大型开式齿轮磨合润滑探讨及现场应用

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。但大型齿轮副的几何尺寸误差大，齿轮表面粗糙，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%。这就意味着齿面存在载荷集中的隐患，润滑条件恶劣，导致齿轮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。齿轮的损伤会导致轮齿过早实效，轮齿在尺寸、形状、振动、噪音等方面达不到轮齿的设计目标，轮齿寿命大大缩短。 

    为解决上述疑难，需针对大型开式齿轮运行初期的特殊条件，提供特殊的润滑条件。克鲁勃针对其特殊润滑需求提供最佳的磨合润滑方案，同时致力于降低设备维护所需的人力、物力成本，保护现场环境。 

一、新制开式齿轮润滑条件 

　　对于大型开式齿轮，其典型工况是接触压力大、表面精度低、线速度慢等。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所示为某回转窑新制开式齿轮，齿面可见明显粗糙的加工痕迹。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 

　　基于上述原因，大型开式齿轮副在运转初期，接触面积小，存在局部过载，齿轮的局部接触应力往往超过材料的接触疲劳强度，疲劳裂纹的出现不可避免。若此类疲劳裂纹不能快速消除，疲劳裂纹会持续发展成初期点蚀、扩展性点蚀、甚至出现片蚀或剥落，典型特征是齿面金属材料遗失和出现凹坑。而具备一定深度的损伤，尤其是位于齿轮根部的点蚀，会大大降低齿轮的弯曲疲劳强度，严重时引起轮齿折断。图2~图4分别显示了齿轮运行初期由于润滑不良而引发的初期点蚀、扩展性点蚀和片蚀损伤。 

 图2  开式齿轮运行初期出现的初期点蚀 

  
图3  开式齿轮运行初期出现的扩展性点蚀 

  
图4  开式齿轮运行初期出现的片蚀 

二、新制开式齿轮需要磨合 

　　为最大限度地保护设备和延长轮齿的使用寿命，需在啮合齿面间形成足够厚度的润滑油膜，避免齿面出现损伤。为此，各种开式齿轮专用润滑产品得到广泛应用。顺应设备朝大型、高产能、高载荷发展的趋势，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、极压添加剂、固体添加剂的润滑剂已经得到广泛使用。然而，改良后的开式齿轮润滑产品也不能完全弥补齿面粗糙、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，油膜比厚越大，润滑剂分离两个啮合齿面的趋势就越强。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       
式中： 
 — 油膜比厚      
     — 齿轮节圆处的油膜厚度     
 — 小、大齿轮的表面粗糙度 

　　从式1可以导出如下结论：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。 

　　在既定的工况下，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。

　　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。  

图5  润滑状态的类型

1)   边界润滑   当<0.7，齿轮传动处于边界润滑状态，齿轮齿面有表面粗糙峰相接触的情况发生。此时润滑剂的粘度不起作用，靠添加剂与齿面形成的物理吸附膜或化学反应膜来保护齿面。 

2)   混合润滑   当0.7< <2.0，齿轮传动处于混合润滑状态。此时摩擦力由粗糙峰和润滑油内部的摩擦力构成，齿轮负荷由油膜和齿面粗糙峰共同承担。润滑油中需要少量的极压添加剂。 

3)   全膜润滑   当 >2.0，齿轮润滑处于全膜润滑状态（液体动压润滑、弹流润滑）。此时润滑油膜的厚度远远大于表面粗糙度，两运动表面完全被连续的油膜所隔开。因此润滑剂的粘度起主导作用，不需要添加剂。 

　　通过上述机理分析，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，而新制大型开式齿轮由于表面粗糙，往往处于边界润滑或混合润滑状态，润滑油膜难以建立。因此新制大型开式齿轮必须在运行初期借助专用磨合润滑剂来降低表面粗糙度、提高接触比例，为后期取得良好润滑状态创造条件。 

三、克鲁勃为开式齿轮提供最佳磨合润滑方案 

　　由于粗糙的开式齿轮齿面上出现疲劳裂纹的必然性，对齿轮的润滑剂提出了更高的要求，除具备正常的润滑功能外，还要求能够抑制和消除疲劳裂纹，防止裂纹的持续扩展。针对开式齿轮在运行初期的特殊润滑需求，克鲁勃推出系列开式齿轮磨合润滑剂，以满足不同的润滑方式和要求，并已经过多年的现场实际运用。 

　　克鲁勃的磨合机理： 

　　润滑剂内含的特殊添加剂和固体添加剂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消除疲劳裂纹，降低齿面的粗糙度，抑制疲劳裂纹的产生，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降低齿轮损伤的可能性。 

克鲁勃提供适应开式齿轮实际工况的系列磨合润滑剂： 

1．  GRAFLOSCON B-SG 00 ULTRA   石墨基磨合润滑脂，适用于采用自动喷射系统的间断润滑方式。 

2． KLUBERFLUID B-F1 ULTRA   石墨基磨合润滑脂，适用于油浴、桨轮和循环润滑方式。 

　　上述两产品分别适用于不同的润滑方式，在国内外已得到广泛、长期地使用，对新齿轮的磨合效果已得到充分验证。图5、图6分别显示了采用自动喷射润滑、桨轮两种润滑方式的实际磨合效果。 

 图5  回转窑使用磨合润滑剂GRAFLOSCON B-SG 00 ULTRA后的齿面状态  

图6  回转窑使用磨合润滑剂KLUBERFLUID B-F1 ULTRA后的齿面状态 

　　在取得良好磨合效果的同时，润滑剂中内含的固体添加剂石墨也对现场运用造成了不便： 

1．在磨合过程中，固体添加剂石墨从润滑脂中逐渐析出，粘附在齿轮、齿轮罩上或沉淀在油池的底部。当磨合过程结束，换用操作润滑剂时，清理堆积的石墨需耗费大量的人力和物力，耗时较长，且不易清理干净。 

2．由于磨合润滑剂中加入了一定含量的石墨，润滑剂整体呈黑色，黑色润滑剂一方面不利于日常观测齿面，另外即便少量的泄漏，也会影响现场环境。 

　　顺应客户的需求，克鲁勃研发出新一代磨合润滑脂： 

　　KLUBERFLUID B-F2 ULTRA   洁净、透明磨合润滑脂，同时适用于油浴、浆轮、循环润滑、自动喷射等多种润滑方式。 
新产品在继续强调保障磨合效果和润滑效果的同时，用特殊的固体添加剂替代石墨，润滑剂整体呈亮黄色（如图6所示）。当润滑剂均匀地分布在齿面上时，润滑油膜可以通过UV灯观测到，也可通过频闪仪动态监测齿轮状态。尤其是对于回转窑这类慢速较慢的设备，即便是在运转状态，也可通过肉眼观察齿面状态。 

　
        
图6  KLUBERFLUID B-F2 ULTRA 

四、磨合润滑剂的齿轮修复功能 

　　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。 

五、结束语 

　　作为特种润滑剂的顶级供应商，克鲁勃研发的开式齿轮磨合润滑剂，符合开式齿轮初期磨合所需的润滑环境，同时满足润滑和磨合需求。并不断了解现场需求，通过持续研发，推出全球唯一的洁净、透明磨合润滑剂KLUBERFLUID B-F2 ULTRA，持续降低客户维护成本，进一步保护现场环境。 

联系人：黄曦
联系电话：023-68065170 68065172
Emai: daisy.huang@cn.klueber.com