曹靜思 李耿輝
中國石化潤滑油有限公司北京研究院
本文采用中國石化長城AP 220工業(yè)齒輪油在大型土壓平衡盾構(gòu)機上開展了為期5個月的應用試驗。結(jié)果表明,試驗期間油品性能穩(wěn)定,盾構(gòu)機減速機設備無異常磨損和停車,油品可有效保證盾構(gòu)機穩(wěn)定運行,能夠滿足大型盾構(gòu)機減速機的使用要求,具有良好的匹配性能。
盾構(gòu)機是盾構(gòu)隧道掘進機的簡稱,主要應用于水利、鐵路、城市軌道交通等工程的隧道建設。根據(jù)橫截面(Φ)大小不同,盾構(gòu)機可分為超小型(Φ<1 m)、小型(1 m≤Φ<3.5 m)、中型(3.5 m≤Φ<6 m)、大型盾構(gòu)(6 m≤Φ<14 m)、超大型(14 m≤Φ<18 m)和特大型(Φ≥18 m)共6類[1]。目前,盾構(gòu)機行業(yè)的發(fā)展仍處于上升期,隨著國民經(jīng)濟和行業(yè)技術的迅猛發(fā)展,盾構(gòu)機應用也越來越廣泛。
為緩解城市交通壓力,地鐵建設規(guī)模逐漸擴大,目前最主要的施工方式是隧道盾構(gòu)施工。相較于電力、水利等工程,地鐵建設環(huán)境更加惡劣,對盾構(gòu)機的要求更加苛刻,主要體現(xiàn)在以下三點:
◇地鐵建設覆蓋面廣,地質(zhì)環(huán)境更加復雜;
◇地鐵深度通常在地下20 m及以下,壓力更大;
◇地鐵建設中盾構(gòu)機直徑更大,目前國內(nèi)最大盾構(gòu)機直徑為16 m。
此外,高強度的作業(yè)環(huán)境也會對地鐵建設中的盾構(gòu)機工作穩(wěn)定性提出更高的要求,為此盾構(gòu)機各部件均需要具有較高的可靠性。
盾構(gòu)機的主減速機是驅(qū)動系統(tǒng)的主要傳力部件,其可靠性對盾構(gòu)機穩(wěn)定運行起著至關重要的作用[2]。減速機主要由箱體、齒輪、軸、緊固元件和密封元件等部分組成。研究表明,主減速機故障主要原因是齒輪或軸承失效,如果減速機潤滑系統(tǒng)不完善、雜物入侵、腐蝕以及過載、潤滑油黏度下降等會加劇嚙合齒輪和軸承的磨損[3]。因此,除減速機本身的制造工藝外,潤滑是保障減速器穩(wěn)定運行的重要因素,選擇性能優(yōu)異的齒輪油產(chǎn)品,可有效保障設備穩(wěn)定性,延長設備的換油周期和使用壽命,提升設備運行效率和施工效率,保障工程施工安全,幫助用戶實現(xiàn)降本增效。
為測試中國石化長城AP 220工業(yè)齒輪油(以下簡稱長城 AP 220)在大型盾構(gòu)機惡劣工況下的使用性能,中國石化潤滑油有限公司與某市地鐵工程企業(yè)S合作,在其使用的大型盾構(gòu)機上開展了為期5個月的應用試驗。
本次應用研究盾構(gòu)機類型選擇土壓平衡盾構(gòu)機,該盾構(gòu)機具有大扭矩和大推力的特點,可滿足不同軟土地層的快速連續(xù)掘進要求,主要技術參數(shù)見表1。
表1 盾構(gòu)機技術參數(shù)
長城AP系列工業(yè)齒輪油具有優(yōu)異的黏溫性能、抗摩擦磨損、抗微點蝕、軸承保護和承載能力,可以應對低速重載、溫差大以及環(huán)境惡劣的嚴苛工況,有助于延長齒輪和軸承的使用壽命,為大型機械設備的減速機提供良好的潤滑保護。長城 AP 220典型數(shù)據(jù)見表2。
表2 長城AP 220典型數(shù)據(jù)
本次應用試驗周期為5個月,盾構(gòu)機施工環(huán)境是地下100多米,溫度在-15~20 ℃。其中盾構(gòu)機工作溫度高,經(jīng)常處于多粉塵、濕度大和壓力大的嚴苛工況,且要求連續(xù)作業(yè),平均工作時間超過20 h/d。
裝填過程中首先采用長城 AP 220 對減速機進行 2 次沖洗(每次半箱油),沖洗完畢后裝填新油。加入試驗油后,運轉(zhuǎn)10 min取第一次油樣為初裝油樣,行車試驗開始后,分別在工作1個月、2個月、3個月、4個月以及5個月后取樣。
參考工業(yè)齒輪油的換油指標NB/SH/T 0586—2010《工業(yè)閉式齒輪油換油指標》,并根據(jù)盾構(gòu)機的工況特點,與企業(yè)S協(xié)商確定了試驗油品的監(jiān)測試驗項目和換油指標,具體見表3[4]。
表3 油液監(jiān)測試驗項目和換油指標
