中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司北京研究院

前言

鋼鐵和煤炭行業(yè)為全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)材料和能源支持,其原材料鐵礦石及煤炭的開(kāi)采、運(yùn)輸工作與礦產(chǎn)資源的高效開(kāi)發(fā)利用息息相關(guān)。隨著國(guó)內(nèi)外大型露天礦山規(guī)模的不斷擴(kuò)大,電動(dòng)輪自卸車(chē)在年開(kāi)采量1 000萬(wàn)t級(jí)以上大型露天礦山的運(yùn)輸設(shè)備中起著舉足輕重的作用。目前大型電動(dòng)輪自卸車(chē)作為大型露天礦山的主要運(yùn)輸工具,承擔(dān)著世界上40%的煤、90%的鐵礦的開(kāi)采運(yùn)輸量［1～4］。

電動(dòng)輪的發(fā)展有近50年的歷史。1968年,美國(guó)通用電氣(GE)公司在礦用自卸車(chē)的基礎(chǔ)上推出了電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu),即將電動(dòng)機(jī)、輪邊減速器和制動(dòng)器合為一體,從而誕生了礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)。電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)大大推進(jìn)了電傳動(dòng)礦用自卸車(chē)的發(fā)展。電動(dòng)輪布置靈活,且減少了零件個(gè)數(shù),提高了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)也減少了功率系統(tǒng)內(nèi)的損失,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率。由于電傳動(dòng)系統(tǒng)在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和重載工況下的諸多優(yōu)勢(shì),全球各大礦山機(jī)械行業(yè)的公司逐漸對(duì)這項(xiàng)技術(shù)加以重視,并隨后推出了自己的礦用電傳動(dòng)自卸車(chē)［5～7］。

電動(dòng)輪自卸車(chē)輪邊減速器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)輪邊減速器)作為電動(dòng)輪自卸車(chē)上的核心傳動(dòng)部件,對(duì)整車(chē)的運(yùn)動(dòng)性能、可靠性、維護(hù)成本和使用壽命有著極大的影響,使輪邊減速器保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài),對(duì)于整車(chē)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)保養(yǎng)至關(guān)重要。

輪邊減速器的潤(rùn)滑要求

電動(dòng)輪自卸車(chē)概況

露天礦崎嶇復(fù)雜的路況和惡劣的作業(yè)環(huán)境對(duì)電動(dòng)輪自卸車(chē)提出了較高的要求,要求電動(dòng)輪自卸車(chē)載重大、馬力大、爬坡能力強(qiáng)、便于啟動(dòng),且低速轉(zhuǎn)矩好。

100 t以上的礦用自卸車(chē)由于自重和載重,車(chē)輛如果使用機(jī)械傳動(dòng),各機(jī)械傳動(dòng)部件都會(huì)因?yàn)檩d荷太大而極其容易損壞。采用電傳動(dòng)會(huì)大大減少齒輪和軸承數(shù)量。電傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)的對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 電傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)對(duì)比

電動(dòng)輪機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化了從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)驅(qū)動(dòng)橋經(jīng)過(guò)變速箱、主減速器傳遞到車(chē)輪的程序,取消了變速箱、主減速器,從而使得齒輪軸承數(shù)直線(xiàn)下降,簡(jiǎn)化了動(dòng)力傳動(dòng)的過(guò)程,電驅(qū)動(dòng)后輪可以有效減少易損件個(gè)數(shù),降低維修和保養(yǎng)費(fèi)用。一般來(lái)說(shuō),100 t以上的自卸車(chē)都需要采用電傳動(dòng)的方式來(lái)運(yùn)行［8］。

電動(dòng)輪自卸車(chē)與機(jī)械傳動(dòng)自卸車(chē)相比,由于齒輪和軸承數(shù)減少,且電制動(dòng)對(duì)制動(dòng)器沒(méi)有磨損,維修成本更低;同時(shí)部件性能更可靠,維修周期延長(zhǎng),并且拉運(yùn)效率更高。

