半自磨機(jī)開式齒輪潤滑系統(tǒng)應(yīng)用研究

汪 娜

（四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，四川攀枝花 617000）

1 齒輪摩檫原理分析

齒輪的嚙合齒廓既有滾動(dòng)摩擦又有滑動(dòng)摩擦，滾動(dòng)摩擦損失通常很小，可以忽略不計(jì)，只考慮滑動(dòng)摩擦引起的功率損失。滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承的摩擦原理，與齒輪摩擦原理有顯著區(qū)別，齒輪傳動(dòng)時(shí)齒輪間的接觸面少，完成較好的潤滑相對滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦難度要大。因此，機(jī)械設(shè)備采用齒輪傳動(dòng)時(shí),要求有高質(zhì)量的潤滑劑[1]。齒輪嚙合過程受力分析如圖1所示。其中，DTE雙齒嚙合；STE單齒嚙合；FZE齒嚙合線內(nèi)最大齒力；流體動(dòng)力學(xué)有效速度；Vg滑動(dòng)速度；圓周速度；最大齒力?？v坐標(biāo)：流體動(dòng)力學(xué)有效速度和滑動(dòng)速度分別與圓周速度之比的變化情況；齒嚙合線內(nèi)嚙合力與最大齒力之比變化情況。橫坐標(biāo)：齒輪在嚙合過程中的不同位置情況。A，E為完全單齒嚙合點(diǎn)，B為雙齒嚙合到單齒嚙合的起始點(diǎn)，C是完全雙齒嚙合點(diǎn)，D為單齒嚙合到雙齒嚙合的起始點(diǎn)。

齒輪嚙合時(shí)，齒輪表面承載的負(fù)荷量是連續(xù)變化的，同時(shí)齒輪表面的速度也是連續(xù)變化的。齒輪表面總的線速度等于流體力學(xué)有效速度，上下齒面速度之差等于滑動(dòng)速度Vg。因上下齒面的滑動(dòng)與滾動(dòng)壓力造成齒面的摩擦負(fù)荷，導(dǎo)致接觸的齒面產(chǎn)生溫升[2]。齒輪嚙合過程動(dòng)態(tài)負(fù)荷分布如圖2所示。圖2中，橫坐標(biāo)表示齒輪嚙合過程中的不同位置情況，縱坐標(biāo)表示齒嚙合線內(nèi)的齒力與最大靜態(tài)齒力之比。

1.1 齒輪嚙合效能損失

圖2a為理想無振動(dòng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷分布，齒輪嚙合分為單齒嚙合和雙齒嚙合，其負(fù)荷傳遞分別由1對齒傳遞和2對齒輪傳遞，齒輪傳動(dòng)中單齒嚙合和雙齒嚙合相互轉(zhuǎn)變接近線性變化。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒嚙合過程產(chǎn)生振動(dòng)，其動(dòng)態(tài)負(fù)荷大于靜態(tài)負(fù)荷。齒輪運(yùn)行中加入潤滑劑時(shí)，由于潤滑劑有黏度能吸振，減少大量振動(dòng)，從而大大降低齒輪運(yùn)行過程中的振動(dòng)和設(shè)備運(yùn)行中產(chǎn)生的噪聲，將齒輪摩擦運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，使齒輪表面產(chǎn)生溫升，能量損失使齒輪傳遞效率大大降低[3]。

1.2 齒輪嚙合面潤滑膜的生成

在齒輪嚙合表面形成足夠厚度的潤滑油膜才能使齒輪有良好的潤滑，只有滾動(dòng)而無滑動(dòng)時(shí)，齒輪表面潤滑效果最好。潤滑油膜在齒輪傳遞過程中兩齒尖剛剛接觸時(shí)產(chǎn)生，隨著齒輪的旋轉(zhuǎn)，兩齒輪從嚙合到兩齒輪分開時(shí)潤滑油膜被破壞[4]。由此可以看出，齒輪傳動(dòng)時(shí)油膜形成非常困難，也易被破壞，而滾動(dòng)、滑動(dòng)軸承潤滑油膜的形成相對容易。

