長城AP-S工業(yè)齒輪油在大型礦用電動輪自卸車上的行車試驗

石嘯

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

本文采用長城AP-S工業(yè)齒輪油在某大型露天煤礦小松930E電動輪自卸車上進行了4 000 h行車試驗。結(jié)果表明，長城AP-S 680工業(yè)齒輪油在行車試驗過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的極壓抗磨性能、抗氧化性能和抗腐蝕性能，各項性能指標(biāo)均優(yōu)于換油指標(biāo)限值，能夠滿足小松電動輪輪邊減速器的使用要求，具有較好的匹配性，完全能夠滿足大型礦用電動輪自卸車的潤滑要求。

隨著經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，世界各國能源需求不斷加大。現(xiàn)階段，煤炭仍是能源消費中重要的燃料，在全球一次能源消費中的占比仍高達(dá)28.1%[1]；其他一些領(lǐng)域?qū)ΦV石的需求量也不斷提高?；诖?，全球范圍內(nèi)礦山開采規(guī)模持續(xù)擴大，尤其是露天礦。在露天礦開采后的運輸過程中，使用的礦用自卸車按傳動方式分為機械傳動和電力傳動2種，使用電力傳動的自卸車也稱為電動輪自卸車。在同樣的開采規(guī)模下，采用大噸位的礦用自卸車可以明顯減少運輸車輛的數(shù)量，降低運輸成本，運輸?shù)陌踩院凸ばФ加邢鄳?yīng)提高，具有良好的經(jīng)濟效益。當(dāng)前礦石、煤炭開采后的運輸任務(wù)大多首選大型電動輪自卸車來完成[2～5]。

目前全球礦用電動輪自卸車的主要生產(chǎn)企業(yè)有美國的Caterpillar（卡特彼勒）、Terex（特雷克斯），德國的Liebherr（利勃海爾），日本的Komatsu（小松）、Hitachi（日立）和白俄羅斯的Belaz（別拉斯），這些公司大型礦用電動輪自卸車所占的市場份額之和占全球礦用電動輪自卸車市場份額的90%以上。我國大噸位礦用電動輪自卸車的主要生產(chǎn)企業(yè)有內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司、湘電重型裝備股份有限公司等[6]。

株式會社小松制作所（即小松集團）是全球最大的工程機械及礦山機械制造企業(yè)之一，小松電動輪自卸車在全世界特別是在中國的礦山應(yīng)用十分廣泛，其國內(nèi)用戶包括神華準(zhǔn)能露天煤礦、中煤平朔露天煤礦、神華北電煤礦、江西德興銅礦和包鋼集團等。某大型露天煤礦采用小松930E礦用電動輪自卸車（以下簡稱小松930E）將露天礦煤炭運輸?shù)竭x煤廠。

小松930E自重大（空車210 t），載重量大（290 t）、總重大（500 t），且露天礦崎嶇復(fù)雜的路況和惡劣的作業(yè)環(huán)境對電動輪自卸車及其所用潤滑油均提出了較高的要求。電動輪自卸車輪邊減速器（以下簡稱輪邊減速器）作為電動輪自卸車上的核心傳動部件，對整車的運動性能、可靠性、維護成本和使用壽命有著極大的影響。為了保證電動輪自卸車的穩(wěn)定高效運行，需要重點關(guān)注輪邊減速器用潤滑油。根據(jù)電動輪的結(jié)構(gòu)和工況特點，電動輪輪邊減速器用工業(yè)齒輪油應(yīng)具備優(yōu)異的抗微點蝕性能、軸承保護性能、氧化安定性能、抗泡性能和橡膠密封適應(yīng)性等[7]。小松電動輪自卸車動力傳動如圖1所示。

長城AP-S 680工業(yè)齒輪油具有突出的抗微點蝕性能，能有效減少齒面和軸承過早損壞的風(fēng)險；同時具備極好的承載和抗磨性能，可減少部件磨損，確保設(shè)備正常運轉(zhuǎn)；并具有優(yōu)異的耐溫性能，高溫時可有效抑制油品高溫氧化，相比常規(guī)工業(yè)齒輪油使用壽命長，可大幅延長維護周期。

目前小松930E電動輪輪邊減速器用工業(yè)齒輪油換油周期為3 000 h。為測試長城AP-S 680工業(yè)齒輪油（以下簡稱長城AP-S 680）在大型電動輪自卸車滿載惡劣工況下的使用性能，中國石化潤滑油有限公司與某大型露天煤礦合作，在其小松930E上開展了4 000 h行車試驗。

