合成工业齿轮油的研制及其应用

华秀菱,伏喜胜,张继平

(中国石油润滑油研究开发中心,甘肃 兰州 730060)

合成工业齿轮油的研制及其应用

华秀菱,伏喜胜,张继平

(中国石油润滑油研究开发中心,甘肃 兰州 730060)

以PAO为主要组分油的基础油体系，复配抗氧剂、抗磨剂、摩擦改进剂、防锈防腐剂等功能添加剂，研制的全合成工业齿轮油系列产品具有优异的抗氧化性、极压抗磨性、防锈防腐性、抗泡性、抗乳化性等，产品的性质性能完全达到国外高端工业齿轮油S系列的水平。经过在风电设备上两年使用，油液监测数据证明了昆仑KG/S320合成工业齿轮油具有良好的使用性能，完全满足某风电有限公司风机安全运转的使用要求；不同牌号的合成工业齿轮油在国内不同企业的减速机齿轮箱中替代国外油品应用，使用效果良好。

PAO；合成工业齿轮油；复配；使用试验

0 引言

随着我国风电、冶金、建材、煤炭、化工、船舶行业的发展，这些行业机械设备精密度提高，载荷要求增加，对油品的品种需求越来越具体，性能要求也越来越苛刻。矿物油在低温性、氧化性、低挥发性等方面已无法满足苛刻的使用环境，因此合成工业齿轮油的需求量将日益增长。合成工业齿轮油是指应用于重负荷、高温、有水混入等工况下运转的齿轮，如齿面接触应力大于1.1 GPa的冶金轧钢、井下采掘等高温、有冲击、含水部位的齿轮传动等，它是闭式齿轮油中的最高质量档次的油品[1]。

合成工业齿轮油在欧、美、日本等工业发达国家开发较早，并在整个齿轮润滑油中所占比例日益增大。如Mobil、Shell、Klober等石油公司都有自己的合成工业齿轮油系列产品，用于大中功率传动齿轮，涡轮蜗杆和高温下运行的轴承链条，以降低齿轮磨损延长齿轮寿命和换油期，节约检修费用，节能等。目前多数行业采用进口合成型工业齿轮油，如美孚的SHC600系列，壳牌的德纳系列。国外高端合成工业齿轮油S系列在市场的占有率最高，它相比于其他齿轮油，具有突出的特点和性能，经分析在抗氧化、抗磨、抗乳化性等方面都有突出的表现。

国内合成工业齿轮油的研制正在起步阶段，产品很少。国内工业齿轮油配方技术和产品质量以及市场占有率方面处于国内领先地位，但与国外先进水平相比却一直停滞在美钢224规格上，与欧洲Flender规格相比在抗微点蚀性能、抗磨损性能和抗腐蚀性能方面有一定差距，尤其在近年来工业齿轮油推广应用中，OEM提出的要求不仅仅是满足美钢224规格，也要求通过DIN51517-3和Flender规格；国外高端合成工业齿轮油S系列产品同时满足DIN51517-3和Flender规格，并且通过了FAG FE-8轴承磨损试验和FVA 54 微点蚀试验，可作为本研发的攻关目标。

基于已建立的FZG微点蚀试验齿轮台架、FAG FE-8轴承磨损试验台架、SKF EMCOR轴承腐蚀试验台架，经实验室基础油研究、添加剂筛选及复合配方研究，研制的复合剂RHY4026以2.0%剂量调制的68～680全合成工业齿轮油通过了抗氧化性试验、FZG齿轮机试验、FAG FE-8轴承磨损试验台架、SKF EMCOR轴承腐蚀试验台架，产品具有优异的抗氧化性、极压抗磨性、防锈防腐性、抗泡性、抗乳化性等，性能完全达到国外顶级产品合成工业齿轮油S系列水平，并且通过使用试验验证：经在风电设备上使用，油液监测数据证明了昆仑KG/S合成工业齿轮油具有良好的使用性能，完全满足某风电有限公司风机安全运转的使用要求；不同牌号的合成工业齿轮油在国内不同企业的减速机齿轮箱中替代国外油品应用，使用效果良好。

1 试验方法

本研究所用标准分析评定方法见表1。

表1 标准分析评定方法

表1(续)

2 原材料

所采用的基础油有：国外公司生产的合成基础油PAO10、PAO40、PAO100，所采用的主要添加剂有AO-1、AO-2、AO-3、AW-1、AW-2、FM-1、FM-2等。

