水泥企業(yè)球磨機開式齒輪油品國產化選型研究

馬國興 劉海元 劉 俊

(1.南方水泥有限公司 上海 200126；2.廣州機械科學研究院有限公司 廣東廣州 510535)

開式齒輪因其重載、高溫的工況環(huán)境一直以來都是水泥企業(yè)動設備維護中的一個難點，也是經常發(fā)生故障的設備。但開式齒輪又是水泥企業(yè)兩大關鍵設備——水泥磨和回轉窯的核心部件，造價昂貴且更換費時費力，因而潤滑維護是開式齒輪日常維護中的重要環(huán)節(jié)，對于保障水泥企業(yè)的正常生產至關重要。某水泥企業(yè)一直以來使用某進口品牌油品作為球磨機開式齒輪潤滑劑，但國外油品不僅價格昂貴，而且采購周期較長，因而尋找國內可替代的產品不論是從經濟上還是從保障供應上，都具有重要意義。

在水泥企業(yè)兩大關鍵設備中，球磨機開式齒輪的工況相比回轉窯開式齒輪較好[1-2]，因此，本文作者選擇球磨機開式齒輪為研究對象進行油品的國產化選型研究，在替代成功的基礎上再進一步推廣到回轉窯上。同時，針對目前開式齒輪油品選用標準不明確的現(xiàn)狀，提出將油品的黏附性作為篩選油品的初步評價指標，然后實際使用時在齒面上能否能形成良好油膜作為最終選用標準來開展球磨機開式齒輪油品國產化選型研究。

1 開式齒輪油品的初步篩選

開式齒輪潤滑劑經歷了從早期的瀝青型和溶劑稀釋型產品，目前市場上的開式齒輪潤滑劑以高黏度齒輪油型和流體脂型產品為主。某水泥企業(yè)球磨機開式齒輪目前使用的就是高黏度齒輪油型潤滑劑。開式齒輪潤滑劑是選擇高黏度齒輪油型產品好，還是選擇流體脂型產品好，目前并無明確規(guī)定。因而參照該開式齒輪使用的進口油品A的基本性能，選取了國內知名潤滑劑廠家生產的一款高黏度齒輪油型產品B作為備選油品。同時，還選取了該潤滑劑廠家生產的一款流體脂型產品C作為備選油品。3種油品基本參數(shù)對比見表1?？梢钥闯觯?種油品除了類型上的差別，在基本性能指標上無明顯差別，例如極壓抗磨性能指標基本接近。這也導致開式齒輪油品依靠基本性能指標很難選擇[3]。

表1 3種油品基本參數(shù)對比

2 開式齒輪油品選型方案設計

2.1 油品黏附性評價

研究表明，油品的黏附性是開式齒輪潤滑劑一項重要的性能指標。現(xiàn)場使用經驗也證明了這一點。在日常開式齒輪的點檢中，除了查看齒面的磨損情況，另一重要點檢項目就是查看齒面油膜附著情況。如果齒面油膜附著情況不好，就很容易導致齒面出現(xiàn)磨損，而齒面油膜附著性能的好壞與油品的黏附性能密切相關[4-5]。

目前國內有關開式齒輪潤滑劑的標準是SH/T 0363—92《普通開式齒輪油》，該標準制定年代較早，部分技術指標要求已與目前市面上的產品脫節(jié)，且標準中對油品的黏附性并無要求。國外的開式齒輪潤滑劑標準可參考ANSI/AGMA 9005-E02annex D-2，但該標準中對油品黏附性也無要求。另外，國內2017年新制定了一個關于開式齒輪潤滑劑的標準，即GB/T 33540.2—2017《風力發(fā)電機組專用潤滑劑 第2部分：開式齒輪潤滑脂》。該標準中對開式齒輪潤滑劑的黏附性作出了要求，雖然是針對風力發(fā)電機組開式齒輪的，但也可作為其他開式齒輪選油的參考。該標準通過潤滑劑滑落試驗對其黏附性能進行評價，即在一塊鋼片上規(guī)定區(qū)域內涂上一層非常薄(0.4 mm)的潤滑劑，然后將鋼片豎直懸掛，放到70 ℃烘箱中，觀察潤滑劑在48 h內的滴落情況。如果在鋼片上規(guī)定區(qū)域外出現(xiàn)了潤滑劑，則判斷該潤滑劑滑落試驗不合格[6-8]。

