维修——向设备润滑要效益

中国机械工程学会摩擦学分会教育培训委员会

王大中

　　设备从开始规划到报废，构成了它的整个寿命周期。我们把它分为三个部分，第一个部分，为规划、设计、制造。第二部分为安装、试车。第三个部分为使用，维修，这一部分是设备规划和投资所要达到的目的，这一部分占设备寿命周期绝大部分，时间最长的一段。也是设备寿命周期中最重要的部分。未来的设备制造业要求能够提供设备生命周期最重要部分的服务支持，这使得维护工作发生了根本的变化。在企业成本增加情况下，少维修、免维修，以降低成本，提高竞争力，就成为企业重要课题。

　　润滑油是设备的血液，对于设备正常运行起着重要作用。也有人说，润滑剂也应算机器零件①，至于有40--60%以上设备故障由润滑不良引起的。这足以说明润滑在设备中的重要地位，尽管如此，人们还是更愿意组织相当人数、设施和备件的队伍专心致志地更换和修理零件，而不肯在润滑上下功夫，走一条投资少，效益好，少维修的路子。那么，润滑技术创新究竟给维修带来了什么？
　　一、 油品高性能化，减少了维修次数

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    1、当今机械设备的发展趋势，正向着体积小、重量轻、效益高、寿命长的方向发展，润滑油品随之也在更新换代，油中加了高效添加剂（硫，磷、氯）等极性物质，通过与金属表面的反应形成了化学吸附膜，新一代油品与传统油品其润滑机理迥然不同，传统选油靠节线速度来选择油的粘度，基本思想是保证把足够的油带到啮合部位，以便形成油膜这对纯矿物油选油是对的，但对加有极压添加剂的油就不正确了。由于吸附机理发生了根本要化，形成的化学吸附膜要比原来物理吸附其强度提高5--10倍，不存在油带不到啮合部位的问题，因此靠节线速度已不再是选择润滑油粘度大小的条件。这种润滑机理上的变化，几乎是一场润滑发展史上的革命，油品高性能化带来了可观的经济效益：如将钙基脂改用相同的锂基脂换油期可提高6倍，IKG可以当6KG用，紧普通HL液压油改用相同粘度抗磨液压油HM，泵的寿命可以提高10倍。1台泵等于10台泵用，广州轧钢厂650轧机齿轮原用40号机械油齿厚每年磨损量0.1mm，齿轮寿命只有5年，（每对齿轮42万元）。改用了220号中负荷齿轮油后，齿厚磨损每年降到0.01-0.03mm，齿轮寿命延长到10-15年，换油期由一年延长到三年。
    2、用多级油，减少初期磨损
    我们还是用目前消耗能源最大的汽车为例，据报道，汽车发动机的磨损60%是发生在起动初期，由于润滑油尚未被泵送到润滑部位的期间，而当使用多级油后，则大为不同，这种油改善了油品粘温性，既能保证高温时足够的粘度，保证润滑，又能使油的低温粘度较低，较快的被泵送到润滑部位达到了减少初期磨损，节约了能源，对齿轮部位也如此。多级油还有以下优点：
    1) 使发动机在更宽的温度范围内工作，避免季节换油，达到冬夏通用，南北通用。
    2) 减低燃料消耗5-10%。
    3) 冷天易起动。
　　4) 良好的轴承润滑，维持较低机油耗量。
    目前，美国90%以上汽油机油，60%以上柴油机油均采用多级油：日本汽油机油几乎达到100%，柴油机油达52%。我国汽油机油只占13%，柴油机油占16%。可见潜在经济效益不言而喻。
从宏观看，一切产品，一切原材料都要消耗不等能源。一台设备从原料生产冶炼，轧制、铸锻到机加装配都要消耗大量能源，我们如果能使用高性能油、多级油，运行中加强维护，完全可以延长设备寿命。一台设备等于几台，十几台使用。将大幅减少维修，其间接和直接效益又何以用数字计算呢！
　　二、高清洁度油品，带来了少维修

