張靜如

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司北京研究院

掘進(jìn)機(jī)械是工程機(jī)械行業(yè)中的一類重要設(shè)備，根據(jù)《工程機(jī)械定義及類組劃分》的分類[1]，掘進(jìn)機(jī)械主要分為懸臂式巷道掘進(jìn)機(jī)、全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)等。盾構(gòu)機(jī)是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的一種，其使用盾構(gòu)施工法，主機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1[2]。盾構(gòu)機(jī)起源于英國(guó)，在20世紀(jì)上半葉盾構(gòu)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，并在德國(guó)、美國(guó)、日本以及歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了較快的發(fā)展。目前，盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的不斷改進(jìn)，其作為一種高效的隧道施工設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于各種隧道施工中，如地鐵建設(shè)、輸油管道等，并擴(kuò)展到多個(gè)領(lǐng)域，得到了廣泛的認(rèn)可[3]。我國(guó)的盾構(gòu)技術(shù)起步較晚，在21世紀(jì)初，美國(guó)、日本和歐洲等國(guó)家的盾構(gòu)機(jī)相關(guān)公司壟斷了我國(guó)盾構(gòu)機(jī)市場(chǎng)和技術(shù)。國(guó)際知名的盾構(gòu)機(jī)制造商包括德國(guó)的海瑞克公司、維爾特公司，日本的小松公司和川崎重工，美國(guó)的羅賓斯公司以及法國(guó)的NFM公司等[4]。

圖1 盾構(gòu)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展與城市化水平的提高，我國(guó)隧道及地下空間開(kāi)發(fā)得到迅猛發(fā)展[5]。我國(guó)的盾構(gòu)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已形成一套全面的技術(shù)體系，通過(guò)對(duì)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)與吸收，我國(guó)研制出一系列具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、性能優(yōu)良的盾構(gòu)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)盾構(gòu)從有到優(yōu)的發(fā)展，結(jié)束了我國(guó)盾構(gòu)長(zhǎng)期依賴國(guó)外品牌的歷史。我國(guó)進(jìn)入了具備盾構(gòu)自主設(shè)計(jì)、制造和施工技術(shù)的盾構(gòu)大國(guó)行列，同時(shí)我國(guó)也涌現(xiàn)出了多家實(shí)力雄厚的盾構(gòu)機(jī)制造公司。如中國(guó)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司、中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司、中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司等。

盾構(gòu)設(shè)備作為機(jī)械化開(kāi)挖的工程裝備，已在鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵、綜合管廊、地下通道、煤礦巷道和飲水隧洞等隧道及地下空間開(kāi)發(fā)工程中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。并隨著城市地下交通以及地下管廊等規(guī)劃的進(jìn)一步實(shí)施，盾構(gòu)機(jī)的需求量將進(jìn)一步擴(kuò)大。為了適應(yīng)不同工程對(duì)盾構(gòu)施工技術(shù)的需求，盾構(gòu)施工技術(shù)還需要進(jìn)一步的發(fā)展和完善[7]。

根據(jù)出渣方法以及工作方式的不同，目前國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)主要分為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)、泥水盾構(gòu)機(jī)及巖石掘進(jìn)機(jī)等。這幾類盾構(gòu)機(jī)工況普遍具有負(fù)荷較大、工作溫度高、連續(xù)作業(yè)、多粉塵以及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，因此，對(duì)設(shè)備用油具有較高的要求，需要具備優(yōu)異的極壓抗磨性、防銹性、耐高溫性及抗氧化性等性能。由于我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)源于國(guó)外，其潤(rùn)滑油品的選用一直沿用國(guó)外品牌。為了探索長(zhǎng)城液壓油在盾構(gòu)機(jī)及其他工程機(jī)械上的應(yīng)用性能，擴(kuò)大長(zhǎng)城液壓油的應(yīng)用范圍，本文開(kāi)展了長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）產(chǎn)品在某電力隧道項(xiàng)目某型號(hào)盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用試驗(yàn)，為盾構(gòu)機(jī)等工程機(jī)械用油的國(guó)產(chǎn)化替代提供支持。

應(yīng)用試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備基本情況

本次應(yīng)用研究選用的設(shè)備為土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，共涉及兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)，分別記為1號(hào)盾構(gòu)機(jī)和2號(hào)盾構(gòu)機(jī)。兩臺(tái)設(shè)備參數(shù)相同，主要參數(shù)如表1所示，開(kāi)挖直徑均為4 350 mm。1號(hào)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)里程約2 840 m，2號(hào)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)里程約2 900 m。

表1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)油品信息

試驗(yàn)使用的長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）產(chǎn)品典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）典型數(shù)據(jù)

取樣

本次應(yīng)用研究所使用的長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）自盾構(gòu)機(jī)廠內(nèi)試機(jī)開(kāi)始注入液壓系統(tǒng)內(nèi)，試機(jī)結(jié)束后，將盾構(gòu)機(jī)液壓油系統(tǒng)內(nèi)液壓油抽取干凈，重新注滿長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）新油。裝油完畢后，開(kāi)展盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行。將試運(yùn)行結(jié)束后第一次抽取的液壓油油樣作為0個(gè)月的油樣，此后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況及設(shè)備運(yùn)行情況每月定期取樣，直至本次應(yīng)用研究任務(wù)結(jié)束。1號(hào)盾構(gòu)機(jī)共計(jì)取樣13次，2號(hào)盾構(gòu)機(jī)共計(jì)取樣12次。本次行車試驗(yàn)所取油樣外觀照片如圖2所示。

