一、齒輪摩擦學(xué)

齒輪摩擦不同于滾動軸承與滑動軸承，兩者有顯著區(qū)別，齒輪接觸面潤滑條件相對困難。因此，齒輪傳動對潤滑劑有更髙要求。齒輪嚙合過程中，齒面負(fù)荷和表面速度以整個齒嚙合距離是連續(xù)變化的。齒面速度總和等于流體力學(xué)有效速度V ∑，齒面速度之差等于滑動速度Vg。該滑動速度連同局部有效壓力（即所謂的齒面接觸的滑動、滾動接觸壓力）造成沿切線方向流向齒面的摩擦負(fù)荷，從而導(dǎo)致滑動、滾動接觸溫度升髙。如圖2所示，在整個齒嚙合過程中，只有在節(jié)點(diǎn)接觸C處是純滾動移動而無滑動速度。

DTE-雙齒嚙合,STE-單齒嚙合，FZE-齒嚙合線內(nèi)最大齒力;
V ∑-流體動力學(xué)有效速度；Vg-滑動速度；Vt-圓周速度
圖 1

齒嚙合中靜態(tài)和動態(tài)負(fù)荷分布，如圖2（a）所示靜態(tài)負(fù)荷沿齒嚙合距離的分布。在單齒嚙合面，整個負(fù)荷由一對齒傳遞，而在雙齒嚙合面則由兩對齒傳遞。由于齒的彈性，由雙齒嚙合向單齒嚙合以及再回到雙齒嚙合的轉(zhuǎn)變不是突變性而是接近線性的變化。齒嚙合是一個振動系統(tǒng)，振動系統(tǒng)內(nèi)動態(tài)負(fù)荷有時明顯超過靜態(tài)負(fù)荷分布。在齒輪傳動系統(tǒng)中，具有黏度的潤滑劑具有吸振作用。齒輪運(yùn)行中，潤滑劑大量吸收振動，降低齒輪振動、噪聲，同時吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱能，使接觸面齒輪溫度升髙，同時也降低了齒輪傳遞效率。

DTE-雙齒嚙合；STE-單齒嚙合；F動態(tài)-齒嚙合線內(nèi)的齒力；
Fs最大-最大靜態(tài)齒力（STE）
圖 2  齒嚙合過程動態(tài)分布

齒輪嚙合面潤滑膜的生成。齒輪嚙合形成良好潤滑的關(guān)鍵因素是在嚙合面形成足夠的潤滑油膜厚度。在每個輪齒嚙合全長上可以看出，在節(jié)點(diǎn)C上輪齒作純滾動而無滑動，擁有相對最好的潤滑條件（僅僅考慮滑動速度比，不考慮其他因素）。潤滑油膜隨著每一個新嚙合齒尖重新形成，隨著毎一個輪齒嚙合分開而破壞。因此，齒輪傳動的劇烈的間歇工況條件相比滾動、滑動軸承非常不利于潤滑油膜的形成。

在低速和邊界潤滑條件下，主要發(fā)生磨損。齒面膠合，在高速和齒面硬化情況下，主要發(fā)生膠合和磨粒磨損。白馬選礦廠磨機(jī)開式齒輪磨損不是這種破壞。

微觀形成機(jī)理：在載荷作用下，齒面微觀高點(diǎn)在外力作用下，會反復(fù)不斷進(jìn)行搖擺，超過疲勞周期，在其根部表面下0.2μm附近會形成微小裂紋，隨著破壞不斷進(jìn)行，最終微小裂紋會躍出表面，形成與外界相通的微小裂隙，肉眼無法觀察到的微小疲勞破壞（需用顯微鏡觀察）。隨著微觀高點(diǎn)的搖擺，黏度低的潤滑油會滲人這些微隙，在外載荷作用下，在微隙中產(chǎn)生超高壓強(qiáng)，向深部發(fā)展，如果連續(xù)不斷進(jìn)行損傷，這些早期的微小疲勞損傷將會擴(kuò)大，形成點(diǎn)蝕。收斂型最終會從較深部像表面發(fā)展，最終剝落，形成麻點(diǎn)蝕（肉眼可見）；擴(kuò)展性點(diǎn)蝕會向深部不斷發(fā)展，最終因輪齒強(qiáng)度不足而發(fā)生折齒事故。點(diǎn)蝕是微點(diǎn)蝕發(fā)展后期，經(jīng)常發(fā)生在淬火-回火和表面硬化的齒輪上。點(diǎn)蝕主要發(fā)生在沿節(jié)圓高度附近，因?yàn)檫@里發(fā)生最高負(fù)荷F動態(tài)-齒嚙合線內(nèi)的齒力，此部位材料較快進(jìn)人疲勞破壞。點(diǎn)蝕出現(xiàn)表面硬化齒輪和淬火-回火齒輪的表現(xiàn)形式有較大區(qū)別：在表面硬化的齒面，點(diǎn)蝕僅僅出現(xiàn)一個齒面或沒有表現(xiàn)（微點(diǎn)蝕狀態(tài)），其他齒面沒有任何損傷（圖3、4為大小齒輪對比）。

