合成工業齒輪油的研制及其應用

華秀菱,伏喜勝,張繼平

(中國石油潤滑油研究開發中心,甘肅 蘭州 730060)

合成工業齒輪油的研制及其應用

華秀菱,伏喜勝,張繼平

(中國石油潤滑油研究開發中心,甘肅 蘭州 730060)

以PAO為主要組分油的基礎油體系，復配抗氧劑、抗磨劑、摩擦改進劑、防銹防腐劑等功能添加劑，研制的全合成工業齒輪油系列產品具有優異的抗氧化性、極壓抗磨性、防銹防腐性、抗泡性、抗乳化性等，產品的性質性能完全達到國外高端工業齒輪油S系列的水平。經過在風電設備上兩年使用，油液監測數據證明了昆侖KG/S320合成工業齒輪油具有良好的使用性能，完全滿足某風電有限公司風機安全運轉的使用要求；不同牌號的合成工業齒輪油在國內不同企業的減速機齒輪箱中替代國外油品應用，使用效果良好。

PAO；合成工業齒輪油；復配；使用試驗

0 引言

隨著我國風電、冶金、建材、煤炭、化工、船舶行業的發展，這些行業機械設備精密度提高，載荷要求增加，對油品的品種需求越來越具體，性能要求也越來越苛刻。礦物油在低溫性、氧化性、低揮發性等方面已無法滿足苛刻的使用環境，因此合成工業齒輪油的需求量將日益增長。合成工業齒輪油是指應用于重負荷、高溫、有水混入等工況下運轉的齒輪，如齒面接觸應力大于1.1 GPa的冶金軋鋼、井下采掘等高溫、有沖擊、含水部位的齒輪傳動等，它是閉式齒輪油中的最高質量檔次的油品[1]。

合成工業齒輪油在歐、美、日本等工業發達國家開發較早，并在整個齒輪潤滑油中所占比例日益增大。如Mobil、Shell、Klober等石油公司都有自己的合成工業齒輪油系列產品，用于大中功率傳動齒輪，渦輪蝸桿和高溫下運行的軸承鏈條，以降低齒輪磨損延長齒輪壽命和換油期，節約檢修費用，節能等。目前多數行業采用進口合成型工業齒輪油，如美孚的SHC600系列，殼牌的德納系列。國外高端合成工業齒輪油S系列在市場的占有率最高，它相比于其他齒輪油，具有突出的特點和性能，經分析在抗氧化、抗磨、抗乳化性等方面都有突出的表現。

國內合成工業齒輪油的研制正在起步階段，產品很少。國內工業齒輪油配方技術和產品質量以及市場占有率方面處于國內領先地位，但與國外先進水平相比卻一直停滯在美鋼224規格上，與歐洲Flender規格相比在抗微點蝕性能、抗磨損性能和抗腐蝕性能方面有一定差距，尤其在近年來工業齒輪油推廣應用中，OEM提出的要求不僅僅是滿足美鋼224規格，也要求通過DIN51517-3和Flender規格；國外高端合成工業齒輪油S系列產品同時滿足DIN51517-3和Flender規格，并且通過了FAG FE-8軸承磨損試驗和FVA 54 微點蝕試驗，可作為本研發的攻關目標。

基于已建立的FZG微點蝕試驗齒輪臺架、FAG FE-8軸承磨損試驗臺架、SKF EMCOR軸承腐蝕試驗臺架，經實驗室基礎油研究、添加劑篩選及復合配方研究，研制的復合劑RHY4026以2.0%劑量調制的68～680全合成工業齒輪油通過了抗氧化性試驗、FZG齒輪機試驗、FAG FE-8軸承磨損試驗臺架、SKF EMCOR軸承腐蝕試驗臺架，產品具有優異的抗氧化性、極壓抗磨性、防銹防腐性、抗泡性、抗乳化性等，性能完全達到國外頂級產品合成工業齒輪油S系列水平，并且通過使用試驗驗證：經在風電設備上使用，油液監測數據證明了昆侖KG/S合成工業齒輪油具有良好的使用性能，完全滿足某風電有限公司風機安全運轉的使用要求；不同牌號的合成工業齒輪油在國內不同企業的減速機齒輪箱中替代國外油品應用，使用效果良好。

