马国兴 刘海元 刘 俊

(1.南方水泥有限公司 上海 200126；2.广州机械科学研究院有限公司 广东广州 510535)

开式齿轮因其重载、高温的工况环境一直以来都是水泥企业动设备维护中的一个难点，也是经常发生故障的设备。但开式齿轮又是水泥企业两大关键设备——水泥磨和回转窑的核心部件，造价昂贵且更换费时费力，因而润滑维护是开式齿轮日常维护中的重要环节，对于保障水泥企业的正常生产至关重要。某水泥企业一直以来使用某进口品牌油品作为球磨机开式齿轮润滑剂，但国外油品不仅价格昂贵，而且采购周期较长，因而寻找国内可替代的产品不论是从经济上还是从保障供应上，都具有重要意义。

在水泥企业两大关键设备中，球磨机开式齿轮的工况相比回转窑开式齿轮较好[1-2]，因此，本文作者选择球磨机开式齿轮为研究对象进行油品的国产化选型研究，在替代成功的基础上再进一步推广到回转窑上。同时，针对目前开式齿轮油品选用标准不明确的现状，提出将油品的黏附性作为筛选油品的初步评价指标，然后实际使用时在齿面上能否能形成良好油膜作为最终选用标准来开展球磨机开式齿轮油品国产化选型研究。

1 开式齿轮油品的初步筛选

开式齿轮润滑剂经历了从早期的沥青型和溶剂稀释型产品，目前市场上的开式齿轮润滑剂以高黏度齿轮油型和流体脂型产品为主。某水泥企业球磨机开式齿轮目前使用的就是高黏度齿轮油型润滑剂。开式齿轮润滑剂是选择高黏度齿轮油型产品好，还是选择流体脂型产品好，目前并无明确规定。因而参照该开式齿轮使用的进口油品A的基本性能，选取了国内知名润滑剂厂家生产的一款高黏度齿轮油型产品B作为备选油品。同时，还选取了该润滑剂厂家生产的一款流体脂型产品C作为备选油品。3种油品基本参数对比见表1。可以看出，3种油品除了类型上的差别，在基本性能指标上无明显差别，例如极压抗磨性能指标基本接近。这也导致开式齿轮油品依靠基本性能指标很难选择[3]。

表1 3种油品基本参数对比

2 开式齿轮油品选型方案设计

2.1 油品黏附性评价

研究表明，油品的黏附性是开式齿轮润滑剂一项重要的性能指标。现场使用经验也证明了这一点。在日常开式齿轮的点检中，除了查看齿面的磨损情况，另一重要点检项目就是查看齿面油膜附着情况。如果齿面油膜附着情况不好，就很容易导致齿面出现磨损，而齿面油膜附着性能的好坏与油品的黏附性能密切相关[4-5]。

目前国内有关开式齿轮润滑剂的标准是SH/T 0363—92《普通开式齿轮油》，该标准制定年代较早，部分技术指标要求已与目前市面上的产品脱节，且标准中对油品的黏附性并无要求。国外的开式齿轮润滑剂标准可参考ANSI/AGMA 9005-E02annex D-2，但该标准中对油品黏附性也无要求。另外，国内2017年新制定了一个关于开式齿轮润滑剂的标准，即GB/T 33540.2—2017《风力发电机组专用润滑剂 第2部分：开式齿轮润滑脂》。该标准中对开式齿轮润滑剂的黏附性作出了要求，虽然是针对风力发电机组开式齿轮的，但也可作为其他开式齿轮选油的参考。该标准通过润滑剂滑落试验对其黏附性能进行评价，即在一块钢片上规定区域内涂上一层非常薄(0.4 mm)的润滑剂，然后将钢片竖直悬挂，放到70 ℃烘箱中，观察润滑剂在48 h内的滴落情况。如果在钢片上规定区域外出现了润滑剂，则判断该润滑剂滑落试验不合格[6-8]。

由于GB/T 33540.2—2017标准较新，滑落试验暂无标准试验方法，因而委托某检测机构参照GB/T 33540.2—2017中的附录A对3种油品在实验室进行了滑落试验。3种油品的试验结果如图1—3所示。

严格来说，油品A和油品B属于润滑油型，并不适用于滑落试验，但仍不可将该试验结果作为选油的参考[9-10]。另外，在对油品A和油品B进行滑落试验时并没有严格按照GB/T 33540.2—2017规定方法，而是在室温下进行30 min滑落试验；而油品C则是严格按照GB/T 33540.2—2017规定的试验方法。

如图1所示，钢片在室温下竖直悬挂30 min后，试验的三块试验钢片上的油品A都出现了滑落现象(见图1(b))，但仔细观察发现油品滑落后钢片上仍然留有一层较厚的油膜。如图2所示，试验的三块试验钢片上的油品B也都出现了滑落现象(见图2(b))，但相比油品A，油品B滑落后在钢片上仅留下一层很薄的油膜。如图3所示，在试验12、36、48 h后钢片上的油品C都没有出现滑落，按照判定标准该油品滑落试验合格。

图1 进口油品A滑落试验结果

图2 国产油品B滑落试验结果

图3 国产油品C滑落试验结果

根据滑落试验的结果，可知油品C的黏附性最好，油品A次之，油品B黏附性最差。考虑到油品B在常温、无负载情况下的黏附性能也较差，其在高温、高负载的实际工况条件下更难以满足黏附性要求。所以通过3个油品的滑落试验，可直接将油品B排除出备选之列。

