中國石化潤滑油有限公司北京研究院

本文采用中國石化長城AE46液壓油在某地鐵隧道項(xiàng)目土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（新機(jī)）上開展了為期5個(gè)月的應(yīng)用試驗(yàn)。結(jié)果表明，長城AE46液壓油表現(xiàn)出極好的黏溫性能以及黏度、黏度指數(shù)保持能力，優(yōu)異的抗氧化能力和較長的氧化壽命，同時(shí)具有良好的抗磨性能和抗腐蝕性能；為盾構(gòu)機(jī)提供了全方位的潤滑保護(hù)，保證了設(shè)備可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，完全能夠滿足土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的潤滑要求。

根據(jù)中國工程機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)GXB/TY 0001—2011《工程機(jī)械的定義和類組劃分》［1］，掘進(jìn)機(jī)械主要包括全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)機(jī)、硬巖掘進(jìn)機(jī)、頂管機(jī)等）、水平定向鉆、懸臂式巷道掘進(jìn)機(jī)等產(chǎn)品，其主導(dǎo)產(chǎn)品是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)。

盾構(gòu)機(jī)是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)中最主要的設(shè)備，它起源于19世紀(jì)的英國，后來在德國、美國和日本等國家有了較快的發(fā)展。20世紀(jì)80年代以前，我國全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)市場和技術(shù)基本上被美、日等發(fā)達(dá)國家的專業(yè)公司壟斷，一直到2005年以后，隨著我國大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)展開，尤其是城市地鐵、飲水工程、過江隧道等工程的大量上馬，國內(nèi)市場對(duì)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的需求量急劇擴(kuò)大。經(jīng)過短短幾年的發(fā)展，在激烈的市場競爭中一批國內(nèi)企業(yè)脫穎而出，我國企業(yè)已經(jīng)完全掌握了全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，部分技術(shù)已領(lǐng)先于國際水平。到2018年底，國內(nèi)企業(yè)市場份額已經(jīng)占到國內(nèi)市場的90%以上，幾家頂尖企業(yè)的生產(chǎn)條件和制造能力已經(jīng)超過國際知名企業(yè)，完全具備自主研發(fā)能力和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。我國全斷面四道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)規(guī)模和市場規(guī)模已居全球首位［1］?，F(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)是集光、電、液、機(jī)、傳感、信息等技術(shù)于一體, 具有開挖切削土體、土碴輸送、隧道襯砌拼裝、測量導(dǎo)向糾偏等功能于一體的超大型高度智能化的一類工程機(jī)械設(shè)備，盾構(gòu)機(jī)集成了大型PLC、多種類型和型號(hào)且性能優(yōu)良的液壓泵以及先進(jìn)的控制理念［2］。由于盾構(gòu)機(jī)工作環(huán)境及工況較為特殊，導(dǎo)致設(shè)備對(duì)于運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性以及適應(yīng)性具有極高的要求。液壓油作為盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的“血液”，是盾構(gòu)機(jī)中用量最大的潤滑產(chǎn)品，同時(shí)也是保證盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。由于我國盾構(gòu)技術(shù)源于國外，其潤滑油品的選用一直沿用國外品牌，因此，我國制造的盾構(gòu)機(jī)在選用液壓油時(shí)均以國外品牌為首選。為了推進(jìn)液壓油產(chǎn)品在盾構(gòu)機(jī)領(lǐng)域的國產(chǎn)化，探索中國石化長城液壓油在盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用性能，擴(kuò)大長城液壓油的應(yīng)用范圍，有必要開展長城液壓油在盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用研究。

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)簡介

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的開發(fā)始于20世紀(jì)70年代初。第一臺(tái)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)外徑為3.72 m，由日本IHI設(shè)計(jì)制造，于1974年在東京投入使用。我國于1985年第一次引進(jìn)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，直徑4.33 m，1987年國內(nèi)首臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)研制成功，直徑4.35 m。經(jīng)過多年的發(fā)展，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，從2016年生產(chǎn)銷售的盾構(gòu)機(jī)的類型來看，我國復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)占大多數(shù)，各類型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)占比見圖 1［3，4］。因此，本次應(yīng)用研究盾構(gòu)機(jī)類型選擇土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

圖1 2016年各類型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)占比

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的工作原理可以概述為，刀盤旋轉(zhuǎn)切削開挖面的泥土，破碎的泥土通過刀盤開口進(jìn)入土倉，泥土落到土倉底部后，通過螺旋輸送機(jī)運(yùn)到皮帶輸送機(jī)上，然后輸送到停在軌道上的碴車上。盾構(gòu)在推進(jìn)油缸的推力作用下向前推進(jìn)。盾殼對(duì)挖掘出的還未襯砌的隧道起著臨時(shí)支護(hù)作用，承受周圍土層的土壓、地下水的水壓以及將地下水擋在盾殼外面。掘進(jìn)、排土、襯砌等作業(yè)在盾殼的掩護(hù)下進(jìn)行。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)及組成見圖 2［5］。

