工程機械專用抗磨液壓油的研制與應用

唐興中， 粟滿榮， 黃福川， 藍明新，肖友程

（廣西大學化學化工學院，廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室，廣西 南寧 530004）

隨著我國機械設計及制造技術水平不斷提高，液壓技術得到進一步發展和日趨完善。液壓傳動由于具有易于實現直線運動、功率質量之比大、動態響應快、精度高、調速范圍大、運動平穩、操作方便、自潤滑等特點；因而被廣泛應用于工程機械領域中。液壓傳動是利用液體作為傳動介質，并利用液體壓力或動能來傳遞能量和進行控制的傳動方式。液壓油作為其至關重要組成部分之一，在液壓系統中不僅起到能量傳動、轉換與控制的作用；而且還要對其進行冷卻、清洗、潤滑與密封。

根據液壓油的實際使用情況分析，目前我國液壓油的綜合性能還達不到相關液壓設備的技術發展需要，液壓油的性能及標準在國家標準中要求仍然比較低[1]。只要求通過Vickers104C葉片泵臺架即為合格，臺架的壓力也只有14 MPa，而目前工程機械中所使用的高壓葉片泵，其壓力卻高達30 MPa以上；此外還缺少高壓柱塞泵的試驗要求。因此，目前普通抗磨液壓油只能基本滿足普通工業液壓設備要求，卻難以滿足現代工程機械液壓系統的使用要求[2,3]。

工程機械液壓系統發展至今已趨向高壓、高速、大功率、高性能以及系統控制向更復雜、更靈活的方向發展；液壓操縱、電液比例操縱和液壓伺服操縱，逐步取代了工程機械傳統的杠桿操縱，高新技術愈來愈多地被廣泛應用于液壓技術中，這都對配套使用的液壓油提出了更高的綜合性能要求[4]。眾所周知，液壓系統能否正常可靠的工作，與液壓油的性能存在很大的關系。為了滿足工程機械液壓系統用油要求，適應日趨嚴格的環保節能要求，簡化后勤保障，延長工程機械的使用壽命，研制專用于工程機械液壓系統的抗磨液壓油具有重要意義。

1 研制油的技術要求

由于工程機械的液壓系統與普通工業液壓系統相比，在結構設計、制造精度以及工作環境等方面存在很大的差別；普通的抗磨液壓油難以滿足其使用要求。為此，結合工程機械復雜多變的工況特點，所研制的工程機械專用抗磨液壓油除了具有良好的粘溫性能、防銹性、抗腐蝕性、抗剪切性、抗乳化性、水解安定性、生物降解性、不可壓縮性、抗泡沫性以空氣釋放性之外；還應滿足下列主要技術要求：

（1）良好的極壓承載、抗磨性以及潔凈度。工程機械液壓系統的工作壓強高，制造精密，公差配合小；為了保證液壓泵（包括葉片泵和柱塞泵）在高壓、高速、重載、沖擊的苛刻條件下正常工作，對研制油的潔凈度和極壓承載、抗磨性提出了更高的要求。

（2）較高的靜摩擦系數。在工程機械的轉向和制動系統中，普遍采用液壓操縱的濕式轉向離合器和制動器技術。由于濕式轉向離合器存在摩擦系數比較小，需要更大壓緊力的特點，以及要求抗磨液壓油具有高靜摩擦系數的液力變矩器的應用，這些都要求研制油品必須具有更高的靜摩擦系數。

（3）優異的熱氧化安定性。由于行走系統廣泛應用于工程機械中；因而液壓系統被設計成結構緊湊，油箱尺寸小，液壓油加注量少，使液壓油循環使用頻率的增加；同時，在工程機械液壓系統中，沒有設置專用的冷卻器，導致工作時，油溫極易過高，加速油品的氧化。為此要求研制油具有更好的熱氧化安定性。

