基于均匀设计的润滑油复合基础油体系研究

徐金龙,熊春华

(总后油料研究所,北京 102300)

基于均匀设计的润滑油复合基础油体系研究

徐金龙,熊春华

(总后油料研究所,北京 102300)

基础油体系是影响润滑油粘温性能非常重要的因素。文章运用均匀设计法对 0W-40高级别润滑油基础油体系进行了试验设计,并对粘温性能的三个指标 100℃运动粘度、高温高剪切粘度和 -35℃低温动力粘度的试验结果用逐步回归技术进行处理,得出上述三个指标对基础油的数学模型,最终对回归模型进行最优化求解,得出的实测值与预报值基本一致,并达到了 0W-40的粘温性能要求。

0W-40;润滑油;发动机油;基础油;均匀设计

Abstract:The base o il system is the important factorof affecting viscosity-temperature perform ance of lubricating oil.The base o il system of 0W-40 advanced lubricating oilw as form ulated w ith uniform-design in this paper.Based on the m easured results,three m athem atic models of kinem atic visco sity at 100℃,HTHS and CCS at-35℃w ere deduced by regression.By op t im ization w ith the above models,the m easured values accord w ith the predicted ones.

Key words:0W-40;lubricating oil;engine oil;base oil;uniform design

0 引言

在润滑油配方研究中,通常需要经过如下步骤:①复合基础油体系的确定;②添加剂复合规律考察以及配方筛选;③标准台架的评定。其中,复合基础油体系对于润滑油的高低温粘度及其他相关性能具有重要的影响。因此,在研究过程中,首先是根据经验在配方中加入一定量的复合功能添加剂,然后加入 2～4种基础油、粘度指数改进剂以及降凝剂作为复合基础油体系,在满足低温性能的前提下尽量提高高温性能,为了能够最佳地平衡上述高低温性能,需尽量减少轻组分基础油、粘度指数改进剂以及降凝剂的用量并增加重组分基础油的用量,正常情况下需几十次试验才能完成,而通过均匀设计法只需用较少的实验即能摸清基础油体系中各组分之间的相互关系以及对高低温粘度的影响并确定出复合基础油体系中各组分的最佳比例。

本文利用均匀设计软件包将均匀设计运用于0W-40高级别润滑油复合基础油体系的研究,在短时间内就达到了上述研究目的,节省了试验时间,加快了研究进度,为下一步配方研究奠定了基础。

1 结果与讨论

1.1 单一基础油的筛选

润滑油基础油复合体系的研究,首先是单一基础油的筛选,表 1是拟选基础油的基础数据。

项 目 合成油1 合成油2 合成油3 加氢矿物油1加氢矿物油2 酯类油1 酯类油2

表1 拟选基础油基础数据

根据 0W-40对高低温粘度(见表 2)以及高温抗氧化性能的要求,初步筛选了以合成油 1、合成油3和酯类油 1作为该复合体系的基础油。

表2 0W-40润滑油粘温性能要求

1.2 粘度指数改进剂的筛选

为了改善润滑油的粘温性能,通常在多级油中需要添加粘度指数改进剂,尤其对 0W-40的高级别润滑油来说更是如此,由于该润滑油品的粘度级别跨度非常大,因此所筛选的粘度指数改进剂应具有非常好的抗剪切性能、良好的增粘性能、小的低温动力粘度以及小的结焦性能,本项目从市场上挑选了 4种粘度指数改进剂对其进行了粘度增长率、永久剪切稳定指数(柴油喷嘴法)、-35℃低温动力粘度以及成焦板焦重四个方面性能的考察,数据见表3。

表3 粘度指数改进剂的筛选

从表 3中可以看出,与其他粘度指数改进剂相比 3#具有非常好的抗剪切性能 (PSSI=5,最小),良好的增粘性能 (粘度增长率为 45%,适中),小的低温动力粘度 (为 1810,比较小),小的结焦性能 (成焦板焦重为 8mg),因此选择 3#粘度指数改进剂用于 0W-40高级别润滑油基础油复合体系的研究。

1.3 复合基础油体系的研究

1.3.1 实验设计

根据研究筛选出的合成油 1(X1)、合成油3(X2)、酯类油 1(X3)、粘度指数改进剂 3(X4),以及选定的国外 CI-4功能复合剂 (X5=常数),采用均匀设计包选用有约束配方设计确定出 4因素 8水平的U8(8

