杜雪嶺 石 嘯 張國(guó)茹

(中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司北京研究院 北京 100085)

工業(yè)齒輪箱在鋼鐵、煤炭和水泥等行業(yè)的機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，齒輪箱向著體積小、高效率、長(zhǎng)壽命和優(yōu)異密封的方向發(fā)展。對(duì)工業(yè)齒輪油的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，油品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也不斷更新，主要是提升齒輪油的抗微點(diǎn)蝕性能、軸承保護(hù)性能、抗泡沫性能和與密封橡膠的相容性等方面[1-2]。

在各種工業(yè)齒輪傳動(dòng)設(shè)備中，齒輪油與齒輪箱中的密封橡膠材料直接接觸。如果工業(yè)齒輪油與密封橡膠材料的相容性不好，會(huì)導(dǎo)致多種不良后果，比如橡膠材料的過(guò)度膨脹或收縮，導(dǎo)致齒輪異常振動(dòng)及磨損；加速密封橡膠材料的老化，進(jìn)而影響到齒輪箱的整體壽命；導(dǎo)致油品泄漏，污染環(huán)境，甚至有可能帶來(lái)安全隱患[3]。

目前工業(yè)齒輪箱中使用的工業(yè)齒輪油，主要包括礦物型齒輪油、PAO(聚α烯烴，poly alphaolefin)合成型齒輪油和PAG(聚醚，polyalkylene glycol)合成型齒輪油等類(lèi)型。其中礦物型工業(yè)齒輪油用量最大，占比達(dá)80%以上，因此本文作者主要針對(duì)礦物型工業(yè)齒輪油進(jìn)行氧化和密封相容性研究。

1 工業(yè)齒輪油密封相容性研究概況

根據(jù)相關(guān)研究成果[4-5]，工業(yè)齒輪箱橡膠密封材料發(fā)生異常泄漏的主要原因包括密封圈本身的性能、裝配過(guò)程、潤(rùn)滑劑、設(shè)備操作條件、密封環(huán)境和軸表面情況等。其中潤(rùn)滑劑對(duì)于齒輪箱密封部件發(fā)生長(zhǎng)期泄漏影響因素占比可達(dá)40%，為主要影響因素。因此應(yīng)選用與橡膠有良好相容性的齒輪油，可保障齒輪箱密封良好，避免因油品泄漏導(dǎo)致液位降低等不良后果，同時(shí)也可避免因泄漏污染環(huán)境。

潤(rùn)滑油與橡膠的相容性指2種接觸的物質(zhì)互不影響彼此性能的能力，即包括潤(rùn)滑油對(duì)與其所接觸的橡膠材料無(wú)侵蝕的能力，以及橡膠不會(huì)污染與其所接觸潤(rùn)滑油的能力。相容性的本質(zhì)是潤(rùn)滑油與橡膠之間相互作用，這個(gè)作用包括物理作用和化學(xué)反應(yīng)。物理作用主要分為2個(gè)方面，一是潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)油和添加劑分子會(huì)向橡膠基體中擴(kuò)散，導(dǎo)致橡膠的體積膨脹；二是橡膠中的小分子物質(zhì)和各種助劑可以溶解在潤(rùn)滑油中，導(dǎo)致橡膠的體積收縮。潤(rùn)滑油與橡膠的化學(xué)反應(yīng)主要包括熱氧化反應(yīng)和基團(tuán)特異反應(yīng)，使橡膠高分子鏈斷裂、交聯(lián)結(jié)構(gòu)和填充組分被破壞，導(dǎo)致橡膠機(jī)械性能下降[6-9]。潤(rùn)滑油與橡膠之間的物理化學(xué)作用共同決定著兩者的相容性，因此溫度、氧氣含量、接觸方式等皆可影響潤(rùn)滑油的橡膠相容性。

國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的潤(rùn)滑油橡膠相容性試驗(yàn)主要參照GB/T 1690《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐液體試驗(yàn)方法》，標(biāo)準(zhǔn)修改采用ISO 1817《硫化橡膠或熱塑性橡膠 液體影響的測(cè)定》，該常規(guī)靜態(tài)相容性試驗(yàn)國(guó)內(nèi)外一般測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為24、72和168 h等[10-13]，但對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間的靜態(tài)相容性和長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)相容性的研究公開(kāi)報(bào)道相對(duì)較少。

