大型開(kāi)式齒輪潤(rùn)滑及維保

沈裕歡，馬紅軍，何 偉，劉 俊

（1.廣研檢測(cè)（廣州）有限公司，廣東廣州 510535；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司設(shè)備潤(rùn)滑與檢測(cè)研究所，廣東廣州 510700）

0 引言

齒輪是機(jī)械設(shè)備中關(guān)鍵的傳動(dòng)部件之一，是設(shè)備轉(zhuǎn)化動(dòng)力的一種主要形式。隨著機(jī)械裝備向高效、高速、精密、多功能方向發(fā)展，對(duì)齒輪傳動(dòng)的功能和性能要求越來(lái)越高。齒輪潤(rùn)滑對(duì)設(shè)備傳動(dòng)具有極其重要的意義，直接決定了設(shè)備的性能、使用壽命、能耗物耗、振動(dòng)噪聲等不同要素。大型開(kāi)式齒輪體積大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，潤(rùn)滑環(huán)境惡劣、維修難度和維修費(fèi)用高。隨著新材料的不斷出現(xiàn)和加工技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)式齒輪傳遞的功率越來(lái)越高，而齒寬尺寸卻在不斷減小，對(duì)開(kāi)式齒輪的維護(hù)保養(yǎng)提出越來(lái)越苛刻的要求。

針對(duì)大型開(kāi)式齒輪的維保問(wèn)題，已有學(xué)者分析了不同潤(rùn)滑產(chǎn)品用于開(kāi)式齒輪潤(rùn)滑的特點(diǎn)，開(kāi)展了流體脂類產(chǎn)品在油浴式潤(rùn)滑中的應(yīng)用[1]。從設(shè)備潤(rùn)滑可靠性的技術(shù)體系入手，旨在避免設(shè)備磨損事故、降低設(shè)備故障率。此外，通過(guò)監(jiān)測(cè)檢測(cè)評(píng)價(jià)等的多維度評(píng)價(jià)方法，預(yù)警和預(yù)防設(shè)備的異常磨損和機(jī)械故障，通過(guò)提前設(shè)定加換油和檢修等工藝規(guī)程，避免出現(xiàn)重大設(shè)備潤(rùn)滑故障。

1 開(kāi)式齒輪常見(jiàn)磨損形式

1.1 開(kāi)式齒輪的失效模式

開(kāi)式齒輪主要失效模式有點(diǎn)蝕、剝落、塑性變形、膠合、斷齒、擦傷等。

（1）點(diǎn)蝕。形成點(diǎn)蝕的主要原因，是齒輪表界面的接觸性疲勞強(qiáng)度不足。

（2）剝落。由于高的循環(huán)赫茲應(yīng)力造成的破裂和表面金屬的塊狀分離所導(dǎo)致，也就是點(diǎn)蝕面積隨齒輪運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)而擴(kuò)散。

（3）塑變。由于摩擦擠壓變形、疲勞等因素，齒輪齒面材料產(chǎn)生滑移現(xiàn)象。

（4）膠合。齒面金屬的表面溫度高于再結(jié)晶溫度時(shí)產(chǎn)生的塑性變形，齒面上沿滑移方向形成明顯的波峰和溝槽。

（5）其他損傷形式。擦傷、斷齒、壓傷和生銹等。

1.2 大型開(kāi)式齒輪潤(rùn)滑要求及潤(rùn)滑形式

大型開(kāi)式齒輪對(duì)潤(rùn)滑的要求：黏度較高，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能較好的附著在齒輪表面，不易甩落；具有較強(qiáng)的抗磨損和較高的抗極壓性能，F(xiàn)ZG＞12 級(jí)，四球燒結(jié)負(fù)荷＞650 kg；具有較高的承載能力；噴灑式潤(rùn)滑要求好的泵送性，油浴式潤(rùn)滑有好的流動(dòng)性能；潤(rùn)滑劑的工作溫度適用于冬夏季；油品的物理、化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)高溫、粉塵、水沖淋有較好的抵抗能力；對(duì)操作人員身體沒(méi)有影響，對(duì)環(huán)境沒(méi)有危害[2]。