電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)分析

電動(dòng)輪主要由電動(dòng)機(jī)、輪邊減速器、輪轂、輪胎和制動(dòng)器組成,見(jiàn)圖2。

電動(dòng)輪的工作過(guò)程為：電動(dòng)機(jī)接收電源信號(hào)輸出高轉(zhuǎn)速小力矩的機(jī)械運(yùn)動(dòng),然后經(jīng)過(guò)輪邊減速器減速增矩后帶動(dòng)輪轂,最后驅(qū)動(dòng)固定聯(lián)接在輪轂上的橡膠輪胎促使整個(gè)礦用電動(dòng)輪自卸車(chē)運(yùn)動(dòng)起來(lái)［9］。

圖2 電動(dòng)輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)

輪邊減速器減速機(jī)構(gòu)是一個(gè)典型的具有3個(gè)相同內(nèi)嚙合齒輪副和3個(gè)相同外嚙合齒輪副的NW型定軸輪系傳動(dòng)系統(tǒng),見(jiàn)圖3。減速機(jī)構(gòu)共2級(jí)：第1級(jí)為中心輪和大星輪組成的外嚙合齒輪傳動(dòng),第2級(jí)為小星輪和內(nèi)齒輪組成的內(nèi)嚙合齒輪傳動(dòng)［10～11］。

輪邊減速器具有以下顯著特點(diǎn)：

◇能夠進(jìn)行功率分流是NW型定軸輪系的最大特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。其高速級(jí)和低速級(jí)上的每一對(duì)齒輪副上的載荷都變?yōu)椴徊捎霉β史至鲿r(shí)的1/3,整個(gè)齒輪系的結(jié)構(gòu)也比較緊湊。

◇在低速級(jí)齒輪傳動(dòng)中靈活運(yùn)用了內(nèi)齒輪副。相對(duì)外齒輪副傳動(dòng)來(lái)說(shuō),2個(gè)齒輪的中心距更小,結(jié)構(gòu)也更緊湊。接觸應(yīng)力相對(duì)外嚙合時(shí)會(huì)大大減小,從而提高齒輪副的承載能力和使用壽命。

◇中心輪和內(nèi)齒輪的中心線(xiàn)同軸,整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置在軸線(xiàn)方向的尺寸將大大減小,從而充分利用電動(dòng)輪內(nèi)部的軸向空間。

◇傳動(dòng)比大。整個(gè)齒輪系統(tǒng)一共8個(gè)齒輪,實(shí)現(xiàn)了很大的傳動(dòng)比,可達(dá)20～50。

◇傳動(dòng)效率高。由于兩級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中都有3對(duì)齒輪副均勻分布,所以中心輪、內(nèi)齒輪、軸承、及其機(jī)架上的作用力能夠得到平衡。整個(gè)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率大大提高,一般可以達(dá)到0.97以上。

◇中心輪質(zhì)量小、浮動(dòng)迅速、均載性能好,抗沖擊和振動(dòng)的能力強(qiáng),傳動(dòng)平穩(wěn),動(dòng)態(tài)載荷小,使用壽命長(zhǎng)。

綜上所述,電動(dòng)輪體積較小,傳遞功率大;速度較低,承載較大,伴有沖擊負(fù)荷;現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣,冬夏溫差較大。此外應(yīng)指出的是,其關(guān)鍵傳動(dòng)設(shè)備對(duì)密封材料相容性要求很高。因此,其對(duì)油品的氧化安定性、抗泡性能、抗微點(diǎn)蝕性能、軸承保護(hù)性能、橡膠材料兼容性及高低溫性能均有較高的要求。

輪邊減速器用油性能要求

根據(jù)對(duì)電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)的分析、齒輪材料和工況特點(diǎn)等,可知輪邊減速器用油除了常規(guī)工業(yè)齒輪油所必須具備的性能(良好的高低溫性能、極壓抗磨性能、防銹性能和防腐性能等),還對(duì)抗微點(diǎn)蝕性能、軸承保護(hù)性能、抗泡性能、抗氧化性能和密封相容性等特殊特性提出了要求。

