齒輪在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，齒輪的傳動(dòng)效率直接關(guān)系到能耗和經(jīng)濟(jì)效益，因此齒輪油對(duì)工業(yè)齒輪傳動(dòng)效率的影響越來(lái)越受到人們的重視。就基礎(chǔ)油，運(yùn)動(dòng)黏度和有機(jī)摩擦改進(jìn)劑對(duì)齒輪傳動(dòng)效率的影響進(jìn)行了研究。與礦物齒輪油相比，聚α-烯烴合成齒輪油的牽引系數(shù)小，可以提高齒輪1.0%~8.0%的傳動(dòng)效率，齒輪油的運(yùn)動(dòng)黏度與齒輪的功率損失呈正相關(guān)，低黏度齒輪油有助于提高齒輪的傳動(dòng)效率，使用含有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的齒輪油可有效地降低齒輪油的摩擦因數(shù)約 25%，可起到降低能耗和提升齒輪傳動(dòng)效率的作用。使用聚 α-烯烴合成齒輪油，低黏度齒輪油及含有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的齒輪油是提高齒輪傳動(dòng)效率的有效途徑。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源短缺矛盾尤為突出，在不斷開(kāi)發(fā)可再生能源的同時(shí)，需要進(jìn)一步減少現(xiàn)有工業(yè)領(lǐng)域的能源消耗。齒輪傳動(dòng)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，齒輪的傳動(dòng)效率直接關(guān)系到設(shè)備能耗和經(jīng)濟(jì)效益，越來(lái)越受到人們的重視。

　　在汽車領(lǐng)域，技術(shù)人員嘗試對(duì)車輛的所有部件進(jìn)行優(yōu)化，包括減輕車體重量及優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)效率等，以實(shí)現(xiàn)更低的燃料消耗。在車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中，雖然變速箱和后軸的絕對(duì)效率已經(jīng)很高，但減少動(dòng)力系統(tǒng)末端的功率損失對(duì)整體優(yōu)化有很大的幫助，例如在變速箱中節(jié)省1kW 的能耗就意味著可減少4kW 的燃料消耗。因此進(jìn)一步提升齒輪箱的傳動(dòng)效率，不僅在汽車變速箱中很重要，在工業(yè)減速箱中也很有必要。以5MW 的風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，其齒輪箱中有8個(gè)以上的齒輪和12個(gè)以上的軸承部件，如果齒輪傳動(dòng)能耗減少50%，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將增加200kW的電力輸出。

　　為了降低齒輪的傳動(dòng)能耗，國(guó)外多選用具有優(yōu)異摩擦學(xué)性能的節(jié)能型齒輪油，且取得了顯著的節(jié)能效果。節(jié)能型齒輪油有三種類型：一是低黏度的齒輪油;二是高黏度指數(shù)的齒輪油(主要是合成油);三是含有有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的齒輪油。國(guó)際上普遍采用低黏度多級(jí)齒輪油并輔以有機(jī)摩擦改進(jìn)劑，使齒輪傳動(dòng)裝置處于既有彈性流體潤(rùn)滑又有邊界潤(rùn)滑的混合潤(rùn)滑狀態(tài)，此混合潤(rùn)滑狀態(tài)具備較好的節(jié)能效果。

　　隨著現(xiàn)代齒輪技術(shù)的不斷發(fā)展，齒輪傳動(dòng)裝置向著體積小、重量輕和效率高的方向發(fā)展，工業(yè)齒輪油的技術(shù)規(guī)格也推陳出新，對(duì)質(zhì)量的要求不斷升級(jí)，對(duì)齒輪油傳動(dòng)能效的性能要求也越來(lái)越高。因此研究齒輪油對(duì)工業(yè)齒輪箱傳動(dòng)效率的影響，為齒輪傳動(dòng)匹配高效的工業(yè)齒輪油將有助于降低能耗，實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展。

　　1 齒輪傳動(dòng)效率的測(cè)定方法

　　齒輪箱的傳動(dòng)效率一般采用《齒輪裝置效率測(cè)定方法》：GB/T 14231方法來(lái)測(cè)定，該方法適用于測(cè)定具有單獨(dú)箱體的閉式齒輪裝置的傳動(dòng)效率，不適用于特殊的或輔助性的齒輪裝置，如與齒輪傳動(dòng)裝置連成一體的壓縮機(jī)、泵、發(fā)動(dòng)機(jī)以及不以傳遞動(dòng)力為主要目的的齒輪裝置等。