圖2 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)及組成

應(yīng)用試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備及工況

本次應(yīng)用研究所采用的盾構(gòu)機(jī)為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（新機(jī)），開挖直徑6.43 m，試驗(yàn)項(xiàng)目為國內(nèi)某地鐵隧道項(xiàng)目，掘進(jìn)共計(jì)約1 600 m，全程均采用盾構(gòu)法施工，隧頂覆土約10～20.15 m，實(shí)際施工時(shí)間5個(gè)月。

試驗(yàn)油品

按照本次應(yīng)用研究盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的用油要求，試驗(yàn)油品選用中國石化長城AE46液壓油（簡稱AE46液壓油），典型數(shù)據(jù)見表1。

表1 中國石化長城AE46液壓油典型數(shù)據(jù)

裝油及取樣

本次試驗(yàn)所用盾構(gòu)機(jī)為新設(shè)計(jì)制造的盾構(gòu)機(jī)，所驗(yàn)證油品自盾構(gòu)機(jī)廠內(nèi)試機(jī)開始應(yīng)用，先后經(jīng)歷新油在廠內(nèi)開封，將新液壓油抽出（經(jīng)過過濾小車）并加入盾構(gòu)機(jī)開展廠內(nèi)試運(yùn)行（妥善保留抽出油品后的的空桶待用），試運(yùn)行完畢后，將盾構(gòu)機(jī)中的液壓油品再次抽出至保留的空桶內(nèi)并封蓋，拆解盾構(gòu)機(jī)運(yùn)送至施工現(xiàn)場，在現(xiàn)場進(jìn)行組裝，并再次加注液壓油品至盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)，整個(gè)盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)裝入液壓油約8 000 L。裝油完畢開展現(xiàn)場試運(yùn)行，試運(yùn)行完畢后取樣作為0個(gè)月的油樣，考慮到設(shè)備施工穩(wěn)定性和連續(xù)性，后續(xù)每月定時(shí)取樣1次，直至本工段掘進(jìn)任務(wù)完成。

監(jiān)測指標(biāo)的選擇及確定

本次應(yīng)用研究旨在探索AE46液壓油在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用可行性，同時(shí)探究在應(yīng)用過程中液壓油性能變化情況。因此，對(duì)于液壓油的性能監(jiān)測一方面參照盾構(gòu)機(jī)用液壓油換油關(guān)鍵指標(biāo)，如40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化、色度增加、酸值增加、正戊烷不溶物、銅片腐蝕，具體要求見表2［6］；另一方面，為了更加全面地探究AE46液壓油與盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的匹配性以及在使用過程中關(guān)鍵性能的變化情況，對(duì)其他液壓油品的關(guān)鍵性能也進(jìn)行了監(jiān)測，如黏度指數(shù)變化、抗乳化性、氧化安定性（旋轉(zhuǎn)氧彈）、元素含量（銅、鐵）。

結(jié)果及討論

色度

潤滑油的顏色與所有物質(zhì)一樣，都具有相對(duì)固定的顏色，它與基礎(chǔ)油的精制程度及所加的添加劑有關(guān)。隨著潤滑油品的老化，潤滑油品的顏色會(huì)逐漸加深，通過新、舊潤滑油品色度的對(duì)比，在一定程度上可以相對(duì)直觀地反映油品在盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)中運(yùn)行的老化程度。應(yīng)用試驗(yàn)過程中油品色度變化情況見圖3。

由圖3可以看出，整個(gè)應(yīng)用過程中AE46液壓油的色度呈現(xiàn)規(guī)律性變化，并且變化幅度較小，始終保持在不大于1號(hào)的范圍內(nèi)，未達(dá)到參考換油指標(biāo)色度增加2號(hào)的要求，在一定程度上反映了油品老化程度較小。

表2 液壓油換油關(guān)鍵指標(biāo)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法（NB/SH/T 0599—2013）

運(yùn)動(dòng)黏度

潤滑油品的運(yùn)動(dòng)黏度是反映其油膜強(qiáng)度、流動(dòng)性的重要指標(biāo)，適當(dāng)黏度的抗磨液壓油是保證盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)正常潤滑和密封的一個(gè)重要因素。黏度太大，會(huì)使運(yùn)行系統(tǒng)壓力和功率損失增加，甚至在寒冷氣候下難以啟動(dòng)；黏度太小，泵的內(nèi)泄漏增大，容積效率降低，甚至?xí)瓜到y(tǒng)壓力下降，油溫升高，磨損增加，造成系統(tǒng)控制失靈。在不考慮外界污染、混油的情況下，液壓油在正常工作狀態(tài)下，黏度的下降通常是由于在工作過程中液壓油中所含有的高分子聚合物被造成永久性剪切所致，而其黏度的增長通常是由于液壓油品的氧化所致。應(yīng)用試驗(yàn)過程中油品運(yùn)動(dòng)黏度變化情況見圖4。