抗微點(diǎn)蝕性能

圖3 NW型定軸輪系傳動(dòng)系統(tǒng)示意

輪邊減速器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中由于有較大的減速比(20～50),齒輪轉(zhuǎn)速較慢,且整車(chē)負(fù)載較重,為典型的低速重載工況,齒輪極易出現(xiàn)微點(diǎn)蝕。微點(diǎn)蝕可能出現(xiàn)在工作的最初數(shù)個(gè)小時(shí)之內(nèi),在齒輪中產(chǎn)生的磨損會(huì)改變齒輪齒的形狀,引起破壞性磨損。隨著時(shí)間推移,會(huì)加大齒輪的磨損,產(chǎn)生噪音、振動(dòng);有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生巨點(diǎn)蝕,嚴(yán)重時(shí)造成電動(dòng)輪齒輪齒面剝落。如果不選擇具備抗微點(diǎn)蝕性能的工業(yè)齒輪油,會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)輪發(fā)生重大的設(shè)備故障。微點(diǎn)蝕對(duì)齒面的危害見(jiàn)圖4。

FZG 齒輪試驗(yàn)機(jī)微點(diǎn)蝕試驗(yàn)可評(píng)價(jià)齒輪油的抗微點(diǎn)蝕能力,目前多采用FVA54(C/8.3/90)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

軸承保護(hù)性能

軸承是電動(dòng)輪中最為重要的零件之一,軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,滾道和滾動(dòng)體表面之間經(jīng)受交變負(fù)荷的反復(fù)作用,由于安裝、潤(rùn)滑、維護(hù)方面的原因,產(chǎn)生點(diǎn)蝕、裂紋、表面剝落等缺陷使軸承失效,而使齒輪副和機(jī)架等相關(guān)部位損壞。由于軸承失效而導(dǎo)致的齒輪災(zāi)難性破壞,在電動(dòng)輪自卸車(chē)運(yùn)行中時(shí)有發(fā)生。

據(jù)統(tǒng)計(jì),在正常的使用過(guò)程中,70%以上的軸承達(dá)不到預(yù)定壽命,其中在影響軸承失效的眾多因素中,屬于安裝方面的原因占16%,屬于污染方面的原因占16%,而屬于潤(rùn)滑和疲勞方面的原因各占34%［12］。

電動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,輪邊減速器軸承亦為低速重載工況,基本處于邊界潤(rùn)滑,因此輪邊減速器軸承惡劣的工況對(duì)潤(rùn)滑劑同樣提出了苛刻要求。若潤(rùn)滑劑選擇不當(dāng),極易造成軸承異常磨損,降低軸承壽命,增加維護(hù)成本。

圖4 微點(diǎn)蝕對(duì)齒面的危害

FE-8軸承磨損保護(hù)性能試驗(yàn)(DIN 51819)可以評(píng)價(jià)極壓混合摩擦工況下的磨損試驗(yàn),特別是邊界潤(rùn)滑的磨損情況,因此可以較好地評(píng)價(jià)電動(dòng)輪用油的軸承保護(hù)性能。

氧化安定性

齒輪油的氧化是造成油品劣化降級(jí)的主要因素,同時(shí)是造成油品黏度保持性下降的主要因素。

齒輪油在輪邊減速器中被攪動(dòng),與空氣、金屬和雜質(zhì)等接觸,在溫度較高的情況下,容易氧化變質(zhì)失去原有性能,而電動(dòng)輪用齒輪油的換油期一般要求在3 000 h以上,氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)和油泥會(huì)腐蝕設(shè)備。同時(shí)抗氧化性能不足易造成油品性能加速下降,設(shè)備故障率提高,且換油期縮短,增加維護(hù)費(fèi)用。齒輪油的抗氧化性能對(duì)電動(dòng)輪自卸車(chē)的安全運(yùn)行十分重要,因此要求油品有良好的氧化安定性,以保證其使用性能。