　　《齒輪裝置效率測(cè)定方法》：GB/T 14231方法包括直測(cè)功率法和損失功率法。一般當(dāng)齒輪裝置輸入輸出兩軸線位于同側(cè)平行且效率高于或等于 98% 時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用損失功率法來(lái)測(cè)定齒輪的傳動(dòng)效率;當(dāng)不能采用損失功率法時(shí)，若設(shè)計(jì)效率不高于98%，或者具備高精度的測(cè)試設(shè)備時(shí)，也可采用直測(cè)功率法來(lái)測(cè)定齒輪的傳動(dòng)效率。

　　直測(cè)功率法是將齒輪裝置安裝在兩臺(tái)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器之間，然后采集傳感器測(cè)得的相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算齒輪的傳動(dòng)效率，見(jiàn)圖1。

　　圖1 直測(cè)功率法

　　直測(cè)功率法測(cè)定齒輪裝置效率(η)的計(jì)算公式見(jiàn)公式(1)。

　　其中T_輸出為傳感器2測(cè)得的輸出軸轉(zhuǎn)矩，單位N·m;T_輸入為傳感器 1 測(cè)得的輸入軸轉(zhuǎn)矩，單位 N ·m;n_輸出為傳感器2測(cè)得的輸出軸轉(zhuǎn)速，單位r/min;n_輸入為傳感器1測(cè)得的輸入軸轉(zhuǎn)速，單位r/min。

　　損失功率法是通過(guò)測(cè)定齒輪裝置的損失功率來(lái)確定齒輪裝置的傳動(dòng)效率，其測(cè)定是在封閉試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，見(jiàn)圖2。

　　圖2 損失功率法

　　損失功率法中被測(cè)齒輪裝置的傳動(dòng)效率(η)按 公式(2)計(jì)算。

　　其中T₁為傳感器1測(cè)得的轉(zhuǎn)矩，單位N·m;T₂為傳感器2測(cè)得的轉(zhuǎn)矩，單位N·m;n₁為傳感器1測(cè)得的轉(zhuǎn)速，單位r/min;n₂為傳感器2測(cè)得的轉(zhuǎn)速，單位r/min;ξ=0.5×(T₁×n₁)÷(T₂×n₂ )，為齒輪裝置傳動(dòng)效率的損失率，即齒輪裝置的損失功率與輸入功率之比。

　　由于不同工業(yè)齒輪油自身組分的差異，其摩擦學(xué)性能各異，可用傳動(dòng)效率試驗(yàn)機(jī)測(cè)定工業(yè)齒輪油的傳動(dòng)效率，為齒輪裝置選油用油提供參考。

　　2 齒輪油對(duì)齒輪傳動(dòng)效率的影響

　　基礎(chǔ)油的影響：用 PAOs(聚 α-烯烴)基礎(chǔ)油和相同的工業(yè)齒輪油復(fù)合劑(復(fù)合劑H)調(diào)配了4個(gè)黏度等級(jí)為320號(hào)的工業(yè)齒輪油(分別以齒輪油A，齒輪油B，齒輪油C 和齒輪油D表示)，其典型理化性能見(jiàn)表1。

　　表1 320號(hào)工業(yè)齒輪油樣及參比油的典型理化性能

　　表1 中參比油Ⅰ和參比油Ⅱ的基礎(chǔ)油分別是 API Ⅰ類基礎(chǔ)油(礦物油)和 API Ⅴ類基礎(chǔ)油(非 PAOs合成油)，添加的也是復(fù)合劑H。

　　從表 1 中可以看到，4 個(gè)齒輪油和 2 個(gè)參比油的剪切安定性不同，這是因?yàn)樘砑拥酿ざ戎笖?shù)改進(jìn)劑不同的緣故，齒輪油 A 添加的是TA黏度指數(shù)改進(jìn)劑，齒輪油B是TD黏度指數(shù)改進(jìn)劑，齒輪油C是TC黏度指數(shù)改進(jìn)劑，齒輪油D也是添加的TA黏度指數(shù)改進(jìn)劑;參比油Ⅰ中沒(méi)有添加黏度指數(shù)改進(jìn)劑，參比油Ⅱ添加的是TSC黏度指數(shù)改進(jìn)劑。所有油樣均滿足《工業(yè)齒輪潤(rùn)滑》：AGMA 9005-F16—2016 技術(shù)規(guī)格。

