中國石化長城AP工業(yè)齒輪油在大型盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用

曹靜思 李耿輝

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

本文采用中國石化長城AP 220工業(yè)齒輪油在大型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上開展了為期5個(gè)月的應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明，試驗(yàn)期間油品性能穩(wěn)定，盾構(gòu)機(jī)減速機(jī)設(shè)備無異常磨損和停車，油品可有效保證盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，能夠滿足大型盾構(gòu)機(jī)減速機(jī)的使用要求，具有良好的匹配性能。

盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)的簡稱，主要應(yīng)用于水利、鐵路、城市軌道交通等工程的隧道建設(shè)。根據(jù)橫截面（Φ）大小不同，盾構(gòu)機(jī)可分為超小型（Φ＜1 m）、小型（1 m≤Φ＜3.5 m）、中型（3.5 m≤Φ＜6 m）、大型盾構(gòu)（6 m≤Φ＜14 m）、超大型（14 m≤Φ＜18 m）和特大型（Φ≥18 m）共6類[1]。目前，盾構(gòu)機(jī)行業(yè)的發(fā)展仍處于上升期，隨著國民經(jīng)濟(jì)和行業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用也越來越廣泛。

為緩解城市交通壓力，地鐵建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，目前最主要的施工方式是隧道盾構(gòu)施工。相較于電力、水利等工程，地鐵建設(shè)環(huán)境更加惡劣，對盾構(gòu)機(jī)的要求更加苛刻，主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：

◇地鐵建設(shè)覆蓋面廣，地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜；

◇地鐵深度通常在地下20 m及以下，壓力更大；

◇地鐵建設(shè)中盾構(gòu)機(jī)直徑更大，目前國內(nèi)最大盾構(gòu)機(jī)直徑為16 m。

此外，高強(qiáng)度的作業(yè)環(huán)境也會(huì)對地鐵建設(shè)中的盾構(gòu)機(jī)工作穩(wěn)定性提出更高的要求，為此盾構(gòu)機(jī)各部件均需要具有較高的可靠性。

盾構(gòu)機(jī)的主減速機(jī)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要傳力部件，其可靠性對盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[2]。減速機(jī)主要由箱體、齒輪、軸、緊固元件和密封元件等部分組成。研究表明，主減速機(jī)故障主要原因是齒輪或軸承失效，如果減速機(jī)潤滑系統(tǒng)不完善、雜物入侵、腐蝕以及過載、潤滑油黏度下降等會(huì)加劇嚙合齒輪和軸承的磨損[3]。因此，除減速機(jī)本身的制造工藝外，潤滑是保障減速器穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，選擇性能優(yōu)異的齒輪油產(chǎn)品，可有效保障設(shè)備穩(wěn)定性，延長設(shè)備的換油周期和使用壽命，提升設(shè)備運(yùn)行效率和施工效率，保障工程施工安全，幫助用戶實(shí)現(xiàn)降本增效。

為測試中國石化長城AP 220工業(yè)齒輪油（以下簡稱長城 AP 220）在大型盾構(gòu)機(jī)惡劣工況下的使用性能，中國石化潤滑油有限公司與某市地鐵工程企業(yè)S合作，在其使用的大型盾構(gòu)機(jī)上開展了為期5個(gè)月的應(yīng)用試驗(yàn)。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)盾構(gòu)機(jī)

本次應(yīng)用研究盾構(gòu)機(jī)類型選擇土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，該盾構(gòu)機(jī)具有大扭矩和大推力的特點(diǎn)，可滿足不同軟土地層的快速連續(xù)掘進(jìn)要求，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)用油

長城AP系列工業(yè)齒輪油具有優(yōu)異的黏溫性能、抗摩擦磨損、抗微點(diǎn)蝕、軸承保護(hù)和承載能力，可以應(yīng)對低速重載、溫差大以及環(huán)境惡劣的嚴(yán)苛工況，有助于延長齒輪和軸承的使用壽命，為大型機(jī)械設(shè)備的減速機(jī)提供良好的潤滑保護(hù)。長城 AP 220典型數(shù)據(jù)見表2。

表2 長城AP 220典型數(shù)據(jù)

試驗(yàn)條件

本次應(yīng)用試驗(yàn)周期為5個(gè)月，盾構(gòu)機(jī)施工環(huán)境是地下100多米，溫度在-15～20 ℃。其中盾構(gòu)機(jī)工作溫度高，經(jīng)常處于多粉塵、濕度大和壓力大的嚴(yán)苛工況，且要求連續(xù)作業(yè)，平均工作時(shí)間超過20 h/d。

清洗和取樣

裝填過程中首先采用長城 AP 220 對減速機(jī)進(jìn)行 2 次沖洗（每次半箱油），沖洗完畢后裝填新油。加入試驗(yàn)油后，運(yùn)轉(zhuǎn)10 min取第一次油樣為初裝油樣，行車試驗(yàn)開始后，分別在工作1個(gè)月、2個(gè)月、3個(gè)月、4個(gè)月以及5個(gè)月后取樣。

油液監(jiān)測和換油指標(biāo)

參考工業(yè)齒輪油的換油指標(biāo)NB/SH/T 0586—2010《工業(yè)閉式齒輪油換油指標(biāo)》，并根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的工況特點(diǎn)，與企業(yè)S協(xié)商確定了試驗(yàn)油品的監(jiān)測試驗(yàn)項(xiàng)目和換油指標(biāo)，具體見表3[4]。

表3 油液監(jiān)測試驗(yàn)項(xiàng)目和換油指標(biāo)

結(jié)果及討論

運(yùn)動(dòng)黏度和黏度指數(shù)

