風力發電機齒輪油的初步研究

范海粉，王瑞興，徐昂

(上海禾泰特種潤滑科技股份有限公司,上海 200331)

風力發電機齒輪油的初步研究

范海粉，王瑞興，徐昂

(上海禾泰特種潤滑科技股份有限公司,上海 200331)

風力發電機組用油需求量逐年提高，但國內風電廠大部分仍然使用國外品牌風電齒輪油，且其性能存在一定不足。文章重點考察了基礎油和黏稠劑復配、黏稠劑配比、極壓抗磨劑選擇及其復配等對風電齒輪油低溫和黏溫性能的影響，結果表明：低黏度酯類油添加高分子黏稠劑可以制備出具有超高黏度指數和較低傾點的高黏度基礎油；且對硫系和磷系極壓抗磨劑都具有較好的感受性，表現出抗磨協同性；此外文章所制備齒輪油還具有優異的氧化安定性和高溫清凈性。

風力發電；齒輪油；黏溫性能；低溫性能；極壓抗磨性

0 引言

隨著我國風電事業的不斷發展，對風力發電機組用油需求量也逐年提高，風電已成為繼火電、水電之后的第三大電源。主齒輪箱是風電機組的核心部件，其基本功能就是將風力推動葉片所產生的低轉速高扭矩功率，轉化為發電機所需的高轉速低扭矩功率，因此齒輪箱的可靠性往往直接影響風電機組的發電效率和使用壽命[1]。齒輪箱用潤滑油主要是防止齒輪微點蝕和軸承損壞，進而降低齒輪箱失效幾率，因此選擇合適且性能好的齒輪油對保證風電機組穩定高效運行，提高發電效率有重要意義。

合適的齒輪箱潤滑油需要具備長期的氧化安定性和熱穩定性、清靜性、較高的黏度指數、良好的低溫流動性及極壓抗磨性能等[2]。目前國內風電廠齒輪箱主要使用國外品牌風電齒輪油，但是在以上性能方面還存在一些差距，不能完全滿足國內某些地區要求，為此本文結合國內風電機組實際運行工況，自主開發了風電設備專用齒輪油的制備工藝，重點考察了基礎油及增稠劑的選擇、黏稠劑復配比例、極壓抗磨劑選擇及其復配等對齒輪油黏溫性、低溫性、極壓抗磨性、熱氧化性、清靜性等方面的影響，并初步制備出綜合性能優良的風電齒輪油產品，本產品可替代國外品牌產品應用于國內風電機組中，對于加速國產風電齒輪油行業發展，具有很大的推廣空間。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

本文所用原材料如表1所示。

表1 原材料性能信息

1.2 主要實驗方法

(1)潤滑油黏度指數試驗 GB/T 1995；

(2)潤滑油傾點測試方法 GB/T 3535；

(3)氧化安定性試驗(旋轉氧彈法) SH/T 0193；

(4)潤滑劑承載動力測定法(四球法) GB/T 3142；

(5)潤滑劑磨斑直徑和摩擦系數測試法 SH/T 0189。

2 結果與討論

2.1 不同黏稠劑對基礎油的低溫和黏溫性能影響

目前國內外常用的風電齒輪油基礎油一般選擇高黏度聚α-烯烴(PAO)，雖然具有較好的黏溫和低溫性能，但仍不能滿足一些極端工況需求。為此，本文分別以低傾點、低黏度的PAO和飽和多元醇酯為基礎油，與不同高分子黏稠劑復配組合，以期制備出低溫傾點和黏溫指數都符合極端工況需求的基礎油配方。

在SpectraSyn 6、UNIESTER 3420中，分別添加高分子復酯類UNIESTER 4445(簡稱4445)、聚異丁烯PB1300和黏度指數改進劑聚甲基丙烯酸甲酯Viscoplex7-310(簡稱V7-310)，其黏度指數和傾點變化如表2所示。

表2 不同黏稠劑基礎油的低溫和黏溫性能影響

注：*SpectraSyn 6和4445復酯不相容。

由表2可以看到，V7-310對兩種低黏度基礎油的黏度指數改善最為顯著，其黏溫性能明顯增強；4445雖然與SpectraSyn 6不兼容，但對UNIESTER 3420的黏度和黏度指數都具有很好的改善作用；而PB1300則對油品的黏度指數和黏度影響最小。另外，UNIESTER 3420與上述黏稠劑復配后，低溫傾點變化較小，而復配后的SpectraSyn 6傾點則大幅度上升。