1 試驗方法

本研究所用標準分析評定方法見表1。

表1 標準分析評定方法

表1(續)

2 原材料

所采用的基礎油有：國外公司生產的合成基礎油PAO10、PAO40、PAO100，所采用的主要添加劑有AO-1、AO-2、AO-3、AW-1、AW-2、FM-1、FM-2等。

3 試驗結果與討論

3.1 基礎油的確定

目前普遍使用的工業齒輪油大多數是礦物油型的。礦物油作為潤滑油基礎油，通常難以兼顧低溫和高溫性能。由于其傾點高，低溫流動性差，熱氧化安定性也不令人滿意，因而限制了這類齒輪油的使用溫度范圍。為滿足高低溫、高速、重負荷齒輪傳動裝置的需要，適應齒輪油發展趨勢(低黏度、高質量、通用性、長壽命)的要求，出現了合成型齒輪油。

合成油基礎油具有黏度指數高、傾點低、閃點高、氧化安定性好、蒸發損失小等性能，可以滿足高性能合成工業齒輪油的需要。采用單一合成油的綜合性能難以達到要求，一般通過不同合成基礎油的復配可以滿足油品對基礎油的特殊要求。目前調制工業齒輪油常用的合成基礎油輕組分主要有PAO4、PAO10、酯-1、酯-2,重組分主要有PAO40、PAO100。首先對這幾種基礎油組分主要性質進行了分析，結果見表2。

表2 合成基礎油主要性質

表2(續)

為了調合68～680牌號的基礎油，可選擇輕組分PAO10、酯-1或酯-2與重組分PAO40、PAO100進行復配調合，考慮到酯類油易水解，對D943 GB 12581試驗的酸值不利，應適量引入或不引入，為了確定是否加入，選擇了320牌號的合成基礎油，在全配方中進行了D943試驗酸值的考察，結果見表3。

表3 酯類油對D943試驗酸值的考察結果

注：*320基-1的組成為PAO40 95%+ 酯-1 5%；320基-2的組成為PAO10 10%+PAO40 90%。

通過表3可知，酯-1對D943酸值的影響很大，它的加入，導致酸值增大，使D943試驗酸值在4000 h以后大于2.0 mgKOH/g。所以選擇不引入酯類油。

為此對不同牌號的合成工業齒輪油的基礎油進行了調合， 確定了68～680牌號合成工業齒輪油基礎油組分。

3.2 復合配方的確定

3.2.1 抗氧劑的選擇

現代生產技術，要求新一代機械設備向著體積小、功率大、壽命長、性能可靠的方向發展；要求油品承載能力高、耐高溫、壽命長[2]。采用合成油作基礎油，和高效抗氧劑合理復配，是保證油品長壽命的關鍵。合成工業齒輪油作為新一代的高檔油品，研制油要求旋轉氧彈的氧化時間不小于1000 min，D943酸值達到2.0 mgKOH/g時間不小于10000 h，與一般的工業齒輪油相比，抗氧化性能非常突出，所以選擇抗氧劑是本研究的重點及難點之一。

在選擇抗氧劑時，考慮到產品要通過旋轉氧彈試驗，該試驗為高溫氧化試驗，要求試驗溫度為150 ℃，為此引入了高溫抗氧劑AO-1。AO-1是一種油溶性好、配伍性強的抗氧化添加劑，與其他酚型和胺型無灰抗氧劑的復配可產生明顯的協合效應，試驗結果見表4。

表4 AO-1與其他無灰抗氧劑的復配協同抗氧化效果

從表4看出，AO-1與AO-2復配抗氧化效果明顯，因此選擇AO-1與AO-2復配，在PAO10中進行抗氧化性能考察，同時評價其極壓抗磨性，結果見表5。

表5 AO-1與AO-2復配性能考察結果

從表5可以看出： AO-1與AO-2復合產生明顯的協和效應,旋轉氧彈值氧化時間明顯提高,但同時兩者復配油品的極壓抗磨性并不理想，油膜強度偏小，磨斑直徑偏大，需要加入適宜的極壓抗磨劑來進行改善。

