船用齒輪油簡化方案研究

宋開財，張文田，王建華，宋浩然

(中國人民解放軍92228部隊， 北京 100072)

0 引言

在船舶的起艇機、錨機、舵機、絞纜機及輔推等裝置上的齒輪一般為漸開線圓柱齒輪和蝸輪蝸桿裝置，具有載荷高、傳遞功率大、扭矩高等特點，要求潤滑油具有良好的極壓抗磨和減摩性能[1-4]。船用工業(yè)齒輪油有C100/H、C220/H齒輪油，L-CKB 100、L-CKC 100、L-CKD 100、L-CKC 150、L-CKC 220、L-CKD 320和L-CKD 460重負荷齒輪油等多個品種，油料品種多，涉及黏度等級寬、使用范圍窄、通用化水平低，因此需要對船用齒輪油進行簡化研究。通常潤滑油品的選擇受工況條件影響顯著，低速重載條件下主要考察其極壓能力和減摩抗磨能力，而高速輕載條件下主要關注其成膜能力和減摩能力。本研究采用UMT-Ⅲ摩擦磨損試驗機，考察了溫度、速度和壓力等因素對6種齒輪油摩擦副表面間摩擦系數(shù)、接觸電阻的影響，對齒輪油減摩抗磨能力進行了評價。該測試方法采用球面銷的上試樣與旋轉(zhuǎn)的下試樣盤在設定好的條件下進行對磨，試驗過程中能夠?qū)崟r地顯示動態(tài)法向載荷、摩擦力和摩擦系數(shù)、以及接觸電阻，接觸電阻可定性表征試驗過程的潤滑狀態(tài)。根據(jù)性能考察的結(jié)果，將L-CKD 100重負荷齒輪油和C100/H齒輪油，L-CKD 150重負荷齒輪油和C220/H齒輪油，L-CKD 320和L-CKD 460重負荷齒輪油等3組性能相近的油品進行簡化整合， 提出船用齒輪油簡化方案。

1 實驗部分

1.1 試驗油料

采用L-CKD 100重負荷齒輪油、C100/H齒輪油、L-CKD 150重負荷齒輪油、C220/H齒輪油、L-CKD 320重負荷齒輪油、L-CKD 460重負荷齒輪油等6種油料進行試驗。其中齒輪油黏度由小到大依次為L-CKD 100=C100/H

1.2 潤滑性能評價

采用多功能摩擦磨損試驗機(UMT-Ⅲ)，原理如圖1所示。試驗中上試樣鋼球靜止，下試樣鋼盤做不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)運動。試驗時，把定量的齒輪油注入到儲油池中，且保證充分供油。為了避免潤滑油在試驗過程中副產(chǎn)物的影響，齒輪油不重復使用。

試驗中上試樣為光滑鋼球，直徑為25.4 mm，材料為45#鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，表面經(jīng)過超精加工，Ra 0.005 μm。下試樣為鋼制圓盤，鋼盤直徑尺寸為69 mm，厚度為5 mm，材料為45#鋼。

試驗中載荷分別為50 N、100 N和150 N，試驗溫度為25 ℃、40 ℃、100 ℃和120 ℃。

圖1 UMT-Ⅲ摩擦磨損試驗機原理及儲油池

1.3 表面分析

采用NanoMap-D三維光學表面輪廓儀對UMT試件進行觀測。

2 結(jié)果與分析

2.1 速度對接觸電阻和摩擦系數(shù)的影響

用接觸電阻定性表征摩擦副之間的潤滑狀態(tài)，接觸電阻數(shù)值越大，表明摩擦副之間接觸面積越小，上下表面之間油膜厚度值越大，當接觸電阻數(shù)值接近100 kΩ時，表明上下表面已經(jīng)完全沒有接觸[5]。

選取6種不同黏度的重負荷齒輪油，通過試驗結(jié)果對比，分別給出在25 ℃試驗條件下，6種齒輪油在不同壓力下的接觸電阻和摩擦系數(shù)隨速度變化趨勢，如圖2和圖3所示。

圖2 齒輪油接觸電阻隨速度變化

圖2為不同黏度齒輪油接觸電阻隨速度變化趨勢。可以看出，在不同壓力下，潤滑油膜厚度隨速度的升高而變大，摩擦副之間的接觸面積隨之減小，電阻值升高，在速度接近0.6 m/s時，接觸電阻達到穩(wěn)定，不再出現(xiàn)較大波動。不同壓力下，接近全膜潤滑狀態(tài)的樣品不同，速度相同，隨著潤滑油黏度的增大，對應的接觸電阻值呈增大趨勢。

圖3為不同黏度齒輪油摩擦系數(shù)隨速度變化趨勢。可以看出，隨速度的提高，兩表面間油膜厚度值增大，導致摩擦系數(shù)呈減小趨勢。個別油品的摩擦系數(shù)隨速度提高而增大，從接觸電阻可知，此時兩表面已經(jīng)達到全膜潤滑狀態(tài)，隨著油膜厚度進一步增大，齒輪油內(nèi)部剪切應力增大，導致摩擦系數(shù)增大。

圖3 齒輪油摩擦系數(shù)隨速度變化

2.2 溫度對摩擦系數(shù)的影響

圖4給出了L-CKD 150、L-CKD 320和L-CKD 460齒輪油在100 N壓力下，接觸電阻和摩擦系數(shù)隨速度變化趨勢。

圖4 溫度對接觸電阻和摩擦系數(shù)的影響

可以看出，相同速度下，由于黏度隨溫度升高而降低，油膜厚度值下降，故接觸電阻隨溫度升高而減??；相同速度下，齒輪油溫度越高，摩擦系數(shù)越大，潤滑效果越差，摩擦系數(shù)隨溫度升高而增大。

2.3 三維表面輪廓

本研究采用NanoMap-D三維光學表面輪廓儀對UMT試件進行觀測，得到試件橫截面的表面等高線，再進一步進行處理，得到試件磨損面積。通過比較磨損面積的大小，表征齒輪油抗磨性能差異。

圖5為L-CKD 320齒輪油盤表面輪廓圖，圖6為25 ℃時，6種齒輪油在不同壓力下的磨損面積，可以看出，隨著壓力的增加下盤表面磨損明顯增大。

圖5 鋼盤磨損表面輪廓

圖6 不同壓力下的磨損面積

2.4 齒輪油簡化方案

按照齒輪油黏度等級，將6種齒輪油分為3個組別，并對其摩擦系數(shù)和磨損面積進行比較，見表1。

表1 齒輪油接觸電阻和摩擦系數(shù)比較

表1(續(xù))

由于船舶輔助設備齒輪箱很多處于甲板以上部位，環(huán)境溫度對齒輪油流動性影響較大，而齒輪箱的油箱一般沒有單獨的加熱設備，為了在寒冷季節(jié)使齒輪油仍具有良好的流動性能，船舶齒輪油必須具有優(yōu)異的低溫性能，表2為船用齒輪油低溫性能指標要求。同時綜合考慮黏度、抗磨、減摩性能，制定了船用齒輪油簡化方案，見表3。

表2 船用齒輪油低溫性能指標

表3 船用齒輪油簡化方案

3 結(jié)論

(1)潤滑油膜厚度隨速度的升高而變大，摩擦副之間的接觸面積隨之減小，電阻值升高，摩擦系數(shù)呈減小趨勢；

(2)相同速度下，隨著溫度的升高，齒輪油黏度降低，油膜厚度下降，接觸電阻逐漸減小，摩擦系數(shù)逐漸增大；

(3)綜合考慮黏度、抗磨、減摩、低溫性能，給出了工業(yè)齒輪油簡化方案。