大型開式齒輪磨合潤滑探討及現(xiàn)場應用

前言     

    管磨和轉窯類設備通常使用大型開式齒輪副作為動力傳動裝置，其主要工作條件是低速、重載、沖擊負荷等。但大型齒輪副的幾何尺寸誤差大，齒輪表面粗糙，即便是在齒輪副具有足夠安裝精度的條件下，其嚙合齒面的接觸比例最多只有50~60%。這就意味著齒面存在載荷集中的隱患，潤滑條件惡劣，導致齒輪不可避免的出現(xiàn)先期損傷（如細微裂紋、輕度擦傷等），并持續(xù)擴展成為點蝕、擦傷。齒輪的損傷會導致輪齒過早實效，輪齒在尺寸、形狀、振動、噪音等方面達不到輪齒的設計目標，輪齒壽命大大縮短。 

    為解決上述疑難，需針對大型開式齒輪運行初期的特殊條件，提供特殊的潤滑條件?？唆敳槍ζ涮厥鉂櫥枨筇峁┳罴训哪ズ蠞櫥桨福瑫r致力于降低設備維護所需的人力、物力成本，保護現(xiàn)場環(huán)境。 

一、新制開式齒輪潤滑條件 

　　對于大型開式齒輪，其典型工況是接觸壓力大、表面精度低、線速度慢等。受機加工條件所限，大型開式齒輪的精度較低，用于轉窯類設備的開齒精度在8~9級 (AGMG 2000)，用于管磨類設備的開齒精度在9~10級 (AGMG 2000)，圖1所示為某回轉窯新制開式齒輪，齒面可見明顯粗糙的加工痕跡。另外，由于小齒輪和大齒圈分別安裝在不同的支撐部件上，安裝時很難保證其軸線的平行度。 

圖1  新制大型開式齒輪表面狀態(tài) 

　　基于上述原因，大型開式齒輪副在運轉初期，接觸面積小，存在局部過載，齒輪的局部接觸應力往往超過材料的接觸疲勞強度，疲勞裂紋的出現(xiàn)不可避免。若此類疲勞裂紋不能快速消除，疲勞裂紋會持續(xù)發(fā)展成初期點蝕、擴展性點蝕、甚至出現(xiàn)片蝕或剝落，典型特征是齒面金屬材料遺失和出現(xiàn)凹坑。而具備一定深度的損傷，尤其是位于齒輪根部的點蝕，會大大降低齒輪的彎曲疲勞強度，嚴重時引起輪齒折斷。圖2~圖4分別顯示了齒輪運行初期由于潤滑不良而引發(fā)的初期點蝕、擴展性點蝕和片蝕損傷。 

 圖2  開式齒輪運行初期出現(xiàn)的初期點蝕 

  
圖3  開式齒輪運行初期出現(xiàn)的擴展性點蝕 

  
圖4  開式齒輪運行初期出現(xiàn)的片蝕 

二、新制開式齒輪需要磨合 

　　為最大限度地保護設備和延長輪齒的使用壽命，需在嚙合齒面間形成足夠厚度的潤滑油膜，避免齒面出現(xiàn)損傷。為此，各種開式齒輪專用潤滑產(chǎn)品得到廣泛應用。順應設備朝大型、高產(chǎn)能、高載荷發(fā)展的趨勢，采用合成油或精煉礦物油作為基礎油、具有超高粘度、含粘附力改善劑、極壓添加劑、固體添加劑的潤滑劑已經(jīng)得到廣泛使用。然而，改良后的開式齒輪潤滑產(chǎn)品也不能完全彌補齒面粗糙、齒輪載荷集中帶來的負面影響。 

　　對于齒輪傳動，齒輪的表面粗糙度對潤滑油膜能否形成、油膜厚度的大小有著直接的決定性作用。摩擦學中常用油膜比厚的概念來描述潤滑狀態(tài)，油膜比厚越大，潤滑劑分離兩個嚙合齒面的趨勢就越強。油膜比厚是齒面之間的最小油膜厚度與兩齒面綜合粗糙度之比，其數(shù)學表達式如下所示。 

                        式1       
式中： 
 — 油膜比厚      
     — 齒輪節(jié)圓處的油膜厚度     
 — 小、大齒輪的表面粗糙度 

　　從式1可以導出如下結論：齒輪的潤滑狀態(tài)取決于兩個因素，潤滑劑的性能和齒面的粗糙度。 

　　在既定的工況下，潤滑劑性能決定了能夠形成的最小油膜厚度， 越大，油膜比厚 越大，潤滑狀態(tài)愈好； 
　　大、小齒輪的嚙合表面粗糙度 越小，油膜比厚 越大，潤滑狀態(tài)愈好。

　　按照油膜比厚的大小，可以將齒輪傳動的潤滑狀態(tài)劃分為如下圖所示的三種潤滑狀態(tài)。  

圖5  潤滑狀態(tài)的類型

1)   邊界潤滑   當<0.7，齒輪傳動處于邊界潤滑狀態(tài)，齒輪齒面有表面粗糙峰相接觸的情況發(fā)生。此時潤滑劑的粘度不起作用，靠添加劑與齒面形成的物理吸附膜或化學反應膜來保護齒面。 

2)   混合潤滑   當0.7< <2.0，齒輪傳動處于混合潤滑狀態(tài)。此時摩擦力由粗糙峰和潤滑油內部的摩擦力構成，齒輪負荷由油膜和齒面粗糙峰共同承擔。潤滑油中需要少量的極壓添加劑。 