2.2 设备使用评价

油品C虽然在滑落试验中表现出良好的黏附性，但滑落试验是在无负载条件下进行的，而实际使用工况下开式齿轮间的接触负载很大，因而要在实际工况下对油品C能否满足设备使用要求进行检验。为此，选取了2种不同规格的球磨机开展油品性能评价。2种球磨机的结构基本一致，都为开式齿轮边缘传动，其主要差异在于负载大小不同。2种球磨机的规格参数见表2。

表2 2种球磨机参数

主要通过2个方面来判断油品能否满足球磨机开式齿轮润滑要求[11]。一是油品能否在齿面形成良好的油膜附着，尤其是在大小齿轮啮合处能否保持良好的油膜附着，因为大小齿轮啮合处是接触应力最大的地方，强大的应力容易把该处的油膜“挤开”。根据现场经验，如果油品黏附性不能满足要求，在大小齿轮啮合处容易形成一条明显的“亮纹”。该亮纹是油膜被挤开后齿面金属直接接触造成的，因而可通过换油后大小齿轮啮合处有没有产生明显的“亮纹”，作为油品黏附性是否满足要求的判定标准。二是可通过对换油后开式齿轮在用油的持续取样跟踪监测，来判断开式齿轮的润滑磨损状态。该方法可作为油品是否满足要求的间接依据[12-14]。

在油品切换前，对两台球磨机开式齿轮均进行了彻底的齿面清洗，以减少原用油品残留的影响。油品切换后，对球磨机开式齿轮运行状态进行跟踪监测，监测的参数包括齿面油膜状态、齿面温度、振动、噪声。

图4(a)所示为球磨机A开式齿轮更换油品C后齿面油膜状态，可见整体上齿面油膜附着较少，尤其是在大小齿啮合处存在明显的“亮纹”，且齿面温度较换油前上升了10 ℃左右。现场采取了提高喷油频率的措施，但齿面油膜附着的情况仍然不理想。图4(b)所示为球磨机B开式齿轮更换油品C后齿面油膜状态，整体上齿面上都有油膜附着，且大小齿啮合处油膜附着较好，无明显“亮纹”存在，开式齿轮的其他参数如温度、振动等在换油后也无明显异常。

根据图4(a)所示的结果，可知油品C不能在球磨机A开式齿轮上形成良好油膜附着；且换油后齿面温度明显上升，表明齿面局部存在干摩擦，长时间运行可能导致开式齿轮的异常磨损。这种状况在提高了喷油频率后仍无改善，表明油品C不能满足球磨机A开式齿轮的润滑要求。根据图4(a)所示的结果，可知油品C能在球磨机B开式齿轮表面形成良好的油膜附着，且换油后开式齿轮的各项运行参数也无异常，表明油品C能满足球磨机B开式齿轮润滑要求。

图4 两台球磨机开式齿轮更换油品C后齿面油膜状态

球磨机B开式齿轮在换油运行一段时间后，对润滑油进行了多次取样检测分析，以了解油品的性能和齿轮的磨损情况。相关监测数据见表3。可看出，球磨机B开式齿轮在换油后油品性能和齿轮磨损状况均保持稳定。这也间接证明了油品C能满足球磨机B开式齿轮的润滑要求。

表3 球磨机B开式齿轮换油后监测数据

3 结束语

通过油品黏附性试验和设备使用效果评价相结合的方法，开展了球磨机开式齿轮油品国产化选型研究。结果表明，油品黏附性试验可作为球磨机开式齿轮油品选用的依据。但通过油品黏附性评价项目的油品，使用在中等或以下负载球磨机开式齿轮上通常是可行的；而对于重载球磨机开式齿轮油品选用的标准，是油品能否在齿面形成良好的油膜附着，尤其该油品润滑下在大小齿啮合处是否会出现明显“亮纹”，有“亮纹”出现表明油品的黏附性不能满足开式齿轮的工况要求。

需要说明的是，文中开展的研究主要是定性研究，且部分试验还存在不规范的情况。如重载开式齿轮的准确界定；油品A和油品B属于齿轮油型，但采用了GB/T 33540.2—2017中的润滑脂滑落试验方法。但考虑到目前国内缺乏相关油品标准和相关设备选油规范，对于开式齿轮这类较特殊的摩擦副，特别是非重载型开式齿轮，采用文中的油品选型方案进行油品的国产化研究，可大幅提高经济效益。以球磨机B开式齿轮从进口油品A更换为国产油品C后为例，油品采购成本下降50%以上，这对于开式齿轮油这种单价成本较高、使用量较大(损耗式润滑)的特殊油品来说经济效益可观。

通过研究也发现，黏附性是开式齿轮油品一项重要的评价指标，未来开式齿轮油品标准中应当考虑这一指标。另外，GB/T 33540.2—2017《风力发电机组专用润滑剂 第2部分：开式齿轮润滑脂》标准中对开式齿轮润滑脂的黏附性评价项目存在一定缺陷，即标准中试验没有考虑负载的影响，而实际工况中负载对油品黏附性的影响很大。此外，对于齿轮油型开式齿轮油品。如何评价其黏附性也值得进一步开展相关研究。