姚元鵬，李小剛，周 康，王 鵬

(中國石油齒輪油重點實驗室，蘭州 730060)

齒輪傳動作為機械傳動中最為主要的傳動方式之一，它的運行狀態(tài)直接影響機械系統(tǒng)的工作狀態(tài)，因此現(xiàn)代工業(yè)齒輪油、手動變速箱油以及自動變速箱油都要求潤滑油具有優(yōu)異的抗微點蝕性能，保護齒輪傳動系統(tǒng)，延長使用壽命[1]。微點蝕俗稱“灰斑”，是低速重載工作表面呈現(xiàn)發(fā)灰狀態(tài)的一種特征現(xiàn)象，其本質(zhì)是一種表面接觸疲勞現(xiàn)象。微觀上它表現(xiàn)為表面出現(xiàn)微小疲勞裂紋、淺表凹坑，并伴隨材料的轉(zhuǎn)移和損失，是一個表面微小裂紋、凹坑產(chǎn)生并發(fā)生黏著磨損的一個綜合過程[2]，潤滑油在齒輪嚙合過程中，對齒輪齒面微點蝕的形成和擴展起到了加速作用。影響齒輪油抗微點蝕性能的因素主要有粗糙程度、硬度、滑動速度、載荷以及溫度。①增加油膜厚度或減小摩擦副表面的粗糙度，可以減少或防止微點蝕的發(fā)生；②增加滑滾比可降低微點蝕發(fā)生的概率，但不會顯著減少磨損的發(fā)生；③兩個摩擦副表面粗糙程度的差別可顯著影響微點蝕發(fā)生的概率，硬度相對低的一面更容易發(fā)生微點蝕；④滑動速度相對慢的一面更容易發(fā)生微點蝕；⑤一些添加劑可能會促進微點蝕的發(fā)生[3-5]。黏度大的潤滑油緩沖吸振性強，容易建立承載油膜，故潤滑油的黏度越高，抗微點蝕能力也越強[6]。硫-磷型抗磨劑是齒輪油中重要的功能添加劑成分，可起到降低摩擦、增大邊界油膜的強度及良好的抗磨損作用，但如果添加劑活性太高，容易與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會增加微點蝕發(fā)生的概率，因此硫-磷型抗磨劑的結(jié)構(gòu)對齒輪油的抗微點蝕性能有很大影響[7]。

合成油如聚α-烯烴PAO、聚醚或酯類油具有高的黏度指數(shù)和低的摩擦因數(shù)[8]，因此可以降低摩擦產(chǎn)生的熱量、降低系統(tǒng)溫度從而降低微點蝕發(fā)生的概率。本研究以PAO與合成酯為基礎(chǔ)油，對2種結(jié)構(gòu)不同的硫-磷型抗磨劑進行抗微點蝕性能的研究，為齒輪油抗微點蝕性能的研究提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

1 實 驗

1.1 MPR試驗機

圖1為英國PCS公司生產(chǎn)的MPR(Micro Pitting Rig)試驗機及主要組成部分，該試驗機依靠加載電機帶動“滾珠絲杠”轉(zhuǎn)動，通過應(yīng)變加載杠桿產(chǎn)生預(yù)緊力進行加載。試驗?zāi)K后部有兩個電機，分別獨立驅(qū)動相互接觸的試驗件來獲得滑滾比，這與齒輪非節(jié)線嚙合處相對運動情況有對應(yīng)性。

圖1 MPR試驗機及主要組成部分1—試驗腔； 2—加載步進電機； 3—加載力臂； 4—環(huán)件驅(qū)動軸； 5—輥子驅(qū)動軸； 6—扭矩傳感器； 7—驅(qū)動齒輪箱； 8—環(huán)件驅(qū)動電機； 9—輥子驅(qū)動電機

