廖豐斌 張建榮 華秀菱 伏喜勝 陳志忠 黃蕓琪

1 中國石油潤滑油公司產(chǎn)品設(shè)計中心

2 中國石油潤滑油公司

隨著我國鐵路運輸事業(yè)的飛速發(fā)展，引進國外先進機車產(chǎn)品的步伐也在不斷加大。近年來，中國中車大連機車車輛有限公司與美國EMD 公司合作生產(chǎn)了HXN3型鐵路機車[1，2]。該型機車是在SD70MAC、SD90MAC 型機車基礎(chǔ)上，根據(jù)中國鐵路技術(shù)規(guī)范改進設(shè)計而成的6 000 馬力（4 410 kW）交流傳動干線貨運鐵路機車[3～5]。機車軸重25 t，采用一系列先進技術(shù)，可在平直線路上單機牽引5 000 t 貨運列車，最高運行速度為120 km[6～8]。其工況為典型的高速重載工況，對傳動系統(tǒng)齒輪箱油的極壓抗磨性能、熱氧化安定性能提出了更高的要求，相比于普通齒輪油，在抗氧化性能、抗磨性能以及防腐蝕性能等方面具有更為優(yōu)異的表現(xiàn)。本文通過對HXN3 型鐵路機車運行工況開展調(diào)研，并對HXN3型鐵路機車在用國外專用油品進行分析，結(jié)合HXN3 型鐵路機車運行工況和競品性能特點，通過實驗室大量的考察，最終成功研制出滿足HXN3 型鐵路機車潤滑需求的齒輪油產(chǎn)品，產(chǎn)品性能與國外油品相當(dāng)。

國外油品性能考察及分析

對HXN3 型鐵路機車在用國外專用油品進行了全面的理化分析和性能評價，分析評價結(jié)果詳見表1。

表1 國外油品分析數(shù)據(jù)

從表1 數(shù)據(jù)可以看出，國外油品黏度指數(shù)達到182，傾點為-45 ℃，表明油品具有卓越的黏溫性能和低溫性能，常規(guī)的PAO合成油無法滿足性能需求。銅片腐蝕（121 ℃，24 h）結(jié)果為1b，該項目標(biāo)準(zhǔn)試驗時間為3 h，表明油品具有突出的防腐蝕性能。氧化壽命試驗（ASTM D943）可以測試油品長周期條件下的抗氧化性能，而旋轉(zhuǎn)氧彈試驗溫度為150 ℃，可以測試油品高溫下的抗氧化性能，國外油品氧化壽命達到10 000 h 以上，旋轉(zhuǎn)氧彈達到2 200 min，表明油品具有優(yōu)異的抗氧化性能。國外油品比較側(cè)重于抗氧化性能和防腐蝕性能。

供圖/廖豐斌

試驗部分

基礎(chǔ)油選擇

根據(jù)國外油品黏度指數(shù)和傾點數(shù)據(jù)，判斷其為全合成油品，從40 ℃運動黏度數(shù)據(jù)可以看出國外油品為460 黏度級別。因此，HXN3型鐵路機車齒輪箱油基礎(chǔ)油選用具有較高黏度指數(shù)的PAO 合成基礎(chǔ)油，該基礎(chǔ)油與傳統(tǒng)PAO 相比，具有更高的黏度指數(shù)、更好的剪切穩(wěn)定性能以及低溫性能，可以為潤滑油成品提供更為出色的性能表現(xiàn)。同時，也引入了一部分酯類基礎(chǔ)油，以增加對部分添加劑的溶解性。HXN3 型鐵路機車齒輪箱油基礎(chǔ)油性質(zhì)見表2。

表2 HXN3型鐵路機車齒輪箱油基礎(chǔ)油性質(zhì)

從表2 可以看出，基礎(chǔ)油的黏度、黏度指數(shù)和傾點與國外油品相當(dāng)，可以滿足要求。因此確定采用高黏度指數(shù)PAO 加酯類油為HXN3型鐵路機車齒輪箱油的基礎(chǔ)油方案。

