P&H 2800XPB电铲专用齿轮润滑脂的开发及应用

张晓凯 王兆坤 张洪滨

中国石化润滑油有限公司天津分公司

对P&H 2800XPB电铲齿轮工况进行分析，提出了电铲齿轮润滑脂应具备的性能要求，紧密结合电铲实际工况和齿轮设计参数，完成了P&H 2800XPB电铲专用齿轮润滑脂的配方设计与研制。经理化评定和性能试验，结果表明，研制产品具有优异的耐低温性、极压抗磨性、黏附性和良好的油膜承载能力等性能特点。应用试验结果表明，研制产品满足中煤平朔P&H 2800XPB电铲的润滑工况要求，得到了客户的技术认可和使用。

电铲是露天矿开采工艺中最重要的设备之一。电铲齿轮机构的润滑历来都是一个难题，润滑剂选择不当常常造成严重的点蚀、擦伤、刮伤、过度磨损等现象，使齿轮未达到使用寿命就进入大修，增加了维修成本。电铲齿轮润滑剂市场份额一直都被国外品牌壳牌、美孚、BP、威特姆等占据，使电铲开式齿轮润滑剂使用成本居高不下。随着近期煤炭价格走低，效益与成本矛盾日益突出，开发品质优良、价格低廉的国产开式齿轮润滑剂已迫在眉睫。

中煤平朔露天矿的P&H 2800XPB电铲齿轮系统一直使用进口润滑脂产品润滑。经过前期的交流和沟通，其齿轮润滑脂需要进行国产化替代，急需开发一款适合此型号电铲的专用齿轮润滑脂替代国外产品。本文介绍了P&H 2800XPB电铲专用齿轮润滑脂（以下简称2800XPB电铲脂）的研制及应用情况。

P&H 2800XPB 电铲齿轮结构及润滑要求

P&H 2800XPB电铲由美国哈尼斯格公司生产，斗容为25 m3，该电铲主要由3部分组成，包括工作装置、行走装置和回转装置。2800XPB电铲的结构型式如图1所示。

挖掘过程中，铲斗的上升靠提升钢绳提拉，而下降只靠铲斗自重。挖掘机挖掘土壤的动作全部由提升和推压两机构一起配合完成。挖掘时，挖掘机靠近工作表面，铲斗通过钢丝绳和推压机构的联合作用，使其自下而上地沿着一定的挖掘曲线强制运动，同时将铲斗装满矿石，之后离开工作表面运动到卸载高度，此时推压力逐渐减小至几乎为零，提升力保持为一个定值，然后回转至卸载位置，打开铲斗斗底，通过矿石自重完成卸载，卸载后再次回转并下降至工作表面开始下一次的挖掘工作。

根据电铲齿轮的具体工况条件，其用脂需满足的性能要求包括[1]：

◇抗烧结性能：为了最大限度地防止齿轮表面的胶合，需要在电铲齿轮润滑脂中加入高性能的抗烧结化学添加剂组合，在点接触和线接触的摩擦形式下防止金属之间的高载荷烧结。

◇较高的基础油黏度：由于齿面压力较大，并且大齿轮润滑需要润滑脂有较好的黏附性，所以，要使润滑面之间形成油膜，基础油的黏度必须合适。

◇要加入极细的固体添加剂：将加在润滑脂中的固体添加剂通过齿轮的传动，均匀地涂抹于齿面上，形成坚固的固体润滑膜，使润滑面在极高的负荷下也能很好地保护齿面。

◇要有优良的低温泵送性能和可铺展性：由于电铲为自动供脂，就要求润滑脂在任何使用的温度条件下都可以容易地输送到润滑表面，以达到理想的润滑效果。

◇较好的抗水性和抗腐蚀性，当润滑脂受到水分和杂质污染时，仍能保持良好的使用性能。

研制目标的确定

根据大型电铲工况要求、国外相关产品性能及矿山需要高极压、多水泥泞等要求以及理论计算结果，制定了该产品的暂定技术标准，具体指标见表1。

表1 2800XPB电铲脂的技术要求和试验方法

2800XPB电铲脂的组成研究

基础油筛选

基础油筛选包括黏度和种类的选择。基础油黏度主要取决于齿轮的工作条件即工作温度、尺寸和转速；单一品种的基础油一般难以满足对黏度、黏度指数、凝点等性能指标的要求，故需要进行不同种类基础油配比的研究。

图1 P&H 2800XPB电铲结构型式示意

当齿轮达到正常工作温度时，要形成适当的油膜，基础油必须达到指定的额定黏度。根据Hamrock-Dowson公式，润滑油膜的厚度与速度成正比，与润滑油黏度成正比，与载荷成反比，为了保证合理的润滑油膜，低速齿轮用较高黏度基础油、高速齿轮用较低黏度基础油比较科学。根据理论计算和Striebeck曲线[2～5]，并结合实际的运行工况，同时考虑冬夏季的环境温度，确定了2800XPB 电铲脂基础油黏度，见表2。

表2 2800XPB电铲脂基础油黏度的确定

基础油黏度确定后，为优化基础油性能，进行了不同品种和性能的基础油调配，通过测试基础油黏度、黏度指数、倾点等性能指标，确定合适的基础油配方。由于夏季和冬季产品对基础油的黏度和低温性能要求不同，因此需分别调配，夏季、冬季产品基础油调配方案分别见表3、表4。

表3 2800XPB电铲脂基础油的调配方案（夏季）

表4 2800XPB电铲脂基础油的调配方案（冬季）

从表3可以看出，3、5号基础油方案符合夏季产品拟定基础油指标，均具有较高的基础油黏度，且基础油的凝点都低于-20 ℃，但是5号基础油的成本较高，所以选用成本较低的3号基础油方案作为夏季产品的基础油。

