磨合润滑剂在重载开式齿轮的应用

前言

　　管磨和转窑类设备通常使用大型开式齿轮副作为动力传动装置，其主要工作条件是低速、重载、冲击负荷等。但齿轮副的加工受限于机加工能力和制造成本，其几何尺寸误差较大，齿轮表面比较粗糙，即便是在齿轮副具有足够安装精度的条件下，其啮合齿面的接触比例最多只有50~60%。 这就意味着在设备的运转过程中，局部齿面存在载荷集中的隐患，润滑条件恶劣，导致齿面不可避免的出现先期损伤（如细微裂纹、轻度擦伤等），并持续扩展成为点蚀、擦伤。为解决以上所述困难，采用专用磨合润滑剂是一个有效途径。

一、新制大型开式齿轮润滑条件

　　对于大型开式齿轮，其典型工况是接触压力大、表面精度低、线速度低等。受机加工条件所限，大型开式齿轮的精度较低，用于转窑类设备的开齿精度在8~9级 (AGMG 2000)，用于管磨类设备的开齿精度在9~10级 (AGMG 2000)， 图1所示为一台球磨机新制开式齿轮，齿面可见明显加工痕迹。另外，由于小齿轮和大齿圈分别安装在不同的支撑部件上，安装时很难保证其轴线的平行度。

图1  新制大型开式齿轮表面状态

　　鉴于工作状态的恶劣，大型开式齿轮副在运转初期，不可避免存在局部过载，并导致润滑状态的恶化，使啮合齿轮处于边界摩擦或混合摩擦状态。为最大限度地保护设备和延长轮齿的使用寿命，需在啮合齿面形成良好的润滑油膜，避免齿面的直接接触，防止齿轮过度磨损和出现各种形式的损伤。因此对于此类摩擦点，必须选用高粘度、并能在啮合齿面间形成保护层的润滑剂，以防止齿面金属材料的直接接触。为达到前述目的，具有不同基础油类型、不同基础油粘度、含极压添加剂、含各种类型固体添加剂的开式齿轮润滑产品得到广泛应用。最近几年，采用合成油或精炼矿物油作为基础油、具有超高粘度、含粘附力改善剂、性能更好的极压添加剂、且不含固体添加剂的润滑剂已经得到推广，能够提供更好的润滑。

　　然而，改良后的开式齿轮润滑产品也不能完全弥补齿轮载荷集中带来的负面影响。对于齿轮传动，齿轮的表面粗糙度对润滑油膜能否形成、油膜厚度的大小有着直接的决定性作用。

　　摩擦学中常用油膜比厚的概念来描述润滑状态。油膜比厚是齿面之间的最小油膜厚度与两齿面综合粗糙度之比，其数学表达式如下所示。
                    　式1
               式2
式中：
 -油膜比厚
-最小油膜厚度
、 -小、大齿轮的表面粗糙度

  从公式中可以导出如下结论：油膜比厚越大，润滑剂分离两个啮合齿面的趋势就越强，即齿轮的润滑状态取决于两个因素，润滑剂的性能和齿面的粗糙度。
  润滑剂性能决定了能够形成的最小油膜厚度，越大，油膜比厚越大，润滑状态愈好；
  大、小齿轮的啮合表面粗糙度、 越小，油膜比厚越大，润滑状态愈好。

 有润滑剂的条件下，按照油膜比厚的大小，可以将齿轮传动的润滑状态划分为如下图所示的三种润滑状态。

　　通过上述机理分析，选用压粘系数和动力粘度大的润滑剂可以显著提高润滑状态，而齿轮的表面状态对润滑状态有着至关重要的影响。平滑的齿面是达到良好润滑状态的先决条件，因此新制或翻面的大型开式齿轮必须借助专用磨合润滑剂来降低表面粗糙度、提高接触比例，为取得良好的润滑状态创造条件。