由圖4可以看出，整個(gè)應(yīng)用過程中AE46液壓油的40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化不大，在第二個(gè)月后黏度變化趨穩(wěn)，且一直保持在較好水平，遠(yuǎn)未達(dá)到換油指標(biāo)的要求。這說明AE46液壓油在應(yīng)用過程中具有較好的黏度保持能力。

圖3 應(yīng)用試驗(yàn)過程中AE46液壓油色度變化情況

圖4 應(yīng)用試驗(yàn)過程中AE46液壓油運(yùn)動(dòng)黏度（40 ℃）變化情況

黏度指數(shù)

黏度指數(shù)是衡量潤滑油品的黏度隨溫度變化而變化的重要指標(biāo)，通常黏度指數(shù)較高的潤滑油品，在溫度變化時(shí)其黏度隨溫度變化的趨勢較小，反之變化趨勢較大。因此，較高黏度指數(shù)的液壓油在溫度變化時(shí)具有更好的黏度保持能力，為盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)提供良好的潤滑和密封，保證高效的能量傳遞。應(yīng)用試驗(yàn)過程中油品運(yùn)動(dòng)黏度指數(shù)變化情況見圖5。

圖5 應(yīng)用試驗(yàn)過程中AE46液壓油黏度指數(shù)變化情況

由圖5可以看出，整個(gè)應(yīng)用過程中AE46液壓油的黏度指數(shù)未發(fā)生大的變化，說明AE46液壓油具有較好的黏度指數(shù)保持能力，可以保證在溫度變化時(shí)，為盾構(gòu)機(jī)提供更好的潤滑保護(hù)，同時(shí)保證更加有效的能量傳遞。

酸值

酸值是表征潤滑油中所含酸性物質(zhì)的質(zhì)量指標(biāo)，通常液壓油的酸值在正常使用過程中呈現(xiàn)先降低后增長的趨勢，原因是由于潤滑油品中呈現(xiàn)酸性的極壓抗磨劑的消耗導(dǎo)致酸值降低，隨后會(huì)因?yàn)橐簤河脱趸a(chǎn)生的酸性物質(zhì)再次導(dǎo)致其酸值升高。因此，酸值的變化在一定程度上可以反映液壓油的老化程度。應(yīng)用試驗(yàn)過程中油品酸值增加變化情況見圖6。

由圖6可以看出，整個(gè)應(yīng)用過程中AE46液壓油的酸值呈現(xiàn)規(guī)律性變化，變化幅度較小，并且未達(dá)到參考換油指標(biāo)酸值增加0.3的要求，在一定程度上反映了油品老化程度較小，酸值未呈現(xiàn)明顯的縣變小后增大的趨勢，據(jù)此可推測，油品中的極壓抗磨劑尚未出現(xiàn)大量消耗，在油品結(jié)束時(shí)油品仍應(yīng)具有較好的極壓抗磨性。

圖6 應(yīng)用試驗(yàn)過程中AE46液壓油酸值增加變化情況

正戊烷不溶物

正戊烷不溶物包括潤滑油品氧化產(chǎn)物、添加劑分解產(chǎn)物、磨損的金屬粉末、灰塵和積炭的總和，主要反映油品的氧化變質(zhì)的程度，在一定程度上反映了油品氧化壽命。應(yīng)用試驗(yàn)過程中油品正戊烷不溶物變化情況見圖7。

由圖7可以看出，整個(gè)應(yīng)用過程中AE46液壓油的正戊烷不溶物始終保持在較低的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)未達(dá)到參考換油指標(biāo)正戊烷不溶物大于0.1%的要求，說明AE46液壓油在應(yīng)用過程中氧化變質(zhì)的程度較小，在一定程度上反映了油品具有較長的氧化壽命。

圖7 應(yīng)用試驗(yàn)過程中AE46液壓油正戊烷不溶物變化情況

銅片腐蝕

通常潤滑油品中含有的活性硫物質(zhì)會(huì)對(duì)銅等活潑金屬產(chǎn)生腐蝕，潤滑油產(chǎn)品在經(jīng)過一定時(shí)間的使用后也會(huì)由于氧化產(chǎn)生具有腐蝕性的物質(zhì)。銅片腐蝕試驗(yàn)反映了潤滑油品抵抗腐蝕的能力，數(shù)值越低，表明其抗腐蝕能力越好，對(duì)盾構(gòu)機(jī)液壓元件的保護(hù)越好。應(yīng)用試驗(yàn)過程中油品銅片腐蝕變化情況見圖8。