3.2.2 抗磨劑的選擇

對于極壓抗磨劑的選擇,摒棄了以往齒輪油傳統配方中的硫化異丁烯,主要靠抗磨劑賦予配方良好的極壓抗磨性,首先選擇了活性較高的摩擦改進劑長鏈亞磷酸酯P-1，活性較低的具有優良水解安定性、熱氧化安定性以及抗磨耐久性突出的酯類抗磨劑AW-1，以及減摩性能優異的摩擦改進劑FM-1，同時加入堿性高溫清凈劑B-1與抗氧劑AO-1、AO-2復配進行性能考察，結果見表6。

表6 抗磨劑復配研究

通過表6可以看出:P-1的引入，對提高PB，降低磨斑有利，但對抗氧化性有負面影響；AW-1的引入，對抗氧化性有促進作用，但磨斑明顯增大；FM-1的引入，可改善抗磨性，并且對抗氧化性的影響較小；B-1的引入，對油品的防銹防腐性改善顯著，但對抗氧化性也有一定的影響。合理復配各種添加劑，如何平衡配方抗氧化性與抗磨性的矛盾是配方研究的關鍵。

3.2.3 抗氧劑與抗磨劑矛盾的解決

為了確定抗氧劑與抗磨劑較佳的配方比例，在保持AO-1、AO-2、FM-1的加量恒定的情況下，按照L9(33)的表頭設計，對AW-1、P-1、B-1的加量進行三因素三水平的正交試驗，對抗氧化性及抗磨性進行評價，結果見表7～表9。

表7 因素-水平表

表8 正交試驗結果

表9 正交試驗數據處理結果

通過正交試驗數據處理結果可以看出：P-1對抗氧化性與磨斑的影響最大，P-1加入對抗氧化性不利，對降低磨斑有利，考慮到抗氧化性是配方的關鍵性能，所以選擇了不加入P-1的B1方案。AW-1的加入對抗氧化性與磨斑的影響次之，隨著AW-1加量的增加，抗磨性變好，抗氧化性以加入0.5%為最好。考慮到最關鍵的抗氧化性能，AW-1的加量確定為0.5%。B-1對抗氧化性與磨斑的影響較小，選擇加入量0.1%對抗磨有利，但對抗氧化性能還是有一定影響，所以選擇不加入。

配方中單獨使用抗磨劑AW-1很難達到極壓抗磨性的要求，考慮到要通過FZG齒輪機試驗，為此引入了活性較高的抗磨劑硫代磷酸酯AW-2、同時引入酯類摩擦改進劑FM-2；考慮到引入高溫抗氧劑后旋轉氧彈仍達不到指標要求，因此引入了輔助抗氧劑，進行抗氧化性的改善。同時綜合評價防腐防銹性，結果見表10。

表10 抗氧劑與抗磨劑復合效應研究

可以看出：AW-2、FM-2的引入對提高PB均有利，AW-2對銹蝕有改善，FM-2可明顯降低磨斑；兩者復配可提高極壓抗磨性、防銹性，抗氧劑的合理復配使得旋轉氧彈值明顯提高，達到指標要求，并且使油品的防腐性也得以改善。通過抗氧劑與抗磨劑的合理復配，解決了抗氧化性與抗磨性之間的矛盾。

3.2.4 摩擦改進劑的選擇

摩擦改進劑的作用是在摩擦表面上形成物理或化學吸附膜以降低摩擦系數，從而起到潤滑和節能的作用，配方中引入了兩種摩擦改進劑FM-1和FM-2，考察兩者的引入對摩擦系數的影響，結果見表11。

表11 摩擦改進劑復合效應研究

表11可以看出，FM-1可以減小油品不同轉速下的平均摩擦系數，FM-2可以增加油品不同轉速下的平均摩擦系數， FM-1和FM-2復合使用可以使油品在不同轉速下的平均摩擦系數與進口油相當。