二、磨合润滑剂的工作机理

　　磨合润滑剂专用于新制或翻面齿轮副，润滑剂内含的特殊添加剂会在齿轮表面上产生腐蚀磨损，通过调整磨合润滑剂的用量和磨合周期的长短，可以控制齿面的磨损量，此种有目的的磨损可以快速降低齿面的粗糙度，防止点蚀或其它类型损伤的出现。在齿轮副投入使用的初期，在接触高点上形成载荷集中，润滑油膜难以形成，存在擦伤的可能性，因此磨合润滑剂必须含有极压添加剂以期降低齿轮损伤的可能性。

　　基于磨合润滑剂同时具有产生可控磨损量和提升接触比例的功能，此类润滑剂可以作为已损伤齿轮的修复润滑，即在起到润滑作用同时，提升齿面啮合时的接触比例，改善齿轮载荷的分布。

　　下图为新齿轮使用专用磨合润滑剂250小时后的齿面放大对比图片。综合对比齿面状态和数据，不难发现通过磨合过程，齿轮表面状态得到快速、有效的改善。

磨合前显微图片（放大50倍）

 磨合后显微图片（放大160倍）

图3  磨合前后齿面状态对比

　　若在新齿轮投入运行的初期，不采取针对性措施，粗糙的齿轮表面使齿轮长期处于边界摩擦或混合摩擦状态，齿轮齿面长期处于粗糙峰相接触的状态，接触面积过小，局部过载会导致早期损伤的出现，如初期点蚀、擦伤等，随着运行时间的增加，早期损伤会快速扩展。

三、磨合润滑剂的使用方法

　　开式齿轮应用广泛，润滑方式有手工润滑、油池润滑、循环润滑、喷洒润滑等多种方式，因此磨合润滑剂需适应不同的润滑方式，在水泥行业的转窑类和管磨类设备中，大量采用自动喷洒和油池润滑两种方式。

1) 自动喷洒方式
　　在使用新齿轮的设备启动之前，需预先将喷洒系统投入使用。在保证足够磨合润滑剂容量的前提下，调整系统控制参数，使系统处于“准连续润滑”工作方式，即间隔时间短、每次喷洒量小；并检查喷洒系统的喷洒效果，保证润滑剂能够完整的覆盖整个齿宽。磨合润滑剂的用量主要取决于设备的类型和齿轮副的尺寸。通常磨合润滑消耗量在180Kg~360Kg之间。下图为某公司回转窑使用Grafloscon B-SG 00 Ultra(180Kg)后的齿面状态。

图4  回转窑使用磨合润滑剂360Kg后的齿面状态（自动喷洒润滑）

2) 油池润滑方式
　　使用新齿轮的设备启动之前，需保证加注在油池中的磨合润滑剂有足够的液位高度。采用油池润滑方式的设备，其带油装置有多种设计方案，如大齿轮带油、小齿轮带油或专用的带油轮，油池液位高度必须超过带油装置最低位置的一个齿高。在设备初次启动时，须密切观察油池液位的高度变化，这是由于大、小齿轮上会粘附、带走大量的润滑剂，从而明显降低油池液位的高度。为避免润滑剂的缺乏，须在启动过程中，向油池中及时添加润滑剂，使液位至少超过带油部件的半个齿高。对于具有一定安装斜度的设置，如水泥厂的回转窑，液位高度应以齿轮的高端为准。

　　由于设备运行工况的不同，其磨合周期各不相同，通常磨合过程需历时3000~5000运行小时，因此在磨合过程中，须密切观察齿面状态，达到磨合效果即可换用正常的操作润滑剂。下图为某公司回转窑使用Kluberfluid B-F1 Ultra（5000运行小时）后的齿面状态。

图5  回转窑使用磨合润滑剂5000运行小时后的齿面状态（油池润滑）

四、结束语

　　通过开式齿轮润滑理论分析和磨合润滑剂的具体使用实例，可以看出新制造和翻面齿轮必须使用专用磨合润滑剂，以达到如下目的：
 消除因载荷集中产生的细微裂纹、轻度擦伤等先期损伤，防止损伤恶化；
  快速提高齿面的接触比例，以消除载荷集中现象。
  创造良好的先决条件，保障在后期运行中轮齿处于良好润滑状态。