試驗部分

試驗車輛

由某大型露天煤礦在其所屬小松930E車輛中選擇2輛剛大修的（A車、B車）作為試驗用車。2臺自卸車的初始運行小時數(shù)在30 000 h左右。試驗車輛電動輪為GE電動輪GDY106AC。

試驗用油

試驗使用的電動輪輪邊減速器用工業(yè)齒輪油為長城AP-S 680，其典型數(shù)據(jù)見表1。

試驗條件

此次行車試驗在冬春交替季節(jié)開始進行，溫度在-15～20 ℃，主要針對礦山運輸情況。路況為非鋪裝路（多為碎石路。碎石和煤土混雜在一起），坡路較多，露天礦有灑水車，時刻保持道路濕潤無揚塵。車輛核定載重290 t，實際載重超過300 t，每日運行約20 h。

清洗和取樣

裝填過程中首先采用長城AP-S 680對輪邊減速器進行2次沖洗（每次半箱油），沖洗完畢排出原用油后裝填新油。每臺車加入試驗油后，運轉(zhuǎn)10 min取第一次油樣，作為0 h油樣。行車試驗開始后，每臺車分別在工作1 000 h、2 000 h、2 500 h、3 000 h、3 500 h和4 000 h取樣。取樣（至少500 mL）在熱車狀態(tài)下進行，以保證油樣的均勻性。

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)電動輪的工況特點，與客戶協(xié)商確定了試驗油品的換油指標(biāo)，見表2。

結(jié)果及討論

運動黏度

運動黏度是衡量油品油膜強度、流動性的重要指標(biāo)，運動黏度的過高或者過低都會影響油膜強度及流動性能。齒輪油在使用過程中，運動黏度的穩(wěn)定保持是確保齒輪副處于彈性流體動壓潤滑的一個重要因素。通常狀況下，在用齒輪油運動黏度的增大可能是由于油品的氧化、不溶物含量的增加、高黏度油品的混入所致；而運動黏度的降低可能是由于混入低黏度油品或是油品內(nèi)高分子聚合物受剪切力的剪切所致。行車試驗過程中油品的運動黏度變化見圖2和圖3。

表1 長城AP-S 680典型數(shù)據(jù)

從圖2和圖3可以看出，A車和B車油品40 ℃運動黏度左右輪與新油相比均有下降，但在1 000 h～4 000 h油品黏度變化較小，40 ℃黏度變化率仍在換油指標(biāo)限值范圍內(nèi)。

黏度指數(shù)

黏度指數(shù)是反映黏溫性能好壞的指標(biāo)，黏溫性能是反映油品黏度隨溫度變化的大小的指標(biāo)。齒輪油在工作過程中的溫度變化較大，不同地區(qū)、不同季節(jié)也會使油溫發(fā)生較大的變化。要使齒輪油保持合適的黏度，必須要求齒輪油具有較好的黏溫性能，以滿足齒輪傳動系統(tǒng)的潤滑要求。對于電動輪自卸車的工況，油品黏度指數(shù)越大越好。行車試驗過程中油品的黏度指數(shù)變化情況見圖4和圖5。

從圖4和圖5可以看出，行車試驗過程中油品的黏度指數(shù)變化較小，基本保持穩(wěn)定，且處于較高水平，說明長城AP-S 680的黏溫性能較好。

銅片腐蝕

對油品進行銅片腐蝕測試，是為了保證產(chǎn)品具有良好的防腐性能，不會對齒輪傳動裝置中的銅部件造成腐蝕。行車試驗過程中油品的銅片腐蝕測試結(jié)果見圖6和圖7。

從圖6、圖7可以看出，油品的銅片腐蝕均不大于2級，且4 000 h時銅片腐蝕仍保持在1b，說明油品的抗銅片腐蝕保持能力較好。

磨損元素分析

電動輪輪邊減速器的主要材質(zhì)元素為鐵，另外軸承保持架含有銅元素，因此鐵、銅是主要的磨損元素。對于齒輪油的使用壽命，可以有2個判斷標(biāo)準(zhǔn)：

