實用型高性能鋼蝸桿副潤滑技術(shù)的研究

宋玉才，金曉鵬

(1.大連開發(fā)區(qū)信托投資公司，遼寧大連 116600;2.大連重工起重集團，遼寧 大連 116013)

0 引言

蝸桿傳動用于傳遞交錯軸間運動和動力的，具有傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、噪聲小、可實現(xiàn)自鎖等優(yōu)點，因此，在冶金、礦山、起重運輸、化工、國防等行業(yè)中得到了廣泛的應用。但是，蝸桿傳動也存在著齒面間相對滑動速度大、發(fā)熱大，容易導致齒面的磨損和膠合。為了減少齒面的摩擦磨損，提高蝸桿傳動的承載能力和機械傳動效率，一方面，要有良好的潤滑狀態(tài)，另一方面，對蝸輪副提出耐磨、減摩和抗膠合性能的要求。長期以來，蝸桿多采用鋼質(zhì)材料制造，蝸輪多采用青銅材料制造，從而限制了蝸輪傳動的承載能力。為了克服蝸輪傳動中傳動效率低、使用壽命短、消耗大量貴重有色金屬等缺點，人們一直從輪齒齒形、潤滑材料和蝸輪副材質(zhì)等三個方面對其進行研究。在輪齒齒形和潤滑材料研究方面，主要是改善接觸線形狀和潤滑劑性能，以便形成潤滑膜來提高蝸桿傳動的承載能力。然而，這兩方面的研究，都是在以銅蝸輪為前提進行的，所以還是沒有解決消耗大量貴重有色金屬的問題，而且，隨著齒形的改進，往往伴隨著加工過程的復雜化［1］。

鋼相對青銅而言，它不僅具有很好的機械性能，而且還具有良好的經(jīng)濟性，同時它還具有品種多樣和資源豐富等優(yōu)點。但是，由于蝸桿傳動存在著齒面間相對滑動速度大、潤滑條件差、發(fā)熱大等缺點，導致鋼蝸輪在應用中極易產(chǎn)生齒面膠合，從而使鋼蝸輪用于蝸桿傳動中有很大難度。以往，人們也曾想實現(xiàn)鋼蝸輪傳動，但都未能如愿。然而，隨著現(xiàn)代摩擦學科學和現(xiàn)代齒輪制造技術(shù)的發(fā)展與進步，特別是摩擦化學領(lǐng)域的發(fā)展，為鋼蝸桿副傳動的實現(xiàn)提供了保障。鋼蝸桿傳動的實現(xiàn)不僅可以節(jié)約大量貴重有色金屬，且大大降低蝸輪傳動的成本;同時還可以提高蝸桿傳動的承載能力和傳動效率等重要性能指標。

1 潤滑技術(shù)的研究

鋼蝸桿副的齒面潤滑技術(shù)也是實現(xiàn)鋼蝸輪傳動的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時，它也是影響鋼蝸桿傳動使用壽命和傳動性能的主要因素之一;因此對鋼蝸桿傳動齒面潤滑的試驗研究與理論分析具有重要的理論意義和實際價值。為此，本文的技術(shù)關(guān)鍵就是研制出高性能的極壓添加劑和潤滑劑。

1.1 潤滑劑的研制

由于對鋼蝸桿副極易產(chǎn)生齒面膠合而失效，為此，研制出高性能的專用鋼蝸桿潤滑油。經(jīng)過鋼蝸桿潤滑油潤滑后保證了鋼蝸桿副齒面不產(chǎn)生膠合，也保證了齒面的耐磨壽命。潤滑油是用國產(chǎn)的礦物基礎(chǔ)油，加入硫系極壓抗磨劑、抗氧劑、消泡劑調(diào)制而成。潤滑油的成分為:150號基礎(chǔ)油100%，硫系極壓添加劑3.5%，油性劑1.0%，減摩抗磨劑1.0%，綜合性能添加劑1.5%，抗氧防膠劑0.2%，清凈分散劑0.3%，其他成分0.5%，添加劑總量8.0%。加熱攪拌均勻、冷卻而成。

