雷 凌，張國(guó)茹，李 成

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

潤(rùn)滑油使用過(guò)程中在高溫、光照、機(jī)械剪切、金屬催化、外部污染等多種因素的共同作用下,不可避免地會(huì)發(fā)生氧化降解和性能下降。如果不能及時(shí)換油,機(jī)械零部件的磨損將加劇,甚至導(dǎo)致設(shè)備損傷,引發(fā)重大事故。因此,科學(xué)合理的潤(rùn)滑油壽命評(píng)價(jià)方法對(duì)于監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油使用性能、保障機(jī)械安全穩(wěn)定運(yùn)行、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命具有十分重要的意義[1-3]。

自20世紀(jì)80年代以來(lái),Kauffman利用循環(huán)伏安法檢測(cè)潤(rùn)滑油中抗氧劑的消耗量來(lái)評(píng)估油品壽命[2-3],并對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行加速熱氧化試驗(yàn)研究,將油品黏度與酸值突增的變化點(diǎn)定義為氧化終點(diǎn),以此評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油壽命[4]。此外,部分研究者以油品中剩余抗氧劑分解氫過(guò)氧化物的能力為基礎(chǔ),建立了用于評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油壽命的比色分析法[5]。同時(shí),基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的潤(rùn)滑油壽命預(yù)測(cè)模型也受到學(xué)者的關(guān)注。例如,魏雷[6]將潤(rùn)滑油斑點(diǎn)試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和壓力差示掃描量熱法相結(jié)合,建立了潤(rùn)滑油油斑灰度均值與起始氧化溫度關(guān)系的理論模型,并利用其預(yù)測(cè)潤(rùn)滑油的剩余使用壽命;龐晉山等[7]以酸值為潤(rùn)滑油壽命表征指標(biāo),基于潤(rùn)滑油氧化動(dòng)力學(xué)Arrhenius方程,通過(guò)模擬試驗(yàn)計(jì)算氧化活化能,進(jìn)而建立潤(rùn)滑油剩余有效壽命評(píng)估模型,快速估算潤(rùn)滑油的使用壽命。雖然以Arrhenius方程為基礎(chǔ)建立的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型在各領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用[8-11],然而,針對(duì)潤(rùn)滑油壽命評(píng)價(jià)方法和壽命預(yù)測(cè)模型的研究,目前尚未形成有效、統(tǒng)一的方法。

近年來(lái),電動(dòng)汽車(chē)逐漸成為新能源汽車(chē)發(fā)展的主要方向之一[12-14]。電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不斷向集成化、高速、高壓、高功率密度方向發(fā)展,對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速箱油氧化壽命提出了更高的要求,期望油品在使用周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)終生免維護(hù)。因此,減速箱油的使用性能對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行影響越來(lái)越大,清楚地掌握其老化過(guò)程的性能變化和使用壽命具有重要意義。然而,目前針對(duì)潤(rùn)滑油老化降解及壽命的評(píng)價(jià)多集中于發(fā)動(dòng)機(jī)油,而對(duì)電動(dòng)汽車(chē)減速箱油的研究較少,尤其是在高溫等復(fù)雜環(huán)境下,減速箱油的性能變化能否滿足應(yīng)用需求,值得系統(tǒng)研究。

歐洲標(biāo)準(zhǔn)方法CEC L-48-00《DKA氧化安定性試驗(yàn)》(簡(jiǎn)稱(chēng)“DKA氧化”)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油的氧化安定性評(píng)價(jià)具有良好的區(qū)分性,因而被廣泛應(yīng)用于減速箱油的性能評(píng)價(jià)[15]?；诖?本課題采用DKA氧化方法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)減速箱油進(jìn)行加速熱氧化分析,并基于潤(rùn)滑油氧化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)Arrhenius方程,對(duì)減速箱油酸值隨溫度變化的關(guān)系曲線進(jìn)行線性回歸,計(jì)算減速箱油的氧化反應(yīng)活化能和頻率因子,從而建立電動(dòng)汽車(chē)減速箱油理論壽命預(yù)測(cè)模型;同時(shí),對(duì)比DKA氧化試驗(yàn)油和實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)后油品性能,計(jì)算獲得其剩余使用壽命,為潤(rùn)滑油換油周期的科學(xué)制定提供了參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

