賈品元，雷璐娟，羅海強(qiáng)，劉 敏

1.中國石油長慶油田分公司第五采油廠 （陜西 西安 710200）2.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 （陜西 西安 710065）3.中國石油長慶油田分公司礦區(qū)事業(yè)部 （寧夏 銀川 750006）

減速器是抽油機(jī)的關(guān)鍵部件，對抽油機(jī)的正常工作起著至關(guān)重要的作用。抽油機(jī)常年在野外分散作業(yè)，作業(yè)環(huán)境惡劣，但人們對減速器潤滑劑的選用、更換周期重視不夠，普遍存在用油、換油不規(guī)范。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，國內(nèi)油田企業(yè)經(jīng)常使用的潤滑劑多達(dá)10余個品種、20多個黏度規(guī)格，油品質(zhì)量差異較大，無法對抽油機(jī)減速器提供良好的保護(hù)[1]。減速器生產(chǎn)企業(yè)在潤滑劑選用上，往往沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，僅憑經(jīng)驗及使用單位反饋信息選用，有時同一機(jī)型選油都有差別，造成潤滑劑使用混亂。為此，國家質(zhì)檢總局與全國齒輪標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員分別在2001年、2009年分別頒布了關(guān)于齒輪潤滑油選擇的標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8831—2001《工業(yè)閉式齒輪的潤滑油選用方法》和GB/T 13608—2009《合理潤滑技術(shù)通則》，以規(guī)范減速器不同工況下潤滑劑的選擇和使用。在國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的基礎(chǔ)上，綜合考慮抽油機(jī)的實際工況，分析適合抽油機(jī)減速器的油品類別、質(zhì)量等級和黏度規(guī)格，為抽油機(jī)減速器規(guī)范用油、合理換油提供系統(tǒng)科學(xué)的依據(jù)。

1　抽油機(jī)減速器的潤滑特點分析

1.1　抽油機(jī)減速器結(jié)構(gòu)特點分析

不同于普通的減速器，抽油機(jī)減速器是雙圓弧齒輪，齒廓曲率半徑小，齒面嚙合接觸面積小。從表1抽油機(jī)減速器基本參數(shù)中看到，減速器齒面硬度較低，在240～310 HB之間，且承載較大交變負(fù)荷，甚至沖擊負(fù)荷。嚙合過程中，齒面間既有滾動又有滑動，所以在齒面上滾動摩擦與滑動摩擦并存，潤滑不良時齒面會嚴(yán)重磨損。

減速器軸承與齒輪系統(tǒng)共用一個油箱，軸承潤滑及密封要求高、難度大。由于多種原因，減速器漏油是油田企業(yè)設(shè)備管理的一個難點，也是減速器治理的重點[2]。如果通過潤滑劑能夠解決或作為一種輔助手段解決部分漏油問題，則可以使減速器減少許多復(fù)雜的裝置，實現(xiàn)低成本治漏。

1.2　抽油機(jī)減速器工作環(huán)境分析

我國油田多分布于北方干旱、嚴(yán)寒地區(qū)，風(fēng)沙較大，冬季溫度低，四季溫差大。減速器在這樣的惡劣環(huán)境下工作，若密封不嚴(yán)，進(jìn)水、進(jìn)塵沙現(xiàn)象時有發(fā)生，易造成潤滑品質(zhì)下降。

表1　26型抽油機(jī)減速器基本參數(shù)

抽油機(jī)減速器體積大、安裝位置距離地面又高，所以加油、換油等潤滑作業(yè)困難且存在安全風(fēng)險；另外，減速器用油量相對較大，更換成本高，油品更換及油箱清洗也困難，廢油處理困難且成本高。

1.3　抽油機(jī)減速器潤滑劑特點分析

在油田現(xiàn)場，抽油機(jī)減速器潤滑劑使用品種較多，有 15W/40CD、CKC150、HM100、000號半流體等，各潤滑劑都各有其特點。

1）15W/40CD是為柴油發(fā)動機(jī)設(shè)計的潤滑油，著力解決柴油發(fā)動機(jī)高溫積碳和高溫氧化等問題。雖然其通用性較強(qiáng)，但對于抽油機(jī)減速器需要重點解決的極壓抗磨性、抗水性、防漏問題幾乎沒有幫助；而且產(chǎn)品的抗剪切安定性較差[3]。

2）CKC150是油田企業(yè)經(jīng)常選用的潤滑劑，該產(chǎn)品對于抽油機(jī)減速器的不足是低溫性能差、抗水性能一般，對減緩沖擊負(fù)荷、減速器防漏能力不足。

