合，需要在電鏟齒輪潤滑脂中加入高性能的抗燒結(jié)化學(xué)添加劑組合，在點(diǎn)接觸和線接觸的摩擦形式下防止金屬之間的高載荷燒結(jié)。

◇較高的基礎(chǔ)油黏度：由于齒面壓力較大，并且大齒輪潤滑需要潤滑脂有較好的黏附性，所以，要使?jié)櫥嬷g形成油膜，基礎(chǔ)油的黏度必須合適。

◇要加入極細(xì)的固體添加劑：將加在潤滑脂中的固體添加劑通過齒輪的傳動，均勻地涂抹于齒面上，形成堅固的固體潤滑膜，使?jié)櫥嬖跇O高的負(fù)荷下也能很好地保護(hù)齒面。

◇要有優(yōu)良的低溫泵送性能和可鋪展性：由于電鏟為自動供脂，就要求潤滑脂在任何使用的溫度條件下都可以容易地輸送到潤滑表面，以達(dá)到理想的潤滑效果。

◇較好的抗水性和抗腐蝕性，當(dāng)潤滑脂受到水分和雜質(zhì)污染時，仍能保持良好的使用性能。

研制目標(biāo)的確定

根據(jù)大型電鏟工況要求、國外相關(guān)產(chǎn)品性能及礦山需要高極壓、多水泥濘等要求以及理論計算結(jié)果，制定了該產(chǎn)品的暫定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)見表1。

表1 2800XPB電鏟脂的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法

2800XPB電鏟脂的組成研究

基礎(chǔ)油篩選

基礎(chǔ)油篩選包括黏度和種類的選擇。基礎(chǔ)油黏度主要取決于齒輪的工作條件即工作溫度、尺寸和轉(zhuǎn)速；單一品種的基礎(chǔ)油一般難以滿足對黏度、黏度指數(shù)、凝點(diǎn)等性能指標(biāo)的要求，故需要進(jìn)行不同種類基礎(chǔ)油配比的研究。

圖1 P&H 2800XPB電鏟結(jié)構(gòu)型式示意

當(dāng)齒輪達(dá)到正常工作溫度時，要形成適當(dāng)?shù)挠湍ぃA(chǔ)油必須達(dá)到指定的額定黏度。根據(jù)Hamrock-Dowson公式，潤滑油膜的厚度與速度成正比，與潤滑油黏度成正比，與載荷成反比，為了保證合理的潤滑油膜，低速齒輪用較高黏度基礎(chǔ)油、高速齒輪用較低黏度基礎(chǔ)油比較科學(xué)。根據(jù)理論計算和Striebeck曲線[2～5]，并結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行工況，同時考慮冬夏季的環(huán)境溫度，確定了2800XPB 電鏟脂基礎(chǔ)油黏度，見表2。

表2 2800XPB電鏟脂基礎(chǔ)油黏度的確定

基礎(chǔ)油黏度確定后，為優(yōu)化基礎(chǔ)油性能，進(jìn)行了不同品種和性能的基礎(chǔ)油調(diào)配，通過測試基礎(chǔ)油黏度、黏度指數(shù)、傾點(diǎn)等性能指標(biāo)，確定合適的基礎(chǔ)油配方。由于夏季和冬季產(chǎn)品對基礎(chǔ)油的黏度和低溫性能要求不同，因此需分別調(diào)配，夏季、冬季產(chǎn)品基礎(chǔ)油調(diào)配方案分別見表3、表4。

表3 2800XPB電鏟脂基礎(chǔ)油的調(diào)配方案（夏季）

表4 2800XPB電鏟脂基礎(chǔ)油的調(diào)配方案（冬季）

從表3可以看出，3、5號基礎(chǔ)油方案符合夏季產(chǎn)品擬定基礎(chǔ)油指標(biāo)，均具有較高的基礎(chǔ)油黏度，且基礎(chǔ)油的凝點(diǎn)都低于-20 ℃，但是5號基礎(chǔ)油的成本較高，所以選用成本較低的3號基礎(chǔ)油方案作為夏季產(chǎn)品的基礎(chǔ)油。

