抽油机减速器润滑剂的选用

贾品元，雷璐娟，罗海强，刘 敏

1.中国石油长庆油田分公司第五采油厂 （陕西 西安 710200）2.西安石油大学机械工程学院 （陕西 西安 710065）3.中国石油长庆油田分公司矿区事业部 （宁夏 银川 750006）

减速器是抽油机的关键部件，对抽油机的正常工作起着至关重要的作用。抽油机常年在野外分散作业，作业环境恶劣，但人们对减速器润滑剂的选用、更换周期重视不够，普遍存在用油、换油不规范。据调查统计，国内油田企业经常使用的润滑剂多达10余个品种、20多个黏度规格，油品质量差异较大，无法对抽油机减速器提供良好的保护[1]。减速器生产企业在润滑剂选用上，往往没有明确的标准和规范，仅凭经验及使用单位反馈信息选用，有时同一机型选油都有差别，造成润滑剂使用混乱。为此，国家质检总局与全国齿轮标准化技术委员分别在2001年、2009年分别颁布了关于齿轮润滑油选择的标准JB/T 8831—2001《工业闭式齿轮的润滑油选用方法》和GB/T 13608—2009《合理润滑技术通则》，以规范减速器不同工况下润滑剂的选择和使用。在国家标准推荐的基础上，综合考虑抽油机的实际工况，分析适合抽油机减速器的油品类别、质量等级和黏度规格，为抽油机减速器规范用油、合理换油提供系统科学的依据。

1　抽油机减速器的润滑特点分析

1.1　抽油机减速器结构特点分析

不同于普通的减速器，抽油机减速器是双圆弧齿轮，齿廓曲率半径小，齿面啮合接触面积小。从表1抽油机减速器基本参数中看到，减速器齿面硬度较低，在240～310 HB之间，且承载较大交变负荷，甚至冲击负荷。啮合过程中，齿面间既有滚动又有滑动，所以在齿面上滚动摩擦与滑动摩擦并存，润滑不良时齿面会严重磨损。

减速器轴承与齿轮系统共用一个油箱，轴承润滑及密封要求高、难度大。由于多种原因，减速器漏油是油田企业设备管理的一个难点，也是减速器治理的重点[2]。如果通过润滑剂能够解决或作为一种辅助手段解决部分漏油问题，则可以使减速器减少许多复杂的装置，实现低成本治漏。

1.2　抽油机减速器工作环境分析

我国油田多分布于北方干旱、严寒地区，风沙较大，冬季温度低，四季温差大。减速器在这样的恶劣环境下工作，若密封不严，进水、进尘沙现象时有发生，易造成润滑品质下降。

表1　26型抽油机减速器基本参数

抽油机减速器体积大、安装位置距离地面又高，所以加油、换油等润滑作业困难且存在安全风险；另外，减速器用油量相对较大，更换成本高，油品更换及油箱清洗也困难，废油处理困难且成本高。

1.3　抽油机减速器润滑剂特点分析

在油田现场，抽油机减速器润滑剂使用品种较多，有 15W/40CD、CKC150、HM100、000号半流体等，各润滑剂都各有其特点。

1）15W/40CD是为柴油发动机设计的润滑油，着力解决柴油发动机高温积碳和高温氧化等问题。虽然其通用性较强，但对于抽油机减速器需要重点解决的极压抗磨性、抗水性、防漏问题几乎没有帮助；而且产品的抗剪切安定性较差[3]。

2）CKC150是油田企业经常选用的润滑剂，该产品对于抽油机减速器的不足是低温性能差、抗水性能一般，对减缓冲击负荷、减速器防漏能力不足。

3）HM100是一种抗磨液压油，抗磨性能较好，但低温性能差，不适应低温和宽温度范围的使用需要，用在抽油机减速器上黏度略微偏小。

4）000号半流体润滑剂用于抽油机减速器，比减速器润滑油更能适应较重负荷、有冲击负荷的工况，比润滑油防漏、防盗效果好，产品使用寿命长、消耗低。存在的问题是产品的流动性差，减速器轴承油道流动不畅。虽然这些油品优点突出，在油田应用较广，但对于抽油机减速器的润滑剂并不是十分理想的选择。