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    近年来陆续有报导，由于油品污染造成的损失数目惊人。如某矿山新油运到矿井地面，其污染度已达到NASIO级。某矿务局从国外引进综采机组由于油液污染严重，短短几个月时间内，就有数十台液压泵和液压马达损坏，造成直接经济损失几十万美元。某筑路单位从国外购买卡特公司各种工程机械达几百万元，由于使用时不懂维护，短短几年造成液压阀组卡咬，动作失效，换成国产阀组至今处于出工不出力状态。国内外资料表明，液压元件失效70-85%，归因于油品污染，变质，这其中除了管理上问题外，还由于近年来液压润滑元件精密程度越来越高运动间隙变小，对超细微粒越来越敏感所致，加之一些用油单位不认识，又没有检测手段造成事故频繁。通过国内外大量实际研究证实除了油品本身质量外，常与管理维护不当使油污染有关，要在油品高清洁度上下功夫，必须有一个与使用设备相适应的高效润滑过滤系统，把污染物及时分离出来。
    SKF轴承制造商是世界最负有盛名的公司，它们通过大量试验，深入研究了负荷，油液粘度，颗粒污染物等各种因素对轴承寿命的影响得出结论：即清除润滑油中2-5微米固体颗粒，滚动轴承疲劳寿命可延长到原来的10-50倍。根据发动机综合研究理论，使用改良后的清洁型机器润滑油将发动机寿命延长8倍，1997年BHP（澳大利亚墨尔本大学维护技术研究院）钢铁维修委员会在日本BHP钢铁公司两大轧钢厂中，通过运行中润滑问题的研究，在1975年-1985年间NSC钢厂设备故障率由每年342起减少到85起。设备故障率减少87%。又在此期间通过在全厂范围内实行润滑污染预防控制工艺，取得了显著效益。全厂范围内轴承购买率减少5%，液压泵更新率减少80%，润滑油消耗减少83%，润滑故障频率减少90%。②我国天津港务局是外贸主要港口之一，现在66个泊位，各类机械2272台（套），船舶44艘，设备固定资产总值达17亿元，该局从20世纪90年代开始抓油液净化工作，使得各种发动机，铲车、吊车、装载车故障明显下降。停机维修损失大为减少，每年节约油料和维修成本高达500万元。当前，已有单位，甚至将新进油品（当然不是高清洁度油）先过滤达到要求污染度等级再用，针对这一全球技术课题，美国一公司提出了“全面清洁度控制”（TCC）的观念，旨在从单个零件的生产系统开始运行及今后的工作寿命的整个生产过程中，降低污染物发生率及其影响与全面质量管理（TQC）相似，TCC也需要“全过程，全系统，全体人员”参加，特别是液压系统，其失效除了系统本身硬件质量不合格外，往往与系统管理工作不落实有效规章制度，规范，末能实施有关。因此要想真正落实TCC，必须做到“三全”管理才行。③目前我国清洁度油生产不多，就是生产多，在运行过程中，也必须在线过滤才算最好。因为将油中颗粒物分离出去，会使轴承疲劳寿命提高10-50倍。这种既节省投资，因为一台滤油机有几万元就可买到，又能大量减少维修，又有巨大的效益，是任何只知道从机械备件本身上找原因的人，无法想象的。
　　三、特种专用润滑剂改变了维修手段
　　1、 治理漏油
    跑、冒、滴、漏一直是我国不少企业存在的老大难，特别是一些烟草、食品、医药漏油带来的危害更大。跑、冒、滴、漏有设计上制造上或密封件质量问题，也有不少是属运行中维护上。这里介绍从润滑油上来解决的方法，既以脂治漏，如一些变速箱、传动箱、齿轮箱等，一是线速度在6-8m/s以下可以采用GM成膜膏，取代润滑油。在齿轮线速度小于10m/s 以下也可以采用合成油为基础油调制半流体脂，一些工况适合条件下，可以采用以脂代油，据一些资料介绍，现在以脂代油，其DV值达到10×106mm•r/min或更高,早已突破过去教科书3×105mm•r/min的界限⑨在一些静密封低速、重载动密封可以应用耐高温、高压、耐多种介质的耐油密封脂进行堵漏,都可收到了满意效果。以脂冶漏不但可以文明生产、减少维护、减少环境污染，远比机械设备改造上下功夫简单，造价低、见效快。对一些长期跑、冒、滴、漏的老大难企业不失为一个好办法。
　　2、 重型齿轮早期康复处理--跑合油
    ××厂减速器，额定功率1260KW，使用185h,发现齿面有点蚀现象，3个月后发现70%以上工作齿面有点蚀，任其发展下去，很快会报废，传统修理办法，有的降级使用，有的焊补修复，完全用机械工程领域的办法处理齿轮修复。由于科学发展，开辟一条新的途径，就是用化学工程方法。油中加入了极压添加剂，齿轮运转时，轮齿接触区，由于摩擦力的作用，局部产生高温、高压，可使油中的极压添加剂的化学元素与金属反应生成化学反应膜，这层反应膜不仅隔开金属齿面、降低磨损，还提高了齿面的承载能力。油中的添加剂可起到软化金属使轮齿上的点蚀快速磨掉的作用。减速器运转5个月，检查齿面状况点蚀斑已不见。齿面变得比较光滑④。鞍钢××厂1660吨大剪减速器，原用N320中负荷齿轮油，后发现点蚀，改用N150低凝高极压齿轮油后，已运转6年，工作正常。齿面点蚀反而减少⑤。这里重要是添加剂量和跑合时间控制，新的康复方法，完全抛开传统的作法，利用近年来添加剂发展成果，利用化学手段，不拆机器，甚至不停车，对齿轮进行修复，可使寿命成倍甚至十倍增长。
　　3、 高温丝扣防粘剂的应用
    通常设备在维修保养时，首先是拆御，其次重新组装，这其中有一些螺栓会因锈蚀酸碱侵蚀，高低温工况下难以拆下，用锯锯断，氧气烧断等，甚至拧断，无法修理。我国有相当部分企业，螺纹是不涂任何润滑剂的，每年造成大量螺纹连接付损坏。
　　高温丝扣防粘剂是一种油膏状物资，涂敷于丝扣上，当螺栓、螺母旋紧时，便会形成一层固体润滑膜，从而防止金属与金属直接接触，防止丝扣磨损、冷焊、卡咬或烧结，长期使用后，仍比较容易拆卸，缩短了设备修理停机时间，减轻了维修工人劳动强度。在化工、油田钻具，酸碱高压、密封工况下都获得满意效果。
　　四、综合油液监测，保证了“状态维修”