長(zhǎng)周期靜態(tài)相容性和動(dòng)態(tài)相容性是高端工業(yè)齒輪油評(píng)價(jià)體系中必不可少的重要組成部分。歐洲特別是德國(guó)已經(jīng)建立了較為完善的工業(yè)齒輪油與橡膠密封材料相容性的評(píng)價(jià)體系，如普通工業(yè)齒輪油須符合DIN 51517-3《潤(rùn)滑劑 潤(rùn)滑油 第三部分：潤(rùn)滑油CLP的最低要求》工業(yè)齒輪油標(biāo)準(zhǔn)中常規(guī)靜態(tài)相容性要求(SRE-NBR 28/SX橡膠，100 ℃，168 h)[14]。而部分頂尖齒輪箱制造商(OEM)配套的高端工業(yè)齒輪油，除了要求滿(mǎn)足常規(guī)的靜態(tài)相容性，還需要通過(guò)OEM結(jié)合自身齒輪箱和橡膠材料特點(diǎn)建立的更為嚴(yán)苛的長(zhǎng)周期密封相容性試驗(yàn)，其中包括長(zhǎng)周期靜態(tài)相容性及動(dòng)態(tài)相容性評(píng)價(jià)[15]。相關(guān)測(cè)試要求見(jiàn)表 1。

表1 DIN 51517-3和高端齒輪箱OEM中對(duì)工業(yè)齒輪油橡膠密封相容性測(cè)試要求

從表1可以看出，DIN 51517-3工業(yè)齒輪油規(guī)格僅對(duì)168 h的常規(guī)靜態(tài)密封相容性有要求，而兩家OEM靜態(tài)密封相容性測(cè)試時(shí)間都延長(zhǎng)到了1 008 h；且需要開(kāi)展動(dòng)態(tài)相容性試驗(yàn)，其中OEM-2動(dòng)態(tài)相容性測(cè)試時(shí)間更長(zhǎng)(2 016 h)，也更為苛刻，后續(xù)長(zhǎng)周期相容性試驗(yàn)采用OEM-2測(cè)試條件。

在長(zhǎng)周期的橡膠相容性試驗(yàn)中，橡膠密封圈長(zhǎng)時(shí)間浸泡在潤(rùn)滑油液中會(huì)發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，潤(rùn)滑油本身在高溫試驗(yàn)下也會(huì)氧化變質(zhì)產(chǎn)生裂化酸性產(chǎn)物侵蝕橡膠材質(zhì)，影響橡膠性能。吳福麗等[10]研究表明抗氧劑對(duì)丁腈橡膠相容性有正面影響，主要是由于抗氧劑抑制了油品和橡膠的氧化過(guò)程，減緩了橡膠的老化。另外有研究表明[16-17]，抗氧劑的加入可以抑制油品和不飽和橡膠的氧化。因此本文作者擬對(duì)比加入不同類(lèi)型抗氧劑的工業(yè)齒輪油配方在氧化試驗(yàn)、常規(guī)靜態(tài)相容性試驗(yàn)、長(zhǎng)周期靜態(tài)相容性試驗(yàn)和長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)相容性試驗(yàn)中的性能差異，為高端工業(yè)齒輪油開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

文中制備3種油樣，分別是符合GB 5903—2011 L-CKD規(guī)格VG220-1工業(yè)齒輪油以及加入2種類(lèi)型抗氧劑的VG220-2和VG220-3工業(yè)齒輪油，具體見(jiàn)表 2，油品理化性能見(jiàn)表 3。

表2 3種試驗(yàn)用油樣 單位：%

表3 VG220油品理化性能

DIN 51517-3工業(yè)齒輪油標(biāo)準(zhǔn)中要求的常規(guī)靜態(tài)相容性試驗(yàn)橡膠為符合ISO 13226《橡膠——用于表征液體對(duì)硫化橡膠的影響的標(biāo)準(zhǔn)參考彈性體(SRE)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的SRE-NBR 28/SX硫化丁腈橡膠，OEM-2要求的長(zhǎng)周期密封相容性試驗(yàn)橡膠為DIN 3760《旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈》規(guī)格的72NBR902丁腈橡膠和75FKM585氟橡膠。橡膠樣件均是德國(guó)產(chǎn)，橡膠樣件參數(shù)見(jiàn)表 4。

表4 橡膠樣件性能參數(shù)

2.2 橡膠相容性試驗(yàn)