目前，大型開(kāi)式齒輪的潤(rùn)滑形式包含噴灑式潤(rùn)滑、油浴式潤(rùn)滑等，其各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用噴灑式潤(rùn)滑方式，齒輪齒面的潤(rùn)滑效果較好，潤(rùn)滑劑的排污也比較好控制，可使現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境整潔干凈，但噴灑潤(rùn)滑需要一次性的設(shè)備投入，用油成本較高，且增加了維護(hù)點(diǎn)。噴灑式潤(rùn)滑是目前客戶主流選擇方向；采用浸浴式潤(rùn)滑方式，齒輪齒面潤(rùn)滑效果明顯、用油成本較低、維保人員勞動(dòng)強(qiáng)度較小，但若受到粉塵泄漏等污染后，齒面損傷較快，且換油時(shí)浪費(fèi)很大。

2 潤(rùn)滑劑的選擇與應(yīng)用

2.1 開(kāi)式齒輪潤(rùn)滑劑的種類

（1）瀝青基類產(chǎn)品。直接從原油中提取，含有極壓添加劑與有機(jī)溶劑等。黏度高、容易卷吸形成厚的油膜，嚴(yán)重的會(huì)在齒根處形成堆積；此外，油品泄漏后難以處理，目前國(guó)家對(duì)此的環(huán)保政策已經(jīng)收緊[3]。

（2）流體脂類產(chǎn)品。主要成分是高黏度基礎(chǔ)油和稠化劑，并含有一定比例的固體潤(rùn)滑劑和極壓添加劑，由于承載荷能力高、油膜厚度厚、耐高溫和抗水沖淋，四球燒結(jié)載荷高，且具有一定的密封性能[4]。

（3）純油類產(chǎn)品。有礦物型和合成型兩種類型；其特點(diǎn)是基礎(chǔ)油黏度都較高，摩擦過(guò)程中油膜厚度較厚，顏色是透明或淡棕色，加有極壓添加劑以增加其承載能力，四球燒結(jié)載荷較高。

2.2 開(kāi)式齒輪潤(rùn)滑劑不同類型基礎(chǔ)油特點(diǎn)

（1）開(kāi)式齒輪潤(rùn)滑劑不同種類基礎(chǔ)油性能對(duì)比見(jiàn)表1。

（2）潤(rùn)滑劑不同種類基礎(chǔ)油的特點(diǎn)

瀝青類油品的特點(diǎn)：成本便宜，但油品消耗量大；齒根易堆積結(jié)焦，難保持齒面干凈，易堵塞噴嘴；低溫時(shí)涂布性變差；齒面散熱性差，溫度較高；含有機(jī)溶劑，易漏油且廢油不易處理，不利于國(guó)家環(huán)保政策。

流體脂類油品的特點(diǎn)：價(jià)格高；粘附性強(qiáng)，含固體添加劑，承載能力好；工作溫度寬，散熱性好，泵送性好，抗水性好，潤(rùn)滑效果好；油品消耗量較低，廢油不易處理。

純油類油品的特點(diǎn)：價(jià)格高，油品消耗量較高；齒面溫度較低，有利于齒面保護(hù)；抗粉塵能力弱；過(guò)濾可降級(jí)循環(huán)使用。

