长城AP-S工业齿轮油在大型矿用电动轮自卸车上的行车试验

石啸

中国石化润滑油有限公司北京研究院

本文采用长城AP-S工业齿轮油在某大型露天煤矿小松930E电动轮自卸车上进行了4 000 h行车试验。结果表明，长城AP-S 680工业齿轮油在行车试验过程中表现出优异的极压抗磨性能、抗氧化性能和抗腐蚀性能，各项性能指标均优于换油指标限值，能够满足小松电动轮轮边减速器的使用要求，具有较好的匹配性，完全能够满足大型矿用电动轮自卸车的润滑要求。

随着经济蓬勃发展，世界各国能源需求不断加大。现阶段，煤炭仍是能源消费中重要的燃料，在全球一次能源消费中的占比仍高达28.1%[1]；其他一些领域对矿石的需求量也不断提高。基于此，全球范围内矿山开采规模持续扩大，尤其是露天矿。在露天矿开采后的运输过程中，使用的矿用自卸车按传动方式分为机械传动和电力传动2种，使用电力传动的自卸车也称为电动轮自卸车。在同样的开采规模下，采用大吨位的矿用自卸车可以明显减少运输车辆的数量，降低运输成本，运输的安全性和工效都有相应提高，具有良好的经济效益。当前矿石、煤炭开采后的运输任务大多首选大型电动轮自卸车来完成[2～5]。

目前全球矿用电动轮自卸车的主要生产企业有美国的Caterpillar（卡特彼勒）、Terex（特雷克斯），德国的Liebherr（利勃海尔），日本的Komatsu（小松）、Hitachi（日立）和白俄罗斯的Belaz（别拉斯），这些公司大型矿用电动轮自卸车所占的市场份额之和占全球矿用电动轮自卸车市场份额的90%以上。我国大吨位矿用电动轮自卸车的主要生产企业有内蒙古北方重型汽车股份有限公司、湘电重型装备股份有限公司等[6]。

株式会社小松制作所（即小松集团）是全球最大的工程机械及矿山机械制造企业之一，小松电动轮自卸车在全世界特别是在中国的矿山应用十分广泛，其国内用户包括神华准能露天煤矿、中煤平朔露天煤矿、神华北电煤矿、江西德兴铜矿和包钢集团等。某大型露天煤矿采用小松930E矿用电动轮自卸车（以下简称小松930E）将露天矿煤炭运输到选煤厂。

小松930E自重大（空车210 t），载重量大（290 t）、总重大（500 t），且露天矿崎岖复杂的路况和恶劣的作业环境对电动轮自卸车及其所用润滑油均提出了较高的要求。电动轮自卸车轮边减速器（以下简称轮边减速器）作为电动轮自卸车上的核心传动部件，对整车的运动性能、可靠性、维护成本和使用寿命有着极大的影响。为了保证电动轮自卸车的稳定高效运行，需要重点关注轮边减速器用润滑油。根据电动轮的结构和工况特点，电动轮轮边减速器用工业齿轮油应具备优异的抗微点蚀性能、轴承保护性能、氧化安定性能、抗泡性能和橡胶密封适应性等[7]。小松电动轮自卸车动力传动如图1所示。

长城AP-S 680工业齿轮油具有突出的抗微点蚀性能，能有效减少齿面和轴承过早损坏的风险；同时具备极好的承载和抗磨性能，可减少部件磨损，确保设备正常运转；并具有优异的耐温性能，高温时可有效抑制油品高温氧化，相比常规工业齿轮油使用寿命长，可大幅延长维护周期。

目前小松930E电动轮轮边减速器用工业齿轮油换油周期为3 000 h。为测试长城AP-S 680工业齿轮油（以下简称长城AP-S 680）在大型电动轮自卸车满载恶劣工况下的使用性能，中国石化润滑油有限公司与某大型露天煤矿合作，在其小松930E上开展了4 000 h行车试验。

试验部分

试验车辆

由某大型露天煤矿在其所属小松930E车辆中选择2辆刚大修的（A车、B车）作为试验用车。2台自卸车的初始运行小时数在30 000 h左右。试验车辆电动轮为GE电动轮GDY106AC。

试验用油

试验使用的电动轮轮边减速器用工业齿轮油为长城AP-S 680，其典型数据见表1。

试验条件

此次行车试验在冬春交替季节开始进行，温度在-15～20 ℃，主要针对矿山运输情况。路况为非铺装路（多为碎石路。碎石和煤土混杂在一起），坡路较多，露天矿有洒水车，时刻保持道路湿润无扬尘。车辆核定载重290 t，实际载重超过300 t，每日运行约20 h。

清洗和取样

装填过程中首先采用长城AP-S 680对轮边减速器进行2次冲洗（每次半箱油），冲洗完毕排出原用油后装填新油。每台车加入试验油后，运转10 min取第一次油样，作为0 h油样。行车试验开始后，每台车分别在工作1 000 h、2 000 h、2 500 h、3 000 h、3 500 h和4 000 h取样。取样（至少500 mL）在热车状态下进行，以保证油样的均匀性。

换油指标

参考工业齿轮油的换油指标NB/SH/T 0586—2010《工业闭式齿轮油换油指标》，并根据电动轮的工况特点，与客户协商确定了试验油品的换油指标，见表2。

结果及讨论

运动黏度

运动黏度是衡量油品油膜强度、流动性的重要指标，运动黏度的过高或者过低都会影响油膜强度及流动性能。齿轮油在使用过程中，运动黏度的稳定保持是确保齿轮副处于弹性流体动压润滑的一个重要因素。通常状况下，在用齿轮油运动黏度的增大可能是由于油品的氧化、不溶物含量的增加、高黏度油品的混入所致；而运动黏度的降低可能是由于混入低黏度油品或是油品内高分子聚合物受剪切力的剪切所致。行车试验过程中油品的运动黏度变化见图2和图3。