1.3 齒輪磨損

齒輪在高速運(yùn)轉(zhuǎn)以及當(dāng)齒輪表面發(fā)生硬化時(shí)，在傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪要發(fā)生膠合和磨粒磨損。齒輪嚙合面運(yùn)行中齒輪接觸的表面容易發(fā)生熔合或稱冷焊，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)速較高時(shí)，齒輪表面上這一點(diǎn)會(huì)立刻被破壞，并且這種破壞一般在齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的齒頂和齒根上，齒面膠合通常發(fā)生在新齒輪表面，所以新齒輪其表面抗齒面膠合承載能力沒有經(jīng)過磨合的過后齒輪表面抗齒面膠合承載能力強(qiáng)，前者大約僅是后者的20%。在齒輪潤滑系統(tǒng)潤滑劑中加入極壓添加劑可提高齒輪嚙合抗膠合承載能力[5]。

2 某選礦廠半自磨機(jī)開式齒輪系統(tǒng)分析

某選礦廠半自磨機(jī)開式齒輪存在點(diǎn)蝕破壞。齒輪在負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，齒面微觀高點(diǎn)在齒輪傳動(dòng)過程中不斷搖擺，在齒輪根部表面下0.2左右形成微小隱形裂紋，如果齒輪繼續(xù)長時(shí)間過度疲勞運(yùn)行，破壞加重裂紋加深，最后表面下微小裂紋擴(kuò)大到表面，成為顯性裂紋破壞與外界相通的微小裂隙。隨著齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)微觀高點(diǎn)的搖擺，潤滑劑中黏度低的潤滑油滲入微小裂縫中，由于齒輪在高負(fù)荷下，這些微隙在超高壓力下向齒輪深部進(jìn)行，對齒輪造成連續(xù)損傷，致使原本微小裂縫不斷擴(kuò)大，形成齒輪點(diǎn)蝕破壞。齒輪點(diǎn)蝕破壞分收斂型和擴(kuò)展型，收斂型是微小裂縫從齒輪深部擴(kuò)展到齒輪表面形成麻點(diǎn)蝕，擴(kuò)展型是微小裂縫向齒輪深部擴(kuò)展，最后因齒輪載荷強(qiáng)度不夠發(fā)生折齒，致使產(chǎn)生設(shè)備事故。當(dāng)淬火-回火處理不當(dāng)，或齒輪表面硬化，在齒輪沿節(jié)圓高度附近因承受最高負(fù)荷齒力容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕，齒輪此部位很快進(jìn)入疲勞狀態(tài)，稍微長時(shí)間運(yùn)行容易使齒輪受到破壞。齒輪表面硬化與齒輪淬火-回火形成的點(diǎn)蝕不一樣，前者出現(xiàn)的點(diǎn)蝕在一個(gè)齒面上，不影響其他齒面。后者點(diǎn)蝕破壞形式在整個(gè)齒圈面都有，并導(dǎo)致擴(kuò)展型破壞，最后使齒輪折斷[6]。

某廠9 m半自磨機(jī)整個(gè)齒圈面上都有點(diǎn)蝕破壞現(xiàn)象，在節(jié)圓附近出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕破壞，繼續(xù)使用過程中發(fā)展成為擴(kuò)展型點(diǎn)蝕，最后發(fā)生折齒性破壞（圖3），而經(jīng)滲氮、滲碳處理后的小齒輪無損傷（圖4）。

圖3 半自磨機(jī)9 m大齒輪

圖4 半自磨機(jī)小齒輪

3 齒輪潤滑油

潤滑劑分為氣體、液體、半固體和固體4種基本類型。液體潤滑劑中應(yīng)用最廣泛的是潤滑油，包括礦物油、動(dòng)植物油、合成油和各種乳劑。流動(dòng)性好是潤滑油的主要特性。潤滑油易進(jìn)入支承的承載區(qū)，工作后又易于排出機(jī)器之外，因此可以帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，起到冷卻作用，又能載走塵土、雜質(zhì)，起到清潔的作用，但污染環(huán)境，不能構(gòu)成有效的密封以防止塵土等進(jìn)入支承。某廠對于大型開式齒輪的潤滑，由于其承載的功率大、速度低、沖擊負(fù)荷重、現(xiàn)場粉塵重、漿液和水多、溫度高、齒面非常粗糙等特殊工況條件，必須選用適合的潤滑油，否則會(huì)引起齒輪裝置故障，甚至使整個(gè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)受到破壞，導(dǎo)致現(xiàn)場產(chǎn)生停滯[7]。