3）HM100是一種抗磨液壓油，抗磨性能較好，但低溫性能差，不適應(yīng)低溫和寬溫度范圍的使用需要，用在抽油機(jī)減速器上黏度略微偏小。

4）000號半流體潤滑劑用于抽油機(jī)減速器，比減速器潤滑油更能適應(yīng)較重負(fù)荷、有沖擊負(fù)荷的工況，比潤滑油防漏、防盜效果好，產(chǎn)品使用壽命長、消耗低。存在的問題是產(chǎn)品的流動性差，減速器軸承油道流動不暢。雖然這些油品優(yōu)點突出，在油田應(yīng)用較廣，但對于抽油機(jī)減速器的潤滑劑并不是十分理想的選擇。

1.4　抽油機(jī)減速器潤滑劑的特殊要求

作為減速器潤滑劑，一般應(yīng)具有良好的極壓抗磨性、氧化安定性、防腐及防銹性。①極壓抗磨性能決定齒輪的承載能力及齒輪的壽命，除了與潤滑油的黏度有關(guān)外，還與潤滑油添加劑的性能有關(guān)；②氧化安定性要求是因為齒輪潤滑劑在工作中被不斷攪拌，與空氣、金屬、雜質(zhì)等接觸，在溫度較高的情況下會氧化變質(zhì)；③防腐蝕、防銹蝕性能是由于潤滑劑氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)對齒輪可造成腐蝕，以及由于溫差變化而產(chǎn)生水汽、減速器進(jìn)水等造成齒面及油箱銹蝕、腐蝕。

減速器潤滑劑除上述基本要求外，根據(jù)抽油機(jī)減速器結(jié)構(gòu)特點和作業(yè)環(huán)境，對抽油機(jī)減速器的潤滑劑還有一些特殊要求。

1）因齒面在嚙合瞬間接觸面積小，形成油楔和油膜條件差，每次嚙合都需重新形成油膜。因此，應(yīng)選擇黏度相對較大、潤滑性能好的潤滑劑。

2）抽油機(jī)減速器為超低轉(zhuǎn)速齒輪系統(tǒng)，靠齒輪旋轉(zhuǎn)攜帶潤滑劑進(jìn)行潤滑時易造成潤滑劑流失，不利于形成動壓油膜。因此應(yīng)選擇黏度較大、黏附性能好的潤滑劑，以保證齒面嚙合時能形成足夠的油膜。

3）為緩沖齒輪承受的較大交變載荷和沖擊負(fù)荷，使斷裂、點蝕、疲勞磨損等失效減緩，應(yīng)盡量選用黏度大、油膜厚，加有極壓抗磨劑的潤滑劑，以分散載荷、提高油膜強(qiáng)度，減少齒面磨損[3]。

4）為避免進(jìn)水、進(jìn)雜風(fēng)險，應(yīng)選擇抗水性能好、抗腐蝕及抗銹性能好，極壓性能好的潤滑劑。

5）為保證抽油機(jī)減速器在冬季低溫下良好的潤滑，要求潤滑劑必須具有良好的低溫性能，并可在冬夏寬溫度范圍內(nèi)使用。因此，潤滑劑應(yīng)該滿足抗氧化性能好、各項指標(biāo)衰減慢、換油周期長、綜合管理成本低的要求。

2　抽油機(jī)減速器用潤滑油的選擇

2.1　選擇原則

工業(yè)齒輪潤滑油是目前抽油機(jī)減速器最常用的一類潤滑劑。各國在潤滑劑的選用上都有一定的原則和標(biāo)準(zhǔn)，美國的選油方法主要是從齒輪傳動的類型、中心距大小和工況環(huán)境條件來確定，德國的選油規(guī)范主要考慮接觸應(yīng)力的大小，選擇齒輪油的黏度、極壓性能要求[4]。2001年，我國參照ANSI/AGMA 9005—D94標(biāo)準(zhǔn)修訂并發(fā)布了JB/T 8831—2001《工業(yè)閉式齒輪的潤滑油選用方法》，其中包括選擇潤滑油的種類（性能分類）、黏度等級以及潤滑方式等。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8831—2001，抽油機(jī)減速器在現(xiàn)有潤滑方式下，所用潤滑油的選擇主要應(yīng)考慮潤滑劑類別、質(zhì)量級別以及黏度規(guī)格。具體應(yīng)遵循以下基本原則：根據(jù)齒面接觸應(yīng)力及使用工況選擇質(zhì)量級別；根據(jù)齒輪線速度選擇齒輪油的黏度等級；根據(jù)使用環(huán)境溫度、工作溫度選擇齒輪油的溫度適應(yīng)等級；綜合考慮減速器的工況、技術(shù)特點和管理要求，選擇產(chǎn)品類別。