由于GB/T 33540.2—2017標準較新，滑落試驗暫無標準試驗方法，因而委托某檢測機構參照GB/T 33540.2—2017中的附錄A對3種油品在實驗室進行了滑落試驗。3種油品的試驗結果如圖1—3所示。

嚴格來說，油品A和油品B屬于潤滑油型，并不適用于滑落試驗，但仍不可將該試驗結果作為選油的參考[9-10]。另外，在對油品A和油品B進行滑落試驗時并沒有嚴格按照GB/T 33540.2—2017規(guī)定方法，而是在室溫下進行30 min滑落試驗；而油品C則是嚴格按照GB/T 33540.2—2017規(guī)定的試驗方法。

如圖1所示，鋼片在室溫下豎直懸掛30 min后，試驗的三塊試驗鋼片上的油品A都出現(xiàn)了滑落現(xiàn)象(見圖1(b))，但仔細觀察發(fā)現(xiàn)油品滑落后鋼片上仍然留有一層較厚的油膜。如圖2所示，試驗的三塊試驗鋼片上的油品B也都出現(xiàn)了滑落現(xiàn)象(見圖2(b))，但相比油品A，油品B滑落后在鋼片上僅留下一層很薄的油膜。如圖3所示，在試驗12、36、48 h后鋼片上的油品C都沒有出現(xiàn)滑落，按照判定標準該油品滑落試驗合格。

圖1 進口油品A滑落試驗結果

圖2 國產油品B滑落試驗結果

圖3 國產油品C滑落試驗結果

根據滑落試驗的結果，可知油品C的黏附性最好，油品A次之，油品B黏附性最差。考慮到油品B在常溫、無負載情況下的黏附性能也較差，其在高溫、高負載的實際工況條件下更難以滿足黏附性要求。所以通過3個油品的滑落試驗，可直接將油品B排除出備選之列。

2.2 設備使用評價

油品C雖然在滑落試驗中表現(xiàn)出良好的黏附性，但滑落試驗是在無負載條件下進行的，而實際使用工況下開式齒輪間的接觸負載很大，因而要在實際工況下對油品C能否滿足設備使用要求進行檢驗。為此，選取了2種不同規(guī)格的球磨機開展油品性能評價。2種球磨機的結構基本一致，都為開式齒輪邊緣傳動，其主要差異在于負載大小不同。2種球磨機的規(guī)格參數(shù)見表2。

表2 2種球磨機參數(shù)

主要通過2個方面來判斷油品能否滿足球磨機開式齒輪潤滑要求[11]。一是油品能否在齒面形成良好的油膜附著，尤其是在大小齒輪嚙合處能否保持良好的油膜附著，因為大小齒輪嚙合處是接觸應力最大的地方，強大的應力容易把該處的油膜“擠開”。根據現(xiàn)場經驗，如果油品黏附性不能滿足要求，在大小齒輪嚙合處容易形成一條明顯的“亮紋”。該亮紋是油膜被擠開后齒面金屬直接接觸造成的，因而可通過換油后大小齒輪嚙合處有沒有產生明顯的“亮紋”，作為油品黏附性是否滿足要求的判定標準。二是可通過對換油后開式齒輪在用油的持續(xù)取樣跟蹤監(jiān)測，來判斷開式齒輪的潤滑磨損狀態(tài)。該方法可作為油品是否滿足要求的間接依據[12-14]。

在油品切換前，對兩臺球磨機開式齒輪均進行了徹底的齒面清洗，以減少原用油品殘留的影響。油品切換后，對球磨機開式齒輪運行狀態(tài)進行跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測的參數(shù)包括齒面油膜狀態(tài)、齒面溫度、振動、噪聲。