MPR試驗機的試驗件及接觸狀態(tài)如圖2所示。試驗件由3個餅狀的環(huán)件和1個輥子組成，其材質(zhì)與FVA 54/I-IV方法用 FZG C-GF型直齒輪一致(16MnCr5)。當(dāng)滑滾比為正，即環(huán)件圓周速度大于輥子圓周速度時，運動分析表明，輥子的滾動方向和相對滑動方向是相反的，這便和齒輪齒根某處的滾/滑狀態(tài)一致，而在齒輪齒根部位恰恰是微點蝕現(xiàn)象的易發(fā)區(qū)，而MPR試驗機的這種三位接觸設(shè)計結(jié)構(gòu)會使輥子摩擦軌道表面在較短時間內(nèi)出現(xiàn)微點蝕。

圖2 MPR試驗機的試驗件及接觸狀態(tài)

1.2 微點蝕定量評價參數(shù)的建立

一般的金相顯微鏡即可對輥子周面上摩擦軌道上的微觀形態(tài)進行觀察，并且可利用隨機分析軟件對攝取的輥子摩擦軌道顯微照片進行定量測量和分析。

1.2.1輥子摩擦軌道寬度變化率輥子摩擦軌道寬度變化率是MPR試驗機評價油品抗微點蝕性能最重要的參數(shù)，是指微點蝕裂紋、凹坑造成材料表面出現(xiàn)塑性變形和材料轉(zhuǎn)移，使輥子摩擦軌道寬度的變化，表面產(chǎn)生微點蝕越多，相對于初始1 mm 軌道的形變率越大。

1.2.2CLA(CentralLineAverage)中心線平均值

MPR試驗機帶有試驗數(shù)據(jù)采集控制軟件，可采集試驗過程中的溫度、載荷、平均速度、滑滾比以及CLA中心線平均值。其中無量綱的 CLA 中心線平均值用來反映在輥子-環(huán)件三位接觸系統(tǒng)中，輥子旋轉(zhuǎn)1周過程中相對中心轉(zhuǎn)軸的振動大小，CLA曲線可作為評價微點蝕程度的輔助評價手段，曲線的振動幅度越大，說明油品的微點蝕程度越明顯。實驗中采集4～6 h 時間段的CLA數(shù)據(jù)進行分析。

1.2.3MPR試驗機參數(shù)MPR試驗機的參數(shù)主要有載荷、溫度、轉(zhuǎn)速、滑滾比，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 MPR試驗機參數(shù)

注：運轉(zhuǎn)速度為3.15 m/s，滑滾比為20%，溫度90 ℃。

1.3 基礎(chǔ)油

PAO4，Exxon Mobil或Ineos公司生產(chǎn)；酯類合成油，Exxon Mobil公司生產(chǎn)，基礎(chǔ)油的主要性能見表2。

表2 基礎(chǔ)油的主要性能

1.4 添加劑

選用的2種硫-磷抗磨添加劑(P1和P2)均為實驗室合成，其中P1為三烷基二硫代磷酸酯，P2為三烷基苯基硫代磷酸酯，P1和P2硫-磷抗磨劑的結(jié)構(gòu)式見圖3，主要性能見表3。從圖3可以看出，P2的分子結(jié)構(gòu)中具有化學(xué)穩(wěn)定性較好的苯環(huán)結(jié)構(gòu)，而且分子中的烷基鏈較長，因此P2的化學(xué)性能相對穩(wěn)定。從表3可以看出：P1的硫質(zhì)量分數(shù)為20.35%，磷質(zhì)量分數(shù)為10.28%，熱重起始溫度為190.76 ℃；P2的硫質(zhì)量分數(shù)為4.01%，磷質(zhì)量分數(shù)為4.17%，熱重起始溫度為374.02 ℃。與P2相比，P1的硫、磷含量較高，熱重起始溫度低，說明P1的活性較高。

