姜禹，趙治宇，高潔，樊爽，張偉光，黃東升

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116031)

0 引言

隨著工程機械車輛日益向更大功率和更高性能的方向發(fā)展，大功率自動變速箱得到了越來越多的應(yīng)用[1]。

自動變速箱能滿足車輛頻繁起步、頻繁加速的要求，并可以連續(xù)加速至最高車速，提高車輛起步加速性能，從而提高整體運行速度。同時由于液力變矩器的作用，自動變速箱在車輛起步階段能增加扭矩，有利于發(fā)動機功率的充分利用[2]。

隨著自動變速箱技術(shù)的發(fā)展，大功率液力變速箱越來越廣泛地應(yīng)用于重型非公路車輛、油田、礦山、工程機械的傳遞系統(tǒng)，如鉆井機、壓裂車、固井車及其他重型自卸車等設(shè)備[3]。

大型非公路機械車輛OEM(設(shè)備制造商)根據(jù)各自重負(fù)荷非公路機械車輛自動變速箱的特點，均提出了相關(guān)的重負(fù)荷液力傳動油用油規(guī)格，如Caterpillar TO-4規(guī)格、Komatsu KES 07.868.1規(guī)格、Allison TES-439規(guī)格等[4]。

艾里遜公司成立于1915年，總部設(shè)立于美國印第安納州首府印第安納波里斯市，艾里遜變速箱公司是全球最大的商用自動變速箱和混合動力系統(tǒng)的領(lǐng)先生產(chǎn)商，艾里遜非公路系列變速箱主要應(yīng)用于油田和礦山等能源開采的重型工程機械中，艾里遜建議：只有符合艾里遜TES-439規(guī)格的油液方才用于5000、6000、8000和9000系列非公路變速箱。

近年來，隨著我國油田開發(fā)以及頁巖氣開采的需求加大，對油田和礦山工程機械的需求量大增，滿足TES-439規(guī)格重負(fù)荷液力傳動液的需求也逐年增長，根據(jù)市場的需求，中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心研發(fā)了滿足TES-439規(guī)格的KO重負(fù)荷液力傳動液系列產(chǎn)品。本文介紹了非公路車輛、工程機械設(shè)備對重負(fù)荷液力傳動液的要求及KO重負(fù)荷車輛液力傳動液的性能特點，并對KO重負(fù)荷液力傳動液在國內(nèi)某油田壓裂車的艾里遜9832系列變速箱的應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)。

1 KO系列重負(fù)荷液力傳動液標(biāo)準(zhǔn)

艾里遜于1955年發(fā)布了“C系列”變速箱用油規(guī)格，用以區(qū)別當(dāng)時其他的汽車變速箱油規(guī)格。隨著1989年最新C-4(TES-228)規(guī)格的發(fā)布，艾里遜持續(xù)推出“C系列”規(guī)格用來規(guī)定變速箱油用油要求。

多年來，“C系列”規(guī)格不斷改進(jìn)，包括新的和改進(jìn)的試驗、試驗方法和驗收標(biāo)準(zhǔn)。這些都使得變速箱油性能不斷地改善。隨著艾里遜TES-439規(guī)格的發(fā)布，艾里遜停止使用“C系列”規(guī)格。符合TES-439規(guī)格的油品被指定為“TES-439認(rèn)可”油品，用于艾里遜非公路(5000～9000系列)變速箱中[5]。

艾里遜TES-439規(guī)格中的黏度等級有：SAE 0W-30、SAE 0W-40、SAE 30、SAE 5W-40、SAE 10W-40、SAE 15W-40以及SAE 40共7個黏度等級，其中包含兩個單級油黏度等級以及5個多級油黏度等級，本產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)參照艾里遜TES-439規(guī)格要求、并根據(jù)國內(nèi)非公路車輛、工程機械用油實際工況環(huán)境及國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法而制定，主要技術(shù)指標(biāo)和試驗方法見表1。

表1 KO 0W-30重負(fù)荷液力傳動液的技術(shù)要求及試驗方法

表1(續(xù))