從表4可以看出，8號基礎(chǔ)油方案具有較高的基礎(chǔ)油黏度，且基礎(chǔ)油的凝點(diǎn)在-45 ℃，符合冬季產(chǎn)品基礎(chǔ)油黏度的擬定指標(biāo)，因此確定為冬季產(chǎn)品的基礎(chǔ)油配方。

稠化劑選擇

稠化劑是潤滑脂的主要組成部分之一，對潤滑脂的機(jī)械安定性、耐高溫性、膠體安定性能以及壽命等性能指標(biāo)有重要影響。因此，需要選擇合適的稠化劑品種。

膨潤土潤滑脂是重要的非皂基潤滑脂之一，它具有生產(chǎn)周期短、稠化能力強(qiáng)、生產(chǎn)能耗低、生物降解性好等特點(diǎn)，與其他潤滑脂相比，具有滴點(diǎn)較高、耐潮濕、化學(xué)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，承載負(fù)荷能力比一般皂基潤滑脂都高。膨潤土是一類以蒙脫石為主要成分的黏土礦物，其分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。用有機(jī)膨潤土稠化基礎(chǔ)油制備膨潤土潤滑脂時，聚集態(tài)的蒙脫石薄層晶片在低剪切力的作用下，基礎(chǔ)油穿透其毛細(xì)管狀的空隙而被濕潤，有機(jī)蒙脫石聚集態(tài)晶片部分被分散，之后再持續(xù)提高剪切力時膨潤土在基礎(chǔ)油中充分分散，形成一個完全的有機(jī)膨潤土流變結(jié)構(gòu)，其分散機(jī)理見圖3。

電鏟設(shè)備的潤滑具有較高的負(fù)荷要求，要求潤滑脂具備優(yōu)異的抗剪切性能和高溫性能、良好的極壓抗磨性能、極強(qiáng)的黏附性。結(jié)合以前礦山設(shè)備潤滑脂產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，確定選擇膨潤土作為稠化劑。

極壓劑的確定

電鏟齒輪在嚴(yán)酷的條件下工作，屬低速重載情況，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變形的晶格結(jié)構(gòu)來承受高剪切載荷，可以在啟動、沖擊和緊急情況下,提供短時間的表面保護(hù)。同時，加入極壓抗磨添加劑，可提供更好的潤滑保護(hù)。潤滑脂中常用的固體極壓添加劑主要有二硫化鉬和石墨，2種添加劑經(jīng)常是通過復(fù)配使用，效果較好。

二硫化鉬層狀結(jié)構(gòu)是鉬和硫通過共價鍵結(jié)合在一起的六方晶系結(jié)構(gòu)。二硫化鉬良好的潤滑性能是由其晶體結(jié)構(gòu)決定的，當(dāng)分子之間受到很小的剪切力時沿分子層很容易斷裂而形成滑移面，可以適用于一般潤滑油難以潤滑和工作環(huán)境惡劣的摩擦面。

圖2 蒙脫石分子結(jié)構(gòu)

圖3 有機(jī)膨潤土在基礎(chǔ)油中的分散成脂過程

石墨具有耐高溫、抗腐蝕、自潤滑等特性。作為良好的固體潤滑劑及潤滑添加劑，石墨系材料良好的潤滑性來源于其本身層狀的晶體結(jié)構(gòu)，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，可作為良好的耐磨潤滑材料。

確定了極壓劑類型后，對兩種類型的極壓劑進(jìn)行了配伍性試驗(yàn)考察以篩選得出最佳極壓劑配比，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可以看出，3號配方的PD為3 920 N，而1、2號配方的PD值為4 900 N，極壓性能優(yōu)良且都滿足既定指標(biāo)要求。但1號配方的防銹性能未通過，因此最后選擇2號配方作為極壓劑配方。