3 试验结果与讨论

3.1 基础油的确定

目前普遍使用的工业齿轮油大多数是矿物油型的。矿物油作为润滑油基础油，通常难以兼顾低温和高温性能。由于其倾点高，低温流动性差，热氧化安定性也不令人满意，因而限制了这类齿轮油的使用温度范围。为满足高低温、高速、重负荷齿轮传动装置的需要，适应齿轮油发展趋势(低黏度、高质量、通用性、长寿命)的要求，出现了合成型齿轮油。

合成油基础油具有黏度指数高、倾点低、闪点高、氧化安定性好、蒸发损失小等性能，可以满足高性能合成工业齿轮油的需要。采用单一合成油的综合性能难以达到要求，一般通过不同合成基础油的复配可以满足油品对基础油的特殊要求。目前调制工业齿轮油常用的合成基础油轻组分主要有PAO4、PAO10、酯-1、酯-2,重组分主要有PAO40、PAO100。首先对这几种基础油组分主要性质进行了分析，结果见表2。

表2 合成基础油主要性质

表2(续)

为了调合68～680牌号的基础油，可选择轻组分PAO10、酯-1或酯-2与重组分PAO40、PAO100进行复配调合，考虑到酯类油易水解，对D943 GB 12581试验的酸值不利，应适量引入或不引入，为了确定是否加入，选择了320牌号的合成基础油，在全配方中进行了D943试验酸值的考察，结果见表3。

表3 酯类油对D943试验酸值的考察结果

注：*320基-1的组成为PAO40 95%+ 酯-1 5%；320基-2的组成为PAO10 10%+PAO40 90%。

通过表3可知，酯-1对D943酸值的影响很大，它的加入，导致酸值增大，使D943试验酸值在4000 h以后大于2.0 mgKOH/g。所以选择不引入酯类油。

为此对不同牌号的合成工业齿轮油的基础油进行了调合， 确定了68～680牌号合成工业齿轮油基础油组分。

3.2 复合配方的确定

3.2.1 抗氧剂的选择

现代生产技术，要求新一代机械设备向着体积小、功率大、寿命长、性能可靠的方向发展；要求油品承载能力高、耐高温、寿命长[2]。采用合成油作基础油，和高效抗氧剂合理复配，是保证油品长寿命的关键。合成工业齿轮油作为新一代的高档油品，研制油要求旋转氧弹的氧化时间不小于1000 min，D943酸值达到2.0 mgKOH/g时间不小于10000 h，与一般的工业齿轮油相比，抗氧化性能非常突出，所以选择抗氧剂是本研究的重点及难点之一。

在选择抗氧剂时，考虑到产品要通过旋转氧弹试验，该试验为高温氧化试验，要求试验温度为150 ℃，为此引入了高温抗氧剂AO-1。AO-1是一种油溶性好、配伍性强的抗氧化添加剂，与其他酚型和胺型无灰抗氧剂的复配可产生明显的协合效应，试验结果见表4。

表4 AO-1与其他无灰抗氧剂的复配协同抗氧化效果

从表4看出，AO-1与AO-2复配抗氧化效果明显，因此选择AO-1与AO-2复配，在PAO10中进行抗氧化性能考察，同时评价其极压抗磨性，结果见表5。

表5 AO-1与AO-2复配性能考察结果

从表5可以看出： AO-1与AO-2复合产生明显的协和效应,旋转氧弹值氧化时间明显提高,但同时两者复配油品的极压抗磨性并不理想，油膜强度偏小，磨斑直径偏大，需要加入适宜的极压抗磨剂来进行改善。

3.2.2 抗磨剂的选择

对于极压抗磨剂的选择,摒弃了以往齿轮油传统配方中的硫化异丁烯,主要靠抗磨剂赋予配方良好的极压抗磨性,首先选择了活性较高的摩擦改进剂长链亚磷酸酯P-1，活性较低的具有优良水解安定性、热氧化安定性以及抗磨耐久性突出的酯类抗磨剂AW-1，以及减摩性能优异的摩擦改进剂FM-1，同时加入碱性高温清净剂B-1与抗氧剂AO-1、AO-2复配进行性能考察，结果见表6。