4)均匀设计表,对各个样品进行了 100℃运动粘度、高温高剪切粘度和 -35℃低温动力粘度 的测定,试验设计和结果见表 4。

表4 试验设计和结果

1.3.2 试验数据处理与分析

对均匀实验设计试验结果通常采用多元线性回归方法进行处理[1],由于本试验涉及四个变量,变量之间的相互影响是客观存在的,为了解析不同变量之间的相互影响,采用逐步多元线性回归法处理试验结果。数学处理过程中根据方差分析选择上侧概率值小、相关系数高、自由度小的模型。由于采用了有约束配方设计,因此 X1+X2+X3+X4=1,所以在回归分析中只使用 3个变量 X2、X3、X4。

(1)运动粘度 (100℃)(Y1)

运动粘度(100℃)数学模型的建立采用逐步回归法,检验阈值 F1=F2=1.2,其结果表达式等如下:

方差分析见表5。

表5 方差分析

从回归方程及方差分析表 5可以看出,该方程显著性非常明显(p=0.000001),相关系数较高 (R2=0.9994),方程可信;且粘度指数改进剂 (X4)对粘度的影响最大,随着粘度指数改进剂的增加,粘度将会急剧增加,这与经验配方的结果是相一致的。在试验范围内对回归方程求最优解:X2=0.1276、X3= 0.0930、X4=0.2731、X1=0.5063,Y(运动粘度最大) =36.5902。

(2)高温高剪切粘度 (Y2)

高温高剪切粘度数学模型的建立采用逐步回归法,检验阈值 F1=F2=1.2,其结果表达式等如下:

方差分析见表6。

表6 方差分析

从回归方程及方差分析表可以看出,该方程显著性非常明显 (p=0.000002),相关系数较高(R2=0.9946),方程可信;且粘度指数改进剂(X4)对低温动力粘度的影响最大,随着粘度指数改进剂的增加,粘度将会急剧增加,这与经验配方的结果是相一致的。在试验范围内对回归方程求最优解:X2=0.1276、X3=0.093、X4= 0.2731、X1=0.5063,Y(高温高剪切粘度最大) =6.1059。

(3)低温动力粘度 (-35℃)(Y3)

低温动力粘度 (-35℃)数学模型的建立采用逐步回归法,检验阈值 F1=F2=7.3,其结果表达式等如下:方差分析见表7。

表7 方差分析

从回归方程及方差分析表 7可以看出,该方程显著性非常明显(p=0.000483),相关系数较高 (R2=0.9967),方程可信;且 X2、X3、X4对低温动力粘度均有影响。在试验范围内对回归方程求最优解:X2=0.0151、X3=0.1159、X4=0.0139、X1=0.8551,Y (-35℃低温动力粘度最小)=2851。

(4)综合最优解预测与实测值

通过均匀设计方法得到了不同因子对 0W-40高级别润滑油基础油体系三个指标 100℃运动粘度、高温高剪切粘度以及 -35℃低温动力粘度数学模型,根据该数学模型设计出满足 0W-40质量指标要求的综合解:当 X1=0.5750、X2=0.085、X3= 0.0850、X4=0.1150时,得到的预测结果能够满足0W-40质量指标要求,预测值与对应的实测值见表8,从表 8中可以看出根据预测的最优解得出的实测值与预测值基本一致,得出的 0W-40高级别润滑油的基础油体系可用于后续的功能单剂配方技术研究。

表8 均匀设计模型预测与实测值验证

2 结论

(1)运用均匀设计进行复合基础油体系的研究,可以明显减少试验次数,降低研究成本,得出基础油各组分间的相互关系,根据该模型可预测出不同粘温要求的最优配方。

(2)得出的复合基础油体系,完全符合 0W-40粘温性能要求,可用于后续功能单剂配方技术研究。

[1]杜明亮,方开泰.多种建模方法用于均匀设计试验的思考[C]∥均匀试验设计学术交流会论文集,北京,2007: 112-125.

S tudy on B ase O il System of L ub rica ting O il w ith U n iform-D esign

XU J in-long,X IONG Chun-hua
(POL Research Institute of GeneralLogistics Dep t,PLA,Beijing 102300,China)

TE626.3

A

2010-04-06。

徐金龙(1976-),硕士研究生,工程师,2002年毕业于北京化工大学工业催化专业,主要从事润滑油品的论证、研制及应用研究工作,已公开发表文章数篇。

1002-3119(2010)05-0053-04