3.2.5 防腐劑的選擇

通過前期對抗氧劑、抗磨劑、摩擦改進劑的選擇，基本確定了配方主劑，但銅片腐蝕評級未達到國外同類產品的水平，需引入防腐劑，為此通過加入常用的防腐劑苯三唑型金屬減活劑AO-3進行防腐性的改善，考察結果見表12。

表12 防腐劑的考察

從表12確定了防腐劑AO-3的加量在0.01%～0.02%時，油品銅片腐蝕(121 ℃，3h)評級1級，防腐性優異。

3.2.6 破乳劑的選擇

通過對國外產品的分析檢測，發現其具有非常優異的抗乳化性能，68工業齒輪油需進行D1401(54 ℃)的抗乳化性試驗，在實驗室主要考察了破乳劑為L-1的加劑量，結果見表13。

表13 破乳劑的加劑量篩選

注：*功能添加劑是指配方中加入的抗磨劑、摩擦改進劑、防銹防腐劑、抗氧劑。

從表13可以看出：破乳劑的加入對抗氧化性不利，隨著其加量的增加，抗氧化性逐漸降低，兩者之間存在矛盾，選擇L-1的加量在5～30 μg/g較為適宜。

3.2.7 抗泡劑的選擇

抗泡是影響工業齒輪油使用性能的關鍵因素，為了嚴格控制實際應用中出現抗泡不合格的問題，在選擇抗泡劑時不僅要求通過ASTM D892即GB/T 12579潤滑油泡沫特性測定法試驗，還增加了Flender動態抗泡試驗，結果見表14。

表14 復合配方抗泡性評價結果

從表14可以看出：選擇硅型抗泡劑T-1或T-1與非硅型抗泡劑T-2復配均可滿足抗泡要求，單獨加入T-1的Flender泡沫試驗結果較好，所以選擇T-1作為本研究的抗泡劑。

通過添加劑復合效應研究，確定了復合配方。將復合劑命名為RHY4026復合劑。

3.3 復合配方評價

RHY4026復合劑以2.0%加劑量分別加入68～680號全合成基礎油中，進行全面性能評價，結果見表15。同時將研制油KG/S68、KG/S320與國外參比油進行了性能對比，結果分別見表16、圖1。

表15 復合配方評價結果

表16 研制油與國外參比油性能對比

圖1 D943試驗酸值變化

從表15、表16、圖1結果看出：研制油達到國外同類油品的質量水平，產品具有突出的抗氧化性，與一般的工業齒輪油相比，旋轉氧彈氧化時間大于1000 min，GB/T 12581試驗酸值達到2.0 mgKOH/g時間大于10000 h，在10000 h時研制油酸值為0.43 mgKOH/g，國外參比油為0.44 mgKOH/g，抗氧化性能卓越；極壓抗磨性突出：油膜強度高，PB達到1000 N以上，抗磨性好，磨班直徑小，40 kg的磨斑直徑達到0.35 mm，這是以往的工業齒輪油配方體系無法達到的水平；硫含量小于0.2%，但卻賦予油品良好抗擦傷性和極壓性，很好地通過了FZG齒輪機試驗；采用合理的配方體系，賦予油品更好的抗乳化性能和抗泡性能。此外從齒輪油的發展角度，更注重高溫清凈性和熱氧化安定性。合成工業齒輪油系列產品可替代國外同類系列產品，是工業齒輪油的高端產品。

研制的合成工業齒輪油作為性能卓越的軸承與齒輪潤滑油，通過了齒輪油的臺架FZG齒輪機臺架，該油品具有優異的抗磨性與防銹防腐性。為了驗證其具有優異的軸承保護作用，借助兩個軸承試驗臺架FAG FE-8軸承磨損試驗臺架、SKF EMCOR軸承腐蝕試驗臺架，對KG/S320合成工業齒輪油進行了FAG FE-8軸承磨損試驗臺架、SKF EMCOR軸承腐蝕試驗臺架，并與國外相關產品進行了對比，臺架結果見表17。