2.2　質(zhì)量級別的選擇

由于減速器為低轉(zhuǎn)速（齒輪節(jié)圓圓周速度不超過25 m/s）、閉式齒輪系統(tǒng)，因此選擇閉式工業(yè)齒輪油作為抽油機(jī)減速器的潤滑油比較適宜。齒輪油的質(zhì)量等級可按照閉式工業(yè)齒輪油的質(zhì)量等級及主要適應(yīng)條件（GB/T 7631.7—1995），由齒面接觸應(yīng)力來確定。

2.2.1抽油機(jī)減速器齒面應(yīng)力

抽油機(jī)減速器為雙圓弧齒輪，按GB/T 13799—1992的規(guī)定齒面接觸應(yīng)力σH按公式（1）計算：

式中各參數(shù)的含義如表1所示。以26型減速器為例，把其各參數(shù)數(shù)據(jù)代入公式（1），計算可得齒面接觸應(yīng)力為：σH=467.88 N/mm2。

2.2.2質(zhì)量級別選擇

根據(jù)計算的齒面接觸應(yīng)力、閉式工業(yè)齒輪油的質(zhì)量等級及主要適應(yīng)條件（GB/T 7631.7—1995），可選擇CKB級別。但考慮到油田露天作業(yè)，太陽直射，齒輪箱容易受水分和雜質(zhì)污染，以及抽油機(jī)減速器存在沖擊負(fù)荷、齒面粗糙等因素，因此可選擇中負(fù)荷閉式工業(yè)齒輪油。

2.2.3溫度適應(yīng)性選擇

我國油田大多地處北方寒區(qū)、嚴(yán)寒區(qū)，冬季一般氣溫低于-15℃，個別作業(yè)區(qū)最低氣溫可達(dá)到-30℃以下，而且溫差較大，加之潤滑系統(tǒng)沒有加熱裝置，使減速器潤滑的溫度條件變得苛刻。而CKC級別的工業(yè)齒輪油主要是為室內(nèi)工作的減速器設(shè)計的，其傾點一般在-9℃以上，低溫性能差。冬季使用該產(chǎn)品不僅能耗高，而且停機(jī)后啟動困難。有些油田為了解決低溫用油問題，推薦使用低凝點或黏度小的潤滑油。雖然能解決低溫問題，但到夏季溫度回升后黏度太小，不利于形成油膜，減速器磨損嚴(yán)重。

按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8831—2001要求，抽油機(jī)減速器所選擇潤滑油的傾點至少要比環(huán)境溫度最低值低5℃，以便在啟動溫度下潤滑油能自由流動；同時又必須有足夠高的黏度，以便在正常溫度（-16～70℃）下有足夠的油膜厚度承受載荷。因此，根據(jù)油田的溫度特點應(yīng)該選擇寬溫度范圍的CKS或CKT級別。

抽油機(jī)減速器為露天工作設(shè)備，風(fēng)吹、日曬、雨淋，且井場灰塵較大，對齒輪油的抗氧化、抗腐蝕、抗磨損要求比室內(nèi)設(shè)備高。同時由于CKS不適應(yīng)沖擊負(fù)荷的工況，因此建議選擇CKT閉式工業(yè)齒輪油。

2.3　黏度等級的選擇

2.3.1黏度等級的初選

齒輪油黏度的選擇主要考慮齒輪運(yùn)行的節(jié)圓圓周速度和環(huán)境溫度。齒輪節(jié)圓圓周速度可按公式（2）計算：

式中：v為齒輪節(jié)圓圓周速度，m/s；dwl為小齒輪的節(jié)圓直徑，mm；n1為小齒輪的轉(zhuǎn)速，r/min。

以長慶油田為例，抽油機(jī)沖次多為7.5次/min，以26、37型抽油機(jī)減速器為例進(jìn)行計算，其低速級小齒輪的節(jié)圓速度分別為0.3 m/s和0.35 m/s。如實際使用時抽油機(jī)沖次變化，上述計算結(jié)果會稍有不同，一般不超過5 m/s。