1.4　抽油机减速器润滑剂的特殊要求

作为减速器润滑剂，一般应具有良好的极压抗磨性、氧化安定性、防腐及防锈性。①极压抗磨性能决定齿轮的承载能力及齿轮的寿命，除了与润滑油的黏度有关外，还与润滑油添加剂的性能有关；②氧化安定性要求是因为齿轮润滑剂在工作中被不断搅拌，与空气、金属、杂质等接触，在温度较高的情况下会氧化变质；③防腐蚀、防锈蚀性能是由于润滑剂氧化产生的酸性物质对齿轮可造成腐蚀，以及由于温差变化而产生水汽、减速器进水等造成齿面及油箱锈蚀、腐蚀。

减速器润滑剂除上述基本要求外，根据抽油机减速器结构特点和作业环境，对抽油机减速器的润滑剂还有一些特殊要求。

1）因齿面在啮合瞬间接触面积小，形成油楔和油膜条件差，每次啮合都需重新形成油膜。因此，应选择黏度相对较大、润滑性能好的润滑剂。

2）抽油机减速器为超低转速齿轮系统，靠齿轮旋转携带润滑剂进行润滑时易造成润滑剂流失，不利于形成动压油膜。因此应选择黏度较大、黏附性能好的润滑剂，以保证齿面啮合时能形成足够的油膜。

3）为缓冲齿轮承受的较大交变载荷和冲击负荷，使断裂、点蚀、疲劳磨损等失效减缓，应尽量选用黏度大、油膜厚，加有极压抗磨剂的润滑剂，以分散载荷、提高油膜强度，减少齿面磨损[3]。

4）为避免进水、进杂风险，应选择抗水性能好、抗腐蚀及抗锈性能好，极压性能好的润滑剂。

5）为保证抽油机减速器在冬季低温下良好的润滑，要求润滑剂必须具有良好的低温性能，并可在冬夏宽温度范围内使用。因此，润滑剂应该满足抗氧化性能好、各项指标衰减慢、换油周期长、综合管理成本低的要求。

2　抽油机减速器用润滑油的选择

2.1　选择原则

工业齿轮润滑油是目前抽油机减速器最常用的一类润滑剂。各国在润滑剂的选用上都有一定的原则和标准，美国的选油方法主要是从齿轮传动的类型、中心距大小和工况环境条件来确定，德国的选油规范主要考虑接触应力的大小，选择齿轮油的黏度、极压性能要求[4]。2001年，我国参照ANSI/AGMA 9005—D94标准修订并发布了JB/T 8831—2001《工业闭式齿轮的润滑油选用方法》，其中包括选择润滑油的种类（性能分类）、黏度等级以及润滑方式等。

根据标准JB/T 8831—2001，抽油机减速器在现有润滑方式下，所用润滑油的选择主要应考虑润滑剂类别、质量级别以及黏度规格。具体应遵循以下基本原则：根据齿面接触应力及使用工况选择质量级别；根据齿轮线速度选择齿轮油的黏度等级；根据使用环境温度、工作温度选择齿轮油的温度适应等级；综合考虑减速器的工况、技术特点和管理要求，选择产品类别。

2.2　质量级别的选择

由于减速器为低转速（齿轮节圆圆周速度不超过25 m/s）、闭式齿轮系统，因此选择闭式工业齿轮油作为抽油机减速器的润滑油比较适宜。齿轮油的质量等级可按照闭式工业齿轮油的质量等级及主要适应条件（GB/T 7631.7—1995），由齿面接触应力来确定。

2.2.1抽油机减速器齿面应力

抽油机减速器为双圆弧齿轮，按GB/T 13799—1992的规定齿面接触应力σH按公式（1）计算：

式中各参数的含义如表1所示。以26型减速器为例，把其各参数数据代入公式（1），计算可得齿面接触应力为：σH=467.88 N/mm2。

2.2.2质量级别选择

根据计算的齿面接触应力、闭式工业齿轮油的质量等级及主要适应条件（GB/T 7631.7—1995），可选择CKB级别。但考虑到油田露天作业，太阳直射，齿轮箱容易受水分和杂质污染，以及抽油机减速器存在冲击负荷、齿面粗糙等因素，因此可选择中负荷闭式工业齿轮油。