產(chǎn)品試生產(chǎn)

產(chǎn)品配方及工藝確定后，進(jìn)行了配方放大連續(xù)試生產(chǎn)，試生產(chǎn)產(chǎn)品理化數(shù)據(jù)見表6。

從表6可以看出，試生產(chǎn)產(chǎn)品的極壓抗磨性能、低溫性能、防護(hù)性能優(yōu)良，連續(xù)生產(chǎn)的產(chǎn)品性能穩(wěn)定，各項(xiàng)性能均達(dá)到既定技術(shù)指標(biāo)。

應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證

2800XPB電鏟脂產(chǎn)品研制開發(fā)完成后，在中煤平朔公司露天礦P&H 2800XPB電鏟開式齒輪上進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)驗(yàn)證，同時和競品進(jìn)行了對比。

齒面油膜狀態(tài)對比

電鏟開式齒輪主要潤滑點(diǎn)在左右推壓齒輪、回轉(zhuǎn)齒輪，試用過程中定期對各個潤滑點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測拍照，通過對比指定部位齒面油膜附著效果來評定試制產(chǎn)品的油膜狀態(tài)及黏附性。試制產(chǎn)品齒面附著效果見圖4～圖6，對比電鏟競品齒面附著效果見圖7～圖9。

從圖4～圖9可以看出，試制產(chǎn)品的油膜附著效果較好，附著量已達(dá)到同類產(chǎn)品水平，其黏附性能出色，可以滿足電鏟潤滑工況的要求。

鐵元素磨損量對比

鐵元素含量能夠反映試驗(yàn)潤滑脂的抗磨性能，可根據(jù)鐵元素含量測試結(jié)果了解潤滑部位的磨損狀況。在實(shí)際作業(yè)過程中，齒輪表面材質(zhì)受摩擦磨損的作用而形成磨屑進(jìn)入到潤滑脂中，使用后的潤滑脂中鐵元素含量愈高，表明金屬表面磨損的程度愈嚴(yán)重。

采用Q100元素分析儀測定作業(yè)試驗(yàn)后2800XPB電鏟脂及競品的鐵元素含量，結(jié)果見圖10，

表5 極壓劑配伍性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 試生產(chǎn)產(chǎn)品理化數(shù)據(jù)

由圖10可以看出，3008號電鏟左推壓使用試制的2800XPB電鏟脂經(jīng)過定期采樣分析，鐵元素含量是3009號對比電鏟左推壓所使用競品的鐵含量的約1/2，潤滑效果已經(jīng)和競品相當(dāng)甚至優(yōu)于競品。

結(jié)論

☆根據(jù)P&H 2800XPB電鏟的實(shí)際工況條件和電鏟齒輪參數(shù)，對配方中稠化劑、基礎(chǔ)油和添加劑的關(guān)鍵特性進(jìn)行了設(shè)計與確定。性能試驗(yàn)表明，與國外同類潤滑脂相比，研制產(chǎn)品具有優(yōu)異的防護(hù)性、黏附性和極壓抗磨性。

☆現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，研制產(chǎn)品的潤滑和防護(hù)性能良好；通過對潤滑部位取脂進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其磨損鐵含量比競品低，齒面黏附性和泵送性與競品相當(dāng)。產(chǎn)品已得到客戶的技術(shù)認(rèn)可和使用，后續(xù)將逐步實(shí)現(xiàn)替代應(yīng)用。

圖4 試制產(chǎn)品回轉(zhuǎn)大齒圈油膜

圖5 試制產(chǎn)品左推壓齒輪油膜

圖6 試制產(chǎn)品右推壓齒輪油膜

圖7 競品回轉(zhuǎn)大齒圈油膜

圖8 競品左推壓齒輪油膜圖

圖9 競品右推壓齒輪油膜

圖10 電鏟脂鐵元素含量對比