2 KO重負(fù)荷液力傳動液系列產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)

依據(jù)艾里遜TES-439規(guī)格要求對基礎(chǔ)油和添加劑進(jìn)行篩選，選擇合適的基礎(chǔ)油和添加劑，研發(fā)滿足規(guī)格的KO重負(fù)荷液力傳動液系列產(chǎn)品，產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)見表2。

表2 KO重負(fù)荷液力傳動液的典型數(shù)據(jù)

表2(續(xù))

艾里遜TES-439規(guī)格中對于重負(fù)荷液力傳動液的熱氧化安定性、極壓抗磨性能以及摩擦特性這三個關(guān)鍵性能的要求都比較的苛刻，KO系列重負(fù)荷液力傳動液在這三個方面均有較好的性能表現(xiàn)，具體性能表現(xiàn)在后面逐一描述。

2.1 優(yōu)異的熱氧化安定性

艾里遜TES-439規(guī)格采用ABOT鋁杯氧化試驗考察油品的熱氧化安定性，ABOT鋁杯氧化試驗在高溫、通入空氣以及含有金屬催化劑的條件考察油品的熱氧化安定性，采用KO系列重負(fù)荷液力傳動液進(jìn)行鋁杯氧化試驗，試驗結(jié)果以及技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 鋁杯氧化試驗數(shù)據(jù)

由表3數(shù)據(jù)可知，此重負(fù)荷液力傳動液能夠滿足ABOT鋁杯氧化試驗要求，鋁杯氧化試驗后，試驗件鋁杯以及鋁杯頂部見圖1和圖2。

圖1 鋁杯

圖2 鋁杯頂部

由圖1和圖2可知，鋁杯氧化試驗后，沒有明顯的油泥以及漆膜生成，說明KO重負(fù)荷液力傳動液具有優(yōu)異的高溫清凈性能，能夠滿足艾里遜TES-439規(guī)格要求[5]。

2.2 優(yōu)異的極壓抗磨性

艾里遜TES-439規(guī)格采用FZG承載能力試驗考察油品的抗磨性能，采用KO系列重負(fù)荷液力傳動液進(jìn)行FZG承載能力試驗，試驗結(jié)果以及技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4 FZG承載能力試驗數(shù)據(jù)

由表4數(shù)據(jù)可知， 該重負(fù)荷液力傳動液滿足TES-439規(guī)格中FZG承載能力試驗要求，F(xiàn)ZG承載能力試驗后，齒輪接觸面見圖3和圖4。

圖3 固定面

圖4 齒輪面

由圖3和圖4可知，齒輪面和固定面都光亮如新，沒有明顯的磨痕，說明KO重負(fù)荷液力傳動液具有優(yōu)異的極壓抗磨性能，滿足艾里遜TES-439規(guī)格要求[5]。

2.3 優(yōu)異的摩擦特性

艾里遜TES-439規(guī)格對于油品摩擦特性的考察采用高能摩擦試驗臺架，摩擦材料選用的是石墨基摩擦材料，并且對中點摩擦系數(shù)和結(jié)合時間提出了具體要求，采用KO系列重負(fù)荷液力傳動液進(jìn)行摩擦特性試驗，試驗結(jié)果以及技術(shù)指標(biāo)見表5。

表5 高能摩擦試驗數(shù)據(jù)

由表5數(shù)據(jù)可知，KO重負(fù)荷液力傳動液滿足艾里遜TES-439規(guī)格中高能摩擦試驗要求，摩擦系數(shù)以及停止時間見圖5和圖6。

圖5 停止時間

圖6 摩擦系數(shù)

由圖5和圖6可知，KO重負(fù)荷液力傳動液在高能摩擦試驗過程中摩擦系數(shù)變化和停止時間保持平穩(wěn)，說明KO重負(fù)荷液力傳動液具有優(yōu)異的摩擦性能，滿足艾里遜TES-439規(guī)格要求[5]。

2.4 滿足TES-439其他類型產(chǎn)品的性能指標(biāo)

艾里遜官網(wǎng)上列出了滿足TES-439規(guī)格并取得艾里遜TES-439認(rèn)證的潤滑油產(chǎn)品，其中主要分為兩種技術(shù)路線：一是以柴油機油為技術(shù)平臺的油品，這種油品既能滿足柴油機油規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，又能滿足艾里遜TES-439規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)；二是重負(fù)荷液力傳動液類型產(chǎn)品，這種油品是專門為了滿足艾里遜TES-439規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)而研制開發(fā)的，KO重負(fù)荷液力傳動液屬于第二種類型技術(shù)路線，并且KO 0W-30重負(fù)荷液力傳動液取得了艾里遜TES-439規(guī)格認(rèn)證。