兩款專(zhuān)門(mén)用于電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的減速箱油,分別編號(hào)為油品A和油品B,均由中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司北京研究院自制。

1.2 試驗(yàn)方法

(1)電動(dòng)汽車(chē)減速箱油的氧化試驗(yàn)按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)CEC L-48-00進(jìn)行,將(100±2)mL待測(cè)油加入標(biāo)準(zhǔn)氧化管中,通入(5±0.5)L/h的干燥空氣,持續(xù)氧化(192±0.5)h。氧化結(jié)束后,分別測(cè)定試驗(yàn)前后油品的酸值、40 ℃和100 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度。

(2)電動(dòng)汽車(chē)減速箱油的酸值按照GB/T 4945—2002《石油產(chǎn)品和潤(rùn)滑劑酸值和堿值測(cè)定法(顏色指示劑法)》測(cè)試,通過(guò)測(cè)試不同溫度下氧化試驗(yàn)前后的油品酸值,得到油品酸值與氧化溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,從而計(jì)算油品氧化反應(yīng)的活化能。

(3)采用電動(dòng)汽車(chē)減速箱高負(fù)荷實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)考察電動(dòng)汽車(chē)減速箱油在高扭矩工況環(huán)境下對(duì)變速箱的耐久保護(hù)性能。試驗(yàn)條件:溫度(100±5)℃,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最高輸出扭矩312 N·m,應(yīng)用運(yùn)行750 h。

(4)采用電動(dòng)汽車(chē)減速箱高速實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)考察電動(dòng)汽車(chē)減速箱油在高速運(yùn)行環(huán)境下對(duì)變速箱的耐久保護(hù)性能。試驗(yàn)條件:溫度(120±5)℃,模擬行駛速率160 km/h,應(yīng)用運(yùn)行750 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 潤(rùn)滑油壽命模型原理

潤(rùn)滑油的使用壽命受到多種因素的影響,其氧化失效過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程,不僅受基礎(chǔ)油和添加劑性能的影響,還與使用環(huán)境和運(yùn)行工況等息息相關(guān)。深入研究使用過(guò)程中潤(rùn)滑油的性能變化,有助于科學(xué)合理地制定換油周期。

研究表明[16],潤(rùn)滑油的氧化失效過(guò)程符合Arrhenius方程,見(jiàn)式(1)。

(1)

式中:K為反應(yīng)速率常數(shù);A為頻率因子;Ea為反應(yīng)活化能,J/mol;R為氣體常數(shù),取8.314 J/(mol·K);T為溫度,K。

假設(shè)同一種潤(rùn)滑油在氧化過(guò)程中油品與氧氣的反應(yīng)配比是固定的,從而可以用反應(yīng)速率v代替反應(yīng)速率常數(shù)K,見(jiàn)式(2)。

(2)

式中:vf為反應(yīng)速率;Δw為反應(yīng)中表征量(運(yùn)動(dòng)黏度、酸值或磨斑直徑等性能參數(shù))的變化;Δt為氧化時(shí)間,h;A0為特定反應(yīng)配比時(shí)的頻率因子,E′a為特定反應(yīng)當(dāng)量時(shí)的反應(yīng)活化能,J/mol。

對(duì)式(2)兩邊求對(duì)數(shù),可得:

(3)

通過(guò)測(cè)試不同氧化溫度下潤(rùn)滑油的Δw/Δt,可以獲得潤(rùn)滑油的ln(Δw/Δt)-1/T對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線,進(jìn)而通過(guò)計(jì)算斜率和截距,獲得E′a和A0,再將E′a和A0代回式(2),即可獲得Δw隨時(shí)間變化的關(guān)系式,由此計(jì)算油品在不同氧化溫度下的使用壽命。

在實(shí)際使用過(guò)程中,油品會(huì)受到剪切、氧化等多重作用的影響。在剪切作用下,具有較大相對(duì)分子質(zhì)量的聚合物易被剪切為小分子物質(zhì),導(dǎo)致油品運(yùn)動(dòng)黏度降低;而氧化作用則使油品運(yùn)動(dòng)黏度增加。在這兩種主要作用的共同影響下,油品運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢(shì)較為復(fù)雜,難以準(zhǔn)確反應(yīng)潤(rùn)滑油的使用性能變化。相比之下,潤(rùn)滑油酸值的變化與油品的摩擦學(xué)性能有相關(guān)性,能反映特定工況下潤(rùn)滑油的氧化降解程度。因此,本研究以油品酸值變化量(Δw)和酸值變化速率(v)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),建立電動(dòng)汽車(chē)減速箱油剩余使用壽命模型。