1.2 潤滑機理的研究

鋼蝸桿傳動的關(guān)鍵問題是如何防止齒面膠合，這也是長期以來鋼蝸桿傳動難以實現(xiàn)的根本原因所在。由于鋼蝸輪與鋼蝸桿組成的鋼鋼副材料具有較強的互溶性，傳動中一旦摩擦表面間的潤滑膜破裂，則表面金屬直接接觸，即可發(fā)生粘著現(xiàn)象，甚至膠合?？梢?，鋼蝸輪傳動齒面潤滑的核心是如何保證摩擦表面間具有潤滑膜，特別是應具有極壓潤滑膜，就是說，潤滑油必須保證在各種狀況下具有潤滑膜的存在。

潤滑油添加劑中形成齒面潤滑膜的主要成份是的油性劑和極壓劑，而極壓潤滑膜是極壓劑與金屬表面發(fā)生摩擦化學反應而形成的。極壓劑是一種能在油性劑已失效的苛刻條件下起到潤滑作用的添加劑，在高溫、高速、高壓下摩擦表面金屬結(jié)構(gòu)歪變、或發(fā)生新生金屬表面，而致結(jié)晶格子紊亂和破壞，以至電子活躍或逸出，在外逸電子的強烈激化下，以至極壓劑的活性極性分子易于激化，從而發(fā)生摩擦化學反應，特別是磨損的新生金屬表面，不僅發(fā)射外逸電子，對摩擦化學反應起激化作用，而且還對反應起催化作用。在這種綜合摩擦化學反應中形成摩擦化學反應層，即極壓化學反應膜，此極壓反應膜具有高熔點、高塑性的特點。反應膜使金屬表面凸起部分變軟，減少碰撞時的阻力;同時，由于塑性變形填平金屬表面的凹坑，增加了接觸面積，降低了接觸面上的單位負荷，減少了摩擦磨損。這種極壓反應膜有較高的強度，能承受較大的載荷，進而可以減少磨損，防止膠合等［2］。

摩擦化學反應是在金屬表面互相摩擦的載荷、應力與升溫條件下發(fā)生的。表面的反應溫度隨摩擦條件變化而變化，同時表面在應力和剪切力的作用下，不斷更新和增加缺陷，以及塑性流動所致表面缺陷。在金屬表面上，摩擦化學反應比熱化學作用更多的是金屬催化摩擦化學反應和由表面缺陷的原子結(jié)晶格子紊亂所發(fā)生的電子逸出而導致的電化學摩擦化學反應等。它是不同于一般熱反應的特殊化學反應，它包括:化合鍵斷裂反應、電子化學反應、摩擦氧化反應、催化反應、皂化反應和聚合反應等。下面主要從化合鍵斷裂反應角度對極壓添加劑的作用機理進行研究。

采用的極壓劑為硫系極壓添加劑，它的極壓作用必須在有空氣(氧)存在下才發(fā)生良好的摩擦極壓化學反應(較高溫度)，或摩擦化學吸附作用(較低溫度)。即:在有氧化鐵—硫化鐵膜(Fe3O4—FeS)共存下，才有更好的潤滑效果。氧化鐵膜起催化作用，而且只有在Fe3O4薄膜下，摩擦面的鐵才能被硫化物解離的活性硫原子所硫化，發(fā)生摩擦化學反應，生成剪切強度小的軟質(zhì)、高熔點的化學潤滑膜—硫化鐵(FeS)。硫系極壓添加劑在低溫時以極性端吸附在金屬(Fe)表面，形成化學吸附膜。在硫系極壓添加劑分子中存在著S—S鍵和C—S鍵，S—S鍵是鍵能較低的弱鍵，在一般工況下，S—S鍵先斷開，形成鐵硫醇膜，該膜具有較好的抗磨作用。在極壓狀態(tài)下，C—S鍵斷開，形成硫化鐵膜(FeS)，該膜的承載能力高，且熔點高，當溫度接近800℃時，仍可保持良好潤滑性能，其水解性能也很好。有機硫化物只有在高溫(大于200℃)時，才與金屬(Fe)起化學反應。因而，在極壓條件下，一般來講，含硫添加劑的潤滑效果優(yōu)于含氯或含磷添加劑的潤滑效果。分別采用了三種硫系極壓添加劑:BS4烷基硫芐、BS3烷基硫芐和二芐基二硫化物。