2.3 開(kāi)式齒輪潤(rùn)滑劑固體添加劑

由于開(kāi)式齒輪的主要工況是重載和低速，因此需要開(kāi)式齒輪潤(rùn)滑劑含有固體潤(rùn)滑劑支撐潤(rùn)滑。固體潤(rùn)滑劑可以有效防止金屬表面間的直接接觸。含有石墨、二硫化鉬等固體添加劑的，可以通過(guò)觀察齒面接觸應(yīng)力的分布情況，來(lái)判斷齒面載荷的分布，掌握齒輪偏載對(duì)設(shè)備機(jī)械問(wèn)題的影響。圖1 是華南某大型火力發(fā)電廠球磨機(jī)開(kāi)式齒輪，使用流體脂類產(chǎn)品。可以判斷出齒面載荷分布情況，而且能清晰觀察到齒面節(jié)圓處有塑變情況，并且有偏載現(xiàn)象（齒輪左邊壓痕顏色很深）。

表1 不同類型基礎(chǔ)油參數(shù)對(duì)比

圖1 開(kāi)式齒輪偏載

2.4 開(kāi)式齒輪的潤(rùn)滑體系

大型開(kāi)式齒輪的工況十分惡劣，為滿足開(kāi)式齒輪的運(yùn)行特點(diǎn)，在不同運(yùn)行階段使用不同的潤(rùn)滑劑，以應(yīng)對(duì)不同的工況。

（1）初始安裝階段[5]。潤(rùn)滑劑用于開(kāi)式齒輪的初始潤(rùn)滑、防銹以及齒輪的安裝找正。

（2）磨合階段。潤(rùn)滑劑用于降低齒面的粗糙度，增加齒輪嚙合的接觸面積，使齒面的載荷均勻分布，提高開(kāi)式齒輪的承載能力。

（3）設(shè)備日常運(yùn)行階段。潤(rùn)滑劑保證開(kāi)式齒輪在日常苛刻的工況下，能低磨損、長(zhǎng)壽命地安全平穩(wěn)運(yùn)行。

（4）對(duì)于開(kāi)式齒輪出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕、剝落、偏載等情況，可以使用修復(fù)和強(qiáng)制磨合潤(rùn)滑劑，采取強(qiáng)制磨損齒面的方法，但此類潤(rùn)滑劑需慎重使用。

3 大型開(kāi)式齒輪潤(rùn)滑工藝

3.1 噴灑潤(rùn)滑

大型開(kāi)式齒輪采用噴灑式潤(rùn)滑工藝，既要合理選取潤(rùn)滑劑，還需合理的用油量；工業(yè)企業(yè)要根據(jù)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率、負(fù)荷、溫度、齒輪齒寬、齒輪轉(zhuǎn)速以及齒面等影響因素，不可以一味降低用油量，并且要遵循“少量多次”的原則。此外，需經(jīng)常檢查噴灑系統(tǒng)，如油壓、氣壓、噴灑的圖形、潤(rùn)滑劑的用量等，以保障噴灑系統(tǒng)正常供油。

新裝噴灑系統(tǒng)時(shí)，要選擇適當(dāng)?shù)膰娮鞌?shù)量，噴灑圖形見(jiàn)圖2a，噴嘴角度控制在30°，安裝距離150～200 mm 較為合適（圖2b）。

3.2 油池浸浴

油池浸浴潤(rùn)滑方式，除了選對(duì)合適的油品之外，保持油池的清潔性是很重要的工作，也是常被忽視的環(huán)節(jié)。假如油池混入其他粉料雜質(zhì)較多，就會(huì)造成潤(rùn)滑劑干結(jié)，齒面短期內(nèi)可出現(xiàn)較嚴(yán)重的擦傷凹痕等損傷。

另外，油池浸浴潤(rùn)滑方式，油池里的油位也需要著重關(guān)注。開(kāi)式齒輪油位建議到小齒輪底部1/2～1 個(gè)齒高，同時(shí)需要日常維護(hù)時(shí)經(jīng)常觀察潤(rùn)滑劑消耗，掌握設(shè)備的補(bǔ)加量和加油時(shí)間間隔。油位過(guò)低會(huì)導(dǎo)致齒面潤(rùn)滑、散熱不足和磨損增加；油位過(guò)高會(huì)增加潤(rùn)滑劑的攪動(dòng)損失，導(dǎo)致更高的油溫和齒輪摩擦損失。