黏度是齒輪油最基本的性質(zhì),齒面間潤滑油膜的形成與油品的黏度密不可分,每種設備所用油品都應選擇合適的黏度,以保證滿足其正常工作的需要。黏度指數(shù)是反映黏溫性能好壞的指標,黏度指數(shù)值越高,說明齒輪油在溫差大的環(huán)境中運動黏度變化值越小。長城AP220 在應用試驗中的運動黏度和黏度指數(shù)變化曲線見圖1。
從圖1可以看出,在大型盾構(gòu)機運行5個月期間,試驗油品40 ℃運動黏度變化較小,仍在換油指標范圍內(nèi)。油品的黏度指數(shù)變化較小,基本保持穩(wěn)定,且處于較高水平,說明長城AP 220具有良好的黏溫性能。
圖1 長城AP 220在應用試驗中的運動黏度和黏度指數(shù)變化
銅片腐蝕是為了保證產(chǎn)品具有良好的防腐性能,不會對減速機中的銅部件造成腐蝕。一般要求工業(yè)齒輪油舊油的銅片腐蝕(100 ℃,3 h)測試結(jié)果為3級以內(nèi),數(shù)字越小表示銅腐保護性能越佳。長城AP 220在應用試驗中的銅片腐蝕結(jié)果見圖2。
從圖2可以看出,應用試驗過程中,長城AP 220的銅片腐蝕結(jié)果均不大于1級,且運行5個月后油樣銅腐仍保持在1b,油品抗銅片腐蝕保持能力較好。
圖2 長城AP 220在應用試驗中的銅片腐蝕結(jié)果
油品中的金屬含量由ICP(原子發(fā)射光譜法)進行定量分析,通過考察油品中金屬含量的高低,判斷齒輪或其他易磨損部位的磨損情況。油品中的粉塵等污染物主要體現(xiàn)在鈣、硅等元素含量中,鈣、硅等元素含量越高,說明油品中的污染物越多。長城AP 220在應用試驗中的元素含量見圖3。
從圖3可以看出,應用試驗過程中,油品鐵元素含量極低,最大含量為22 mg/kg,低于一般工業(yè)齒輪油200 mg/kg的換油指標上限;油品銅元素含量低于10 mg/kg,遠低于一般工業(yè)齒輪油100 mg/kg的換油指標上限。從鐵、銅磨損數(shù)據(jù)可知,油品對于盾構(gòu)機減速機的保護效果較好,盾構(gòu)機運行過程中無異常磨損。同時,試驗油品的硅雜質(zhì)元素含量極低(<26 mg/kg),鈣元素含量在120 mg/kg左右,表明油品中含有微量外來污染物,油箱密封狀態(tài)總體較好。
圖3 長城AP 220在應用試驗中的元素含量
酸值是油品酸堿性的量度,是以中和一定重量的油品所需的堿的相當量來表示的數(shù)值。酸值的變化,反映了油品中添加劑的消耗狀況和油品本身的氧化情況,是判斷油品是否需要更換的一項指標。戊烷不溶物為油品氧化、添加劑分解、齒輪磨損的金屬粉末、灰塵和積炭的總和,主要反映油品的氧化變質(zhì)情況和添加劑消耗程度。長城AP 220在應用試驗中的酸值和戊烷不溶物的變化曲線見圖4。
從圖4可以看出,相比新油酸值(0.86 mgKOH/g),長 城AP 220油品酸值變化幅度為0.09~0.16 mgKOH/g,低于酸值增值小于1.0 mgKOH/g的換油指標,表明油品老化變質(zhì)程度較小。戊烷不溶物含量僅為0.02%(質(zhì)量分數(shù))左右,含量極低,結(jié)合酸值分析表明油品氧化變質(zhì)程度較低。
圖4 長城AP 220在應用試驗中的酸值和戊烷不溶物的變化曲線
四球機試驗是在設定的溫度、轉(zhuǎn)速和負荷下進行運轉(zhuǎn),通過鋼球的運轉(zhuǎn)狀態(tài)來確定潤滑油潤滑、極壓抗磨性能。行車試驗中油品的燒結(jié)負荷PD和負荷磨損指數(shù)見圖5。
從圖5可以看出,試驗過程中,油品的燒結(jié)負荷PD均保持在2 450 N以上,負荷磨損指數(shù)也大于441 N的換油指標,極壓抗磨性能保持較好,結(jié)合鐵、銅金屬磨損量表明油品承載性能較好,運行5個月,盾構(gòu)機減速機磨損極小,設備潤滑保護好。
圖5 長城AP 220在大型盾構(gòu)機行車試驗中的燒結(jié)負荷和綜合磨損指數(shù)
中國石化長城AP 220工業(yè)齒輪油在某市地鐵隧道大型土壓平衡盾構(gòu)機(Φ6 480mm)上開展了5個月的行車試驗,油樣監(jiān)測分析結(jié)果表明,試驗油品性能穩(wěn)定,盾構(gòu)機減速機設備無異常磨損,證明中國石化長城AP 220工業(yè)齒輪油產(chǎn)品能夠滿足大型盾構(gòu)機減速機的使用要求,具有良好的匹配性能。