　　Basu等用MTM(Mini-Traction Machine，微牽引力試驗(yàn)機(jī))和齒輪箱傳動(dòng)效率測(cè)定裝置分別對(duì)表1中油樣的摩擦學(xué)性能及傳動(dòng)效率進(jìn)行了測(cè)定，考察了基礎(chǔ)油對(duì)齒輪傳動(dòng)效率的影響。

　　圖3和圖4分別是在40 ℃和100 ℃溫度下用MTM測(cè)定的齒輪油的牽引系數(shù)隨滑動(dòng)比的變化曲線。

　　圖3 40 ℃時(shí)齒輪油牽引系數(shù)隨滑動(dòng)比的變化　　

　　圖4 100 ℃時(shí)齒輪油牽引系數(shù)隨滑動(dòng)比的變化

　　從圖 3 和圖 4 中可以看到，在 40 ℃溫度下，齒輪油 A 的牽引系數(shù)最小，參比油Ⅰ的牽引系數(shù)最大;在 100 ℃溫度下同樣如此，齒輪油 A 的牽引系數(shù)最小，參比油的牽引系數(shù)最大，且溫度升高后齒輪油A與參比油Ⅰ的牽引系數(shù)差值變大，即使溫升后參比油Ⅰ的運(yùn)動(dòng)黏度小于齒輪油 A 也對(duì)牽引系數(shù)沒(méi)有影響。

　　圖5是圓柱斜齒輪傳動(dòng)效率試驗(yàn)裝置。

　　圖5 圓柱斜齒輪傳動(dòng)效率試驗(yàn)裝置

　　用圖 5 的傳動(dòng)效率試驗(yàn)裝置和直測(cè)功率法比較了牽引系數(shù)較小的齒輪油(齒輪油 A 和齒輪油 B)與牽引系數(shù)較大的齒輪油(參比油Ⅰ)的傳動(dòng)效率的差異。

　　圖6是齒輪油A，齒輪油B和參比油Ⅰ在40 ℃，高扭矩條件下齒輪從低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)效率。

　　圖6 40 ℃高扭矩下齒輪的傳動(dòng)效率區(qū)間

　　從圖 6 中可以看到，在 40 ℃溫度下，從低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速，3種齒輪油的傳動(dòng)效率均在93%以上(斜齒輪的傳動(dòng)效率較高，在90%以上)，且齒輪油A和齒輪油B的傳動(dòng)效率均高于參比油Ⅰ約1.0%，說(shuō)明合成齒輪油(PAOs)可以小幅提高齒輪的傳動(dòng)效率。

　　圖 7 是齒輪油 A，齒輪油 B 和參比油Ⅰ在高扭矩下齒輪油的溫度隨齒輪從低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速的變化情況。

　　圖7 高扭矩下齒輪油溫度隨轉(zhuǎn)速的變化

　　從圖 7 中可以看到，不論是低轉(zhuǎn)速還是高轉(zhuǎn)速，參比油Ⅰ(礦物齒輪油)的溫度始終高于用 PAOs 調(diào)配的齒輪油 A 和齒輪油 B，表明 PAOs 合成齒輪油的熱傳動(dòng)效果優(yōu)于礦物油，可節(jié)省能耗。

　　由于斜齒輪有較高的傳動(dòng)效率，合成齒輪油和礦物齒輪油對(duì)斜齒輪傳動(dòng)效率的提升幅度有限，兩者的差別還不明顯;而蝸輪蝸桿齒輪的傳動(dòng)效率一般相對(duì)較低(約60%)，因此對(duì)合成齒輪油和礦物齒輪油在蝸輪蝸桿齒輪中的傳動(dòng)效率進(jìn)行了考察，分別見(jiàn)圖8和圖9。

　　圖8 高扭矩高轉(zhuǎn)速下油溫與傳動(dòng)效率的關(guān)系

　　圖9 低扭矩高轉(zhuǎn)速下油溫與傳動(dòng)效率的關(guān)系

　　從圖8和圖9中可以看到，在蝸輪蝸桿齒輪中，合成齒輪油和礦物齒輪油的傳動(dòng)效率相差較大，不論是在高扭矩或者低扭矩的條件下，合成齒輪油(齒輪油A和齒輪油B均為PAOs齒輪油)的傳動(dòng)效率要比礦物齒輪油(參比油Ⅰ)的傳動(dòng)效率高 8.0% 以上。同時(shí)還可以看到，盡管均是 PAOs 合成齒輪油，但齒輪油A的傳動(dòng)效率要比齒輪油D的傳動(dòng)效率高約5.0%。