在實際應(yīng)用中，油田礦山開采以及其他非公路設(shè)備用戶的艾里遜變速箱中還使用滿足Allison C-4(TES-228)規(guī)格的ATF類型產(chǎn)品，收集了取得TES-439認(rèn)證的二種不同技術(shù)路線的油品以及油田壓裂車使用的ATF類型油品，其中柴油機油的黏度等級選擇比較常見的SAE 15W-40，重負(fù)荷液力傳動液產(chǎn)品黏度等級為SAE 0W-30，與KO 0W-30重負(fù)荷液力傳動液進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)見表6。

表6 不同技術(shù)路線油品數(shù)據(jù)對比

3 KO重負(fù)荷液力傳動液的應(yīng)用

油田壓裂車臺上變速箱大部分采用的是艾里遜變速箱，主要是艾里遜5000系列、6000系列、8000系列和9000系列變速箱，艾里遜變速箱的具體規(guī)格見表7。

表7 艾里遜變速箱規(guī)格參數(shù)

目前，油田壓裂車上大部分使用滿足Allison C-4(TES-228)規(guī)格ATF類型的產(chǎn)品，我們利用KO重負(fù)荷液力傳動液和ATF進(jìn)行了對比行車試驗，行車試驗的變速箱為艾里遜非公路變速箱9832OFS型號。

由于行車試驗的兩種油品滿足的技術(shù)指標(biāo)以及初始的理化數(shù)據(jù)均不相同，選擇油品理化性能的變化率對油品在實際行車試驗過程中的性能變化進(jìn)行考察，在油箱及管路清洗干凈后，加入試驗油品，并且開機磨合一段時間，取出一定的試驗油品做為在用0 h樣品，以后每隔250 h取樣，分別考察每個時段每種油品的100 ℃運動黏度下降率、酸值變化以及鐵元素含量變化。

3.1 100 ℃運動黏度下降率

運動黏度是潤滑油重要的質(zhì)量指標(biāo)，運動黏度是一種條件黏度，是在一恒定溫度下，測定一定體積的液體在重力下流過一個標(biāo)定好的玻璃毛細(xì)管黏度計的時間[6]。非公路變速箱在正常工作時的溫度均在100 ℃左右，所以非公路變速箱中使用的重負(fù)荷液力傳動液主要考察100 ℃運動黏度，重負(fù)荷液力傳動液的運動黏度越低，抵抗液體黏性的能量損失就越少，傳動效率就越高，運動黏度如果過低則不能有效形成油膜，導(dǎo)致其極壓抗磨性能降低，減少齒輪以及軸承等零件的保護(hù)，重負(fù)荷液力傳動液在使用過程中由于受到較強的機械剪切，會導(dǎo)致運動黏度的下降，下降速率過快會導(dǎo)致變速箱內(nèi)壓力不穩(wěn)定并加速油品氧化。行車試驗的兩種油品的100 ℃運動黏度下降率的見圖7。

圖7 100 ℃運動黏度下降率

由圖7可知，KO重負(fù)荷液力傳動液的100 ℃運動黏度下降率低于ATF自動傳動液，并且在500 h后就達(dá)到穩(wěn)定，其主要原因是因為KO重負(fù)荷液力傳動液對于其中添加的黏指劑的種類和加量控制的比較嚴(yán)苛，在使用過程中，變速箱工作中壓力波動會更小一些，KO重負(fù)荷液力傳動液的抗剪切性能要優(yōu)于ATF自動傳動液。

3.2 酸值變化

酸值是中和1 g油品中酸性物質(zhì)所需要氫氧化鉀的毫克數(shù)，它是石油以及石油產(chǎn)品中一項重要的指標(biāo)，主要用來反映石油以及石油產(chǎn)品在開采、運輸、加工以及使用過程中對金屬的腐蝕性以及油品的變質(zhì)程度[7]，很多種類的潤滑油油品均采用酸值的增加值作為換油的一項考核指標(biāo)，當(dāng)酸值的增加值達(dá)到一定數(shù)值的時候，就說明該油品已經(jīng)完全氧化從而更換新的油品確保對設(shè)備的保護(hù)。行車試驗的兩種油品酸值增加值見圖8。