文中采用常規(guī)靜態(tài)試驗(yàn)(168 h)、長(zhǎng)周期靜態(tài)試驗(yàn)(1 008 h)和長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)試驗(yàn)(2 016 h)評(píng)價(jià)高端工業(yè)齒輪油橡膠相容性。

2.2.1 靜態(tài)相容性試驗(yàn)

常規(guī)和長(zhǎng)周期靜態(tài)相容性試驗(yàn)均采用浸泡試驗(yàn)，即將橡膠片浸泡在特定溫度的潤(rùn)滑油中達(dá)到一定時(shí)間，然后測(cè)試橡膠浸漬前后物理性能的變化來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油與橡膠材料的相容性，評(píng)價(jià)參數(shù)包括浸泡前后橡膠樣品的硬度變化率、體積變化率、拉斷強(qiáng)度變化率和拉斷伸長(zhǎng)變化率。DIN 51517-3要求的常規(guī)靜態(tài)試驗(yàn)中SRE-NBR 28/SX硫化丁腈橡膠試驗(yàn)溫度為100 ℃，浸泡時(shí)間為168 h；OEM要求的72NBR902橡膠和75FKM585橡膠靜態(tài)相容性試驗(yàn)溫度分別為95和110 ℃，浸泡時(shí)間均為1 008 h。靜態(tài)相容性評(píng)價(jià)主要試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 靜態(tài)密封相容性試驗(yàn)

2.2.2 動(dòng)態(tài)相容性試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)密封相容性測(cè)試在專(zhuān)門(mén)的動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，裝置示意圖見(jiàn)圖2。測(cè)試項(xiàng)目包括錐形軸芯裝置測(cè)試、徑向力測(cè)量和目視檢查等多個(gè)項(xiàng)目。根據(jù)DIN ISO 4287《產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu)輪廓法圖形參數(shù)》，使用表面測(cè)量裝置測(cè)量軸的磨損情況，并用顯微鏡(放大16～25倍)對(duì)密封材料進(jìn)行目視檢查。動(dòng)態(tài)相容性試驗(yàn)需要開(kāi)展240 h預(yù)篩選試驗(yàn)和2 016 h正式的長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)，其中預(yù)篩選240 h試驗(yàn)的測(cè)試溫度為80 ℃，2 016 h長(zhǎng)周期試驗(yàn)的測(cè)試溫度為70 ℃，具體測(cè)試條件和要求見(jiàn)表5和表6。

圖2 動(dòng)態(tài)密封測(cè)試裝置

表5 240 h預(yù)篩選動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)

表6 2 016 h長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 氧化試驗(yàn)

如前文所述，長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)密封相容性試驗(yàn)需要在70、95 ℃甚至100 ℃以上進(jìn)行，遠(yuǎn)高于工業(yè)齒輪油常見(jiàn)使用溫度(40～60 ℃)，屬于典型高溫工況。潤(rùn)滑油在高溫下的長(zhǎng)周期密封相容性與油品抗氧化性能可能存在一定關(guān)聯(lián)，因此在進(jìn)行密封相容性試驗(yàn)之前，采用SH/T 0123《極壓潤(rùn)滑油氧化性能測(cè)定法》對(duì)3種齒輪油的抗氧化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括標(biāo)準(zhǔn)要求的312 h氧化測(cè)試以及650 h延長(zhǎng)試驗(yàn)(非標(biāo)試驗(yàn))，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 7。

表7 VG220油品抗氧化性能

從表 7可以看出，VG220-1、VG220-2和VG220-3齒輪油均可以滿(mǎn)足312 h標(biāo)準(zhǔn)氧化試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)要求；但在650 h氧化延長(zhǎng)試驗(yàn)中，VG220-2齒輪油的抗氧化性能優(yōu)勢(shì)凸顯，100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化和酸值均小于VG220-1和VG220-3。

標(biāo)準(zhǔn)氧化試驗(yàn)和延長(zhǎng)氧化試驗(yàn)表明，采用胺類(lèi)抗氧劑補(bǔ)強(qiáng)的VG220-2高溫黏度控制能力和抑制酸值增加效果最優(yōu)；采用酚類(lèi)抗氧劑與原配方中的胺類(lèi)抗氧劑復(fù)配的VG220-3抑制黏度增長(zhǎng)能力較弱，酸值也有較大幅度增加，該酚類(lèi)抗氧劑與原配方中胺類(lèi)抗氧劑配伍不佳。另外，對(duì)于橡膠而言，VG220-2齒輪油氧化后酸值增加幅度較小，可減緩氧化生成的酸性物質(zhì)對(duì)橡膠的腐蝕。