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    飞机、船舶、火车、汽车及各类大型动力装置与机械加工设备的运行状态，无不与润滑及磨损因素密切有关。随着生产设备不断向高度自动化和复杂化发展，机械系统的可靠性日益成为企业管理重要内容之一。
    设备可靠性除取决于设计、制造、水平不断提高外，也依赖于对设备的合理维护方式。这些方式随着科学技术水平发展，也不断在变。但总体来看是由失效后修理或定期维修，过度到预知维修。目前发达国家比较普遍采用后一种。因为失效后维修随机性差。计划外维修比较高，必须备有大量库存备件和一定备用人员。定期维修，往往是设备可以继续使用，不需停机检修，造成过剩维修，面相反遇到意外情况时，可能使设备提前失效。而预知性维修了叫状态维修，是建立在对设备运行状态随时进行跟踪，监测基础上，一旦某些参数达到限定值，才停机检修⑥。开展预知维修，关键在手段。从设备诊断技术来看有许多，使用频率高的，有振动技术监测，从美国应用情况看达到92%，而油液综合监测则达到82%，也是比较高的，油液综合监测技术是通过分析被监测的机器的润滑介质性能变化和携带磨粒的情况，获得机器的机器润滑和磨粒状态的信息，确定其故障原因类型的技术，这其一是润滑油本身可能就是故障原因之一，二是润滑油中携带的磨粒（异物）反映了设备内部状况，它们主要是借助于光谱、铁谱、红外线光谱、颗粒计数器，理化分析等多种手段来达到监测目的。这一监测是超前的，人们可以通过检测出来的数据变化、发展趋势，再配合其他有关监测手段来分析判断将要出现的故障，而且可以提前采取多种措施来延迟和防止故障发生，保证设备安全平稳运行。实践证明，这对于一些精大稀关设备避免突发事故，无疑这对企业是非常必备的。油液监测技术是对设备状态维修开展一项有力的技术支持。
　　五、高科技润滑成果，达到了免维修