圖8 酸值增加值

油品新油的酸值是由油品中添加劑的化學(xué)性質(zhì)決定的，油品在使用過程中，添加劑的有效成分被不斷地耗解，在用油品的酸值會出現(xiàn)下降狀態(tài)，隨著添加劑有效成分的不斷耗解以及油品被氧化產(chǎn)品的酸性物質(zhì)的不斷增加，在用油品的酸值會在下降到某個數(shù)值后逐漸增加，當(dāng)酸值增加到一定的數(shù)值，整個油品將不適合繼續(xù)使用，對于重負(fù)荷液力傳動液，酸值的增加值一般不能超過2.5 mgKOH/g。

由圖8可知，KO重負(fù)荷液力傳動液和ATF自動傳動液的酸值增加值均為負(fù)值，KO重負(fù)荷液力傳動液在整個行車試驗過程中酸值下降值在0.6mgKOH/g到0.7mgKOH/g之間，中間略有波動，可能是由試驗誤差導(dǎo)致，并且KO重負(fù)荷液力傳動液的酸值還有下降的趨勢，ATF自動傳動液的酸值的增加值在750 h后略有回升，但是酸值的增加值還是負(fù)值，整體說明兩種油品的抗氧化性能均比較好。

3.3 鐵元素含量變化

通過分析潤滑油中鐵元素含量，可以看出潤滑油在金屬表面保持油膜的能力，良好的潤滑性能能夠保證工作部件的可靠潤滑，避免工作部件的磨損。變速箱在工作中，影響液力傳動液抗磨性能的重要因素是其在金屬表面的油膜保持能力，當(dāng)變速箱的負(fù)荷增大時，如果液力傳動液的潤滑性能不足，油膜被破壞，容易導(dǎo)致干摩擦，導(dǎo)致工作部件表面的擦傷和磨損，甚至出現(xiàn)燒結(jié)現(xiàn)象[8]，行車試驗的兩種油品的鐵元素含量增加值見圖9。

圖9 鐵元素增加量

由圖9可知，KO重負(fù)荷液力傳動液和ATF自動傳動液在500 h之前，鐵元素含量的增加速率都是相對平緩的，到500～750 h之間，KO重負(fù)荷液力傳動液的鐵元素含量的增加速率略有提升，而ATF自動傳動液的鐵元素含量增加速率大幅提升，其主要原因可能是這個時間段的工況比較苛刻，變速箱的負(fù)荷較大，導(dǎo)致工作部件表面的擦傷和磨損增大，到了750～1000 h，工況緩和之后，兩種油品的鐵元素含量的增加速率都有所下降，整個行車試驗過程中KO重負(fù)荷液力傳動液的鐵元素增加量均低于ATF自動傳動液的鐵元素增加值，并且面對比較苛刻的工況條件下，能夠為變速箱提供更好保護(hù)，說明KO重負(fù)荷液力傳動液的極壓抗磨性能優(yōu)于ATF自動傳動液產(chǎn)品。

4 結(jié)論

隨著艾里遜非公路變速箱的不斷發(fā)展，變速箱的總功率和總扭矩不斷增加，艾里遜非公路變相用油規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)也隨之不斷升級，相對于對于艾里遜 C-4(TES-228)規(guī)格，艾里遜TES-439規(guī)格中對于性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)化升級，例如，艾里遜TES-439中對極壓抗磨性能的考察進(jìn)行了提升，根據(jù)行車試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，滿足艾里遜TES-439規(guī)格的KO重負(fù)荷液力傳動液在使用過程中，鐵元素含量的增加量要明顯低于ATF類型產(chǎn)品行車試驗中的鐵元素增加量，說明滿足TES-439規(guī)格油品的極壓抗磨性能要高于滿足艾里遜C-4規(guī)格油品。滿足TES-439規(guī)格的KO重負(fù)荷液力傳動液在艾里遜非公路系列變速箱中將有著廣闊的應(yīng)用前景。