二、齒輪潤滑油

選用的潤滑油如不適應(yīng)齒輪傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)行和工礦條件，除引起齒輪裝置早期故障，還可能擴(kuò)展導(dǎo)致最大的損傷直至傳動系統(tǒng)破壞導(dǎo)致事故。

大型開式齒輪具有傳遞大功率、齒面粗糙度較高、工作條件苛刻（礦漿、沖擊載荷等）的工礦條件。

⑴低速、重載、伴有沖擊載荷。

(2)易受粉塵、漿液、水的侵襲。

(3)有時伴有高溫。

獨(dú)特的工況條件決定了其潤滑油選擇要具備以下性能：

①黏附性強(qiáng)（不易甩脫和損耗）；

②高的抗磨性和抗極壓性能（FZG測試級別≥12，四球焊接符合〉650kg）；

③磨機(jī)振動大，具備足夠的油膜強(qiáng)度（能減弱沖擊負(fù)荷對齒面的影響）；

④含有一定比列的固體添加劑和EP(極壓）添加劑（滿足邊界潤滑和緊急潤滑）；

⑤良好的噴灑。

最早期的開式齒輪潤滑劑選用的是瀝青（2#齒輪油即黑牙油）類，通常在壢青中加有極壓添加劑和溶劑，具有較高的黏度，形成的油膜比較厚，能耐髙溫。但因?yàn)榄h(huán)保問題，逐步被新型潤滑劑取代。

其后又發(fā)展為純油類，純油類無論是礦物油或者是合成油，通常加有極壓添加劑，基礎(chǔ)油為高黏度。

在純油類基礎(chǔ)上添加固體添加劑形成了復(fù)合油（缺點(diǎn)是靜置固體添加劑會沉淀）潤滑劑，提高了純油類潤滑劑的抗沖擊載荷能力，并增加了緊急載荷功能。

最后發(fā)展了開式齒輪潤滑脂，基礎(chǔ)油添加稠化劑，同時添加極壓添加劑和固體添加劑。由于其承載能力高、油膜厚、耐高溫和水、抗磨性能優(yōu)良、密封性好、易于觀察載荷分布，逐漸在市場上占有主導(dǎo)地位。

潤滑油脂與潤滑油的優(yōu)缺點(diǎn)對比：

⑴ 耐負(fù)荷性：潤滑脂（含有固體添加劑）優(yōu)于潤滑油。

⑵ 工作溫度關(guān)聯(lián)性：潤滑脂關(guān)聯(lián)性低，工作溫度對潤滑脂綜合黏度影響不大，目前國際上無標(biāo)準(zhǔn)；潤滑油黏度與工作溫度關(guān)聯(lián)性高。

⑶ 粘附性：潤滑脂優(yōu)于潤滑油。

⑷ 含固體添加劑〖石墨〗具備緊急（沖擊負(fù)荷或震動）潤滑功能。

⑸ 邊界潤滑性能：開齒一般要求基礎(chǔ)油黏度>1500cst(40℃)即可，關(guān)鍵看極壓添加劑的性能。潤滑油、潤滑脂兩者均有極壓添加劑，邊界潤滑性能相當(dāng)。

