利用润滑剂对大型矿用磨机降温和节能的机理研究

随着矿山装备大型化发展，齿轮驱动磨机的热力学问题日益突出。本文针对大型矿用磨机齿轮副的高温工况展开分析，提出了一种基于低摩擦系数润滑剂的创新解决方案。通过摩擦学实验（MTM测试台架）和工业应用案例验证，Klüberfluid C-PG 17 Ultra润滑剂显著降低了齿面温度（降幅达16℃），并改善了润滑膜稳定性（MTM台架摩擦系数<0.02）。研究结果表明，该润滑剂在降低能耗、延长齿轮寿命方面具有显著优势，为大型磨机的热管理提供了新思路。

近年来，矿用磨机的大型化趋势显著，例如中信重工研制的Φ11.0m×6.4m半自磨机功率已达18MW，大齿轮外径突破13.6m。然而，设备尺寸与功率的提升加剧了热力学挑战。现场监测显示，当环境温度超过35℃时，部分磨机齿轮副接触区极端温度可达83.6±2.4°C，远超弹性流体动力润滑（EHL）工况阈值。持续高温不仅导致无法产生有效润滑油膜（厚度<0.1μm），还会引发轴承热变形（Δ=α·D·ΔT），进而影响传动精度与系统稳定性。

传统解决方案依赖动态调整润滑参数，但存在维护成本高、效果有限等问题。本文提出一种基于高性能润滑剂的创新方法，结合实验与工业案例验证其降温与节能潜力。

高温失效机理分析和热变形效应

高温下润滑油膜厚度随温度呈指数衰减，当齿面温度>80°C时，边界润滑状态显著增加胶合风险。根据Dowson-Higginson模型修正公式，油膜厚度与温度关系可表述为：

式中，β为温度衰减系数，实验测得β=0.025/°C，表明温度每升高10°C，油膜厚度减少22%。

轴承组件因温度梯度产生的径向游隙变化量Δ可量化为：

其中α为100Cr6轴承钢的线膨胀系数12.5×10⁻⁶/°C，D为轴承外径，ΔT为温度梯度。以外径为1200mm的轴承为例，温度梯度ΔT=50°C时根据公式计算所得热变形量为Δ=0.75mm，超出设计允许值（0.5mm），导致配合间隙的变化，其可能引发额外的振动和噪声问题，严重时甚至造成轴承载荷分布不均，加剧滚动体与内外圈接触表面的应力集中现象。由于轴承的有效游隙受到配合公差，内外圈温度差等因素影响，因此，当轴承发生热形变时，也会大大影响到运转时的有效游隙，从而直接影响预期寿命。

润滑剂的创新解决方案与实验验证

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

图1：MTM测试摩擦特性说明图

在80°C、50%滑滚比、50N(1000 N/mm²)载荷下，其摩擦系数稳定于0.02以下，显著优于传统开式齿轮润滑剂（摩擦系数>0.05）。

图2：摩擦系数对比图

此外，FZG刮擦测试（DIN ISO14635-3）显示，该润滑剂抗刮擦等级达14级，质量损失≤0.1 mg/kWh，表明其优异的抗磨损性能。

图3：抗刮擦等级对比图

图4：磨损重量变化对比图

某矿业集团18MW半自磨机应用该润滑剂后，齿面温度从63℃（最高值）降至47℃，温差由13℃缩小至4℃（图5）。长期监测（2023.07-2025.07）显示，齿轮运转温度始终低于50℃，并且齿面保持良好（图6）。润滑剂用量未调整情况下，降温效果显著。并且随着润滑的逐渐稳定，进一步下调了润滑剂用量。

图5：齿面温度变化图

图6：齿面状态图

Klüberfluid C-PG 17 Ultra通过降低摩擦系数（<0.02）和增强抗刮擦能力（FZG 14级），有效解决了大型磨机的高温与能耗问题。实验与工业数据表明，其可将齿面温度降低16℃，并延长齿轮寿命。该研究为矿山装备的热管理优化提供了理论依据与实践参考。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

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供稿：克鲁勃润滑剂有限公司

编排：余思晨

审核：王小兵

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