一般在含有聚合物的潤滑油中，高溫下，溶解度好的聚合物分子鏈可充分伸展，高分子間相互吸引，內摩擦增大，進而對潤滑油起到良好增稠作用，而低溫下，溶解度差的聚合物分子大部分處于蜷曲狀態，對內摩擦影響不大，降低了對潤滑油增稠作用。因此聚合物對潤滑油黏度指數的提高程度，取決于聚合物分子在潤滑油中的溶解度隨溫度變化的幅度大小，聚合物溶解度隨溫度變化越大，對潤滑油的黏度指數改進越好。V7-310是一種專用的聚甲基丙烯酸酯黏度指數改進劑，其顯著的黏度指數改善作用可能歸因于其在常規潤滑油中溶解度隨溫度變化較大。4445本身是酯類聚合物，與飽和多元醇酯UNIESTER 3420結構相似，互溶性好，其分子鏈可以得到充分的溶解和舒展，對UNIESTER 3420表現出較強的增稠作用，但良好的互溶性使得4445溶解度變化受溫度影響小，所以對UNIESTER 3420黏度指數改進幅度稍低。PB1300對油品的增黏最弱可能因為其在UNIESTER 3420中溶解度弱，且自身分子鏈短(分子量僅為1300)，產生內摩擦力低，此外其在UNIESTER 3420中整體較弱的溶解度也限制了溶解度隨溫度變化的幅度，從而降低了對黏溫性能的提升作用。

有機化合物低溫性能主要受主鏈的內旋轉自由度的影響。分子中主鏈內旋轉所受的阻力越小，其分子鏈的柔順性越好，流動活化能也較低，在外力的影響下越容易向周圍的自由空間躍遷，即表現出較低的傾點和低溫流動性[3]。SpectraSyn 6為線性直鏈分子，其各分子的原子與所加入的增黏劑分子鏈原子間互相吸引機會較多，致使分子間引力大大增強，分子間主鏈內旋轉所受阻力增大，因而低溫流動性變差，傾點增高。UNIESTER 3420為飽和季戊四醇酯，分子為所占空間較大的體型立體結構，與所加入增黏劑分子鏈間吸引機會相對較小，分子間主鏈內旋轉所受阻力增加不大[3]，因而低溫流動性較好，傾點降低。

2.2 不同黏稠劑復配對基礎油低溫和黏溫性能的影響

根據2.1結論，本文以UNIESTER 3420為基礎油，復配不同比例的4445和V7-310，以充分利用它們顯著的增稠作用和黏度指數改進作用，制備出兼具有優異黏溫性能和低溫性能基礎油組合，其黏度指數和傾點數據見表3。

表3 不同黏稠劑復配對基礎油低溫和黏溫性能的影響

由表3可看到，油品的黏度隨著4445和V7-310復配添加比例尤其是4445增加而呈現出較大的增加趨勢；油品的黏度指數主要隨著V7-310的添加比例增加而增加，但增加幅度有限，且基本不受4445添加比例影響。

由于4445和V7-310都是高分子鏈結構，其分子鏈間的纏結、分子鏈的舒展都會增加UNIESTER 3420的流動阻力，使其黏度大幅度增加；而油品黏度指數主要取決于聚合物分子在潤滑油中的溶解度隨溫度變化幅度大小，且V7-310在UNIESTER 3420酯類油中的溶解度隨溫度變化幅度大于4445，可能復配黏稠劑在酯類油中整體溶解度隨溫度變化幅度大小主要取決于變化幅度較大的V7-310，因而油品主要表現出V7-310的黏溫性能。當V7-310加入比例逐漸增高時，其高分子鏈在基礎油中的溶解逐漸接近飽和，溶解度隨溫度變化幅度大小接近穩定，所以油品的黏度指數沒有出現顯著的增加趨勢。

4445和V7-310復配后，油品的傾點較2.1節出現一定幅度的上升，可能因為復配一定比例的4445和V7-310后，UNIESTER 3420分子同時受到4445分子鏈中的酯基和V7-310分子鏈中的丙烯酸酯基的雙重吸引，增加了分子主鏈內旋轉所受阻力，低溫性變差。另外隨著4445和V7-310添加比例的增大，油品ν 40 ℃幅度增加較大，但傾點基本在-42 ℃上下變動，變動幅度小，這可能因為一方面復配增黏劑在上述油品中的添加比例都較高，與UNIESTER 3420分子接觸機會基本都接近飽和，對其分子主鏈內旋轉產生的阻力變動不大，另一方面上述油品都具有極高的黏度指數，黏溫性能十分優異，低溫下復配增黏劑高分子鏈主要處于蜷曲線團狀態，高分子鏈間纏結小，內摩擦小，對油品流動阻礙作用不大[4]，綜上使得以上油品在低溫下表現出相似的低溫流動性。