表1 长城AP-S 680典型数据

从图2和图3可以看出，A车和B车油品40 ℃运动黏度左右轮与新油相比均有下降，但在1 000 h～4 000 h油品黏度变化较小，40 ℃黏度变化率仍在换油指标限值范围内。

黏度指数

黏度指数是反映黏温性能好坏的指标，黏温性能是反映油品黏度随温度变化的大小的指标。齿轮油在工作过程中的温度变化较大，不同地区、不同季节也会使油温发生较大的变化。要使齿轮油保持合适的黏度，必须要求齿轮油具有较好的黏温性能，以满足齿轮传动系统的润滑要求。对于电动轮自卸车的工况，油品黏度指数越大越好。行车试验过程中油品的黏度指数变化情况见图4和图5。

从图4和图5可以看出，行车试验过程中油品的黏度指数变化较小，基本保持稳定，且处于较高水平，说明长城AP-S 680的黏温性能较好。

铜片腐蚀

对油品进行铜片腐蚀测试，是为了保证产品具有良好的防腐性能，不会对齿轮传动装置中的铜部件造成腐蚀。行车试验过程中油品的铜片腐蚀测试结果见图6和图7。

从图6、图7可以看出，油品的铜片腐蚀均不大于2级，且4 000 h时铜片腐蚀仍保持在1b，说明油品的抗铜片腐蚀保持能力较好。

磨损元素分析

电动轮轮边减速器的主要材质元素为铁，另外轴承保持架含有铜元素，因此铁、铜是主要的磨损元素。对于齿轮油的使用寿命，可以有2个判断标准：

◇由于油品本身氧化、劣化、变质，因而丧失了在摩擦副中充当润滑介质的功能；

◇由于油品的衰变而使摩擦表面间的磨损增大，导致系统破坏。

油液的变质促使摩擦表面间的磨损加剧，而磨损的加剧造成油液的进一步劣化，这2个方面彼此相互作用，互为关联。为保证自卸车的正常运转并监测其运行状态，可采用ICP（原子发射光谱法）对行车试验油品进行定量分析，检测铁、铜等磨损金属元素。行车试验过程中油品的铁磨损量分别见图8和图9，铜磨损量分别见图10和图11。

从图8、图9可以看出，1 000 h到2 000 h，油品中铁元素含量极低，仅为15 mg/kg左右；2 500 h时上升到50 mg/kg左右，铁磨损略有增加，但都远低于换油指标限值要求。从图10、图11可以看出，油品中铜元素含量低于10 mg/kg，远低于换油指标限值要求。这说明长城AP-S 680对电动轮的保护效果较好。

酸值

齿轮油在使用过程中，一方面齿轮油中呈酸性的含磷抗磨极压添加剂的消耗降解，将使碱性增加，导致酸值减小；另一方面齿轮油由于摩擦副间的高温热作用而逐渐氧化，产生有机酸，使酸值增加。酸值是用中和1 g试样中全部酸性组分所需要的碱的相当量来表示的数值，以mgKOH/g表示。酸值的变化量反映了齿轮油在使用过程中的油质衰变情况，可以作为衡量油品使用寿命的一个重要的指标参数。行车试验过程中油品的酸值见图12和图13。

从图12、图13可以看出，与新油酸值（0.87 mgKOH/g）相比，A车和B车油品酸值增加值在0.1～0.5 mgKOH/g，远低于换油指标限值，表明油品老化变质程度较小。

戊烷不溶物

油液中戊烷不溶物的含量一定程度上反映了油品氧化衰变的程度，即形成不溶性胶质的情况，同时也反映了油液中非油溶性固体污染（如尘土、砂粒）以及磨损颗粒等，因此可以作为衡量油品使用寿命的一个参考指标。行车试验过程中油品的戊烷不溶物含量见图14和图15。

从图14、图15可以看出，A车、B车在4 000 h行车试验后油品戊烷不溶物含量仅为0.05%（质量分数）含量极低，结合酸值分析结果，表明油品氧化变质程度低。

四球机试验

四球机试验是在设定的温度、转速和负荷下进行运转，通过钢球的运转状态来确定润滑油的润滑、极压抗磨性能。烧结负荷、负荷磨损指数的数值越大，油品的极压抗磨性能越好。行车试验过程中油品的烧结负荷PD和负荷磨损指数见图16、图17、图18和图19。

从图16、图17、图18和图19可以看出，A车、B车行车试验过程中油品的烧结负荷PD均保持在2 450 N及以上，负荷磨损指数也大于441 N，油品的四球极压抗磨性能保持较好。结合铁、铜金属磨损量分析结果，表明油品承载性能较好，4 000 h内电动轮磨损极小，对设备起到了良好的润滑保护作用。

结论

采用长城AP-S 680工业齿轮油在某大型露天煤矿小松930E矿用电动轮自卸车上开展了4 000 h行车试验。结果表明，长城AP-S 680工业齿轮油具有优异的极压抗磨性能、抗氧化性能和抗腐蚀性能；长城AP-S 680工业齿轮油能够满足小松电动轮轮边减速器的使用要求，具有较好的匹配性，完全能够满足大型矿用电动轮自卸车的润滑要求。