圖2 行車試驗(yàn)油樣照片

油樣監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）在1號(hào)和2號(hào)盾構(gòu)機(jī)上的性能變化，本次應(yīng)用研究參照液壓油換油標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T 0599的指標(biāo)要求，并結(jié)合盾構(gòu)機(jī)工況要求，對(duì)能夠表征盾構(gòu)機(jī)用液壓油性能變化的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了分析。

參照換油標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T 0599的要求，本次應(yīng)用研究選取的分析項(xiàng)目包括：色度增加、40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化率、酸值增加、戊烷不溶物以及銅片腐蝕性能，詳細(xì)要求見(jiàn)表3。因人工取樣過(guò)程中，油品清潔度和含水量受外界因素影響較大，故本次應(yīng)用研究未進(jìn)行清潔度和抗乳化性能分析。同時(shí)，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)用油主要性能要求（抗氧化性能、抗磨性能、耐高溫性能），并參照企標(biāo)Q/SH 3031 0550《AE液壓油》新油技術(shù)要求，對(duì)油品黏度指數(shù)變化、旋轉(zhuǎn)氧彈變化以及磨損金屬含量（鐵和銅）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表3 選取的液壓油關(guān)鍵換油指標(biāo)技術(shù)要求及試驗(yàn)方法

結(jié)果及討論

經(jīng)過(guò)總里程約5 800 m的行車試驗(yàn)，試驗(yàn)油品長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）在1號(hào)和2號(hào)盾構(gòu)機(jī)上運(yùn)行良好。具體分析結(jié)果如下：

色度

潤(rùn)滑油的顏色可以反映其精制程度和穩(wěn)定性，同時(shí)，也與油品中加入的添加劑有關(guān)。對(duì)于在用油，通過(guò)新、舊油品色度的對(duì)比，可以大致估量油品的氧化、變質(zhì)和受污染的情況。應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中，油品色度變化情況如圖3所示。

圖3 應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）色度變化情況

由圖3可以看出，1號(hào)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行2 840 m的油樣及2號(hào)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行2 400 m的油樣色度較大，原因是取樣時(shí)油品被污染，致使油樣渾濁，色度變大。除此之外，整個(gè)應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）的色度呈現(xiàn)規(guī)律性變化，并且變化幅度較小，色度增長(zhǎng)始終保持在不大于2 號(hào)的范圍內(nèi)，在一定程度上反映了油品老化程度較小。

運(yùn)動(dòng)黏度

運(yùn)動(dòng)黏度是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油品流動(dòng)性的重要指標(biāo)。黏度過(guò)大，潤(rùn)滑油流動(dòng)性差，不易啟動(dòng)，增加液壓系統(tǒng)壓力和功率的損失；黏度過(guò)小，不易形成流體潤(rùn)滑，增加液壓泵零部件磨損，同時(shí)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)密封性變差，導(dǎo)致容積效率降低。因此，液壓油需保持一個(gè)適當(dāng)?shù)酿ざ?，用?lái)保證盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)的正常潤(rùn)滑和密封。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，黏度變化通常是由氧化所致。應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中，油品運(yùn)動(dòng)黏度變化情況如圖4所示。

圖4 應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化情況

由圖4可以看出，長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）的40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度未有較大變化，且黏度變化曲線一直保持在較好水平。這說(shuō)明長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）在應(yīng)用過(guò)程中具有較好的黏度保持能力。

黏度指數(shù)

黏度指數(shù)反映液壓油黏度隨溫度變化的保持能力。一般來(lái)說(shuō)，溫度升高導(dǎo)致液壓油黏度變小，溫度下降和壓力增加導(dǎo)致液壓油黏度變大。盾構(gòu)機(jī)使用工況較為苛刻，外部環(huán)境溫度變化較大。因此，盾構(gòu)機(jī)用液壓油需要有較高的黏度指數(shù)，為盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)提供良好的潤(rùn)滑和密封，保證高效的能量傳遞。應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中，油品黏度指數(shù)變化情況如圖5所示。

圖5 應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）黏度指數(shù)變化情況

由圖5可以看出，長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）的黏度指數(shù)未發(fā)生大的變化，說(shuō)明長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）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(rùn)滑保護(hù)，同時(shí)保證更加有效的能量傳遞。

酸值

酸值是潤(rùn)滑油中含有酸性物質(zhì)的一種指標(biāo)。一般認(rèn)為，酸值的下降與油品使用初期酸性添加劑（如極壓抗磨劑）的消耗有關(guān)，而隨著油品使用時(shí)間增加，油品氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)會(huì)再次導(dǎo)致酸值升高，在正常使用過(guò)程中液壓油酸值呈現(xiàn)先下降后上升的規(guī)律。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(guò)程中，油品酸值變化情況如圖6所示。