2.3 不同極壓抗磨劑對基礎油極壓抗磨性能的考察

極壓抗磨劑不僅決定著齒輪油的極壓抗磨潤滑性能，而且對齒輪油的氧化安定性及抗微點蝕性也具有重大影響。本文選擇在UNIESTER 3420中同時添加25%的4445和25%的V7-310、兼具優異黏溫和低溫性能的基礎油組合配方，然后分別添加極壓抗磨劑硫化脂肪酸Smart Base 2518(簡稱2518)、硫化異丁烯T321、烷氧基磷酸鹽P120、芳香磷酸胺Vanlube692，此外還添加了金屬鈍化劑T551，以減小高活性極壓抗磨劑對有色金屬的腐蝕，其四球和銅片腐蝕試驗數據見表4。

表4 不同極壓抗磨劑對基礎油極壓抗磨性能的影響

從表4可以看到，添加比例為1%時，硫系極壓抗磨劑表現出較高的燒結負荷，極壓性能突出，磷系極壓抗磨劑也呈現出超高的最大無卡咬負荷，抗磨性能顯著，其中T321所調制油品PD值最高，Vanlube 692調制油品PB值最大，P120調制油品除具有相對較高的PB值外，還具有優異的燒結負荷PD值。另外表4所有油品都表現出優異的耐金屬腐蝕性，也說明本文所選基礎油配方對以上硫磷極壓抗磨劑具有很好的感受性。

在摩擦過程中，摩擦生熱使含硫劑中的C-S鍵斷裂，釋放出S，游離出來的S在高溫條件下與Fe化合物反應，在相接觸的金屬表面生成一層剛硬的硫化物保護膜，增加油品抗燒結能力。T321含硫量高，更容易釋放活性S，因而具有更好的極壓潤滑性[5]，2518是控制活性硫釋放，可能生成硫化物速率相對慢些，極壓抗磨偏弱。磷系極壓抗磨劑作用機理是：摩擦過程中與Fe反應生成亞磷酸鐵，亞磷酸鐵與Fe形成共融合金，熔化后流入試件表面的凹坑，使表面變得更光滑，增大接觸面積，降低了接觸應力；Vanlube 692是磷酸二丁酯與4-四亞丙基苯胺的化合物，因同時含有活性磷和活性氮，除能生成亞磷酸鐵外，其氮元素由于原子半徑小，電負性高，還很容易使分子之間形成氫鍵，增強摩擦表面橫向力，提高了油膜強度，有利于抗磨性能PB值提高；而P120為烷氧基磷酸鹽，不僅含有少量的氮元素，而且分子體積相對較小，相同容積內分子數目增多，在金屬表面可形成細密的物理吸附膜和化學反應膜，承載能力PD值相應提高[6]。

從表4還可看出，P120分別與T321和2518按照0.5%加入量復配時，所制備油品PB值都高于1%P120加入量的，Vanlube 692與2518復配時PB值達238 kg，遠高于Vanlube 692在1%添加量時的191 kg，以上都表現出了優異的抗磨協同性；此外P120和Vanlube 692的加入，使T321的極壓性降低，而2518的極壓性能則有增加趨勢，可能因為本文所用酯類油具有很強的極性，在摩擦表面有很強的吸附，尤其是4445高分子復酯，會在摩擦表面形成附著力很強的有機薄膜，它與磷硫單獨存在時形成的吸附膜都具有很好的配伍性，但當硫磷吸附膜同時存在時，三者之間就會存在競爭作用，使酯類有機膜更傾向和磷化合物吸附膜作用，限制了硫化合物反應膜的生成和發揮，復配后2518極壓性能的增強可能歸因于其控制硫釋放能力降低了吸附競爭的影響[7-8]。

2.4 研制風電齒輪油性能評價

在2.3節中極壓抗磨性相對優異的P120配方和2518與Vanlube 692復配配方中，再分別添加常規抗氧劑、防銹劑等，調制出兩組齒輪油，以對其基本性能進一步考察，如表5所示。

表5 風電齒輪油的性能

注：*將少量油品平鋪分散在表面皿中，然后放在250℃中烘烤3h。

由表5可以看到，兩種配方都可制備出綜合性能優異的齒輪油，可以看到本文調制油品的黏溫性能、低溫性能和極壓抗磨性能都遠高于國外同類品牌。

此外2518與Vanlube 692復配配方尤其是P120配方都表現出優異的氧化安定性，這可能是因為其較低的硫磷元素含量，特別是P120配方不含有活性硫元素，都大大減輕了對油品的催化氧化作用；而其偏低的摩擦系數和磨斑直徑可能歸因于酯類基礎油在摩擦表面形成的極性很強的有機保護膜。