表17 試驗油的臺架試驗及與國外參比油對比數據

從臺架試驗結果看，研制KG/S320合成工業齒輪油通過了軸承試驗臺架FAG FE-8軸承磨損試驗臺架、SKF EMCOR軸承腐蝕試驗臺架，并從軸承磨損試驗結果看，抗磨性優于國外同類合成工業齒輪油。

4 應用評價結果

KG/S320合成工業齒輪油完全可以滿足OEM對風力發電高性能工業齒輪油的要求，所以在某風電設備S50/750型號風力發電機組上進行使用試驗，并同時與國外進行了性能對比。試驗周期為三年，使用試驗結果得出以下結論：(1)昆侖KG/S320合成工業齒輪油和國外產品在二個試驗周期內(2年)其理化指標銅片腐蝕、傾點、水含量和磨損金屬含量均保持穩定，兩產品無明顯差異；(2)昆侖KG/S320合成工業齒輪油在黏度保持性、酸值保持性、抗氧化能力及功能添加劑保持能力方面明顯優于國外參比油，更適用于風機的長周期運轉；(3)油液監測數據證明：KG/S320合成工業齒輪油具有良好的使用性能，完全可以滿足風電設備安全運轉的使用要求。

KG/S320合成工業齒輪油在某化工集團公司化學反應釜減速機齒輪箱中替代國外油品使用，使用效果良好，很好的滿足大型齒輪箱、減速箱重負荷、長周期的工作要求；KG/S150、 KG/S220、 KG/S320在青海鹽湖鉀肥生產基地某設備大型減速機齒輪箱上使用，經受了青海湖地區冬夏高、低溫、潮濕條件的考驗，表現出了優異的性能，得到了用戶的認可，認為其性能完全可以替代國外進口產品，并降低了生產成本。

5 結論

(1)以PAO為主要組分油的基礎油體系，復配抗氧劑、抗磨劑、防銹防腐劑等功能添加劑，RHY4026復合劑以2.0%(m)劑量調制的68～680全合成工業齒輪油通過了抗氧化性試驗、FZG齒輪機試驗、FAG FE-8軸承磨損試驗臺架、SKF EMCOR軸承腐蝕試驗臺架，產品具有優異的抗氧化性、極壓抗磨性、防銹防腐性、抗泡性、抗乳化性等，性能達到國外參比油系列水平。

(2)通過KG/S320使用試驗驗證:該油品具有良好的黏度保持性、酸值保持性、抗氧化能力及功能添加劑保持能力，完全可以滿足風電高性能設備安全運轉的使用要求；不同牌號的合成工業齒輪油在國內不同企業的減速機齒輪箱中替代國外油品應用，使用效果良好。

[1] 呂兆岐，謝泉.潤滑油品研究與應用指南[M].北京:中國石化出版社，2000.

[2] 李光宇，馬先貴，丁津原.論齒輪油的更新換代[J].機械傳動，2007(2)：94.

Development and Application of Synthetic Industrial Gear Oil

HUA Xiu -ling, FU Xi-sheng, ZHANG Ji-ping

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060, China)

Synthetic industrial gear oil was developed by using PAO base oil and antioxidant, antiwear agent, friction modifier, antirust and anticorrosion agent. The gear oil has excellent performances of oxidation resistance, EP&AW, antirust/anticorrosion, antifoam, demulsification and totally attains foreign S series level of high-end industrial gear oil. During its application in wind power equipment for two years, excellent service performances of KunLun KG/S320 synthetic industrial gear oil was proved by oil monitoring date. The gear oil totally satisfies wind machine safe handling operating requirement of certain wind power limited company; For replacing foreign gear oils, different brands synthetic industrial gear oils were used in reduction gear box in different domestic enterprises. Results show that the application effect is satisfactory.

PAO; synthetic industrial gear oil; combination; service test

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.02.007

1002-3119(2017)02-0027-09

TE626.38

A

2016-04-28。

華秀菱，高級工程師，2008年畢業于蘭州理工大學化學工程與工藝專業,多年來一直從事齒輪油與添加劑研究，已公開發表論文十余篇。E-mail：huaxiuling_rhy@petrochina.com.cn