船用齿轮油简化方案研究

宋开财，张文田，王建华，宋浩然

(中国人民解放军92228部队， 北京 100072)

0 引言

在船舶的起艇机、锚机、舵机、绞缆机及辅推等装置上的齿轮一般为渐开线圆柱齿轮和蜗轮蜗杆装置，具有载荷高、传递功率大、扭矩高等特点，要求润滑油具有良好的极压抗磨和减摩性能[1-4]。船用工业齿轮油有C100/H、C220/H齿轮油，L-CKB 100、L-CKC 100、L-CKD 100、L-CKC 150、L-CKC 220、L-CKD 320和L-CKD 460重负荷齿轮油等多个品种，油料品种多，涉及黏度等级宽、使用范围窄、通用化水平低，因此需要对船用齿轮油进行简化研究。通常润滑油品的选择受工况条件影响显著，低速重载条件下主要考察其极压能力和减摩抗磨能力，而高速轻载条件下主要关注其成膜能力和减摩能力。本研究采用UMT-Ⅲ摩擦磨损试验机，考察了温度、速度和压力等因素对6种齿轮油摩擦副表面间摩擦系数、接触电阻的影响，对齿轮油减摩抗磨能力进行了评价。该测试方法采用球面销的上试样与旋转的下试样盘在设定好的条件下进行对磨，试验过程中能够实时地显示动态法向载荷、摩擦力和摩擦系数、以及接触电阻，接触电阻可定性表征试验过程的润滑状态。根据性能考察的结果，将L-CKD 100重负荷齿轮油和C100/H齿轮油，L-CKD 150重负荷齿轮油和C220/H齿轮油，L-CKD 320和L-CKD 460重负荷齿轮油等3组性能相近的油品进行简化整合， 提出船用齿轮油简化方案。

1 实验部分

1.1 试验油料

采用L-CKD 100重负荷齿轮油、C100/H齿轮油、L-CKD 150重负荷齿轮油、C220/H齿轮油、L-CKD 320重负荷齿轮油、L-CKD 460重负荷齿轮油等6种油料进行试验。其中齿轮油黏度由小到大依次为L-CKD 100=C100/H

1.2 润滑性能评价

采用多功能摩擦磨损试验机(UMT-Ⅲ)，原理如图1所示。试验中上试样钢球静止，下试样钢盘做不同转速旋转运动。试验时，把定量的齿轮油注入到储油池中，且保证充分供油。为了避免润滑油在试验过程中副产物的影响，齿轮油不重复使用。

试验中上试样为光滑钢球，直径为25.4 mm，材料为45#钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，表面经过超精加工，Ra 0.005 μm。下试样为钢制圆盘，钢盘直径尺寸为69 mm，厚度为5 mm，材料为45#钢。

试验中载荷分别为50 N、100 N和150 N，试验温度为25 ℃、40 ℃、100 ℃和120 ℃。

图1 UMT-Ⅲ摩擦磨损试验机原理及储油池

1.3 表面分析

采用NanoMap-D三维光学表面轮廓仪对UMT试件进行观测。

2 结果与分析

2.1 速度对接触电阻和摩擦系数的影响

用接触电阻定性表征摩擦副之间的润滑状态，接触电阻数值越大，表明摩擦副之间接触面积越小，上下表面之间油膜厚度值越大，当接触电阻数值接近100 kΩ时，表明上下表面已经完全没有接触[5]。

选取6种不同黏度的重负荷齿轮油，通过试验结果对比，分别给出在25 ℃试验条件下，6种齿轮油在不同压力下的接触电阻和摩擦系数随速度变化趋势，如图2和图3所示。

图2 齿轮油接触电阻随速度变化

图2为不同黏度齿轮油接触电阻随速度变化趋势。可以看出，在不同压力下，润滑油膜厚度随速度的升高而变大，摩擦副之间的接触面积随之减小，电阻值升高，在速度接近0.6 m/s时，接触电阻达到稳定，不再出现较大波动。不同压力下，接近全膜润滑状态的样品不同，速度相同，随着润滑油黏度的增大，对应的接触电阻值呈增大趋势。

图3为不同黏度齿轮油摩擦系数随速度变化趋势。可以看出，随速度的提高，两表面间油膜厚度值增大，导致摩擦系数呈减小趋势。个别油品的摩擦系数随速度提高而增大，从接触电阻可知，此时两表面已经达到全膜润滑状态，随着油膜厚度进一步增大，齿轮油内部剪切应力增大，导致摩擦系数增大。

图3 齿轮油摩擦系数随速度变化

2.2 温度对摩擦系数的影响

图4给出了L-CKD 150、L-CKD 320和L-CKD 460齿轮油在100 N压力下，接触电阻和摩擦系数随速度变化趋势。

图4 温度对接触电阻和摩擦系数的影响

可以看出，相同速度下，由于黏度随温度升高而降低，油膜厚度值下降，故接触电阻随温度升高而减小；相同速度下，齿轮油温度越高，摩擦系数越大，润滑效果越差，摩擦系数随温度升高而增大。

2.3 三维表面轮廓

本研究采用NanoMap-D三维光学表面轮廓仪对UMT试件进行观测，得到试件横截面的表面等高线，再进一步进行处理，得到试件磨损面积。通过比较磨损面积的大小，表征齿轮油抗磨性能差异。

图5为L-CKD 320齿轮油盘表面轮廓图，图6为25 ℃时，6种齿轮油在不同压力下的磨损面积，可以看出，随着压力的增加下盘表面磨损明显增大。

图5 钢盘磨损表面轮廓

图6 不同压力下的磨损面积

2.4 齿轮油简化方案

按照齿轮油黏度等级，将6种齿轮油分为3个组别，并对其摩擦系数和磨损面积进行比较，见表1。

表1 齿轮油接触电阻和摩擦系数比较

表1(续)

由于船舶辅助设备齿轮箱很多处于甲板以上部位，环境温度对齿轮油流动性影响较大，而齿轮箱的油箱一般没有单独的加热设备，为了在寒冷季节使齿轮油仍具有良好的流动性能，船舶齿轮油必须具有优异的低温性能，表2为船用齿轮油低温性能指标要求。同时综合考虑黏度、抗磨、减摩性能，制定了船用齿轮油简化方案，见表3。

表2 船用齿轮油低温性能指标

表3 船用齿轮油简化方案

3 结论

(1)润滑油膜厚度随速度的升高而变大，摩擦副之间的接触面积随之减小，电阻值升高，摩擦系数呈减小趋势；

(2)相同速度下，随着温度的升高，齿轮油黏度降低，油膜厚度下降，接触电阻逐渐减小，摩擦系数逐渐增大；

(3)综合考虑黏度、抗磨、减摩、低温性能，给出了工业齿轮油简化方案。