2.2 電動(dòng)汽車(chē)減速箱油動(dòng)力學(xué)研究及壽命模型建立

將油品A分別在413,433,453 K下進(jìn)行192 h的DKA氧化試驗(yàn),測(cè)試在不同氧化溫度下酸值的變化,進(jìn)而建立溫度-酸值變化速率的關(guān)系,并通過(guò)Arrhenius方程計(jì)算油品A的氧化活化能E′a和頻率因子A0。油品A氧化的動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 油品A的DKA氧化試驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果

對(duì)表1中的lnv與1/T進(jìn)行線性擬合,結(jié)果如圖1所示。由圖1可知:lnv與1/T擬合直線的決定系數(shù)(R2)為0.999 04,說(shuō)明二者具有良好的擬合性;該擬合直線的斜率(活化能與氣體常數(shù)的比值)為-9 850.87,截距(指前頻率因子)為1.519 2×107。

圖1 油品A氧化溫度與氧化速率回歸擬合關(guān)系

由此,經(jīng)式(2)可計(jì)算得到油品A氧化過(guò)程中的酸值變化與氧化試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系模型(油品使用壽命模型)函數(shù),如式(4)所示。

Δw=1.519 2×107×exp(-9 850.87/T)×Δt

(4)

對(duì)油品B進(jìn)行DKA氧化試驗(yàn),并采用同樣的方法進(jìn)行計(jì)算分析,其模擬結(jié)果和擬合結(jié)果分別見(jiàn)表2和圖2。

圖2 油品B氧化溫度與氧化速率回歸擬合關(guān)系

表2 油品B的DKA氧化試驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果

進(jìn)一步得到油品B的酸值變化隨著氧化試驗(yàn)時(shí)間變化的油品使用壽命模型函數(shù)式,如式(5)所示。

Δw=1.753 4×1011×exp(-13 885.43/T)×Δt

(5)

為了驗(yàn)證油品酸值變化與氧化時(shí)間關(guān)系函數(shù)的準(zhǔn)確性及模型的可靠性,將兩種試驗(yàn)油品在160 ℃下進(jìn)行672 h的DKA氧化試驗(yàn),并跟蹤測(cè)試其酸值變化。將DKA氧化試驗(yàn)期間測(cè)試獲得的酸值與計(jì)算得到的酸值進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖3所示。從圖3可知,油品酸值的計(jì)算值與測(cè)試值具有較好的吻合性,說(shuō)明所建立的油品使用壽命模型具有可靠性。

圖3 不同氧化時(shí)間下油品酸值的測(cè)試值與模型計(jì)算值對(duì)比曲線

2.3 不同氧化溫度下電動(dòng)汽車(chē)減速箱油理論壽命估算

為了研究不同氧化溫度對(duì)油品壽命差異性的影響,對(duì)比分析了油品A和油品B在不同氧化溫度下的壽命曲線,結(jié)果如圖4所示。從圖4可知,當(dāng)DKA氧化溫度較低時(shí),油品酸值增速較小,但隨著氧化溫度的升高,酸值增速會(huì)迅速增大。這說(shuō)明氧化溫度是影響油品壽命的重要因素。

圖4 不同氧化溫度下油品剩余壽命模型函數(shù)曲線

電動(dòng)汽車(chē)減速箱油的工作環(huán)境和運(yùn)行工況差別較大,導(dǎo)致油品氧化程度及酸值變化也有較大差異性。對(duì)于不同工作溫度下減速箱油的使用壽命,可以基于上述潤(rùn)滑油剩余壽命曲線來(lái)確定。若以油品實(shí)際使用極限情況下的酸值變化(Δw=2.5 mgKOH·g-1)為潤(rùn)滑油壽命終點(diǎn),則不同工作溫度下油品A和油品B的壽命曲線方程和理論壽命分別見(jiàn)表3和表4。通常情況下,變速箱油的工作溫度為60～80 ℃。由表3和表4可以看出:兩種電動(dòng)汽車(chē)減速箱油在該溫度范圍內(nèi)均具有較長(zhǎng)的理論壽命;氧化溫度每升高20 ℃,油品的壽命縮短65%～85%;而且,相同使用溫度下,油品B的使用壽命長(zhǎng)于油品A。