油品的氧化安定性測(cè)試(SH/T 0123或ASTM D2893)可以反映油品抗老化的能力。

抗泡性能

電動(dòng)輪在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)攪動(dòng)內(nèi)部的齒輪油和空氣,產(chǎn)生泡沫。油液中的泡沫破壞了油膜強(qiáng)度和穩(wěn)定性,易使摩擦面發(fā)生燒結(jié)或增加磨損,使?jié)櫥到y(tǒng)產(chǎn)生氣阻,影響油液的正常循環(huán),使輪邊減速器無(wú)法正常工作。電動(dòng)輪體積小,若發(fā)生異常起泡,危害極大,因此對(duì)油品的抗泡性能要求更高。

Flender泡沫試驗(yàn)(Flender GG-V 425)相對(duì)于常規(guī)的吹氣泡沫試驗(yàn),試驗(yàn)條件更為苛刻,也更能真實(shí)地反映油品在實(shí)際齒輪箱中的抗泡性能。可采用該試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)電動(dòng)輪用齒輪油的抗泡沫性能。

橡膠密封適應(yīng)性

橡膠相容性是反映油品對(duì)橡膠件影響的重要指標(biāo)。作為系統(tǒng)密封材料的橡膠在齒輪箱中要與齒輪油接觸,若齒輪油與所用橡膠的適應(yīng)性不好,就會(huì)造成橡膠的過(guò)度膨脹或收縮,并加速橡膠的老化,造成泄漏,污染環(huán)境,并有可能帶來(lái)安全隱患,影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

根據(jù)相關(guān)研究成果［13］,電動(dòng)輪自卸車(chē)橡膠密封材料發(fā)生異常泄漏的主要原因包括密封圈本身的性能、裝配過(guò)程、潤(rùn)滑劑、設(shè)備操作條件、密封環(huán)境和軸表面情況等。密封材料泄漏的影響因素見(jiàn)圖5［13］(圖中,紅色數(shù)值為發(fā)生短期泄漏影響因素占比,綠色數(shù)值為發(fā)生長(zhǎng)期泄漏影響因素占比)。

由圖5可見(jiàn),潤(rùn)滑劑的選擇對(duì)于密封材料發(fā)生長(zhǎng)期泄漏影響因素占比為40%,影響最大。因此應(yīng)選用與橡膠有良好相容性的齒輪油,保障電動(dòng)輪密封良好,避免因油品泄漏導(dǎo)致液位降低等不良后果,同時(shí)也可避免因泄漏污染環(huán)境。

綜上所述,輪邊減速器用油的性能要求包括：

◇具有優(yōu)異的極壓特性和良好的承載能力,可實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪的保護(hù);

◇具有抗微點(diǎn)蝕性能,能滿(mǎn)足低速重載工況下的使用要求;

◇具有良好的軸承保護(hù)性能,可延長(zhǎng)軸承壽命;

◇具有良好的低溫流動(dòng)性,容易啟動(dòng),可滿(mǎn)足寒冷地區(qū)的使用要求;

◇具有優(yōu)異的泡沫穩(wěn)定性,能保證齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)順暢;

◇具有極優(yōu)的抗氧化性能,可延長(zhǎng)油品的使用壽命;

◇具有與密封材料良好的兼容性,可保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn),減少維護(hù)成本。

結(jié)論

圖5 密封材料泄漏的影響因素

☆在露天礦礦用自卸車(chē)領(lǐng)域,電動(dòng)輪自卸車(chē)與機(jī)械傳動(dòng)自卸車(chē)相比,由于齒輪和軸承數(shù)減少,且電制動(dòng)對(duì)制動(dòng)器沒(méi)有磨損,維修成本更低,性能更可靠,因此目前露天礦多使用電動(dòng)輪自卸車(chē)用于物料運(yùn)輸。

☆輪邊減速器是電動(dòng)輪自卸車(chē)的核心傳動(dòng)部件,為了保證電動(dòng)輪自卸車(chē)的穩(wěn)定高效運(yùn)行,需要重點(diǎn)關(guān)注輪邊減速器用潤(rùn)滑油。根據(jù)電動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)和工況特點(diǎn),電動(dòng)輪輪邊減速器用工業(yè)齒輪油應(yīng)具備優(yōu)異的抗微點(diǎn)蝕性能、軸承保護(hù)性能、氧化安定性能、抗泡性能和橡膠密封適應(yīng)性。

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