閆瑾，許揚(yáng)，徐小鵬，汪玉瑄，王彥冬

(一汽解放汽車(chē)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011)

0 引言

汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是用來(lái)改變或恢復(fù)汽車(chē)行駛方向的專(zhuān)設(shè)機(jī)構(gòu)，商用車(chē)通常采用液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)[1]，為確保液壓動(dòng)力系統(tǒng)正常工作，需要向系統(tǒng)中加注能夠起到液壓、傳動(dòng)雙重作用的合適油品。目前采用的油品通常為自動(dòng)傳動(dòng)液、專(zhuān)用動(dòng)力轉(zhuǎn)向油及8號(hào)液力傳動(dòng)油。

液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在使用過(guò)程中，常出現(xiàn)轉(zhuǎn)向油罐中油品液位下降現(xiàn)象，排除機(jī)械因素，通常是由系統(tǒng)密封不良引起的。為避免系統(tǒng)漏油現(xiàn)象發(fā)生，需要進(jìn)行橡膠相容性試驗(yàn)?，F(xiàn)有的橡膠相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[2]對(duì)于試驗(yàn)后的油品沒(méi)有考察，無(wú)法評(píng)定油品與橡膠件之間的相互作用關(guān)系。

本文依據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的使用情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)外潤(rùn)滑油橡膠相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定了橡膠相容性試驗(yàn)條件，考察不同類(lèi)型轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油與橡膠件的相互影響。并在綜合分析試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油建議。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)條件設(shè)定

商用車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常由轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向油罐、轉(zhuǎn)向器及連接管路組成，各總成件所用油封以丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)為主，連接管路以聚丙烯酸脂橡膠(ACM)為主。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油常處于13～17 MPa的高壓狀態(tài)，工作溫度一般在120 ℃左右；在頻繁轉(zhuǎn)向等苛刻工況下，油溫可達(dá)150～160 ℃。某企業(yè)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油橡膠相容性試驗(yàn)條件，見(jiàn)表1。

表1 某企業(yè)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油橡膠相容性試驗(yàn)條件

對(duì)比以上試驗(yàn)條件，專(zhuān)用動(dòng)力轉(zhuǎn)向油的試驗(yàn)溫度最符合商用車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)非極端條件下的實(shí)際工況。

另外，為增加橡膠件在冷熱交變下的變化情況考察，在參考專(zhuān)用動(dòng)力轉(zhuǎn)向油橡膠相容性試驗(yàn)條件基礎(chǔ)上，作以下改進(jìn)：

(1)試驗(yàn)前后用試驗(yàn)油浸泡橡膠件各24 h，保證油品與橡膠件的充分融合；

(2)試驗(yàn)過(guò)程采取間斷試驗(yàn)法，以每加熱8 h后置于室溫16 h為一個(gè)循環(huán)，共進(jìn)行12個(gè)循環(huán)，模擬橡膠件在冷熱交變下的變化情況。

1.2 試驗(yàn)樣品

橡膠試片選取某企業(yè)商用車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用的丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)及聚丙烯酸酯橡膠(ACM)，基本情況如表2所示。

表2 試驗(yàn)橡膠試片基本情況

選取不同種類(lèi)的商用車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油作為試驗(yàn)油，基本情況如表3所示。

表3 試驗(yàn)油基本情況

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前，將丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)及聚丙烯酸酯橡膠(ACM)裁剪為10 mm×20 mm的試驗(yàn)片各3片，測(cè)定試驗(yàn)片在空氣中的質(zhì)量、在水中的質(zhì)量及A型邵爾表觀硬度。用棉線將試驗(yàn)片捆扎后，置于試驗(yàn)油中24 h。

試驗(yàn)中，將試驗(yàn)油與試驗(yàn)片置于(130±0.5)℃烘箱中，以每加熱8 h后自然冷卻于室溫16 h為一個(gè)循環(huán)，共進(jìn)行12個(gè)循環(huán)。

試驗(yàn)后，試驗(yàn)片繼續(xù)置于試驗(yàn)油中24 h后，用棉花將試驗(yàn)片表面油漬擦凈，測(cè)定試驗(yàn)片在空氣中的質(zhì)量、在水中的質(zhì)量及A型邵爾表觀硬度，測(cè)定試驗(yàn)油的運(yùn)動(dòng)黏度及黏度指數(shù)。按照式(1)計(jì)算試驗(yàn)前后的試驗(yàn)片質(zhì)量變化率、體積變化率、硬度變化率及試驗(yàn)油運(yùn)動(dòng)黏度變化率、黏度指數(shù)變化率。

η=B-AA×100%

(1)

式中：

A——試驗(yàn)前試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)值，如質(zhì)量、體積、硬度、運(yùn)動(dòng)黏度、黏度指數(shù)等；