表3 不同工作溫度下油品A的理論壽命

表4 不同工作溫度下油品B的理論壽命

2.4 實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)后油品使用壽命分析

為了進(jìn)一步評(píng)估電動(dòng)汽車(chē)減速箱油的使用壽命,分別對(duì)油品B進(jìn)行高負(fù)荷和高速實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn),并測(cè)定耐久應(yīng)用試驗(yàn)后油品B的酸值、運(yùn)動(dòng)黏度等性能的變化,進(jìn)而利用所建減速箱油壽命模型評(píng)估油品B的使用壽命及剩余壽命。

對(duì)比DKA氧化試驗(yàn)(433 K)、高負(fù)荷實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)、高速實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)前后油品B的運(yùn)動(dòng)黏度及酸值,結(jié)果如表5所示。從表5可以看出:經(jīng)DKA氧化試驗(yàn)后,油品B的40 ℃和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度分別增長(zhǎng)了4.3%和2.7%,這是由于油品B在氧化試驗(yàn)過(guò)程中生成了一些大分子物質(zhì);而經(jīng)兩種實(shí)際耐久應(yīng)用后,油品的40 ℃和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度均有所減小,這是由于在減速箱實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)過(guò)程中油品B受剪切作用導(dǎo)致長(zhǎng)鏈分子斷鏈成小分子,而油品運(yùn)動(dòng)黏度減小。

表5 DKA氧化試驗(yàn)及實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)前后油品B的理化性質(zhì)

從表5還可以看出,經(jīng)DKA氧化試驗(yàn)后油品B的酸值增幅較大,而經(jīng)兩種實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)后油品B的酸值變化幅度較小。此外,高負(fù)荷實(shí)際耐久應(yīng)用后油品的酸值增加0.06 mgKOH/g,由表4中工作100 ℃下的壽命曲線,得到該試驗(yàn)過(guò)程消耗油品0.57 a使用壽命,占其生命周期的2.4%;同樣地,高速實(shí)際耐久應(yīng)用后油品的酸值增加0.15 mgKOH/g,該試驗(yàn)過(guò)程消耗油品0.22 a使用壽命,占其生命周期的6.0%。這說(shuō)明經(jīng)兩種實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)后油品的氧化程度較低,壽命衰減并不明顯,理論使用壽命剩余在90%以上。上述實(shí)際耐久性應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,基于Arrhenius方程建立油品壽命模型,對(duì)快速評(píng)估不同使用場(chǎng)合下油品的使用壽命具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié) 論

(1)基于Arrhenius動(dòng)力學(xué)方程,利用油品DKA氧化試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù),通過(guò)氧化溫度-油品酸值變化率關(guān)系曲線計(jì)算了潤(rùn)滑油的氧化反應(yīng)活化能,成功建立了電動(dòng)汽車(chē)的剩余壽命預(yù)測(cè)模型。該模型預(yù)測(cè)值與DKA氧化試驗(yàn)測(cè)試值具有較好的吻合性,可以用于計(jì)算不同氧化溫度下潤(rùn)滑油的理論使用壽命。

(2)在不同氧化溫度下,對(duì)兩種電動(dòng)汽車(chē)減速箱油進(jìn)行DKA氧化試驗(yàn),并獲得不同氧化溫度下減速箱油剩余壽命曲線。研究表明:隨著氧化溫度的升高,油品酸值增幅會(huì)迅速增大;氧化溫度每升高20 ℃,油品的壽命會(huì)縮短65%～85%;且在相同工作溫度下,油品B的使用壽命長(zhǎng)于油品A。

(3)對(duì)油品B進(jìn)行減速箱高負(fù)荷實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)和高速實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn),并對(duì)比分析DKA氧化試驗(yàn)和兩種實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)后油品的性質(zhì),結(jié)果發(fā)現(xiàn):DKA氧化試驗(yàn)后,油品黏度增大、酸值大幅增加;兩種實(shí)際耐久應(yīng)用試驗(yàn)后,油品黏度減小、酸值小幅增加。采用所建壽命模型分析試驗(yàn)后油品B的剩余使用壽命,發(fā)現(xiàn)經(jīng)兩種耐久應(yīng)用試驗(yàn)后油品仍具有90%以上的理論使用壽命。