3.1 齒輪潤滑油的選擇

因工況條件特殊，選擇潤滑油時(shí)要滿足以下條件。

（1）潤滑油不易甩脫和不易損耗，具有較強(qiáng)的粘附性。

（2）具有較高的抗磨性和抗壓性。

（3）由于沖擊負(fù)荷大，容易損壞齒輪，要求潤滑油的油膜強(qiáng)度大。

（4）滿足邊界潤滑和緊急潤滑，潤滑油配備一定的固體添加劑和極壓添加劑。

（5）使用中要便于噴灑[8]。

開式齒輪潤滑劑最初選用的是瀝青，黏度高、油膜厚、耐高溫，但對環(huán)境破壞嚴(yán)重。后選用高黏度純油類，為提高抗沖擊載荷能力選用合成油[9]。某廠開式齒輪潤滑劑選用潤滑脂潤滑，是在基礎(chǔ)油基礎(chǔ)上添加稠化劑、極壓添加劑和固體添加劑，可大大提高其承載能力、增加油膜厚度、提高耐高溫能力，同時(shí)防水侵蝕能力強(qiáng)、齒輪抗磨性能優(yōu)良、密封性好。

4 半自磨機(jī)潤滑劑解決方案

某廠有3臺(tái)半自磨機(jī)，其中1號(hào)機(jī)采用潤滑脂潤滑，2號(hào)、3號(hào)機(jī)采用潤滑油潤滑，就兩種潤滑方式在耗能、設(shè)備耗材等方面進(jìn)行分析對比。磨選的工序較多，分析時(shí)選其中的一道工序?qū)Ρ确治鲞x用潤滑油和潤滑脂潤滑對能耗的影響。經(jīng)過一系列技術(shù)改造后，20122013年度3臺(tái)半自磨機(jī)工況條件基本相同。1號(hào)機(jī)2013年3月更換了新的潤滑劑采用潤滑脂潤滑，以此設(shè)備從2.13年4月至12月的磨礦量、作業(yè)率和耗電量核算出電單耗，重點(diǎn)對1號(hào)半自磨2012年度、2013年4月至12月的指標(biāo)進(jìn)行對比。在工況條件相同的情況下，給礦量和設(shè)備狀況會(huì)影響電單耗。因此采用折比法，以2012年的臺(tái)時(shí)為對比標(biāo)準(zhǔn)，以2013年為實(shí)際用電與磨礦量之比作為折比電單耗，電單耗對比見表1。表1中：1號(hào)、3號(hào)半自磨原礦計(jì)量2013年7月前按車數(shù)計(jì)量，其電單耗可比性較差。2號(hào)、1號(hào)半自磨潤滑油3月更換，所以欄目中增加4至12月欄。原礦臺(tái)時(shí)、電單耗均從4月1日開始計(jì)量。

從表1對比可以看出，2014年較2013年度降低1.2%。1號(hào)半自磨機(jī)2013年采用潤滑脂后能耗大幅降低。特別是工序4改3后，2014年1號(hào)半自磨機(jī)較2013年度降低8%。除去臺(tái)時(shí)原因，選用潤滑劑的影響占5%以上。2014年1號(hào)半自磨電費(fèi)1467萬元人民幣，選用潤滑脂潤滑按節(jié)約能耗5%計(jì)算，全年可節(jié)省電費(fèi)73.35萬元人民幣。

設(shè)備材料消耗情況：半自磨開式齒輪采用潤滑脂潤滑后，小齒輪一直完好無損傷，而相同運(yùn)行時(shí)期采用潤滑油潤滑的半自磨機(jī)已損壞一套小齒輪，比較來看，開式齒輪采用潤滑脂潤滑比采用潤滑油潤滑，脂潤滑小齒輪是油潤滑小齒輪使用壽命的2倍，且脂潤滑大齒輪也未出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

潤滑油成本對比：脂潤滑與油潤滑消耗量一樣，但潤滑脂采購成本比潤滑油低10%～20%。

5 結(jié)語

通過對半自磨開式齒輪承載的功率大、速度低、沖擊負(fù)荷重、現(xiàn)場粉塵重、漿液和水多、溫度高、齒面粗糙等特殊的工況特點(diǎn)，以及對半自磨開式齒輪采用潤滑脂和潤滑油潤滑，在實(shí)際運(yùn)用中的數(shù)據(jù)對比，以及對比現(xiàn)場運(yùn)用情況，提出的開式齒輪潤滑方案可行，通過實(shí)踐證明其在能耗、耗材、潤滑劑成本等方面都有較大優(yōu)勢，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和推廣意義。

表1 電單耗對比