（4）良好的過濾性。工程機械長期處于野外作業，工況條件復雜多變，水分、塵土以及微小雜質顆粒很容易進入液壓系統，會加速精密的葉片泵、柱塞泵及相關閥件的磨損，縮短其使用壽命；為此要求研制油品具有良好的分散、增溶和過濾性。

2 基礎油的篩選

由于占潤滑油 80%以上的基礎油是影響潤滑油整體性能的決定性因素；因此選取具有良好特性的基礎油成為研制油的關鍵之一。經過實際調研分析可知：以單一種類的動植物油、礦物油或合成油作為基礎油的抗磨液壓油，應用于工程機械的液壓系統中，很容易出現如液壓泵磨損，油溫過高，閥件、密封件損壞嚴重以及液壓系統動作無力、行動遲緩、發熱、產生噪音等故障。為此，針對工程機械液壓系統發展趨勢要求和使用工況特點，提出采用兩種或多種基礎油復合使用，以充分利用各自的優點，并彌補各自的不足。在充分考慮潤滑油品經濟性的同時，改善油品的其他相關性能，通過人工神經網絡算法，有針對性的對多種基礎油進行篩選和預測；最終選擇具有較好極壓抗磨、抗高溫氧化、添加劑溶解性能的烷基萘、蓖麻基癸二酸二辛酯與高粘度指數聚α-烯烴復合的合成油作為基礎油，經綜合理化指標測試與臺架模擬證明，是完全可行性的。

選擇蓖麻基癸二酸二辛酯作為工程機械專用抗磨液壓油的基礎油組分之一，是因為其具有傾點低、粘度指數高、使用溫度范圍寬、蒸發損失小、結焦少；具有良好的高低溫性能、潤滑性能以及添加劑感受性，優異的熱氧化安定性能和抗剪切能力，出色的防腐蝕性能以及抗乳化性能。此外，癸二酸二辛酯是由蓖麻經過一系列加工、反應而得到的產物，其原料來源廣泛，制備工藝簡單，成本相對低廉，并具有很好的可降解性和油溶性[5]。其典型理化指標見表1。

表1 癸二酸二辛酯的典型理化指標Table 1 The typical physical and chemical properties of dioctyl sebacate

烷基萘主要是由線性α-烯烴與萘，在特定催化劑作用下合成得到，屬于API的V類基礎油，其核心萘環上的烷基鍵長度與烷基基團的數目直接影響化合物的理化性能，包括傾點、揮發性等物理特性[6]。同時，由于其自身的芳香環框架結構和烷基基團，賦予了其作為液體潤滑劑兼備了很多優良性質。比如：①良好的氧化安定性，由于烷基萘中含有可以吸收氧的富電子萘環，可有效阻止了氧化的發生；②優異的熱穩定性，烷基萘僅由C-C和C-H共價鍵構成，需要很高的離解能；③良好的溶解性和分散性，對非極性烴類油和極性基礎油或添加劑具有較高的溶解分散能力以及可使沉積物溶解分散在油相中；④突出的水解安定性，其不存在易受水分子攻擊的官能團；⑤優異的抗磨承載性能、沉積物控制能力以及抗密封件溶脹性。其典型理化性能見表2。

所采用的高粘度指數聚α-烯烴有別于常規的聚α-烯烴，其除了具有常規聚α-烯烴的諸多特性之外；還有許多更優異的性質，特別是粘度指數極高，極高的粘度指數使其在低溫下具有較好的流動性；在高溫下容易獲得具有較高彈性流體的潤滑油膜厚度；特別適用于對抗磨性要求較高的工程機械液壓系統中。高粘度指數聚α-烯烴的典型理化性 能見表2。

表2 烷基萘(AN)與高粘度指數聚α-烯烴(PAO)的典型理化指標Table 2 The typical physical and chemical properties of alkyl naphthalene (AN)and high viscosity index of thepoly-alpha-olefin (PAO)