3)   全膜潤滑   當 >2.0，齒輪潤滑處于全膜潤滑狀態(tài)（液體動壓潤滑、彈流潤滑）。此時潤滑油膜的厚度遠遠大于表面粗糙度，兩運動表面完全被連續(xù)的油膜所隔開。因此潤滑劑的粘度起主導作用，不需要添加劑。 

　　通過上述機理分析，齒輪的表面狀態(tài)對潤滑狀態(tài)有著至關重要的影響，平滑的齒面是達到良好潤滑狀態(tài)的先決條件，而新制大型開式齒輪由于表面粗糙，往往處于邊界潤滑或混合潤滑狀態(tài)，潤滑油膜難以建立。因此新制大型開式齒輪必須在運行初期借助專用磨合潤滑劑來降低表面粗糙度、提高接觸比例，為后期取得良好潤滑狀態(tài)創(chuàng)造條件。 

三、克魯勃為開式齒輪提供最佳磨合潤滑方案 

　　由于粗糙的開式齒輪齒面上出現(xiàn)疲勞裂紋的必然性，對齒輪的潤滑劑提出了更高的要求，除具備正常的潤滑功能外，還要求能夠抑制和消除疲勞裂紋，防止裂紋的持續(xù)擴展。針對開式齒輪在運行初期的特殊潤滑需求，克魯勃推出系列開式齒輪磨合潤滑劑，以滿足不同的潤滑方式和要求，并已經(jīng)過多年的現(xiàn)場實際運用。 

　　克魯勃的磨合機理： 

　　潤滑劑內含的特殊添加劑和固體添加劑在齒輪表面上產(chǎn)生腐蝕、磨損，通過調整磨合潤滑劑的用量和磨合周期的長短，可以控制齒面的磨損量，此種有目的的磨損可以快速消除疲勞裂紋，降低齒面的粗糙度，抑制疲勞裂紋的產(chǎn)生，防止點蝕或其它類型損傷的出現(xiàn)。在齒輪副投入使用的初期，在接觸高點上形成載荷集中，潤滑油膜難以形成，存在擦傷的可能性，因此磨合潤滑劑必須含有極壓添加劑以降低齒輪損傷的可能性。 

克魯勃提供適應開式齒輪實際工況的系列磨合潤滑劑： 

1．  GRAFLOSCON B-SG 00 ULTRA   石墨基磨合潤滑脂，適用于采用自動噴射系統(tǒng)的間斷潤滑方式。 

2． KLUBERFLUID B-F1 ULTRA   石墨基磨合潤滑脂，適用于油浴、槳輪和循環(huán)潤滑方式。 

　　上述兩產(chǎn)品分別適用于不同的潤滑方式，在國內外已得到廣泛、長期地使用，對新齒輪的磨合效果已得到充分驗證。圖5、圖6分別顯示了采用自動噴射潤滑、槳輪兩種潤滑方式的實際磨合效果。 

 圖5  回轉窯使用磨合潤滑劑GRAFLOSCON B-SG 00 ULTRA后的齒面狀態(tài)  

圖6  回轉窯使用磨合潤滑劑KLUBERFLUID B-F1 ULTRA后的齒面狀態(tài) 

　　在取得良好磨合效果的同時，潤滑劑中內含的固體添加劑石墨也對現(xiàn)場運用造成了不便： 

1．在磨合過程中，固體添加劑石墨從潤滑脂中逐漸析出，粘附在齒輪、齒輪罩上或沉淀在油池的底部。當磨合過程結束，換用操作潤滑劑時，清理堆積的石墨需耗費大量的人力和物力，耗時較長，且不易清理干凈。 

2．由于磨合潤滑劑中加入了一定含量的石墨，潤滑劑整體呈黑色，黑色潤滑劑一方面不利于日常觀測齒面，另外即便少量的泄漏，也會影響現(xiàn)場環(huán)境。 

　　順應客戶的需求，克魯勃研發(fā)出新一代磨合潤滑脂： 

　　KLUBERFLUID B-F2 ULTRA   潔凈、透明磨合潤滑脂，同時適用于油浴、漿輪、循環(huán)潤滑、自動噴射等多種潤滑方式。 
新產(chǎn)品在繼續(xù)強調保障磨合效果和潤滑效果的同時，用特殊的固體添加劑替代石墨，潤滑劑整體呈亮黃色（如圖6所示）。當潤滑劑均勻地分布在齒面上時，潤滑油膜可以通過UV燈觀測到，也可通過頻閃儀動態(tài)監(jiān)測齒輪狀態(tài)。尤其是對于回轉窯這類慢速較慢的設備，即便是在運轉狀態(tài)，也可通過肉眼觀察齒面狀態(tài)。 

　
        
圖6  KLUBERFLUID B-F2 ULTRA 

四、磨合潤滑劑的齒輪修復功能 

　　基于磨合潤滑劑同時具有產(chǎn)生可控磨損量和提升接觸比例的功能，此類潤滑劑可以作為已損傷齒輪的修復潤滑，即在起到潤滑作用同時，提升齒面嚙合時的接觸比例，改善齒輪載荷的分布。 

五、結束語 

　　作為特種潤滑劑的頂級供應商，克魯勃研發(fā)的開式齒輪磨合潤滑劑，符合開式齒輪初期磨合所需的潤滑環(huán)境，同時滿足潤滑和磨合需求。并不斷了解現(xiàn)場需求，通過持續(xù)研發(fā)，推出全球唯一的潔凈、透明磨合潤滑劑KLUBERFLUID B-F2 ULTRA，持續(xù)降低客戶維護成本，進一步保護現(xiàn)場環(huán)境。 

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