添加劑選擇

國外專用油品具有卓越的抗高溫/抗氧化性能、沉積控制以及抗化學(xué)降解能力，以適應(yīng)長周期運行工況。經(jīng)評價分析，其氧化壽命試驗達到10 000 h 以上，旋轉(zhuǎn)氧彈試驗結(jié)果達到2 200 min。首先對現(xiàn)有添加劑配方體系進行了關(guān)鍵性能考察，調(diào)合方案和分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 現(xiàn)有配方體系考察

從表3 數(shù)據(jù)可以看出，GO-1、GO-2 旋轉(zhuǎn)氧彈試驗結(jié)果分別為805 min 和152 min，氧化壽命試驗分別為小于1 000 h 和小于500 h，遠低于國外油品。因此，現(xiàn)有添加劑配方體系均不能滿足國外油品的抗氧化性能要求。

抗氧劑的選擇

從某種意義上講，一種油品各方面性能的變化，使用過程中質(zhì)量的變差，皆由油品的氧化所引起。因此，需要在配方中引入抗氧劑增強油品的抗氧化性能。本研究通過在基礎(chǔ)油中以0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的加劑量引入不同類型抗氧劑，對其抗氧化性能（旋轉(zhuǎn)氧彈，NB/SH/T 0193）進行考察。試驗結(jié)果見表4。

表4 抗氧劑的選擇和性能考察

從表4 可以看出，相比于其他幾種抗氧劑，硫化烷基酚在配方中的旋轉(zhuǎn)氧彈時間最長，抗氧化性能較好。

極壓抗磨劑的選擇

齒輪油中極壓抗磨劑為主要添加劑，并且種類較多。而極壓抗磨劑又都是化學(xué)活性相對較高的化合物，容易被金屬表面（齒面）吸附，產(chǎn)生化學(xué)或物理反應(yīng)膜，從而起到防止金屬摩擦或咬合的作用[9]。高活性的含磷極壓抗磨劑是導(dǎo)致齒輪油生成油泥的主要原因，從而降低油品的抗氧化性能。國外油品兼具優(yōu)異的抗氧化性能和極壓抗磨性能，因此需要選擇活性適宜的極壓抗磨劑，從而保證油品極壓抗磨性能的同時確保油品具有優(yōu)異的抗氧化性能。在上文確定的基礎(chǔ)油中加入0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的硫化烷基酚后，選用幾種不同類型的極壓抗磨劑以1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）加劑量引入其中，采用旋轉(zhuǎn)氧彈試驗（NB/SH/T 0193）和四球機試驗（GB/T 3142、NB/SH/T 0189）對油品抗氧化性能和極壓抗磨性能進行考察，試驗結(jié)果見表5。

表5 極壓抗磨劑的選擇和性能考察

從表5 數(shù)據(jù)可以看出，相比與其他兩種極壓抗磨劑，在配方中引入二烷基二硫化物在保證油品極壓抗磨性能的基礎(chǔ)上，有效提高油品的抗氧化性能。

防銹劑的選擇

極壓抗磨劑與金屬表面產(chǎn)生的反應(yīng)膜是對金屬的一種腐蝕或銹蝕。因此，有必要引入防銹劑使表面活性物質(zhì)與極壓抗磨劑之間在金屬表面產(chǎn)生一種競爭吸附，使之達到某種平衡狀態(tài)，既有一定的極壓抗磨性，又不致于產(chǎn)生過度腐蝕或銹蝕。本研究在上文確定的基礎(chǔ)油中加入0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的硫化烷基酚和1.0%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的二烷基二硫化物基礎(chǔ)上，通過引入兩種同類型不同結(jié)構(gòu)的防銹劑，以0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的總劑量在不同比例下對油品的防銹性能[GB/T 11143（B 法）]和抗氧化性能（旋轉(zhuǎn)氧彈，NB/SH/T 0193）進行了考察。試驗結(jié)果見表6。

表6 防銹劑的選擇和防銹性能考察

從表6 可以看出，辛基苯駢三氮唑可以有效提升油品的防銹性能，但對抗氧化性能不利，甲基苯駢三氮唑?qū)寡趸阅苡绊戄^小，但防銹性能不好。在兩者質(zhì)量比為7：3時，兼具優(yōu)異的防銹性能和抗氧化性能，與國外油品相當(dāng)。