3.2 168 h靜態(tài)相容性

3種工業(yè)齒輪油與SRE-NBR 28/SX橡膠在168 h靜態(tài)相容性試驗(yàn)結(jié)果及DIN 51517-3對(duì)于橡膠相容性的技術(shù)要求見(jiàn)表 8。

表8 168 h靜態(tài)相容性試驗(yàn)

從表8可以看出，VG220-1、VG220-2和VG220-3齒輪油常規(guī)168 h靜態(tài)橡膠相容性測(cè)試結(jié)果大體相近，均可滿(mǎn)足DIN 51517-3對(duì)于工業(yè)齒輪油橡膠相容性技術(shù)要求，表明168 h靜態(tài)試驗(yàn)對(duì)于該3種礦物型工業(yè)齒輪油密封相容性沒(méi)有區(qū)分度。

3.3 1 008 h靜態(tài)相容性

根據(jù)OEM靜態(tài)橡膠密封試驗(yàn)要求，將VG220-1、VG220-2和VG220-3齒輪油分別與72NBR902和75FKM585橡膠分別進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1 008 h靜態(tài)密封試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 長(zhǎng)周期靜態(tài)密封試驗(yàn)

從表9中結(jié)果可以看出，VG220-1和VG220-2油品都可以滿(mǎn)足1 008 h靜態(tài)密封試驗(yàn)要求，但VG220-3的硬度變化率和體積變化率略微超出了指標(biāo)限值，表明該酚型抗氧劑在此配方體系中與原復(fù)合劑中的胺類(lèi)抗氧劑配伍性不佳，長(zhǎng)周期抗氧化性能不足，油品氧化變質(zhì)生成過(guò)多的酸性化合物對(duì)75FKM585氟橡膠存在一定程度的副作用。168 h常規(guī)靜態(tài)相容性試驗(yàn)由于測(cè)試時(shí)間相對(duì)較短，無(wú)法有效區(qū)分3種礦物型齒輪油的密封相容性；而1 008 h靜態(tài)相容性則展現(xiàn)出了一定的區(qū)分度，VG220-3齒輪油1 008 h長(zhǎng)周期靜態(tài)相容性表現(xiàn)與650 h延長(zhǎng)氧化試驗(yàn)中其抗氧化性能基本一致(黏度增長(zhǎng)和酸值均是最大)。

由于2 016 h動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)周期長(zhǎng)，且費(fèi)用較高(7萬(wàn)元/次)，因此優(yōu)選VG220-1和VG220-2繼續(xù)開(kāi)展動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)。

3.4 2 016 h動(dòng)態(tài)相容性

根據(jù)OEM-2的具體要求，一般先開(kāi)展240 h預(yù)篩選試驗(yàn)，通過(guò)后再開(kāi)展2 016 h的長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)，每種橡膠需要做2次測(cè)試作為平行試驗(yàn)評(píng)價(jià)油品的密封相容性，VG220-1和VG220-2具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表10—13。

表13 VG220-2齒輪油2 016 h動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

從表10、12所示的動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)結(jié)果可知，VG220-1齒輪油僅可通過(guò)240 h動(dòng)態(tài)預(yù)篩選試驗(yàn)，無(wú)法滿(mǎn)足更為苛刻的2 016 h長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)密封相容性要求；而從表11、13所示的動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)結(jié)果可知，抗氧化性能優(yōu)異的VG220-2齒輪油可以通過(guò)240 h預(yù)篩選和2 016 h長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)相容性測(cè)試。

圖3所示為NBR密封圈在VG220-2油品中試驗(yàn)2016 h后的表面放大圖，圖4所示為FKM密封圈在VG220-2油品中試驗(yàn)2016 h后的表面放大圖?？梢钥闯觯赩G220-2齒輪油中試驗(yàn)后的NBR和FKM密封圈未發(fā)生明顯的磨損變色，且沒(méi)有碳化物沉積、裂縫和炮眼等異常現(xiàn)象，表明VG220-2齒輪油與72NBR902丁腈橡膠和75FKM585氟橡膠密封圈均具有較好的長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)密封相容性。