對于環(huán)境溫度，冬季油田作業(yè)區(qū)的低溫一般在-40～-15℃之間，高溫一般在30～35℃之間。

根據(jù)計算出的低速級齒輪節(jié)圓圓周速度和環(huán)境溫度，齒輪油黏度可參考表2進(jìn)行選擇。由表2可知，黏度等級（40℃）應(yīng)在100～320 mm2/s之間，其中低溫要達(dá)到合成油100號在低溫條件下的流動性，高溫要達(dá)到環(huán)境溫度35℃時320號的黏度要求。結(jié)合齒輪油的低溫流動極限，減速器潤滑劑CKT的黏度應(yīng)達(dá)到：在一定低溫下（-20℃）的表觀黏度不大于150 Pa·s；在35℃高溫時，黏度能夠達(dá)到320號的黏度要求。

2.3.2黏度選擇需考慮的其他問題

1）潤滑狀態(tài)與油膜厚度的關(guān)系。減速器齒輪的潤滑狀態(tài)與齒輪的粗糙程度以及潤滑劑的油膜厚度有密切關(guān)系。杜遜[5]曾提出了齒面粗糙度和齒面損傷的關(guān)系式：

式中：h為油膜厚度，μm；σr為兩齒面綜合粗糙度中σ1、σ1為兩齒面各自的平均粗糙度，μm。

根據(jù)公式（3），當(dāng)油膜厚度與齒面粗糙度之比λ＞3時，也就是膜厚比大于3時，摩擦副處于全膜彈性流體動壓潤滑狀態(tài)，可認(rèn)為不會發(fā)生黏著磨損；λ＞2時，為彈性流體潤滑狀態(tài)；λ在0.7～2之間時，為混合潤滑狀態(tài)，摩擦副可能發(fā)生疲勞磨損和點蝕；λ＜0.7時，則進(jìn)入邊界潤滑狀態(tài)，齒輪系統(tǒng)會發(fā)生不同程度的損傷。

表2　工業(yè)閉式齒輪傳動裝置潤滑油黏度等級的選擇

由于抽油機(jī)減速器兩個齒面的粗糙度相同，均為3.2 μm，齒面硬度不高，又存在沖擊負(fù)荷。為保證減速器齒輪彈性流體潤滑狀態(tài)，hmin應(yīng)大于6.2 μm，最好在6.2～9.6 μm之間，而且黏附性要好?？紤]改善漏油的需要，黏度也應(yīng)較大。當(dāng)然，黏度的選擇還要兼顧產(chǎn)品的低溫性能和減速器的能耗，黏度也不能太大。

2）黏度與摩擦的關(guān)系。在JB/T 8831—2001[6]標(biāo)準(zhǔn)中，齒輪油選用的基本思想是黏度大，純礦物油是中性流體，屬物理吸附，則吸附于齒面的油品多，能保證把足夠油帶到嚙合部位。但是，新的高效油品中加有大量極壓添加劑（極性物質(zhì)），在高溫下與金屬表面反應(yīng)形成化學(xué)吸附，其吸附強(qiáng)度較物理吸附提高許多，此時在摩擦面起抗磨作用的主要是極壓添加劑反應(yīng)生成的化學(xué)反應(yīng)膜。另外，單純從摩擦學(xué)的角度，黏度越小越有利于及時把添加劑輸送到嚙合部位。所以也應(yīng)該考慮在不影響密封的條件下，適當(dāng)降低齒輪油黏度。

綜上所述，選擇CKT150、CKT220合成閉式工業(yè)齒輪油作為抽油機(jī)減速器用潤滑油是比較適宜的。

3　半流體潤滑劑的選擇

選擇CKT閉式工業(yè)齒輪潤滑劑作為抽油機(jī)減速器用潤滑油雖然具有低溫性能和極壓抗磨性能好的優(yōu)點，但對于解決抽油機(jī)減速器的潤滑難題依然存在著一些不足，如CKT質(zhì)量級別的潤滑油如果黏度選擇不當(dāng)，夏季高溫時會黏度偏小，或不能真正做到四季通用；流體型潤滑油由于黏度小，油膜厚度小，不利于緩沖載荷，設(shè)備振動噪音較大；CKC工業(yè)齒輪油類似于CKT的性能，而且抗水性能有限等。而半流體潤滑劑因具有良好的低溫性能、防漏性能、抗沖擊負(fù)荷能力、抗水性能、抗氧化性能以及抗剪切性能。因此，將半流體潤滑劑作為抽油機(jī)減速器用潤滑劑也是完全可行的。