2.2.3温度适应性选择

我国油田大多地处北方寒区、严寒区，冬季一般气温低于-15℃，个别作业区最低气温可达到-30℃以下，而且温差较大，加之润滑系统没有加热装置，使减速器润滑的温度条件变得苛刻。而CKC级别的工业齿轮油主要是为室内工作的减速器设计的，其倾点一般在-9℃以上，低温性能差。冬季使用该产品不仅能耗高，而且停机后启动困难。有些油田为了解决低温用油问题，推荐使用低凝点或黏度小的润滑油。虽然能解决低温问题，但到夏季温度回升后黏度太小，不利于形成油膜，减速器磨损严重。

按照标准JB/T 8831—2001要求，抽油机减速器所选择润滑油的倾点至少要比环境温度最低值低5℃，以便在启动温度下润滑油能自由流动；同时又必须有足够高的黏度，以便在正常温度（-16～70℃）下有足够的油膜厚度承受载荷。因此，根据油田的温度特点应该选择宽温度范围的CKS或CKT级别。

抽油机减速器为露天工作设备，风吹、日晒、雨淋，且井场灰尘较大，对齿轮油的抗氧化、抗腐蚀、抗磨损要求比室内设备高。同时由于CKS不适应冲击负荷的工况，因此建议选择CKT闭式工业齿轮油。

2.3　黏度等级的选择

2.3.1黏度等级的初选

齿轮油黏度的选择主要考虑齿轮运行的节圆圆周速度和环境温度。齿轮节圆圆周速度可按公式（2）计算：

式中：v为齿轮节圆圆周速度，m/s；dwl为小齿轮的节圆直径，mm；n1为小齿轮的转速，r/min。

以长庆油田为例，抽油机冲次多为7.5次/min，以26、37型抽油机减速器为例进行计算，其低速级小齿轮的节圆速度分别为0.3 m/s和0.35 m/s。如实际使用时抽油机冲次变化，上述计算结果会稍有不同，一般不超过5 m/s。

对于环境温度，冬季油田作业区的低温一般在-40～-15℃之间，高温一般在30～35℃之间。

根据计算出的低速级齿轮节圆圆周速度和环境温度，齿轮油黏度可参考表2进行选择。由表2可知，黏度等级（40℃）应在100～320 mm2/s之间，其中低温要达到合成油100号在低温条件下的流动性，高温要达到环境温度35℃时320号的黏度要求。结合齿轮油的低温流动极限，减速器润滑剂CKT的黏度应达到：在一定低温下（-20℃）的表观黏度不大于150 Pa·s；在35℃高温时，黏度能够达到320号的黏度要求。

2.3.2黏度选择需考虑的其他问题

1）润滑状态与油膜厚度的关系。减速器齿轮的润滑状态与齿轮的粗糙程度以及润滑剂的油膜厚度有密切关系。杜逊[5]曾提出了齿面粗糙度和齿面损伤的关系式：

式中：h为油膜厚度，μm；σr为两齿面综合粗糙度中σ1、σ1为两齿面各自的平均粗糙度，μm。

根据公式（3），当油膜厚度与齿面粗糙度之比λ＞3时，也就是膜厚比大于3时，摩擦副处于全膜弹性流体动压润滑状态，可认为不会发生黏着磨损；λ＞2时，为弹性流体润滑状态；λ在0.7～2之间时，为混合润滑状态，摩擦副可能发生疲劳磨损和点蚀；λ＜0.7时，则进入边界润滑状态，齿轮系统会发生不同程度的损伤。

表2　工业闭式齿轮传动装置润滑油黏度等级的选择

由于抽油机减速器两个齿面的粗糙度相同，均为3.2 μm，齿面硬度不高，又存在冲击负荷。为保证减速器齿轮弹性流体润滑状态，hmin应大于6.2 μm，最好在6.2～9.6 μm之间，而且黏附性要好。考虑改善漏油的需要，黏度也应较大。当然，黏度的选择还要兼顾产品的低温性能和减速器的能耗，黏度也不能太大。

2）黏度与摩擦的关系。在JB/T 8831—2001[6]标准中，齿轮油选用的基本思想是黏度大，纯矿物油是中性流体，属物理吸附，则吸附于齿面的油品多，能保证把足够油带到啮合部位。但是，新的高效油品中加有大量极压添加剂（极性物质），在高温下与金属表面反应形成化学吸附，其吸附强度较物理吸附提高许多，此时在摩擦面起抗磨作用的主要是极压添加剂反应生成的化学反应膜。另外，单纯从摩擦学的角度，黏度越小越有利于及时把添加剂输送到啮合部位。所以也应该考虑在不影响密封的条件下，适当降低齿轮油黏度。