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　　1、 摩擦付表面的自修复材料
    随着现代机器设备向高速、高温及高压发展，人们要求摩擦材料的系统在正常工作一段时间后或非正常工作时，具有自动补偿甚至具有自动修复的能力，这种要求推动了摩擦材料机敏化和智能化发展，最近有关资料报导，有一种叫摩圣（BPC）还有一种叫金属磨损自修复技术（ART）的级微细（纳－微米级）矿物质组成的混合物，使用时加入到各类载体（润滑油、润滑脂或冷却液）中，它与载体不发生化学反应，也不改变载体粘度，不算添加剂，也像添加剂一样加入。而随着油品工作发生了接触表面的起精加工磨合，在催化剂的作用下，迅速向金属零件内部扩散，熔化在金属表面晶格上，呈现出金属陶瓷结构，因而金属表面具有非常卓越的抗磨特性，而且还能修复处于长期运转的机器磨损表面，资料介绍了北京内燃机务段一台车行走12万公里，加入了修复材料后，缸套，活塞恢复到原尺寸，运行40万公里仍保持零磨耗。除此之外，在动力机械中，使用这项技术有明显环保效应。尽管目前末见到权威官方认证，但足以说明从润滑技术不断创新所带来的效益是惊人的。
　　2、 有条件工况，推广固体润滑
    固体润滑是利用固体粉沫，簿膜式某些整体材料来减少两相对运动承载表面之间的摩擦，磨损的作用。如日本汽车设计时就采用固体润滑涂层技术和复合自润滑材料，汽车制造厂一些大型模具所采用轴承不少都是这类轴承，它工作时有平稳，振动小噪音低的特点.。固体润滑中镶嵌轴承就具有寿命长、防污、防腐、耐高温等优点。工作时可以无需加油润滑。这种轴承用一种钢铁、不锈钢等为基体，烧结上多孔青铜层，表面再轧制一层PTFE，改性的聚甲醛或Pb混合物，或者表面按一定角度和密度镶嵌特殊配方固体润滑剂，加工而成。根据不同工况，如低速、重载、往复运动不易形成油膜的场所或不能使用油、脂、高温、低温等强介质场所都可以应用。现我国已有数家生产无油润滑轴承公司。用户可以根据其承载压力、湿度、线速度、Pv值选择各种不同基体、不同配方固体润滑剂自润滑轴承。从部分自润滑轴承公司提供的产品性能大致介绍如下：
                承载力、动载：N／mm2 35～140
                静 载：N／mm2 35～250
                温 度：℃ 从－200～＋400
                线速度：干摩擦：m／s 0.1～2
                油润滑：m／s 0.1～10
                Pv值：N／mm2 •m／s干摩擦：0.6～3.8
                油润滑：0.6～50
    适合上述工况，可参考选用固体润滑轴承，这样带来了免维护，寿命长，同时使环境污染降到最低程度。
　　3、“全寿命”润滑剂
    随着油品不断更新换代，换油期也在延长。最近在××卷烟厂、××化肥厂和××纺织厂陆续看到一些进口设备摩擦付无注油装置，这些长寿命油（脂）和摩擦付同寿命。无须在使用过程中更换油脂和密封件。这无疑给设备维护很大方便，同时也大为减少维修工作量。
　　六、环保润滑剂，促进了“生态维修”