3.1　半流體潤滑劑簡介

半流體潤滑脂又稱減速器潤滑脂，產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代美國，改革開放后引進(jìn)國內(nèi)，它是指在標(biāo)準(zhǔn)條件下測試其錐入度值大于355個單位（1/10 mm）的一類較軟的潤滑脂。按照美國潤滑脂學(xué)會NLGI稠度分類標(biāo)準(zhǔn)，錐入度值在355～385范圍內(nèi)的為0號潤滑脂，在400～430范圍內(nèi)的為00號潤滑脂，在445～475范圍內(nèi)的為000號潤滑脂。

由于半流體潤滑脂所含稠化劑量較少，受自身重量的作用，在沒有任何外加負(fù)荷的情況下也具有一定的流動性，具備潤滑脂、潤滑油雙重特性。在高剪切速度區(qū)，其黏度降低，環(huán)境溫度低達(dá)-20℃、甚至-40～-35℃時，具有良好的流動性和泵送性。半流體潤滑脂含有稠化劑和增黏劑，因此黏附性能好、油膜厚，在箱體和軸承的縫隙等非剪切或低剪切部位，能保持半流體固有的黏度黏附于縫隙處，起到密封和防漏作用，同時具備減振、降噪、抗沖擊載荷的作用。鋰基、鋁基等半流體潤滑劑有少量水分存在的情況下，不易乳化變質(zhì)，主要性能指標(biāo)穩(wěn)定、抗氧化性能好。由于半流體潤滑劑性能優(yōu)于一般工業(yè)齒輪油、機(jī)械油、抗磨液壓油等，已廣泛使用在野外作業(yè)的抽油機(jī)減速器的潤滑中。

3.2　質(zhì)量規(guī)格的選擇

由于半流體潤滑劑所處的工況與流體型潤滑劑相同，因此半流體的質(zhì)量級別也應(yīng)該達(dá)到中負(fù)荷的要求，產(chǎn)品的極壓抗磨性能要不亞于CKC工業(yè)齒輪油，應(yīng)是一種極壓抗磨型半流體。同時，作為寒區(qū)適用的潤滑劑，按照齒輪潤滑劑的流動極限，其低溫性能應(yīng)該保證在最低工作溫度時（-30℃），相似黏度不大于150 Pa·s，產(chǎn)品類別應(yīng)該屬于CKG+。

3.3　黏度的選擇

和流體潤滑劑一樣，半流體的相似黏度也同齒輪的潤滑狀態(tài)有著密切關(guān)系。相似黏度大的潤滑劑，油膜厚、強(qiáng)度高，但同時低溫性能會受影響，內(nèi)阻力增大，流動性差，能耗偏高，在抽油機(jī)減速器軸承油道中流動不暢，影響軸承潤滑；相似黏度小的潤滑劑，低溫性能好，減速器運(yùn)行能耗低，但潤滑性能、抗沖擊負(fù)荷的能力、密封性能會降低。

對于半流體潤滑劑的黏度選擇，目前還沒有相應(yīng)的計算方法。根據(jù)現(xiàn)場實踐經(jīng)驗，半流體的相似黏度在最低溫度時應(yīng)保證不高于150 Pa·s，以保證產(chǎn)品良好的低溫性能；但也不宜太低，同一溫度下的相似黏度一般應(yīng)保持在70～90 Pa·s之間，以保證減速器軸承油道良好的流動性和油膜厚度。

4　結(jié)束語

流體型潤滑劑是抽油機(jī)減速器通常選擇的類型，常用的CKC150低溫性能較差，在冬季需更換低溫性能更好的產(chǎn)品。根據(jù)JB/T 8831—2001《工業(yè)閉式齒輪的潤滑油選用方法》，結(jié)合抽油機(jī)減速器的技術(shù)參數(shù)和實際工況，北方油田企業(yè)應(yīng)選擇CKT150、CKT220作為適應(yīng)低溫環(huán)境、寬溫度范圍四季通用的潤滑油產(chǎn)品。

為更好地解決抽油機(jī)減速器潤滑難題，可選擇使用低溫相似黏度不大于150 Pa·s、質(zhì)量級別不低于CKC的極壓抗磨型半流體潤滑劑。該產(chǎn)品具有低溫性能好、抗沖擊負(fù)荷、改善減速器防漏、換油周期長、適應(yīng)野外工作容易進(jìn)水的工況等諸多優(yōu)點。