由圖8可以看出，整個(gè)應(yīng)用過程中AE46液壓油的銅片腐蝕試驗(yàn)情況從0小時(shí)開始始終保持較好的水平，連續(xù)5個(gè)月時(shí)間始終保持了1 b的水平，說明AE46液壓油具有出色的抗銅片腐蝕保持能力。

旋轉(zhuǎn)氧彈

潤滑油品抵抗大氣（或氧氣）的作用而保持其性質(zhì)不發(fā)生永久性變化的能力叫氧化安定性，旋轉(zhuǎn)氧彈是表征潤滑油品氧化安定性的一個(gè)指標(biāo)。其數(shù)值越大，表明其抗氧化能力越好，其抗老化能力越強(qiáng)。液壓油的老化一方面會(huì)增加油品的黏度，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)會(huì)對(duì)液壓元件產(chǎn)生腐蝕，另一方面會(huì)降低液壓油品的使用壽命，為了保證盾構(gòu)機(jī)的長期可靠運(yùn)行，盾構(gòu)機(jī)用液壓油需要具有良好的抗氧化能力。應(yīng)用試驗(yàn)過程中油品旋轉(zhuǎn)氧彈變化情況見圖9。

由圖9可以看出，整個(gè)應(yīng)用過程中AE46液壓油的旋轉(zhuǎn)氧彈呈現(xiàn)規(guī)律性變化，并且變化幅度較小，旋轉(zhuǎn)氧彈下降率控制在10%左右，說明在整個(gè)應(yīng)用過程中AE46液壓油一直保持優(yōu)異的抗氧化性能，并且在應(yīng)用結(jié)束時(shí)油品依然具有非常好的抗氧化能力，進(jìn)而證明AE46液壓油具有優(yōu)異的抗氧化性能及較長的氧化壽命。

圖8 應(yīng)用試驗(yàn)過程中AE46液壓油銅片腐蝕變化情況

圖9 應(yīng)用試驗(yàn)過程中AE46液壓油旋轉(zhuǎn)氧彈變化情況

抗乳化性

抗乳化性表征潤滑油品油水分離的能力。液壓油中混入水后，在運(yùn)行過程中液壓油會(huì)與水形成乳化液，加速液壓元件的腐蝕，降低潤滑性能，加劇磨損。因此，盾構(gòu)機(jī)用液壓油在使用過程中需要始終保持良好的抗乳化性能。應(yīng)用試驗(yàn)過程中油品抗乳化性變化見圖10。

由圖10可以看出，整個(gè)應(yīng)用過程中AE46液壓油表現(xiàn)出了較好的抗乳化性能，經(jīng)過5個(gè)月的使用，油品依然具有優(yōu)異的抗乳化能力。

圖10 應(yīng)用試驗(yàn)過程中AE46液壓油抗乳化性變化情況

銅、鐵金屬元素含量

在盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)中，高壓液壓泵和大功率馬達(dá)被廣泛采用，這些部件在啟動(dòng)和停車時(shí)，往往可能處于邊界潤滑狀態(tài)，此時(shí)需要液壓油品為零部件提供良好的極壓、抗磨保護(hù)。銅、鐵元素含量的變化，在一定程度上可以反映盾構(gòu)機(jī)液壓元件的磨損程度。應(yīng)用試驗(yàn)過程中油品銅、鐵金屬元素含量變化情況見圖11、圖12。

圖11 應(yīng)用試驗(yàn)過程中AE46液壓油中銅元素變化情況

圖12 應(yīng)用試驗(yàn)過程中AE46液壓油中鐵元素變化情況

由圖11和圖12可以看出，整個(gè)應(yīng)用過程中AE46液壓油中銅、鐵金屬元素含量一直處于較低水平，銅元素含量一直維持在13 mg/kg以下，鐵元素含量一直維持在10 mg/kg以下，說明AE46液壓油在整個(gè)應(yīng)用過程中對(duì)設(shè)備起到了良好的抗磨保護(hù)。

結(jié)論

本次應(yīng)用研究采用中國石化長城AE46液壓油在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上開展了為期5個(gè)月的應(yīng)用和效果跟蹤，該盾構(gòu)機(jī)開挖直徑6.43 m，掘進(jìn)共計(jì)約1 600 m。結(jié)果表明，長城AE46液壓油保證了盾構(gòu)機(jī)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，為設(shè)備提供了全方位的潤滑保護(hù)，可以滿足該盾構(gòu)機(jī)的用油要求，并且表現(xiàn)出了極好的黏溫性能以及黏度、黏度指數(shù)保持能力，優(yōu)異的抗氧化能力和較長的氧化壽命，同時(shí)表現(xiàn)出良好的抗磨性能和抗腐蝕性能；中國石化長城AE46液壓油完全能夠滿足土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的潤滑要求。