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    合成工業齒輪油發展及應用

    2022年01月21日工業齒輪油廣泛應用于冶金、礦山、金屬加工等行業的閉式齒輪裝置,隨著科學技術及工業生產的發展,齒輪傳動向著體積小、重量輕、高速重載和大功率的方向發展。

    工業齒輪油廣泛應用于冶金、礦山、金屬加工等行業的閉式齒輪裝置,隨著科學技術及工業生產的發展,齒輪傳動向著體積小、重量輕、高速重載和大功率的方向發展。為此,齒輪所使用的油品要求具有更寬的使用溫度、更優異的極壓抗磨性、更好的減摩節能特性和更長的使用壽命。采用聚 α-烯烴( PAO) 、合成酯、聚醚( PAG) 等基礎油調合的合成工業齒輪油恰恰可以滿足這些要求,已在鋼鐵、水泥、風電等行業得到了廣泛使用。本文對合成工業齒輪油的發展現狀、性能特點和應用進行了簡要介紹。

    1、工業齒輪油的發展趨勢

    齒輪箱制造技術的改進和工業齒輪油的規格衍變是影響工業齒輪油發展趨勢的兩大因素。

    1.1 工業齒輪設備的發展

    隨著齒輪工業的高速發展,工業齒輪箱朝著更大的動力、更高的載荷和較小的體積方向發展,并且工作環境潮濕。其中載荷的增大,增 加了齒面接觸壓力和金屬與金屬之間的磨損和點蝕; 齒輪箱體積的變小,意味著潤滑齒輪和軸承的油品更少,這將導致油品溫度的升高,加速油品的氧化,而氧化過程產生的油泥會導致油品和齒輪箱組件使用壽命縮短; 潮濕的工作條件會導 致軸承腐蝕加劇,帶來設備維修與更換成本的增加。

    工業齒輪油作為齒輪設計的重要零部件,也隨著齒輪設備的發展在抗磨性能、承載能力、抗點蝕性能和氧化安定性方面提出了更高的要求,傳統的 CKC、CKD 系列已不能滿足,而合成工業齒輪油因其良好的黏溫特性、優良的氧化安定性、優異的摩擦特性和較長的換油周期而受到廣泛關注。同時,隨著工業齒輪設備的發展,油品的規格也發生了變化。

    1.2 工業齒輪油規格的衍變

    美國鋼鐵公司 AIST 224 標準一直以來代表工業齒輪油最高規格,我國制定的《GB 5903 2011 工業閉式齒輪油》國家標準中 LCKD 齒輪油質量達到了這一標準。此外,常用的工業齒輪油規格還有國標 ISO 12925、北美 AGMA 9005E02 EP、歐洲DIN515173 等。表 1 分別列出了不同工業齒輪油的規格的比較。

    從表 1 可以看出: 工業齒輪油的極壓性能、防銹防腐性、抗乳化性能和氧化安定性是這些規格的共性要求。

    除了上述規格,工業齒輪油發展的一個重要趨勢是 OEM 對齒輪油品規格變化的影響越來越大。一般來講,這些 OEM 規格往往都需要認證,獲得認證的油品才能在被 OEM 廠商推薦使用。國外重要的 OEM( 包括軸承制造商、齒輪箱制造商和設備制造商) 提出的油品規格有 SIEMENS Flender 規格; David Brown David BrownS1.53.101 規格;Cincin-nati Machine Cincinnati Milacron 規格等。其中最有影響的是 Flender 規格,該規格要求油品在滿足 DIN515173 的基礎上,還需通過 FZG 微點蝕實驗、Flender 抗泡沫性實驗、涂層材料兼容性實驗、液體密封材料的相容性實驗、軸封橡膠兼容性實驗和Flender 過濾試驗。Flender 規格被風電行業內普遍認為最苛刻,大多數風機 OEM 都希望使用的油品通過 Flender 認證。

    1.3 合成工業齒輪油的現狀

    從上述工業齒輪制造和工業齒輪油規格的發展看,未來工業齒輪油除了具有良好的摩擦學性能外,還應該盡可能滿足節能、環保和安全等要求。表 2 列出了各大潤滑油公司推出的合成工業齒輪油產品的比較。

     

    從表 2 可以看出: 從基礎油類型看,各大公司推出的合成型工業齒輪油以聚 α-烯烴( PAO) 、合成酯、聚醚( PAG) 等三大合成基礎油的使用最為廣泛; 從典型應用看,合成型工業齒輪油多用于高負荷、極高溫或極低溫等嚴苛工況,具有杰出的潤滑性能,能為齒輪提供最優保護。

    2、三類合成基礎油在工業齒輪油中的應用

    2.1 PAO 在工業齒輪油中的應用

    早期的 PAO 主要用于軍事行業,直到 20 世紀 80 年代后期,隨著市場需求的顯著增長及民用技術的進步,PAO 潤滑油才開始獲得規?;瘧?。在制備方法上,國外公司主要通過乙烯共聚法制得 α-葵烴,再通過催化齊聚和加氫飽和制得不同黏度的PAO 基礎油。由于 α-葵烯的純度高,催化活性及選擇性高,工藝條件易于嚴格控制,因此其產品性能優于使用蠟解、分餾再聚合法所制得的 PAO 產品,主要表現為黏度指數高、低溫性能好及熱氧化安定性好等方面。表 3 為具有相同黏度的 PAO 類礦物基礎油的性質對比。

    從表 3 可以看出: PAO 除黏度指數大于類基礎油外,其突出特點是傾點低,低溫流動性大大優于類基礎油。此外,PAO 還具有優異的氧化安定性和水解穩定性,低的揮發性以及與礦物油兼容性好等優點。PAO 型的合成工業齒輪油產品,如昆侖KG/S 全合成重負荷工業齒輪油系列在造紙、鋼鐵、水泥等行業的高負荷、極端高低溫和嚴苛的腐蝕環境下的齒輪箱中得到了越來越多的應用。