圖2 噴灑的圖形和角度

3.3 開(kāi)式齒輪罩殼

齒輪罩殼的密封性能也需要注意，如果周圍粉塵污染嚴(yán)重，必須及時(shí)關(guān)注罩殼漏粉、積水、漏油、潤(rùn)滑劑罩殼堆積等情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

3.4 潤(rùn)滑劑不是萬(wàn)能的

潤(rùn)滑劑是維持設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)眾多條件中的一個(gè)，如果設(shè)備的齒輪不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，應(yīng)從多方面進(jìn)行考慮，譬如設(shè)備設(shè)計(jì)、安裝、齒輪找正、齒輪軸承座等方面。齒輪出現(xiàn)損傷，將影響整個(gè)設(shè)備的正常使用，因此定期對(duì)開(kāi)式齒輪進(jìn)行檢測(cè)和記錄，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不正常，應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)處理，避免出現(xiàn)事故停機(jī)造成損失。

3.5 開(kāi)式齒輪定量添加專用潤(rùn)滑劑

大型開(kāi)式齒輪的工作環(huán)境惡劣，因此其潤(rùn)滑條件也很苛刻。潤(rùn)滑劑必須選擇性能適合于惡劣工況的專用潤(rùn)滑劑，不能用低性能產(chǎn)品代替高性能產(chǎn)品。一些設(shè)備管理人員用閉式齒輪油代替專用開(kāi)式齒輪潤(rùn)滑劑用在大型開(kāi)式齒輪上是不正確的，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)式齒輪的快速損傷，以至生產(chǎn)線停工、停產(chǎn)，造成的損失不可預(yù)估。

例如，某水泥廠的混料機(jī)，其開(kāi)式齒輪是油池浸浴方式潤(rùn)滑，使用國(guó)產(chǎn)CKD460#閉式齒輪油，短期內(nèi)就造成開(kāi)式齒輪齒面嚴(yán)重點(diǎn)蝕和塑性變形，工廠被迫因此跟換小齒輪，造成較大的損失。部分小型開(kāi)式齒輪設(shè)備或者功率較低的設(shè)備，才可以使用高粘度的閉式齒輪油代替使用，但要時(shí)刻檢查齒輪的磨損狀況，謹(jǐn)慎替換。

3.6 噴灑式潤(rùn)滑的對(duì)象

齒輪之間的磨損是相互的，雖然開(kāi)式齒輪小齒輪齒面硬度略高于大齒齒面硬度，磨損失效一般是從小齒輪開(kāi)始，然后蔓延到大齒，小齒輪的磨損量高于大齒輪。這類磨損失效的機(jī)理，源于小齒輪的轉(zhuǎn)速比大齒輪的摩擦次數(shù)多，齒面的工作頻次也比大齒高，所以噴灑潤(rùn)滑小齒才能給齒面最好的保護(hù)，從而保護(hù)大齒輪。

4 總結(jié)與建議

大型開(kāi)式齒輪的典型工況是重載、低速、高溫、沖擊性載荷、粉塵污染、水沖淋等，在極端環(huán)境與惡劣工況下運(yùn)行。此外，開(kāi)式齒輪的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但體積龐大，它所在的設(shè)備，一般是工廠生產(chǎn)線中最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵的設(shè)備之一。因此，對(duì)大型開(kāi)式齒輪的維護(hù)，建議使用快捷的油液監(jiān)測(cè)技術(shù)、合適的潤(rùn)滑劑、合理的潤(rùn)滑方式、科學(xué)的管理方法。通過(guò)專業(yè)、合理、科學(xué)的設(shè)備維保，可以減少開(kāi)式齒輪磨損、延長(zhǎng)壽命，降低生產(chǎn)損失，提升設(shè)備的作業(yè)穩(wěn)定性，支撐企業(yè)安全、可靠、高效生產(chǎn)。