B——試驗(yàn)后試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)值，如質(zhì)量、體積、硬度、運(yùn)動(dòng)黏度、黏度指數(shù)等。

2 結(jié)果討論

2.1 試驗(yàn)油對(duì)橡膠試驗(yàn)片的影響

參考某企業(yè)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油橡膠相容性質(zhì)量指標(biāo)對(duì)橡膠試驗(yàn)片物理變化進(jìn)行評(píng)定，各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)如表4所示。

表4 某企業(yè)商用車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油橡膠相容性試驗(yàn)質(zhì)量指標(biāo)

2.1.1 質(zhì)量變化

試驗(yàn)后，試驗(yàn)片質(zhì)量變化率如圖1所示。

圖1 橡膠試片的質(zhì)量變化率

橡膠件浸泡在潤(rùn)滑油中，發(fā)生溶劑小分子與橡膠大分子的相互融合。較短時(shí)間內(nèi)，溶劑小分子向橡膠大分子間隙擴(kuò)散，橡膠件質(zhì)量增加、體積膨脹，當(dāng)橡膠大分子交聯(lián)點(diǎn)間的分子鏈成無(wú)干擾伸展時(shí)，橡膠大分子的分子間作用力為零，達(dá)到溶脹平衡。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，未交聯(lián)到網(wǎng)格中的分子鏈成為游離分子，逐漸從橡膠中溶出，橡膠的質(zhì)量、體積隨游離大分子溶出逐漸變小，變化幅度與游離分子及橡膠網(wǎng)格的大小有關(guān)。

由圖1可得，丁腈橡膠(NBR)質(zhì)量變化率為-5.10%～-2.58%，氟橡膠(FKM)質(zhì)量變化率為

-0.07%～0.65%，聚丙烯酸酯橡膠(ACM)質(zhì)量變化率為-0.36%～2.16%，三種試驗(yàn)橡膠件的質(zhì)量變化幅度呈現(xiàn)一定規(guī)律: 丁腈橡膠(NBR)>聚丙烯酸酯橡膠(ACM)>氟橡膠(FKM)。

丁腈橡膠(NBR)在ATF-3中的質(zhì)量變化幅度最?。环鹉z(FKM)在TF-4中的質(zhì)量變化幅度最?。痪郾┧狨ハ鹉z(ACM)在TF-2中的質(zhì)量變化幅度最小。綜合三種試驗(yàn)橡膠試片的質(zhì)量變化幅度，ATF-3試驗(yàn)油和PSF-1試驗(yàn)油對(duì)橡膠件的質(zhì)量變化影響最小。

2.1.2 體積變化

試驗(yàn)后，試驗(yàn)片體積變化率如圖2所示。

圖2 橡膠試片的體積變化率

由于溶劑小分子與橡膠大分子的相互融合作用，試驗(yàn)橡膠件的體積變化率與質(zhì)量變化率存在相似規(guī)律。由圖2可知，丁腈橡膠(NBR)體積變化率為-6.48%～-3.87%，；氟橡膠(FKM)體積變化率為 -0.05%～1.45%；聚丙烯酸酯橡膠(ACM)體積變化率為-1.10%～2.24%。橡膠試驗(yàn)片的體積變化幅度為丁腈橡膠(NBR)>聚丙烯酸酯橡膠(ACM)>氟橡膠(FKM)。

丁腈橡膠(NBR)在ATF-3中體積變化幅度最??；氟橡膠(FKM)在TF-4中體積變化幅度最??；聚丙烯酸酯橡膠(ACM)在ATF-1中體積變化幅度最小。綜合三種橡膠試片的體積變化幅度，在ATF-3和PSF-1中三種橡膠試驗(yàn)件的體積變化幅度均很小，能夠較好地預(yù)防油品泄露風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3 硬度變化

試驗(yàn)后，試驗(yàn)片硬度變化率如圖3所示。

圖3 橡膠試片的硬度變化率

橡膠在潤(rùn)滑油中浸泡，潤(rùn)滑油進(jìn)入到橡膠分子網(wǎng)格中，橡膠溶脹，硬度下降。溶脹平衡后，橡膠中的游離分子溶出，橡膠體積縮小，硬度變大。同時(shí)，橡膠在高溫環(huán)境下浸泡在潤(rùn)滑油中會(huì)發(fā)生熱氧化，硬度變大。

由圖3可得，丁腈橡膠(NBR)硬度變化率為4.88%～12.20%, 氟橡膠(FKM)硬度變化率為-2.38%～7.14%，聚丙烯酸酯橡膠(ACM)硬度變化率為11.11%～29.63%。三種橡膠的硬度變化幅度呈現(xiàn)一定規(guī)律，硬度變化幅度: 聚丙烯酸酯橡膠(ACM)> 丁腈橡膠(NBR)>氟橡膠(FKM)。