HXN3 型鐵路機車齒輪箱油綜合性能考察

通過對抗氧劑、極壓抗磨劑、防銹劑等添加劑的篩選，以及配方中各添加劑之間的配比進行考察，形成了HXN3 型鐵路機車齒輪箱油配方技術(shù)，并對調(diào)合的油品與國外油品進行全面分析評價，結(jié)果見表7。

表7 HXN3型鐵路機車齒輪箱油與國外油品的典型性質(zhì)

從表7 可以看出， 研制的HXN3 型鐵路機車齒輪箱油具有優(yōu)異的抗氧化性能、極壓抗磨性能、黏溫性能、低溫性能、抗泡性能等。與國外油品相比，具有更為優(yōu)異的極壓抗磨性能、油膜強度。在保證優(yōu)異的抗氧化性能的同時，保持了出色的極壓抗磨性能。其余各項理化性能和國外油品基本相當(dāng)。

HXN3 型鐵路機車齒輪箱油與國外油品的性能評價

為了更好地評價研制油在實際使用過程中的性能，通過四球摩擦系數(shù)試驗、EHD2 油膜厚度測定試驗等模擬試驗對研制油和國外油品進行對比分析。

試驗方法

摩擦系數(shù)測定試驗：采用四球磨損試驗機，按SH/T 0762《潤滑油摩擦系數(shù)測定法（四球法）》測定油品的摩擦系數(shù)，試驗條件為：試驗油溫75 ℃，負荷98.1 N（10 kgf）條件下，以轉(zhuǎn)速600 r/min 運行10 min， 每10 min 增加負荷98.1 N（10 kgf），每10 min 記錄一次摩擦系數(shù)。

EHD2 油膜厚度測定試驗：采用英國PCS 公司生產(chǎn)的EHD2 油膜厚度測定儀，測試油品在80 ℃和120 ℃，載荷25 N 條件下的油膜厚度。

摩擦系數(shù)測定試驗

摩擦系數(shù)測定試驗主要用于評價潤滑油的摩擦特性。研制油和國外油品的摩擦系數(shù)測定試驗曲線如圖1 所示。

圖1 摩擦系數(shù)測定試驗曲線

從圖1 可以看出，研制油的摩擦系數(shù)隨著試驗負荷的增加始終保持平穩(wěn)，在試驗負荷達到588 N 之后略低于國外油品，表明兩者均具有良好的摩擦特性。對應(yīng)實際工況，可以降低油溫，提高齒輪箱傳動效率，有效提升燃油經(jīng)濟性。

EHD2 油膜厚度測定試驗

成膜能力的評價是對油品在苛刻工況下減摩特性的考察，成膜能力強，在極端工況下，能夠有效對摩擦副起到潤滑保護作用，減少摩擦磨損，從而起到減摩作用。研制油和國外油品的油膜厚度曲線圖如圖2、圖3 所示。

圖2 油膜厚度（80 ℃）曲線

圖3 油膜厚度（120 ℃）曲線

從圖2、圖3 可以看出，研制油在80 ℃條件下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，平均油膜厚度保持平穩(wěn)增大，且平均油膜厚度大于國外油品；在120 ℃條件下，平均油膜厚度與國外油品相當(dāng)。這表明研制油相比國外油品具有更為優(yōu)異的成膜能力，對應(yīng)實際工況可以對齒輪和軸承起到潤滑保護作用，減少摩擦磨損。

結(jié)論

☆通過對HXN3 型鐵路機車使用工況開展調(diào)研，并對國外油品進行分析，結(jié)合油品使用工況和競品性能特點，通過對基礎(chǔ)油、添加劑的篩選，成功研制出HXN3 型鐵路機車齒輪箱油產(chǎn)品。

☆研制油在極壓抗磨性能、油膜強度方面優(yōu)于國外油品。

☆通過模擬試驗對比，研制油相比國外油品具有更好的摩擦特性以及成膜能力。