    2.2 合成酯在工業齒輪油中的應用

    提倡在教學的同時深入了解學生,意在培養學生成長、成才,教會學生守正樹德,昂揚自信。

    2.3 PAG 在工業齒輪油中的應用

    PAG 是以環氧乙烷、環氧丙烷、環氧丁烷等原料在催化劑作用下開環均聚和共聚制得的線性聚合物。PAG 基礎油具有極低的摩擦系數,優異的潤滑性能,極高的黏度指數,卓越的低溫流動性以及極佳的熱氧化安定性。但 PAG 型潤滑油與礦物型潤滑油、某些涂料和油漆不兼容,在使用時需要對潤滑系統進行清洗、采用氟橡膠或丁腈橡膠密封件、潤滑系統內部采用環氧樹脂漆或不涂漆。

    由于 PAG 型工業齒輪油具有低摩擦系數的特點,因此適用于滑動形式較多的齒輪副潤滑,特別是渦輪和雙曲線齒輪。在潤滑過程中幾乎不產生殘渣、膠質和其他沉積物,可以確保潤滑系統清潔,減少潤滑系統管路、精密閥門的堵塞,從而可以有效地防止由于上述原因造成的設備低油位或無油潤滑而導致的設備損壞。PAG 型工業齒輪油,比如昆侖合成電梯油專為蝸輪蝸桿齒輪,特別是重型、嚴苛操作環境下的應用而設計。

    綜上所述,三大類合成基礎油性能各有不同,應用的范圍也有所區別。聚 α-烯烴( PAO) 因具有良好的氧化安定性和低溫流動性,常用于極端工況條件下的齒輪潤滑; 合成酯因具有良好的可生物降解性多用于可生物降解的齒輪油中; 聚醚( PAG) 因具有較低的摩擦系數多用于蝸輪蝸桿齒輪的潤滑。

    3、合成工業齒輪油的使用范圍

    當前,合成工業齒輪油的使用大致可以分為三類情況。

    (1) 必須使用合成工業齒輪油才能滿足苛刻的使用工況,如風電齒輪油。

    (2) 要求使用后排放的齒輪油能夠進行生物降解,如船用齒輪油等。

    (3) 在工況條件惡劣的情況下,盡管使用傳統的礦物型齒輪油也能在一定程度上滿足要求,但如果使用合成工業齒輪油能馬上體現礦物齒輪油無法比擬的優勢,如電梯、鋼鐵、水泥、造紙等行業的齒輪油。

    3.1 風電行業用油

    風電設備運行具有與其他設備運行不同的特點。首先,風電機組通常都是位于風能較為豐富的偏遠內陸或沿海地區,這些地區的自然環境較為惡劣,晝夜溫差大,位于沿?;蚝I系娘L電機組還受潮濕、海水腐蝕等環境因素的影響; 其次,風電齒輪箱運行特點是低轉速、高扭矩,且負載不穩定; 再次,風機主要潤滑部件都位于離地超過 30 米以上的吊艙內,如果由于潤滑故障而導致部件損壞,則部件的維修和維護非常高; 最后,必須考慮齒輪油對于潤滑系統的元件如油漆、密封件等的相容性問題?;陲L電機組的設備運行特點,風電齒輪油多選擇合成型油品,并以 PAO 型的合成齒輪油為主。表 4 列出了風電機組齒輪箱的運行特點和潤滑需求。

    3.2 船用可降解齒輪油

    2013 3 月美國環保署( EPA) 在最新修訂的 船舶通用許可 VGP( vessel general permit) 中提到,從 2013 12 19 日以后,在美國水域行駛的商用船 舶上可能與海水接觸的設備使用油品必須為環境友 好型產品,主要涉及工業齒輪油、液壓油等。當前, 市場上可生物降解工業齒輪油的基礎油大多是合成 酯。從目前的發展趨勢看,合成酯被認為是最理想 的可生物降解潤滑油的基礎油。這是由于它具有以 下優點: 極佳的潤滑性; 出色的高溫穩定性和低溫揮 發性; 良好的黏溫性能; 較好的可生物降解性; 良好 的氧化安定性等。此外,合成酯還具有與礦物油及 多數合成油、添加劑可以互溶等優點。表 5 列出了 船用可生物降解齒輪油的運行特點及潤滑需求。

    3.3 電梯行業用油

    對于有齒傳動電梯,曳引機潤滑油的作用在于 減少齒輪在傳動過程中產生的熱量,起到散熱作用, 保證齒輪充分潤滑,減少摩擦,達到提高傳動效果和 承載力的目的。近年來,隨著電梯曳引機趨于小型 化,極壓負荷的不斷增高以及高速電梯的不斷增長, 電梯曳引機長期運行在大于 100 ℃甚至 130 ℃以上 的高溫環境,一般的礦物型油品很難長期承受,而合 成型電梯曳引機潤滑油由于選用了通過化學方法合 成的高分子化合物 PAO、PAG 作為基礎油,分子結 構單一、整齊、餾程窄、雜質少、清凈性好,再配以專 用添加劑,對于改善電梯油的性能具有極大的幫助。國際品牌電梯的初裝和指定用油多采用的是 PAO 型或 PAG 型合成齒輪油。表 6 列出了電梯曳引機 齒輪油的運行特點及潤滑需求。

    4、結束語

    未來,工業齒輪油的發展將面臨多方面的挑戰, 滿足節能、環保、長壽命等綜合要求將成為齒輪油發 展的主流。隨著合成潤滑油技術的進步,合成工 業齒輪油的優勢將越來越明顯,在各領域的應用將 更加廣泛。

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