中国石化长城AP工业齿轮油在大型盾构机上的应用

2021-09-09曹静思李耿辉

石油商技 2021年4期

曹静思李耿辉

中国石化润滑油有限公司北京研究院

本文采用中国石化长城AP 220工业齿轮油在大型土压平衡盾构机上开展了为期5个月的应用试验。结果表明，试验期间油品性能稳定，盾构机减速机设备无异常磨损和停车，油品可有效保证盾构机稳定运行，能够满足大型盾构机减速机的使用要求，具有良好的匹配性能。

盾构机是盾构隧道掘进机的简称，主要应用于水利、铁路、城市轨道交通等工程的隧道建设。根据横截面（Φ）大小不同，盾构机可分为超小型（Φ＜1 m）、小型（1 m≤Φ＜3.5 m）、中型（3.5 m≤Φ＜6 m）、大型盾构（6 m≤Φ＜14 m）、超大型（14 m≤Φ＜18 m）和特大型（Φ≥18 m）共6类[1]。目前，盾构机行业的发展仍处于上升期，随着国民经济和行业技术的迅猛发展，盾构机应用也越来越广泛。

为缓解城市交通压力，地铁建设规模逐渐扩大，目前最主要的施工方式是隧道盾构施工。相较于电力、水利等工程，地铁建设环境更加恶劣，对盾构机的要求更加苛刻，主要体现在以下三点：

◇地铁建设覆盖面广，地质环境更加复杂；

◇地铁深度通常在地下20 m及以下，压力更大；

◇地铁建设中盾构机直径更大，目前国内最大盾构机直径为16 m。

此外，高强度的作业环境也会对地铁建设中的盾构机工作稳定性提出更高的要求，为此盾构机各部件均需要具有较高的可靠性。

盾构机的主减速机是驱动系统的主要传力部件，其可靠性对盾构机稳定运行起着至关重要的作用[2]。减速机主要由箱体、齿轮、轴、紧固元件和密封元件等部分组成。研究表明，主减速机故障主要原因是齿轮或轴承失效，如果减速机润滑系统不完善、杂物入侵、腐蚀以及过载、润滑油黏度下降等会加剧啮合齿轮和轴承的磨损[3]。因此，除减速机本身的制造工艺外，润滑是保障减速器稳定运行的重要因素，选择性能优异的齿轮油产品，可有效保障设备稳定性，延长设备的换油周期和使用寿命，提升设备运行效率和施工效率，保障工程施工安全，帮助用户实现降本增效。

为测试中国石化长城AP 220工业齿轮油（以下简称长城 AP 220）在大型盾构机恶劣工况下的使用性能，中国石化润滑油有限公司与某市地铁工程企业S合作，在其使用的大型盾构机上开展了为期5个月的应用试验。

试验部分

试验盾构机

本次应用研究盾构机类型选择土压平衡盾构机，该盾构机具有大扭矩和大推力的特点，可满足不同软土地层的快速连续掘进要求，主要技术参数见表1。

表1 盾构机技术参数

试验用油

长城AP系列工业齿轮油具有优异的黏温性能、抗摩擦磨损、抗微点蚀、轴承保护和承载能力，可以应对低速重载、温差大以及环境恶劣的严苛工况，有助于延长齿轮和轴承的使用寿命，为大型机械设备的减速机提供良好的润滑保护。长城 AP 220典型数据见表2。

表2 长城AP 220典型数据

试验条件

本次应用试验周期为5个月，盾构机施工环境是地下100多米，温度在-15～20 ℃。其中盾构机工作温度高，经常处于多粉尘、湿度大和压力大的严苛工况，且要求连续作业，平均工作时间超过20 h/d。

清洗和取样

装填过程中首先采用长城 AP 220 对减速机进行 2 次冲洗（每次半箱油），冲洗完毕后装填新油。加入试验油后，运转10 min取第一次油样为初装油样，行车试验开始后，分别在工作1个月、2个月、3个月、4个月以及5个月后取样。

油液监测和换油指标

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》，并根据盾构机的工况特点，与企业S协商确定了试验油品的监测试验项目和换油指标，具体见表3[4]。

表3 油液监测试验项目和换油指标

结果及讨论

运动黏度和黏度指数

黏度是齿轮油最基本的性质，齿面间润滑油膜的形成与油品的黏度密不可分，每种设备所用油品都应选择合适的黏度，以保证满足其正常工作的需要。黏度指数是反映黏温性能好坏的指标，黏度指数值越高，说明齿轮油在温差大的环境中运动黏度变化值越小。长城AP220 在应用试验中的运动黏度和黏度指数变化曲线见图1。

从图1可以看出，在大型盾构机运行5个月期间，试验油品40 ℃运动黏度变化较小，仍在换油指标范围内。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 220具有良好的黏温性能。

图1 长城AP 220在应用试验中的运动黏度和黏度指数变化

铜片腐蚀

铜片腐蚀是为了保证产品具有良好的防腐性能，不会对减速机中的铜部件造成腐蚀。一般要求工业齿轮油旧油的铜片腐蚀（100 ℃，3 h）测试结果为3级以内，数字越小表示铜腐保护性能越佳。长城AP 220在应用试验中的铜片腐蚀结果见图2。

从图2可以看出，应用试验过程中，长城AP 220的铜片腐蚀结果均不大于1级，且运行5个月后油样铜腐仍保持在1b，油品抗铜片腐蚀保持能力较好。

图2 长城AP 220在应用试验中的铜片腐蚀结果

元素分析

油品中的金属含量由ICP（原子发射光谱法）进行定量分析，通过考察油品中金属含量的高低，判断齿轮或其他易磨损部位的磨损情况。油品中的粉尘等污染物主要体现在钙、硅等元素含量中，钙、硅等元素含量越高，说明油品中的污染物越多。长城AP 220在应用试验中的元素含量见图3。

从图3可以看出，应用试验过程中，油品铁元素含量极低，最大含量为22 mg/kg，低于一般工业齿轮油200 mg/kg的换油指标上限；油品铜元素含量低于10 mg/kg，远低于一般工业齿轮油100 mg/kg的换油指标上限。从铁、铜磨损数据可知，油品对于盾构机减速机的保护效果较好，盾构机运行过程中无异常磨损。同时，试验油品的硅杂质元素含量极低（＜26 mg/kg），钙元素含量在120 mg/kg左右，表明油品中含有微量外来污染物，油箱密封状态总体较好。

图3 长城AP 220在应用试验中的元素含量

酸值和戊烷不溶物

酸值是油品酸碱性的量度，是以中和一定重量的油品所需的碱的相当量来表示的数值。酸值的变化，反映了油品中添加剂的消耗状况和油品本身的氧化情况，是判断油品是否需要更换的一项指标。戊烷不溶物为油品氧化、添加剂分解、齿轮磨损的金属粉末、灰尘和积炭的总和，主要反映油品的氧化变质情况和添加剂消耗程度。长城AP 220在应用试验中的酸值和戊烷不溶物的变化曲线见图4。

从图4可以看出，相比新油酸值（0.86 mgKOH/g），长城AP 220油品酸值变化幅度为0.09～0.16 mgKOH/g，低于酸值增值小于1.0 mgKOH/g的换油指标，表明油品老化变质程度较小。戊烷不溶物含量仅为0.02%（质量分数）左右，含量极低，结合酸值分析表明油品氧化变质程度较低。