經過多次實驗研究發現，采用烷基萘與蓖麻基癸二酸二辛酯復合的合成油作為基礎油，雖然改進了基礎油的抗磨性能以及承載能力，以及了基礎油對添加劑的溶解能力，但還存在某些不足。為了提高基礎油的綜合性能，將高粘度指數聚α-烯烴復合到基礎油中，可獲得較高性價比的基礎油；高粘度指數聚α-烯烴的使用，一方面彌補了癸二酸二辛酯存在丁腈橡膠發脹變硬的不足；另一方面提高了基礎油的粘度指數，使研制油在更寬溫度范圍內保持有效粘度，從而起到節能效果[7]。同時，烷基萘、蓖麻基癸二酸二辛酯與高粘度指數聚α-烯烴復合，可充當良好密封件膨脹劑，對閥件、密封件有很好的相容性，有利于工程機械液壓系統的密封，以避免液壓系統油的油液跑、冒、滴、漏。

3 添加劑

目前，由于工程機械液壓系統技術水平的提高，對其所用的抗磨液壓油性能要求越來越高，僅僅依靠基礎油所具有的特性，已難以滿足工程機械液壓系統在日益苛刻的條件下使用；因此，通過對添加劑的篩選，并考察了添加劑的感受性和協同性，采用多種功能添加劑進行復合，以賦予抗磨液壓油某些特殊功能和提高油品的極壓抗磨性、熱氧化安定性、防腐蝕性、抗泡沫性以及抗乳化能力等性能[8,9]；以滿足工程機械液壓系統的技術要求。

3.1 抗氧劑的選擇

由于工程機械液壓系統要長時間處于高溫、高速、粉塵、潮濕以及氣候多變的工況條件下運行；液壓油循環頻率高，很容易與外界的水氣、雜質接觸發生氧化，形成聚合物，而促使油品變質。液壓油氧化生成的酸性物質，會造成液壓系統中金屬的嚴重腐蝕；液壓油容易乳化和隨帶氣泡會造成液壓系統動作遲緩、發熱、振動、產生噪音，生成的油泥與積炭也會堵塞過濾器和液壓系統中其他間隙，進而導致油溫進一步升高，易使密封失效。為了延緩研制油的氧化速度，提高研制油的熱氧化安定性；實驗室采用旋轉氧彈實驗方法對抗氧劑進行了考察，并綜合平衡了各因素，最終確定采用烷基二苯胺與2,6-二叔丁基酚復合作為抗氧劑。

3.2 極壓抗磨劑的選擇

隨著液壓系統趨向高壓、高速、大功率、小體積以及高性能方向發展，對研制油的極壓抗磨性能提出了更高要求。為了保證液壓元件得到良好潤滑，減少部件之間的摩擦與磨損，提高系統工作效率，延長液壓元件使用壽命。因此，研制油需要添加極壓抗磨劑以提高其抗磨、極壓性能。鑒于液壓系統大量使用有色金屬合金元件，限制了ZDDP的使用；因而采用芳基磷酸酯與硫化異丁烯復合作為極壓抗磨劑。通過四球試驗機及齒輪試驗機對復配效果進行了試驗，其試驗結果見表3所示。

表3 極壓抗磨劑的復配效果Table 3 The synergistic effect of extreme pressure anti-wear agent

3.3 清凈分散劑的選擇

液壓油在工作過程中，由于塵土與自身氧化或水解產生的酸性物質混合在一起，就會逐漸產生油泥、漆膜、積炭等物質；從而導致油品變質，腐蝕加重，使柱塞環粘結，油路、閥件和過濾器堵塞等。為了保證研制油具有良好的過濾性、流動性以及潔凈度，采用高堿值合成磺酸鈣與高堿值烷基水楊酸鈣復合作為清凈劑。經實驗研究發現，該復合清凈劑對提高研制油的水解安定性和熱穩定性也有較好的效果。另外，采用高分子丁二酰亞胺（低氮）與單丁二酰亞胺（高氮）復合作為分散劑，以使油泥、積炭等物質溶解在油相中便于過濾去除，提高了研制油的使用壽命，降低了液壓系統的磨損。