圖3 NBR密封圈在VG220-2油品中2 016 h試驗(yàn)后表面放大圖

圖4 FKM密封圈在VG220-2油品中2 016 h試驗(yàn)后表面放大圖

動(dòng)態(tài)相容性試驗(yàn)與靜態(tài)相容性試驗(yàn)的顯著區(qū)別在于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)模擬齒輪箱正常工作狀態(tài)下油品、密封圈和軸套三者之間的摩擦，長(zhǎng)時(shí)間摩擦過(guò)程會(huì)加速油品與橡膠之間一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)；而抗氧化性能最為優(yōu)異的VG220-2齒輪油可以減少氧化后酸性化合物的生成(650 h氧化試驗(yàn)中VG220-2齒輪油的酸值遠(yuǎn)小于其他方案)，可有效減緩油品老化對(duì)橡膠的侵蝕，更容易通過(guò)長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)密封相容性試驗(yàn)。同時(shí)表明VG220-2齒輪油中補(bǔ)加的抗高溫胺型抗氧劑與原復(fù)合劑中的胺類(lèi)抗氧劑配伍性較好，優(yōu)異的長(zhǎng)效抗氧化性能對(duì)齒輪油通過(guò)長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)密封相容性作用顯著，且長(zhǎng)周期密封相容性與650 h延長(zhǎng)氧化試驗(yàn)性能表現(xiàn)存在正向關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)論

對(duì)工業(yè)齒輪油與橡膠密封材料的相容性試驗(yàn)進(jìn)行了梳理，選擇工業(yè)齒輪箱常用的礦物工業(yè)齒輪油為試驗(yàn)油品，采用不同的抗氧劑配方體系L-CKD工業(yè)齒輪油，開(kāi)展SH/T 0123工業(yè)齒輪油氧化試驗(yàn)、168 h常規(guī)靜態(tài)相容性試驗(yàn)，以及OEM要求的最為嚴(yán)苛長(zhǎng)周期靜態(tài)(1 008 h)和動(dòng)態(tài)密封相容性(2 016 h)試驗(yàn)進(jìn)行油品密封相容性關(guān)聯(lián)性研究，得到以下結(jié)論。

(1)含有二苯胺類(lèi)抗氧劑的原配方、補(bǔ)加抗高溫胺類(lèi)抗氧劑和補(bǔ)加酚類(lèi)抗氧劑的3種齒輪油均可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)312 h氧化試驗(yàn)，但650 h氧化試驗(yàn)中補(bǔ)加抗高溫胺類(lèi)抗氧劑的VG220-2齒輪油黏度控制最好，酸值增加最小，抗氧化性能最優(yōu)。

(2)常規(guī)靜態(tài)密封相容性試驗(yàn)(168 h，100 ℃)無(wú)法有效區(qū)分3種礦物型工業(yè)齒輪油的密封相容性。長(zhǎng)周期靜態(tài)相容性試驗(yàn)(1 008 h，110 ℃)中酚類(lèi)抗氧劑補(bǔ)強(qiáng)方案不如胺類(lèi)抗氧劑補(bǔ)強(qiáng)方案和僅含二苯胺抗氧劑的原配方。長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)密封相容性(2 016 h，70 ℃)中補(bǔ)加抗高溫胺類(lèi)抗氧劑的VG220-2齒輪油密封相容性?xún)?yōu)于僅含二苯胺抗氧劑的原配方。在3種密封相容性測(cè)試中，長(zhǎng)周期動(dòng)態(tài)相容性(2 016 h，70 ℃)試驗(yàn)條件最為嚴(yán)苛，長(zhǎng)周期靜態(tài)相容性(1 008 h，110 ℃)次之。

(3)3種不同抗氧劑體系的礦物型工業(yè)齒輪油在650 h延長(zhǎng)氧化試驗(yàn)中的抗氧化性能表現(xiàn)與其在長(zhǎng)周期的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)相容性試驗(yàn)中基本一致。

(4)隨著高端齒輪箱應(yīng)用增多，設(shè)備對(duì)于齒輪油的密封相容性要求越來(lái)越嚴(yán)苛，礦物型工業(yè)齒輪油的密封相容性無(wú)法通過(guò)常規(guī)靜態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行有效區(qū)分，越來(lái)越多的高端工業(yè)齒輪箱OEM開(kāi)始采用長(zhǎng)周期靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)相容性試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于長(zhǎng)周期相容性試驗(yàn)考察而言，650 h延長(zhǎng)氧化試驗(yàn)具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。