圖1是本文調制油品和國外同類品牌的高溫清靜性試驗。由圖1可以看到，雖然添加了高分子聚合物V7-310和4445，但是本文油品高溫結焦性仍優于國外的聚α-烯烴調制的油品，這可能是因為兩種聚合物大分子在熱氧化過程中相互影響，主要進行降解反應并生成低分子聚合體，而聚α-烯烴則主要進行縮聚反應產生分子量更大的高聚物，增加了結焦量。

(a)P120配方

(b)2518和Vanlube 692組合配方

(c)國外油

3 結論

通過考察基礎油和黏稠劑復配、黏稠劑復配比例、極壓抗磨劑選擇及其復配等因素，得出以下結論：

(1)聚甲基丙烯酸甲酯V7-310對低黏度基礎油的黏溫性能增強最顯著，而聚異丁烯PB1300最弱；高黏度復酯4445僅對酯類油的黏度和黏溫性能具有改善作用。此外增稠后的UNIESTER 3420仍具有較低的低溫傾點，而SpectraSyn 6則明顯上升。

(2) UNIESTER 3420酯類油黏度受4445和V7-310復配添加比例影響明顯；油品的黏度指數主要隨著V7-310的添加比例增加而增加，且基本不受4445添加比例影響。

(3) 所調制復配酯類油對硫系和磷系極壓抗磨劑都具有較好的感受性；并可使復配硫磷添加劑表現出抗磨協同性；但P120和Vanlube 692的加入，使T321極壓性降低，而2518的極壓性能則有增加趨勢。

(4)相對于國外同類PAO類型風電齒輪油品牌，本文所調制風電齒輪油品還具有超強的氧化安定性和高溫清靜性，綜合性能優異，完全滿足風電齒輪箱要求，具有較好的應用前景。

[1] 祝國棟，文海，高清毅,等. 風電機組齒輪箱潤滑油清潔

度控制[J].風能，2011(6)：72-76.

[2] 吳長彧，孫翔蘭，王棟,等. 風力發電機齒輪油概述[J]. 合成潤滑材料，2014，41(3)：13-16.

[3] 武雅麗. 環境兼容內燃機潤滑油的低溫性能及可生物降解性研究[D]. 陜西：長安大學，2003：46-47.

[4] 薛林. 用于黏度指數改進劑的氫化SIBR的研究[D]. 遼寧：大連理工大學，2009：3-4.

[5] 陳卓君，馮龍龍，徐嘉寧,等. 硫化異丁烯在酯類油中的摩擦學特性[J]. 潤滑與密封，2013，38(6)：50-52.

[6] 李慶忠. 環保型汽車齒輪油添加劑摩擦行為研析[D]. 遼寧：東北大學，2003：45-46.

[7] 伏喜勝. 齒輪油用極壓劑、抗磨劑、摩擦改進劑復合效應的研究[J]. 石油煉制與化工，1996，27(6)：11-16.

[8] 姚俊兵，顧敏莉.磷酸酯胺鹽極壓添加劑[J]. 潤滑油，2012，27(4)：27-30.

Study on the Wind Turbine Gear Oils

FAN Hai-fen, WANG Rui-xing, XU Ang

(Shanghai Hitecrun Specialty Lubricants Technology Co., Ltd, Shanghai 200331, China)

The demand of wind turbine oil is increasing annually, but domestic wind power plants mainly use foreign wind power gear oil with some deficiencies in performance. In this paper, the influence of complex formulation of base oil and thickeners, compound proportion of thickeners, selection and compounding of EP anti-wear agent on the low temperature and viscosity-temperature performances of wind power gear oil was studied. Result shows that the high viscosity base oil with high viscosity index and low pour point could be prepared by adding polymer thickener into low viscosity ester oil; the base oil has a good sensitivity to sulfur and phosphorus EP anti-wear agents, and in which the sulfur agent can exhibit synergistic effect with phosphorus-based additives; In addition, the gear oil prepared by them has excellent oxidation stability and high temperature cleanliness.

wind power; gear oil; viscosity-temperature performance; low temperature performance; EP anti-wear property

2017-03-24。

王鋒,工程師,1994年畢業于華東理工大學化學工程系有機化工專業,主要從事特種油產品的市場開發與銷售管理工作,發表論文2篇。E-mail:wangfeng_rhy@petrochina.com.cn

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.03.003

1002-3119(2017)03-0015-06

TE626.3

A