圖4(a)所示為球磨機A開式齒輪更換油品C后齒面油膜狀態(tài)，可見整體上齒面油膜附著較少，尤其是在大小齒嚙合處存在明顯的“亮紋”，且齒面溫度較換油前上升了10 ℃左右?，F(xiàn)場采取了提高噴油頻率的措施，但齒面油膜附著的情況仍然不理想。圖4(b)所示為球磨機B開式齒輪更換油品C后齒面油膜狀態(tài)，整體上齒面上都有油膜附著，且大小齒嚙合處油膜附著較好，無明顯“亮紋”存在，開式齒輪的其他參數(shù)如溫度、振動等在換油后也無明顯異常。

根據圖4(a)所示的結果，可知油品C不能在球磨機A開式齒輪上形成良好油膜附著；且換油后齒面溫度明顯上升，表明齒面局部存在干摩擦，長時間運行可能導致開式齒輪的異常磨損。這種狀況在提高了噴油頻率后仍無改善，表明油品C不能滿足球磨機A開式齒輪的潤滑要求。根據圖4(a)所示的結果，可知油品C能在球磨機B開式齒輪表面形成良好的油膜附著，且換油后開式齒輪的各項運行參數(shù)也無異常，表明油品C能滿足球磨機B開式齒輪潤滑要求。

圖4 兩臺球磨機開式齒輪更換油品C后齒面油膜狀態(tài)

球磨機B開式齒輪在換油運行一段時間后，對潤滑油進行了多次取樣檢測分析，以了解油品的性能和齒輪的磨損情況。相關監(jiān)測數(shù)據見表3?？煽闯觯蚰CB開式齒輪在換油后油品性能和齒輪磨損狀況均保持穩(wěn)定。這也間接證明了油品C能滿足球磨機B開式齒輪的潤滑要求。

表3 球磨機B開式齒輪換油后監(jiān)測數(shù)據

3 結束語

通過油品黏附性試驗和設備使用效果評價相結合的方法，開展了球磨機開式齒輪油品國產化選型研究。結果表明，油品黏附性試驗可作為球磨機開式齒輪油品選用的依據。但通過油品黏附性評價項目的油品，使用在中等或以下負載球磨機開式齒輪上通常是可行的；而對于重載球磨機開式齒輪油品選用的標準，是油品能否在齒面形成良好的油膜附著，尤其該油品潤滑下在大小齒嚙合處是否會出現(xiàn)明顯“亮紋”，有“亮紋”出現(xiàn)表明油品的黏附性不能滿足開式齒輪的工況要求。

需要說明的是，文中開展的研究主要是定性研究，且部分試驗還存在不規(guī)范的情況。如重載開式齒輪的準確界定；油品A和油品B屬于齒輪油型，但采用了GB/T 33540.2—2017中的潤滑脂滑落試驗方法。但考慮到目前國內缺乏相關油品標準和相關設備選油規(guī)范，對于開式齒輪這類較特殊的摩擦副，特別是非重載型開式齒輪，采用文中的油品選型方案進行油品的國產化研究，可大幅提高經濟效益。以球磨機B開式齒輪從進口油品A更換為國產油品C后為例，油品采購成本下降50%以上，這對于開式齒輪油這種單價成本較高、使用量較大(損耗式潤滑)的特殊油品來說經濟效益可觀。

通過研究也發(fā)現(xiàn)，黏附性是開式齒輪油品一項重要的評價指標，未來開式齒輪油品標準中應當考慮這一指標。另外，GB/T 33540.2—2017《風力發(fā)電機組專用潤滑劑 第2部分：開式齒輪潤滑脂》標準中對開式齒輪潤滑脂的黏附性評價項目存在一定缺陷，即標準中試驗沒有考慮負載的影響，而實際工況中負載對油品黏附性的影響很大。此外，對于齒輪油型開式齒輪油品。如何評價其黏附性也值得進一步開展相關研究。