其它功能添加劑有：酚類抗氧劑、二苯胺類抗氧劑、脂肪酸酯減摩劑、苯三唑類金屬減活劑以及磺酸鹽類防銹劑等。

圖3 2種硫-磷抗磨劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

表3 P1和P2硫-磷抗磨劑的主要性能

2 結(jié)果與討論

2.1 齒輪油樣品的配制

在PAO4和酯類合成油中分別加入一定量的P1、P2以及其它功能添加劑，齒輪油樣品GO-1～ GO-8的組成見表4。

表4 齒輪油樣品的組成 w，%

注：基礎(chǔ)油由85% PAO4和15%酯類合成油組成。

2.2 軌道寬度變化率

試驗油品的軌道寬度變化率見表5。從表5可以看出：①含有硫-磷劑P1的GO-1樣品試驗時的軌道寬度變化率為10%，遠大于含P2的GO-2樣品試驗時的軌道寬度變化率，說明P2具有更好的抗微點蝕性能；②對于GO-3～GO-8樣品，隨著P1含量的增加、P2含量的減少，試驗時的軌道寬度變化率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，說明隨著P2含量的降低，油品的抗微點蝕效果有所減弱。

表5 試驗油品的軌道寬度變化率

2.3 輥子表面形貌

圖4 試驗油品試驗后輥子表面顯微照片

試驗油品試驗后輥子表面顯微照片見圖4。從圖4可以看出：①GO-1和GO-2樣品試驗后，含有P1的GO-1試驗件表面微點蝕凹坑和裂紋很密集，說明P2具有更好的抗微點蝕性能；②GO-3～GO-6樣品試驗后，GO-3試驗件表面微點蝕凹坑最淺，GO-4試驗件表面凹坑最少，但是凹坑深度較GO-3試驗件表面的要深，GO-5試驗件表面微點蝕凹坑最密集，GO-6試驗件表面微點蝕凹坑雖然相對GO-5要少，但是凹坑深度較深，因此，GO-5和GO-6試驗件表面微點蝕程度相當(dāng)，均較GO-3和GO-4試驗件表面微點蝕嚴重；③GO-7和GO-8試驗件表面均出現(xiàn)了較為致密的微點蝕凹坑，而且有部分較深的凹坑，說明油品的抗微點蝕性能已不明顯。因此，加入齒輪油其它功能添加劑后，隨著P1含量的增加、P2含量的減少，試驗件表面形貌逐漸變差。

2.4 CLA曲線

圖6 GO-3～GO-6 CLA曲線 —GO-3； —GO-4； —GO-5； —GO-6

GO-1～GO-8的CLA曲線見圖5～圖8。從圖5可以看出，GO-1試驗后的CLA曲線波動幅度較大，而GO-2試驗后的CLA曲線幅度較小而且平穩(wěn)，說明硫-磷劑P2具有更好的抗微點蝕性能。從圖6可以看出，GO-3的曲線波動幅度最小而且最為平穩(wěn)；GO-6試驗后的CLA曲線波動幅度最大，說明隨著P2含量的降低，油品的抗微點蝕效果有所減弱，這與軌道寬度變化率所反映的趨勢一致。從圖7可以看出，P2在較低含量下的抗微點蝕性能，與GO-7相比，GO-8試驗后的CLA曲線波動幅度稍大，且從綜合軌道寬度變化率、輥子形貌可以看出GO-7與GO-8的微點蝕程度相當(dāng)，說明硫-磷劑P2在較低含量下的抗微點蝕能力不明顯。

圖7 GO-7和GO-8CLA曲線 —GO-7； —GO-8

3 結(jié) 論

(1)MPR試驗機作為模擬微點蝕設(shè)備，通過軌道寬度變化率、試驗件表面形貌分析以及CLA曲線對齒輪油的抗微點蝕性能具有較好的區(qū)分性。

(2)硫-磷劑作為齒輪油常用的抗磨添加劑，其結(jié)構(gòu)對油品的抗微點蝕性能有很大影響，活性高的硫-磷劑不利于油品的抗微點蝕性能；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、分子中含有較長烷基鏈的三烷基苯基硫代磷酸酯(P2)能夠降低發(fā)生微點蝕的概率。

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