隨著礦山裝備大型化發(fā)展，齒輪驅(qū)動(dòng)磨機(jī)的熱力學(xué)問題日益突出。本文針對(duì)大型礦用磨機(jī)齒輪副的高溫工況展開分析，提出了一種基于低摩擦系數(shù)潤滑劑的創(chuàng)新解決方案。通過摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)（MTM測試臺(tái)架）和工業(yè)應(yīng)用案例驗(yàn)證，Klüberfluid C-PG 17 Ultra潤滑劑顯著降低了齒面溫度（降幅達(dá)16℃），并改善了潤滑膜穩(wěn)定性（MTM臺(tái)架摩擦系數(shù)<0.02）。研究結(jié)果表明，該潤滑劑在降低能耗、延長齒輪壽命方面具有顯著優(yōu)勢，為大型磨機(jī)的熱管理提供了新思路。

近年來，礦用磨機(jī)的大型化趨勢顯著，例如中信重工研制的Φ11.0m×6.4m半自磨機(jī)功率已達(dá)18MW，大齒輪外徑突破13.6m。然而，設(shè)備尺寸與功率的提升加劇了熱力學(xué)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)場監(jiān)測顯示，當(dāng)環(huán)境溫度超過35℃時(shí)，部分磨機(jī)齒輪副接觸區(qū)極端溫度可達(dá)83.6±2.4°C，遠(yuǎn)超彈性流體動(dòng)力潤滑（EHL）工況閾值。持續(xù)高溫不僅導(dǎo)致無法產(chǎn)生有效潤滑油膜（厚度<0.1μm），還會(huì)引發(fā)軸承熱變形（Δ=α·D·ΔT），進(jìn)而影響傳動(dòng)精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)解決方案依賴動(dòng)態(tài)調(diào)整潤滑參數(shù)，但存在維護(hù)成本高、效果有限等問題。本文提出一種基于高性能潤滑劑的創(chuàng)新方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與工業(yè)案例驗(yàn)證其降溫與節(jié)能潛力。

高溫失效機(jī)理分析和熱變形效應(yīng)

高溫下潤滑油膜厚度隨溫度呈指數(shù)衰減，當(dāng)齒面溫度>80°C時(shí)，邊界潤滑狀態(tài)顯著增加膠合風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)Dowson-Higginson模型修正公式，油膜厚度與溫度關(guān)系可表述為：

式中，β為溫度衰減系數(shù)，實(shí)驗(yàn)測得β=0.025/°C，表明溫度每升高10°C，油膜厚度減少22%。

軸承組件因溫度梯度產(chǎn)生的徑向游隙變化量Δ可量化為：

其中α為100Cr6軸承鋼的線膨脹系數(shù)12.5×10??/°C，D為軸承外徑，ΔT為溫度梯度。以外徑為1200mm的軸承為例，溫度梯度ΔT=50°C時(shí)根據(jù)公式計(jì)算所得熱變形量為Δ=0.75mm，超出設(shè)計(jì)允許值（0.5mm），導(dǎo)致配合間隙的變化，其可能引發(fā)額外的振動(dòng)和噪聲問題，嚴(yán)重時(shí)甚至造成軸承載荷分布不均，加劇滾動(dòng)體與內(nèi)外圈接觸表面的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于軸承的有效游隙受到配合公差，內(nèi)外圈溫度差等因素影響，因此，當(dāng)軸承發(fā)生熱形變時(shí)，也會(huì)大大影響到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的有效游隙，從而直接影響預(yù)期壽命。

潤滑劑的創(chuàng)新解決方案與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用Mini Traction Machine（MTM）測試Klüberfluid C-PG 17 Ultra的摩擦特性。

圖1：MTM測試摩擦特性說明圖

在80°C、50%滑滾比、50N(1000 N/mm2)載荷下，其摩擦系數(shù)穩(wěn)定于0.02以下，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)開式齒輪潤滑劑（摩擦系數(shù)>0.05）。

圖2：摩擦系數(shù)對(duì)比圖

此外，F(xiàn)ZG刮擦測試（DIN ISO14635-3）顯示，該潤滑劑抗刮擦等級(jí)達(dá)14級(jí)，質(zhì)量損失≤0.1 mg/kWh，表明其優(yōu)異的抗磨損性能。

圖3：抗刮擦等級(jí)對(duì)比圖

圖4：磨損重量變化對(duì)比圖

某礦業(yè)集團(tuán)18MW半自磨機(jī)應(yīng)用該潤滑劑后，齒面溫度從63℃（最高值）降至47℃，溫差由13℃縮小至4℃（圖5）。長期監(jiān)測（2023.07-2025.07）顯示，齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)溫度始終低于50℃，并且齒面保持良好（圖6）。潤滑劑用量未調(diào)整情況下，降溫效果顯著。并且隨著潤滑的逐漸穩(wěn)定，進(jìn)一步下調(diào)了潤滑劑用量。

圖5：齒面溫度變化圖

圖6：齒面狀態(tài)圖

Klüberfluid C-PG 17 Ultra通過降低摩擦系數(shù)（<0.02）和增強(qiáng)抗刮擦能力（FZG 14級(jí)），有效解決了大型磨機(jī)的高溫與能耗問題。實(shí)驗(yàn)與工業(yè)數(shù)據(jù)表明，其可將齒面溫度降低16℃，并延長齒輪壽命。該研究為礦山裝備的熱管理優(yōu)化提供了理論依據(jù)與實(shí)踐參考。

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

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供稿：克魯勃潤滑劑有限公司

編排：余思晨

審核：王小兵

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