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    “生态维修”是十五届欧洲维修团体联盟学术会议提出的，并把环境管理融于生产和维修系统中。润滑作为一个重要“机械零件”，又是设备的血液，对生态维修自然占有主要位置。随着科学技术进步，工业化程度提高，人类对生态环境破坏越来越严重，因此，保护环境，已成为全社会共同关注的热点问题。不论什么样机器设备只要一运转，就会产生摩擦，有摩擦就有磨损，而减少磨损的重要措施就是使用润滑材料，而液体润滑材料又占大部，由于润滑油在使用中，渗透、泄漏，溢出或处理不当随时都可能给环境造成污染，特别是森林，湖泊、矿山、等处更为严重。矿物油系存在一个致命弱点，环境污染已摆在人们面前。 
    美国环保局编著《水质评价标准》指出……“在原油中存在致癌性高沸点多芒烃化合物，3－4莽骈芘，由于其降解速度特别慢，致使有毒物质长期危及人类身体健康”。另外润滑油的芳烃是二恶英主要成分，二恶英是多种致癌物混合体它比单种致癌物的致癌力大几千倍。许多国家制定了条例，明确提出，评定润滑油时，生物降解性是必须考虑的因素。现有的石油基润滑剂必将逐步被生物可降解性润滑剂取代。环保型润滑油已成为润滑油的发展方向。我国在绿色环保型润滑油研究生产不是很多，目前大量使用在各种设备上仍是矿物系润滑油，在维修时采取一切措施减少油的污染，使污染降低到最低程度，我们还是有作为的。
    如上所述高性能油就是用油量少，使用寿命长，如果1kg锂基脂可以代替6kg钙基脂用，换油期可延长6倍。现在市场上仍销售原机械油。虽然国家早已勒令淘汰，为数仍然不少。如果用HL普通液压油取代，换油期最低可提高1倍。遗憾的是我国市场上高性能中高档油所占比例太少。以内燃机为例，符合环保SG、CF-4以上质量规格的油仅占总量10%，而工业润滑油中，已淘汰仍在应用的机械油，HL普通液压油，全损耗系统用油等中，低档油加在一起占70%。这种用油水平之低，当然与我国旧、落后设备有关。但主要还是认识问题。“用低档油省钱”的说法为普遍。许多资料表明，润滑油费用只占运营维修费用中的0.5%-1，即使高档油价格贵二倍，省修一次车算总帐仍然合适。即使高性能油价高20倍，40倍每年一台车仍会有十几万元效益。使用高性能油延长换油期，另外高性能油本身大都是合成油，合成酯可降解40%~100%，远大于矿物油。维修中更换环保润滑剂无疑对环保是一大贡献。
    此外，有条件适合的工况，使用固体润滑轴承代替油（脂）润滑采用以脂治漏等手段，减少油（脂）污染，促进“生态维修”。
    总之，润滑技术的创新所带来的协同效应，不只是改变了维修，同时对环保、节能、增效、安全等多项事业产生深远影响。它已不是一个简单的技术问题，而是一个管理问题，涉及到全社会，造福子孙后代的大事，我们万万不可等闲视之。

参考文献
①马先贵：更新观念不断学习勇于实践 润滑技术现代化必要途径 中国机械工程学会摩擦学分会润滑技术专业委员会 2002、5
②朱 均：润滑研究进展与润滑维护 西安交通大学润滑理论及轴承研究所
③胡邦喜：设备润滑基础 冶金工业出版社 2002年
④徐苏等：重型减速器齿轮早期损坏的修复 第七届全国设备润滑与液压学术会议论文集 2001、9
⑤马先贵：重型齿轮的康复理论与技术研究 中国机械工程学会摩擦学分会润滑技术专业委员会论文集 2002、11
⑥周洪澍：设备状态监测中的实用油料分析技术 广东摩擦学报 1994、2
⑦马先贵：更新观念，不断学习，勇于实践 润滑技术现代化的必要途径