3.4 防銹劑的選擇

液壓系統的元件在野外施工過程中，極易與空氣、水分以及腐蝕介質接觸而發生銹蝕；致使液壓元件精度下降，銹蝕顆粒也會進一步造成部件的腐蝕磨損。這就要求研制油具有較強的防銹抗蝕能力。因此，在研制油中，采用烯基丁二酸半酯與苯并三氮唑復合作為防銹劑，以抑制銹蝕現象的產生。同時，采用GB/T11143銹蝕試驗方法和GB/T5095銅片試驗方法對防銹劑的協合效應進行了試驗，其試驗結果見表4。

表4 防銹劑協合效應的試驗結果Table 4 The test results of synergistic effect of corrosion inhibitor

3.5 抗泡劑與抗乳化劑的選擇

在液壓系統中，液壓油主要起到傳遞能量的作用。因此，抗泡沫性與空氣釋放性是液壓油重要的使用性能指標之一。由于水分、空氣的混入，添加劑的存在，在高壓、高速流動的液壓油很容易產生泡沫，導致油品的潤滑條件惡化，系統工作效率下降，傳動反應慢，動作無力，甚至可能產生異常的噪聲、振動、氣穴腐蝕現象。為此，在研制油中采用聚丙烯酸酯作為抗泡劑(注意了含硅抗泡劑對空氣釋放值的影響)，以抑制抗磨液壓油的起泡性。

由于工程機械的特殊的工況特點，液壓油在使用過程中，大氣中的水分很容易滲入油相中，形成穩定乳化液；從而加速了油品的變質，降低了油品潤滑性能，加劇了液壓元件的腐蝕磨損。因此，在油品的研制過程中，采用胺與環氧化合物縮合物和聚醚類高分子化合物復合作為抗乳化劑，以提高液壓油的抗乳化性能。

4 研制油理化性能評定與實際使用

采用烷基萘、蓖麻基癸二酸二辛酯與高粘度指數聚α-烯烴復合的合成油作為基礎油，并添加多種功能添加劑（不含ZDDP），研制出一種工程機械專用抗磨液壓油。經過多次臺架試驗和現場模擬試驗，研制油能很好地滿足工程機械液壓系統的使用。其典型理化指標見表5。

4.1 水解安定性評定

研制油與普通礦物型抗磨液壓油存在很大差別，是由于研制油中含有線性結構的癸二酸二辛酯，其在高溫潮濕的工況條件下，會發生水解反應產生游離脂肪酸，從而導致油品酸值上升，性能下降。在油品研制過程中，采用 SH/T0301方法對研制油水解安定性能進行了測試，其測試結果見表5。

表5 研制油的典型理化指標Table 5 The typical physical and chemical properties of the developed oil

4.2 研制油的實際使用

為了更好的了解研制油在實際使用效果，將所研制油品應用于某公司的3臺TY320型推土機和3臺SY335C-8型挖掘機上進行共計1200h的實際使用試驗。經過一個周期的使用試驗后，其結果顯示，不僅液壓元件均未產生銹蝕現象，液壓缸體表面光潔、無磨痕；而且液壓系統工作平穩、動作準確、無明顯抖動以及過熱情況發生，很好的滿足了工程機械液壓系統的使用要求。

5 結 論

（1）采用烷基萘、蓖麻基癸二酸二辛酯與高粘度指數聚α-烯烴復合的合成油作為基礎油，添加多種功能添加劑（不含ZDDP），研制出一種工程機械專用抗磨液壓油。經過潤滑油各項模擬評定和臺架試驗，其各項性能指標均滿足使用要求，并可達Denison HF-0質量標準。

（2）研制油的各項性能優異，具有明顯的節能效果，不僅提高了工程機械液壓系統工作效率，延長了其使用壽命和換油期；而且還可以適用于礦山機械和其他機械的液壓系統。

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