◇由于油品本身氧化、劣化、變質(zhì)，因而喪失了在摩擦副中充當(dāng)潤滑介質(zhì)的功能；

◇由于油品的衰變而使摩擦表面間的磨損增大，導(dǎo)致系統(tǒng)破壞。

油液的變質(zhì)促使摩擦表面間的磨損加劇，而磨損的加劇造成油液的進一步劣化，這2個方面彼此相互作用，互為關(guān)聯(lián)。為保證自卸車的正常運轉(zhuǎn)并監(jiān)測其運行狀態(tài)，可采用ICP（原子發(fā)射光譜法）對行車試驗油品進行定量分析，檢測鐵、銅等磨損金屬元素。行車試驗過程中油品的鐵磨損量分別見圖8和圖9，銅磨損量分別見圖10和圖11。

從圖8、圖9可以看出，1 000 h到2 000 h，油品中鐵元素含量極低，僅為15 mg/kg左右；2 500 h時上升到50 mg/kg左右，鐵磨損略有增加，但都遠(yuǎn)低于換油指標(biāo)限值要求。從圖10、圖11可以看出，油品中銅元素含量低于10 mg/kg，遠(yuǎn)低于換油指標(biāo)限值要求。這說明長城AP-S 680對電動輪的保護效果較好。

酸值

齒輪油在使用過程中，一方面齒輪油中呈酸性的含磷抗磨極壓添加劑的消耗降解，將使堿性增加，導(dǎo)致酸值減??；另一方面齒輪油由于摩擦副間的高溫?zé)嶙饔枚饾u氧化，產(chǎn)生有機酸，使酸值增加。酸值是用中和1 g試樣中全部酸性組分所需要的堿的相當(dāng)量來表示的數(shù)值，以mgKOH/g表示。酸值的變化量反映了齒輪油在使用過程中的油質(zhì)衰變情況，可以作為衡量油品使用壽命的一個重要的指標(biāo)參數(shù)。行車試驗過程中油品的酸值見圖12和圖13。

從圖12、圖13可以看出，與新油酸值（0.87 mgKOH/g）相比，A車和B車油品酸值增加值在0.1～0.5 mgKOH/g，遠(yuǎn)低于換油指標(biāo)限值，表明油品老化變質(zhì)程度較小。

戊烷不溶物

油液中戊烷不溶物的含量一定程度上反映了油品氧化衰變的程度，即形成不溶性膠質(zhì)的情況，同時也反映了油液中非油溶性固體污染（如塵土、砂粒）以及磨損顆粒等，因此可以作為衡量油品使用壽命的一個參考指標(biāo)。行車試驗過程中油品的戊烷不溶物含量見圖14和圖15。

從圖14、圖15可以看出，A車、B車在4 000 h行車試驗后油品戊烷不溶物含量僅為0.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）含量極低，結(jié)合酸值分析結(jié)果，表明油品氧化變質(zhì)程度低。

四球機試驗

四球機試驗是在設(shè)定的溫度、轉(zhuǎn)速和負(fù)荷下進行運轉(zhuǎn)，通過鋼球的運轉(zhuǎn)狀態(tài)來確定潤滑油的潤滑、極壓抗磨性能。燒結(jié)負(fù)荷、負(fù)荷磨損指數(shù)的數(shù)值越大，油品的極壓抗磨性能越好。行車試驗過程中油品的燒結(jié)負(fù)荷PD和負(fù)荷磨損指數(shù)見圖16、圖17、圖18和圖19。

從圖16、圖17、圖18和圖19可以看出，A車、B車行車試驗過程中油品的燒結(jié)負(fù)荷PD均保持在2 450 N及以上，負(fù)荷磨損指數(shù)也大于441 N，油品的四球極壓抗磨性能保持較好。結(jié)合鐵、銅金屬磨損量分析結(jié)果，表明油品承載性能較好，4 000 h內(nèi)電動輪磨損極小，對設(shè)備起到了良好的潤滑保護作用。

結(jié)論

采用長城AP-S 680工業(yè)齒輪油在某大型露天煤礦小松930E礦用電動輪自卸車上開展了4 000 h行車試驗。結(jié)果表明，長城AP-S 680工業(yè)齒輪油具有優(yōu)異的極壓抗磨性能、抗氧化性能和抗腐蝕性能；長城AP-S 680工業(yè)齒輪油能夠滿足小松電動輪輪邊減速器的使用要求，具有較好的匹配性，完全能夠滿足大型礦用電動輪自卸車的潤滑要求。