黏度是齒輪油最基本的性質(zhì)，齒面間潤滑油膜的形成與油品的黏度密不可分，每種設(shè)備所用油品都應(yīng)選擇合適的黏度，以保證滿足其正常工作的需要。黏度指數(shù)是反映黏溫性能好壞的指標(biāo)，黏度指數(shù)值越高，說明齒輪油在溫差大的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)黏度變化值越小。長城AP220 在應(yīng)用試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)黏度和黏度指數(shù)變化曲線見圖1。

從圖1可以看出，在大型盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行5個(gè)月期間，試驗(yàn)油品40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化較小，仍在換油指標(biāo)范圍內(nèi)。油品的黏度指數(shù)變化較小，基本保持穩(wěn)定，且處于較高水平，說明長城AP 220具有良好的黏溫性能。

圖1 長城AP 220在應(yīng)用試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)黏度和黏度指數(shù)變化

銅片腐蝕

銅片腐蝕是為了保證產(chǎn)品具有良好的防腐性能，不會(huì)對減速機(jī)中的銅部件造成腐蝕。一般要求工業(yè)齒輪油舊油的銅片腐蝕（100 ℃，3 h）測試結(jié)果為3級以內(nèi)，數(shù)字越小表示銅腐保護(hù)性能越佳。長城AP 220在應(yīng)用試驗(yàn)中的銅片腐蝕結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，應(yīng)用試驗(yàn)過程中，長城AP 220的銅片腐蝕結(jié)果均不大于1級，且運(yùn)行5個(gè)月后油樣銅腐仍保持在1b，油品抗銅片腐蝕保持能力較好。

圖2 長城AP 220在應(yīng)用試驗(yàn)中的銅片腐蝕結(jié)果

元素分析

油品中的金屬含量由ICP（原子發(fā)射光譜法）進(jìn)行定量分析，通過考察油品中金屬含量的高低，判斷齒輪或其他易磨損部位的磨損情況。油品中的粉塵等污染物主要體現(xiàn)在鈣、硅等元素含量中，鈣、硅等元素含量越高，說明油品中的污染物越多。長城AP 220在應(yīng)用試驗(yàn)中的元素含量見圖3。

從圖3可以看出，應(yīng)用試驗(yàn)過程中，油品鐵元素含量極低，最大含量為22 mg/kg，低于一般工業(yè)齒輪油200 mg/kg的換油指標(biāo)上限；油品銅元素含量低于10 mg/kg，遠(yuǎn)低于一般工業(yè)齒輪油100 mg/kg的換油指標(biāo)上限。從鐵、銅磨損數(shù)據(jù)可知，油品對于盾構(gòu)機(jī)減速機(jī)的保護(hù)效果較好，盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行過程中無異常磨損。同時(shí)，試驗(yàn)油品的硅雜質(zhì)元素含量極低（＜26 mg/kg），鈣元素含量在120 mg/kg左右，表明油品中含有微量外來污染物，油箱密封狀態(tài)總體較好。

圖3 長城AP 220在應(yīng)用試驗(yàn)中的元素含量

酸值和戊烷不溶物

酸值是油品酸堿性的量度，是以中和一定重量的油品所需的堿的相當(dāng)量來表示的數(shù)值。酸值的變化，反映了油品中添加劑的消耗狀況和油品本身的氧化情況，是判斷油品是否需要更換的一項(xiàng)指標(biāo)。戊烷不溶物為油品氧化、添加劑分解、齒輪磨損的金屬粉末、灰塵和積炭的總和，主要反映油品的氧化變質(zhì)情況和添加劑消耗程度。長城AP 220在應(yīng)用試驗(yàn)中的酸值和戊烷不溶物的變化曲線見圖4。

從圖4可以看出，相比新油酸值（0.86 mgKOH/g），長 城AP 220油品酸值變化幅度為0.09～0.16 mgKOH/g，低于酸值增值小于1.0 mgKOH/g的換油指標(biāo)，表明油品老化變質(zhì)程度較小。戊烷不溶物含量僅為0.02%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右，含量極低，結(jié)合酸值分析表明油品氧化變質(zhì)程度較低。

圖4 長城AP 220在應(yīng)用試驗(yàn)中的酸值和戊烷不溶物的變化曲線

四球機(jī)試驗(yàn)

四球機(jī)試驗(yàn)是在設(shè)定的溫度、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，通過鋼球的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)來確定潤滑油潤滑、極壓抗磨性能。行車試驗(yàn)中油品的燒結(jié)負(fù)荷PD和負(fù)荷磨損指數(shù)見圖5。

從圖5可以看出，試驗(yàn)過程中，油品的燒結(jié)負(fù)荷PD均保持在2 450 N以上，負(fù)荷磨損指數(shù)也大于441 N的換油指標(biāo)，極壓抗磨性能保持較好，結(jié)合鐵、銅金屬磨損量表明油品承載性能較好，運(yùn)行5個(gè)月，盾構(gòu)機(jī)減速機(jī)磨損極小，設(shè)備潤滑保護(hù)好。

圖5 長城AP 220在大型盾構(gòu)機(jī)行車試驗(yàn)中的燒結(jié)負(fù)荷和綜合磨損指數(shù)

結(jié)論

中國石化長城AP 220工業(yè)齒輪油在某市地鐵隧道大型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（Φ6 480mm）上開展了5個(gè)月的行車試驗(yàn)，油樣監(jiān)測分析結(jié)果表明，試驗(yàn)油品性能穩(wěn)定，盾構(gòu)機(jī)減速機(jī)設(shè)備無異常磨損，證明中國石化長城AP 220工業(yè)齒輪油產(chǎn)品能夠滿足大型盾構(gòu)機(jī)減速機(jī)的使用要求，具有良好的匹配性能。