综上所述，选择CKT150、CKT220合成闭式工业齿轮油作为抽油机减速器用润滑油是比较适宜的。

3　半流体润滑剂的选择

选择CKT闭式工业齿轮润滑剂作为抽油机减速器用润滑油虽然具有低温性能和极压抗磨性能好的优点，但对于解决抽油机减速器的润滑难题依然存在着一些不足，如CKT质量级别的润滑油如果黏度选择不当，夏季高温时会黏度偏小，或不能真正做到四季通用；流体型润滑油由于黏度小，油膜厚度小，不利于缓冲载荷，设备振动噪音较大；CKC工业齿轮油类似于CKT的性能，而且抗水性能有限等。而半流体润滑剂因具有良好的低温性能、防漏性能、抗冲击负荷能力、抗水性能、抗氧化性能以及抗剪切性能。因此，将半流体润滑剂作为抽油机减速器用润滑剂也是完全可行的。

3.1　半流体润滑剂简介

半流体润滑脂又称减速器润滑脂，产生于20世纪70年代美国，改革开放后引进国内，它是指在标准条件下测试其锥入度值大于355个单位（1/10 mm）的一类较软的润滑脂。按照美国润滑脂学会NLGI稠度分类标准，锥入度值在355～385范围内的为0号润滑脂，在400～430范围内的为00号润滑脂，在445～475范围内的为000号润滑脂。

由于半流体润滑脂所含稠化剂量较少，受自身重量的作用，在没有任何外加负荷的情况下也具有一定的流动性，具备润滑脂、润滑油双重特性。在高剪切速度区，其黏度降低，环境温度低达-20℃、甚至-40～-35℃时，具有良好的流动性和泵送性。半流体润滑脂含有稠化剂和增黏剂，因此黏附性能好、油膜厚，在箱体和轴承的缝隙等非剪切或低剪切部位，能保持半流体固有的黏度黏附于缝隙处，起到密封和防漏作用，同时具备减振、降噪、抗冲击载荷的作用。锂基、铝基等半流体润滑剂有少量水分存在的情况下，不易乳化变质，主要性能指标稳定、抗氧化性能好。由于半流体润滑剂性能优于一般工业齿轮油、机械油、抗磨液压油等，已广泛使用在野外作业的抽油机减速器的润滑中。

3.2　质量规格的选择

由于半流体润滑剂所处的工况与流体型润滑剂相同，因此半流体的质量级别也应该达到中负荷的要求，产品的极压抗磨性能要不亚于CKC工业齿轮油，应是一种极压抗磨型半流体。同时，作为寒区适用的润滑剂，按照齿轮润滑剂的流动极限，其低温性能应该保证在最低工作温度时（-30℃），相似黏度不大于150 Pa·s，产品类别应该属于CKG+。

3.3　黏度的选择

和流体润滑剂一样，半流体的相似黏度也同齿轮的润滑状态有着密切关系。相似黏度大的润滑剂，油膜厚、强度高，但同时低温性能会受影响，内阻力增大，流动性差，能耗偏高，在抽油机减速器轴承油道中流动不畅，影响轴承润滑；相似黏度小的润滑剂，低温性能好，减速器运行能耗低，但润滑性能、抗冲击负荷的能力、密封性能会降低。

对于半流体润滑剂的黏度选择，目前还没有相应的计算方法。根据现场实践经验，半流体的相似黏度在最低温度时应保证不高于150 Pa·s，以保证产品良好的低温性能；但也不宜太低，同一温度下的相似黏度一般应保持在70～90 Pa·s之间，以保证减速器轴承油道良好的流动性和油膜厚度。

4　结束语

流体型润滑剂是抽油机减速器通常选择的类型，常用的CKC150低温性能较差，在冬季需更换低温性能更好的产品。根据JB/T 8831—2001《工业闭式齿轮的润滑油选用方法》，结合抽油机减速器的技术参数和实际工况，北方油田企业应选择CKT150、CKT220作为适应低温环境、宽温度范围四季通用的润滑油产品。

为更好地解决抽油机减速器润滑难题，可选择使用低温相似黏度不大于150 Pa·s、质量级别不低于CKC的极压抗磨型半流体润滑剂。该产品具有低温性能好、抗冲击负荷、改善减速器防漏、换油周期长、适应野外工作容易进水的工况等诸多优点。