从表4可以看出，8号基础油方案具有较高的基础油黏度，且基础油的凝点在-45 ℃，符合冬季产品基础油黏度的拟定指标，因此确定为冬季产品的基础油配方。

稠化剂选择

稠化剂是润滑脂的主要组成部分之一，对润滑脂的机械安定性、耐高温性、胶体安定性能以及寿命等性能指标有重要影响。因此，需要选择合适的稠化剂品种。

膨润土润滑脂是重要的非皂基润滑脂之一，它具有生产周期短、稠化能力强、生产能耗低、生物降解性好等特点，与其他润滑脂相比，具有滴点较高、耐潮湿、化学稳定等优点，承载负荷能力比一般皂基润滑脂都高。膨润土是一类以蒙脱石为主要成分的黏土矿物，其分子结构如图2所示。用有机膨润土稠化基础油制备膨润土润滑脂时，聚集态的蒙脱石薄层晶片在低剪切力的作用下，基础油穿透其毛细管状的空隙而被湿润，有机蒙脱石聚集态晶片部分被分散，之后再持续提高剪切力时膨润土在基础油中充分分散，形成一个完全的有机膨润土流变结构，其分散机理见图3。

电铲设备的润滑具有较高的负荷要求，要求润滑脂具备优异的抗剪切性能和高温性能、良好的极压抗磨性能、极强的黏附性。结合以前矿山设备润滑脂产品开发经验，确定选择膨润土作为稠化剂。

极压剂的确定

电铲齿轮在严酷的条件下工作，属低速重载情况，需加入极压抗磨添加剂和固体添加剂。固体添加剂通过易于变形的晶格结构来承受高剪切载荷，可以在启动、冲击和紧急情况下,提供短时间的表面保护。同时，加入极压抗磨添加剂，可提供更好的润滑保护。润滑脂中常用的固体极压添加剂主要有二硫化钼和石墨，2种添加剂经常是通过复配使用，效果较好。

二硫化钼层状结构是钼和硫通过共价键结合在一起的六方晶系结构。二硫化钼良好的润滑性能是由其晶体结构决定的，当分子之间受到很小的剪切力时沿分子层很容易断裂而形成滑移面，可以适用于一般润滑油难以润滑和工作环境恶劣的摩擦面。

图2 蒙脱石分子结构

图3 有机膨润土在基础油中的分散成脂过程

石墨具有耐高温、抗腐蚀、自润滑等特性。作为良好的固体润滑剂及润滑添加剂，石墨系材料良好的润滑性来源于其本身层状的晶体结构，这种结构上的特征决定了石墨层耐负荷、耐腐蚀、抗高温、抗辐射的特性以及层面间良好的滑移性，可作为良好的耐磨润滑材料。

确定了极压剂类型后，对两种类型的极压剂进行了配伍性试验考察以筛选得出最佳极压剂配比，试验结果见表5。

由表5可以看出，3号配方的PD为3 920 N，而1、2号配方的PD值为4 900 N，极压性能优良且都满足既定指标要求。但1号配方的防锈性能未通过，因此最后选择2号配方作为极压剂配方。

产品试生产

产品配方及工艺确定后，进行了配方放大连续试生产，试生产产品理化数据见表6。

从表6可以看出，试生产产品的极压抗磨性能、低温性能、防护性能优良，连续生产的产品性能稳定，各项性能均达到既定技术指标。

应用试验验证

2800XPB电铲脂产品研制开发完成后，在中煤平朔公司露天矿P&H 2800XPB电铲开式齿轮上进行了应用试验验证，同时和竞品进行了对比。

齿面油膜状态对比

电铲开式齿轮主要润滑点在左右推压齿轮、回转齿轮，试用过程中定期对各个润滑点进行监测拍照，通过对比指定部位齿面油膜附着效果来评定试制产品的油膜状态及黏附性。试制产品齿面附着效果见图4～图6，对比电铲竞品齿面附着效果见图7～图9。

从图4～图9可以看出，试制产品的油膜附着效果较好，附着量已达到同类产品水平，其黏附性能出色，可以满足电铲润滑工况的要求。

铁元素磨损量对比

铁元素含量能够反映试验润滑脂的抗磨性能，可根据铁元素含量测试结果了解润滑部位的磨损状况。在实际作业过程中，齿轮表面材质受摩擦磨损的作用而形成磨屑进入到润滑脂中，使用后的润滑脂中铁元素含量愈高，表明金属表面磨损的程度愈严重。

采用Q100元素分析仪测定作业试验后2800XPB电铲脂及竞品的铁元素含量，结果见图10，

表5 极压剂配伍性试验数据

表6 试生产产品理化数据

由图10可以看出，3008号电铲左推压使用试制的2800XPB电铲脂经过定期采样分析，铁元素含量是3009号对比电铲左推压所使用竞品的铁含量的约1/2，润滑效果已经和竞品相当甚至优于竞品。

结论

☆根据P&H 2800XPB电铲的实际工况条件和电铲齿轮参数，对配方中稠化剂、基础油和添加剂的关键特性进行了设计与确定。性能试验表明，与国外同类润滑脂相比，研制产品具有优异的防护性、黏附性和极压抗磨性。

☆现场应用试验结果表明，研制产品的润滑和防护性能良好；通过对润滑部位取脂进行分析发现，其磨损铁含量比竞品低，齿面黏附性和泵送性与竞品相当。产品已得到客户的技术认可和使用，后续将逐步实现替代应用。

图4 试制产品回转大齿圈油膜

图5 试制产品左推压齿轮油膜

图6 试制产品右推压齿轮油膜

图7 竞品回转大齿圈油膜

图8 竞品左推压齿轮油膜图

图9 竞品右推压齿轮油膜

图10 电铲脂铁元素含量对比