　　運(yùn)動(dòng)黏度的影響： 前面討論了黏度等級(jí)相同(均為 VG320)的工業(yè)齒輪油的基礎(chǔ)油對(duì)傳動(dòng)效率的影響，下面討論齒輪油運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)齒輪傳動(dòng)效率的影響。

　　在齒輪箱中，齒輪要對(duì)齒輪油進(jìn)行攪動(dòng)，會(huì)使功率有所損失。這種攪動(dòng)直接與齒輪油的運(yùn)動(dòng)黏度有關(guān)，Terekhov就齒輪油運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)齒輪功率損失的影響進(jìn)行了研究，見(jiàn)圖10。

　　圖10 齒輪油運(yùn)動(dòng)黏度對(duì)于功率損失的影響

　　從圖 10 中可以看到，隨著齒輪油運(yùn)動(dòng)黏度的增加，齒輪的功率損失呈正相關(guān)增加，因此有效控制齒輪油的運(yùn)動(dòng)黏度有助于提升齒輪的傳動(dòng)效率。因此在可控范圍內(nèi)，工業(yè)齒輪油的低黏度化對(duì)提高齒輪的傳動(dòng)效率和降低能耗大有裨益。

　　有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的影響:使用添加了有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的工業(yè)齒輪油來(lái)降低齒輪副的摩擦因數(shù)是改善齒輪傳動(dòng)效率和達(dá) 到節(jié)能目的的一種有效方法。

　　目前比較認(rèn)同的有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的作用機(jī)理是有機(jī)摩擦改進(jìn)劑分子中的極性基團(tuán)對(duì)金屬表面有很強(qiáng)的親和力，極性基團(tuán)強(qiáng)有力地吸附在金屬表面形成一層保護(hù)膜，阻止金屬直接接觸，從而降低了摩擦與磨損。吸附主要分為物理吸附與化學(xué)吸附兩種，其作用機(jī)理見(jiàn)圖11。

　　圖11 有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的作用機(jī)理

　　有機(jī)摩擦改進(jìn)劑主要通過(guò)分子間的范德華力(Vander Waals Force)或氫鍵相互作用形成致密的吸附膜，但這層吸附膜難以壓縮，而烴基在摩擦過(guò)程中很容易被剪斷，所以能夠提供較低的摩擦因數(shù)。

　　可用MTM微牽引力試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定工業(yè)齒輪油的摩擦因數(shù)以考察有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的效果，MTM 微牽引力試驗(yàn)機(jī)見(jiàn)圖12。

　　圖12 MTM微牽引力試驗(yàn)機(jī)

　　現(xiàn)有IGO 68和IGO 320兩種常規(guī)重負(fù)荷工業(yè)齒輪油，分別在IGO 68和IGO 320齒輪油的基礎(chǔ)上添加了1.0%的有機(jī)摩擦改進(jìn)劑(OFM)，得到了IGO 68-1 和 IGO 320-1兩種含有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的齒輪油。用 MTM 微牽引力試驗(yàn)機(jī)對(duì)比測(cè)定了這 4 種齒輪油的摩擦因數(shù)，見(jiàn)圖13。

　　圖13 MTM微牽引力試驗(yàn)

　　從圖13的結(jié)果中可以看到，加入OFM后，IGO 68 和 IGO 320 的摩擦因數(shù)均下降了約 25%。因此，選用含有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的工業(yè)齒輪油可有效地降低齒輪油的摩擦因數(shù)，改善摩擦副的潤(rùn)滑狀況，達(dá)到降低能耗和提升齒輪傳動(dòng)效率的作用。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　與礦物齒輪油相比，PAOs合成齒輪油的牽引系數(shù)小，可以提高齒輪1.0%~8.0%的傳動(dòng)效率;齒輪油的運(yùn)動(dòng)黏度與齒輪的功率損失呈正相關(guān)，低黏度齒輪油有助于提高齒輪的傳動(dòng)效率;使用含有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的齒輪油可有效地降低齒輪油的摩擦因數(shù)約 25%，可起到降低能耗和提升齒輪傳動(dòng)效率的作用。

　　齒輪傳動(dòng)裝置在鋼鐵、水泥、煤炭等眾多工業(yè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，如何提升齒輪的傳動(dòng)效率對(duì)節(jié)能降耗具有重要的意義。使用合成齒輪油，低黏度齒輪油及含有機(jī)摩擦改進(jìn)劑的齒輪油是提高齒輪傳動(dòng)效率的有效途徑。