圖6 應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）酸值增加變化情況

由圖6可以看出，整個(gè)應(yīng)用過(guò)程長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）的酸值變化幅度較小，說(shuō)明油品的老化程度較小。且酸值整體稍有下降，但未呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，推測(cè)油品中的極壓抗磨劑有少量消耗，尚未出現(xiàn)大量消耗。

戊烷不溶物

戊烷不溶物指的是使用過(guò)的油品在溶于戊烷后所分離出的物質(zhì)，一般包括油品的氧化產(chǎn)物、添加劑的分解產(chǎn)物、灰塵、積炭、金屬粉末等。可以用于判斷油品在使用過(guò)程中的受污染程度和老化程度。應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中，油品戊烷不溶物變化情況如圖7所示。

圖7 應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）戊烷不溶物變化情況

由圖7可以看出，整個(gè)應(yīng)用過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）的戊烷不溶物始終保持在較低的范圍內(nèi)，戊烷不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大不超過(guò)0.04%，說(shuō)明長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）在應(yīng)用過(guò)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(zhǎng)的氧化壽命。

銅片腐蝕

潤(rùn)滑油品中的活性硫化物對(duì)金屬有較強(qiáng)的腐蝕作用，直接影響設(shè)備的工作壽命。同時(shí)，潤(rùn)滑油品使用一段時(shí)間后，會(huì)產(chǎn)生具有腐蝕性的氧化物。盾構(gòu)機(jī)液壓元器件中含有銅等活潑金屬元素，因此，盾構(gòu)機(jī)用液壓油需具有優(yōu)異的抗腐蝕能力，以達(dá)到對(duì)液壓元器件的保護(hù)作用。應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中，油品銅片腐蝕性能變化情況如圖8所示。

圖8 應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）銅片腐蝕變化情況

由圖8可以看出，兩臺(tái)盾構(gòu)機(jī)裝填的長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）的銅片腐蝕測(cè)試結(jié)果均為1b級(jí)別，未達(dá)到NB/SH/T 0599液壓油換油標(biāo)準(zhǔn)中銅片腐蝕指標(biāo)要求（＞2a）。表明油品在整個(gè)應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中始終具有良好的銅腐蝕防護(hù)性能。

旋轉(zhuǎn)氧彈

旋轉(zhuǎn)氧彈可用來(lái)測(cè)試潤(rùn)滑油品抗氧化能力。通常情況下礦物型潤(rùn)滑油抗氧化能力越好，旋轉(zhuǎn)氧彈數(shù)值越大。因盾構(gòu)機(jī)通常為地下作業(yè)，潤(rùn)滑油品更換較為不便。因此，盾構(gòu)機(jī)所用液壓油更加需要具有優(yōu)異的抗氧化能力，用來(lái)保證盾構(gòu)機(jī)的更長(zhǎng)周期的可靠運(yùn)行。應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中，油品旋轉(zhuǎn)氧彈變化情況如圖9所示。

圖9 應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）旋轉(zhuǎn)氧彈變化情況

由圖9可以看出，對(duì)于1號(hào)盾構(gòu)機(jī)，整個(gè)應(yīng)用過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）的旋轉(zhuǎn)氧彈變化幅度較小，說(shuō)明在整個(gè)應(yīng)用過(guò)程中長(zhǎng)城AE 68 液壓油均保持優(yōu)異的抗氧化性能。對(duì)于2號(hào)盾構(gòu)機(jī)，前期長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）旋轉(zhuǎn)氧彈變化一直較為平穩(wěn)，在設(shè)備運(yùn)行后期時(shí)，旋轉(zhuǎn)氧彈數(shù)值稍有降低，但此時(shí)油品依然具有較好的抗氧化能力。

元素含量

液壓油中銅、鐵元素含量的變化情況可以表征液壓系統(tǒng)液壓元器件的磨損情況，也代表了液壓油對(duì)液壓元器件接觸界面的保護(hù)情況。應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中，油品元素含量變化情況見(jiàn)表4和表5，試驗(yàn)方法為GB/T 17476。

表4 應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中1號(hào)盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）銅、鐵元素變化情況

表5 應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中2號(hào)盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）銅、鐵元素變化情況

由表4和表5可以看出，長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）中銅、鐵金屬元素含量一直處于較低水平，均維持在10 mg/kg以下。說(shuō)明長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）在整個(gè)應(yīng)用過(guò)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(guó)石化長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）在兩臺(tái)直徑為4 350 mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上開(kāi)展了全標(biāo)段行車試驗(yàn)和效果追蹤，每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)施工標(biāo)段均約為2 900 m，本次行車試驗(yàn)項(xiàng)目掘進(jìn)總長(zhǎng)度約5 800 m。結(jié)果表明中國(guó)石化長(zhǎng)城AE 68液壓油（高清）具有良好的抗氧化性、抗腐蝕性、抗磨性、耐久性等綜合性能，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(rùn)滑，可以滿足該盾構(gòu)機(jī)的潤(rùn)滑要求。