其中丁腈橡膠(NBR)在ATF-3和TF-3中硬度變化最??；氟橡膠(FKM)在TF-3中硬度變化最小；聚丙烯酸酯橡膠(ACM)在ATF-1中硬度變化最小。綜合三種橡膠的硬度變化情況， 在ATF-1中三種橡膠的硬度變化均很小。

2.2 橡膠試驗(yàn)片對(duì)試驗(yàn)油的影響

為考察橡膠對(duì)試驗(yàn)油的影響，按照設(shè)定的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，用空白試驗(yàn)油(不加入橡膠件，其他試驗(yàn)條件相同)作參比，來(lái)扣除熱氧化對(duì)試驗(yàn)油的影響，計(jì)算試驗(yàn)油100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率與黏度指數(shù)變化率。

2.2.1 黏度變化

橡膠相容性試驗(yàn)后，試驗(yàn)油與空白試驗(yàn)油100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率如圖4所示，η-100-1為試驗(yàn)油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率，η-100-0為空白試驗(yàn)油100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率。

圖4 試驗(yàn)油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率

試驗(yàn)油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率為-3.05%～0.50%。試驗(yàn)油與空白試驗(yàn)油100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率絕對(duì)值差值為0.03%～0.3%，說(shuō)明橡膠試驗(yàn)片對(duì)試驗(yàn)油的黏度變化影響十分微小，可以忽略不計(jì)。

2.2.2 黏度指數(shù)變化

橡膠相容性試驗(yàn)后，試驗(yàn)油與空白試驗(yàn)油的運(yùn)動(dòng)黏度指數(shù)變化率如圖5所示，η-VI-1為試驗(yàn)油黏度指數(shù)變化率，η-VI-0為空白試驗(yàn)油的黏度指數(shù)變化率。

圖5 試驗(yàn)油的黏度指數(shù)變化率

試驗(yàn)油黏度指數(shù)變化率為-1.11%～1.84%。試驗(yàn)油與空白試驗(yàn)油的黏度指數(shù)變化率絕對(duì)值差值為0.7%～2.2%，遠(yuǎn)小于常見(jiàn)指標(biāo)，橡膠試片對(duì)試驗(yàn)油黏度指數(shù)變化率的影響可以忽略不計(jì)。

由圖4、圖5可得，橡膠試驗(yàn)片對(duì)試驗(yàn)油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率、黏度指數(shù)變化率影響均很小，遠(yuǎn)小于常見(jiàn)的要求，說(shuō)明橡膠試驗(yàn)片對(duì)試驗(yàn)油的影響可以忽略不計(jì)。

2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油建議

匯總圖1至圖3數(shù)據(jù)得到圖6，根據(jù)圖6所示結(jié)果給出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油建議。

圖6 橡膠試片與試驗(yàn)油橡膠相容性試驗(yàn)結(jié)果

僅從橡膠相容性方面考慮，如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)密封件材料為丁腈橡膠(NBR)，由圖6(a)中所示，丁腈橡膠(NBR)與ATF-3和TF-3的橡膠相容性最好(質(zhì)量變化率、體積變化率、硬度變化率三者綜合結(jié)果最低)，而ATF-3的價(jià)格遠(yuǎn)高于TF-3，考慮性?xún)r(jià)比，選用TF-3作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油最優(yōu)；同理，如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)密封件材料為氟橡膠(FKM)，由圖6(b)中所示，選用TF-3最優(yōu)；如果轉(zhuǎn)向系統(tǒng)密封件材料為聚丙烯酸酯橡膠(ACM)，由圖6(c)中所示，選用ATF-1作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油最優(yōu)。

3 結(jié)論

根據(jù)商用車(chē)液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)用油與橡膠相互作用試驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)在8種試驗(yàn)油中，丁腈橡膠(NBR)的質(zhì)量變化率為-5.10%～-2.58%，體積變化率為-6.48%～-3.87%，硬度變化率為4.88%～12.20%。聚丙烯酸酯橡膠(ACM)質(zhì)量變化率為-0.36%～2.16%，體積變化率為-1.10%～2.24%, 硬度變化率為11.11%～29.63%。氟橡膠(FKM)的質(zhì)量變化率為-0.07%～0.65%，體積變化率為-0.05%～1.45%，硬度變化率為-2.38%～7.14%。

(2)橡膠試片與8種試驗(yàn)油的橡膠相容性: 氟

橡膠(FKM)>丁腈橡膠(NBR)>聚丙烯酸酯橡膠(ACM)。

(3)丁腈橡膠(NBR)與ATF-3和TF-3的橡膠相容性相對(duì)最好，氟橡膠(FKM)與TF-3的橡膠相容性相對(duì)最好，聚丙烯酸酯橡膠(ACM)與ATF-1的橡膠相容性相對(duì)最好。

(4)橡膠試片對(duì)油的影響十分微小，可以忽略不計(jì)。