⑹ 應(yīng)急潤滑功能：潤滑脂具備緊急潤滑功能，潤滑油不具備緊急潤滑功能。

⑺ 流動性：潤滑油優(yōu)于潤滑脂。

⑻ 散熱性：潤滑油優(yōu)于潤滑脂。

⑼ 密封性：潤滑脂優(yōu)于潤滑油。

⑽ 防水性：潤滑脂優(yōu)于潤滑油。

三、半自磨機(jī)使用情況

我廠1#、2#、3#三臺半自磨機(jī)分別于2010年9月、2011年7月、2011年10月投產(chǎn)。1#、2#半自磨機(jī)為相同的7.32m半自磨機(jī)、3#為9.15m雙驅(qū)半自磨機(jī)。1#半自磨機(jī)使用L牌潤滑脂（黏度3000），2#、3#使用K牌潤滑油，1#半自磨機(jī)于2013年3月更換為K牌潤滑油使用至今。下面從能源消耗、備件消耗及潤滑油成本等方面對其使用情況進(jìn)行對比：

能源消耗：二期投產(chǎn)以來，1#、2#、3#半自磨機(jī)沒有進(jìn)行單獨(dú)計量，生產(chǎn)車間均根據(jù)二期設(shè)備裝機(jī)總功率按比列劃分為工序消耗。磨選分為二期工序、半自磨工序，半自磨車間分為破礦工序、磨礦工序、管道工序。選擇合適的時段對同一工序比較可較為準(zhǔn)確地分析、對比出潤滑油使用對能耗的影響。2#、3#半自磨機(jī)于2011年下半年投產(chǎn)，投產(chǎn)后對1#、2#、3#半自磨電單耗均影響較大，沒有可比性。3#半自磨原礦計量2013年7月前使用記錄車數(shù)方法計量原礦量，誤差較大，3#半自磨2012-2014年電單耗縱向?qū)Ρ戎挥袇⒖純r值。2013年底選廠完成四改三改造，尾礦濃度提高等技術(shù)改造，對電單耗影響較大，2014年指標(biāo)只有參考意義。2012-2013年度工礦大致接近，指標(biāo)具有指導(dǎo)意義。1#半自磨于2013年3月更換潤滑油，專門針對該設(shè)備采用從4月1日起至年底的磨礦量、耗電量及作業(yè)率等相應(yīng)真實(shí)數(shù)據(jù)指標(biāo)核算出相應(yīng)電單耗。重點(diǎn)對半自磨2012年度、013.4-2013.12指標(biāo)進(jìn)行對比。

相同條件下影響電單耗主要兩方面：第一，合時給礦量；第二，設(shè)備狀況。為盡量滿足相同條件對比，采用折比方法。即埏2012年合時指標(biāo)為對比標(biāo)準(zhǔn)，折比電單耗：2013年用電量為實(shí)際用電量除以折算磨礦量。折算磨礦量按尚道工序2012年的合時指標(biāo)根據(jù)作業(yè)率及日歷時間折算而得，這樣可以盡量消除生產(chǎn)臺時對電單耗的影響，電單耗可以反映出實(shí)際的設(shè)備狀況對能耗的影響程度。備注欄以折算電單耗除以2012年實(shí)際電單耗，可反映出設(shè)備狀況的影響程度。

如表1對比可以看出：2014年、2013年對比降低1.2%，較真實(shí)。2#半自磨2013年、2014年均有降低，與臺時提高相符，2014年四改三及臺時雙重影響，幅度較大。3#半自磨計量影響，只有參考價值，2014年電單耗小幅降低符合臺時提高影響規(guī)律。1#半自磨2013年大幅提高，與選用潤滑油有直接關(guān)系，四改三影響，2014年較2013年降低8%左右與半自磨2014年較2013年降低8%左右相同，可以判斷數(shù)據(jù)真實(shí)可信。排除2013年臺時降低影響，潤滑油影響可達(dá)5%以上。2014年半自磨電費(fèi)1467萬元，選用適宜潤滑油按5%計全年可節(jié)約電費(fèi)73.35萬元。推廣至1#、3#，全年估計可節(jié)約300萬元電費(fèi)。

備件消耗：1#半自磨至投產(chǎn)以來一直使用原小齒輪，同樣型號2#半自磨后投產(chǎn)，巳消耗一套小齒輪，現(xiàn)兩臺半自磨可能均需更換小齒輪。1#半自磨齒輪使用壽命高于2#半自磨（小齒輪總成89萬元/套）。

潤滑油成本：兩種潤滑油消耗量相同，L牌潤滑脂采購成本低于K牌潤滑油10%～20%。

由此可見，磨機(jī)低速重載開式齒輪傳動使用效果潤滑脂優(yōu)于潤滑油。