當溫度較低時，極壓劑的分子吸附在金屬(Fe)表面上，形成化學吸附膜;當溫度達到一定值時，極壓劑分子中的S—S鍵斷開，BS4烷基硫芐和BS3烷基硫芐極壓劑不但形成了油性的鐵硫醇膜，而且還形成了極性的硫化鐵膜，所以此時形成的是鐵硫醇膜和硫化鐵膜的混合膜;而二芐基二硫化物只形成油性的鐵硫醇膜;在高溫狀態(tài)下，分子中的C—S鍵斷開，全部形成了極性的硫化鐵膜。

BS4烷基硫芐、BS3烷基硫芐和二芐基二硫化物單個分子與金屬(Fe)表面發(fā)生摩擦化學反應時生成物Fe—S鍵的個數(shù)。由此可知，從生成鐵硫醇膜Fe—S鍵的個數(shù)看:BS4烷基硫芐=BS3烷基硫芐＞二芐基二硫化物。從生成硫化鐵膜Fe—S鍵的個數(shù)看:一般狀態(tài)下，BS4烷基硫芐＞BS3烷基硫芐＞二芐基二硫化物;極壓狀態(tài)下，BS4烷基硫芐＞BS3烷基硫芐＞二芐基二硫化物。生成物Fe—S鍵的個數(shù)愈多，金屬表面與極性添加劑結(jié)合的愈牢固，則添加劑的抗磨損和抗膠合能力愈好?？梢?，在這三種硫系極壓添加劑中，BS4烷基硫芐的抗磨損和抗膠合能力最好;BS3烷基硫芐的次之;二芐基二硫化物的最差。即:同一系列的硫系極壓添加劑的抗磨損和抗膠合能力是隨著分子中活性硫原子數(shù)的增加而增強的。

1.3 潤滑效果的試驗

本文以這三種硫系極壓劑為主劑分別與N150基礎(chǔ)油等經(jīng)過合理配方，配制出三種潤滑劑，簡稱為:1號潤滑劑、2號潤滑劑、3號潤滑劑。然后，在TIMKEN試驗機和傳動試驗臺上對三種潤滑劑對蝸桿副的摩擦磨損性能進行了試驗研究，見表1-3。試驗結(jié)果為:1號潤滑劑潤滑下的蝸輪副的摩擦磨損性能最好;而3號潤滑劑潤滑下的蝸輪副的摩擦磨損性能最差。從而說明在這三種潤滑劑中，1號潤滑劑的潤滑性能最好，2號潤滑劑的潤滑性能次之，3號潤滑劑的潤滑性能最差。也進一步說明了同一系列的硫系極壓添加劑的抗磨損和抗膠合能力是隨著分子中活性硫原子數(shù)的增加而增強的。

表1 摩擦副的摩擦系數(shù)試驗結(jié)果

表2 摩擦副的磨損量(磨痕面積)試驗結(jié)果 單位:mm2

#2潤滑劑 20.44 22.66 24.40 27.53 30.64 33.93 36.78 38.35 40.99#3潤滑劑 22.56 25.09 27.82 32.50 33.98 36.01 39.56 40.04 41.34

表3 蝸桿傳動的傳動效率測試結(jié)果 單位:%

2 結(jié)語

通過本文的理論分析和試驗研究，可知潤滑劑的化學成分對鋼蝸桿副的摩擦磨損性能和傳動性能有很大影響，同時說明了同一系列的硫系極壓添加劑的抗磨損和抗膠合能力是隨著分子中活性硫原子數(shù)的增加而增強的;可見，蝸桿副的齒面潤滑是實現(xiàn)鋼蝸輪傳動的關(guān)鍵技術(shù)之一。因而，在鋼蝸輪傳動的設(shè)計與制造中，必須合理正確地選擇潤滑劑及其添加劑的化學成分。為鋼蝸輪傳動的設(shè)計與制造提供了可靠的依據(jù)。

［1］何韶君，李文龍，劉曉東.鋼蝸桿副傳動承載能力的試驗研究［J］.煤礦機械，2006(11):39-41.

［2］歐風等，應用摩擦化學的節(jié)能潤滑技術(shù)［M］.北京:中國標準出版社，1991.