表6 抗磨剂复配研究

通过表6可以看出:P-1的引入，对提高PB，降低磨斑有利，但对抗氧化性有负面影响；AW-1的引入，对抗氧化性有促进作用，但磨斑明显增大；FM-1的引入，可改善抗磨性，并且对抗氧化性的影响较小；B-1的引入，对油品的防锈防腐性改善显著，但对抗氧化性也有一定的影响。合理复配各种添加剂，如何平衡配方抗氧化性与抗磨性的矛盾是配方研究的关键。

3.2.3 抗氧剂与抗磨剂矛盾的解决

为了确定抗氧剂与抗磨剂较佳的配方比例，在保持AO-1、AO-2、FM-1的加量恒定的情况下，按照L9(33)的表头设计，对AW-1、P-1、B-1的加量进行三因素三水平的正交试验，对抗氧化性及抗磨性进行评价，结果见表7～表9。

表7 因素-水平表

表8 正交试验结果

表9 正交试验数据处理结果

通过正交试验数据处理结果可以看出：P-1对抗氧化性与磨斑的影响最大，P-1加入对抗氧化性不利，对降低磨斑有利，考虑到抗氧化性是配方的关键性能，所以选择了不加入P-1的B1方案。AW-1的加入对抗氧化性与磨斑的影响次之，随着AW-1加量的增加，抗磨性变好，抗氧化性以加入0.5%为最好。考虑到最关键的抗氧化性能，AW-1的加量确定为0.5%。B-1对抗氧化性与磨斑的影响较小，选择加入量0.1%对抗磨有利，但对抗氧化性能还是有一定影响，所以选择不加入。

配方中单独使用抗磨剂AW-1很难达到极压抗磨性的要求，考虑到要通过FZG齿轮机试验，为此引入了活性较高的抗磨剂硫代磷酸酯AW-2、同时引入酯类摩擦改进剂FM-2；考虑到引入高温抗氧剂后旋转氧弹仍达不到指标要求，因此引入了辅助抗氧剂，进行抗氧化性的改善。同时综合评价防腐防锈性，结果见表10。

表10 抗氧剂与抗磨剂复合效应研究

可以看出：AW-2、FM-2的引入对提高PB均有利，AW-2对锈蚀有改善，FM-2可明显降低磨斑；两者复配可提高极压抗磨性、防锈性，抗氧剂的合理复配使得旋转氧弹值明显提高，达到指标要求，并且使油品的防腐性也得以改善。通过抗氧剂与抗磨剂的合理复配，解决了抗氧化性与抗磨性之间的矛盾。

3.2.4 摩擦改进剂的选择

摩擦改进剂的作用是在摩擦表面上形成物理或化学吸附膜以降低摩擦系数，从而起到润滑和节能的作用，配方中引入了两种摩擦改进剂FM-1和FM-2，考察两者的引入对摩擦系数的影响，结果见表11。

表11 摩擦改进剂复合效应研究

表11可以看出，FM-1可以减小油品不同转速下的平均摩擦系数，FM-2可以增加油品不同转速下的平均摩擦系数， FM-1和FM-2复合使用可以使油品在不同转速下的平均摩擦系数与进口油相当。

3.2.5 防腐剂的选择

通过前期对抗氧剂、抗磨剂、摩擦改进剂的选择，基本确定了配方主剂，但铜片腐蚀评级未达到国外同类产品的水平，需引入防腐剂，为此通过加入常用的防腐剂苯三唑型金属减活剂AO-3进行防腐性的改善，考察结果见表12。

表12 防腐剂的考察

从表12确定了防腐剂AO-3的加量在0.01%～0.02%时，油品铜片腐蚀(121 ℃，3h)评级1级，防腐性优异。

3.2.6 破乳剂的选择

通过对国外产品的分析检测，发现其具有非常优异的抗乳化性能，68工业齿轮油需进行D1401(54 ℃)的抗乳化性试验，在实验室主要考察了破乳剂为L-1的加剂量，结果见表13。

表13 破乳剂的加剂量筛选

注：*功能添加剂是指配方中加入的抗磨剂、摩擦改进剂、防锈防腐剂、抗氧剂。

从表13可以看出：破乳剂的加入对抗氧化性不利，随着其加量的增加，抗氧化性逐渐降低，两者之间存在矛盾，选择L-1的加量在5～30 μg/g较为适宜。

3.2.7 抗泡剂的选择

抗泡是影响工业齿轮油使用性能的关键因素，为了严格控制实际应用中出现抗泡不合格的问题，在选择抗泡剂时不仅要求通过ASTM D892即GB/T 12579润滑油泡沫特性测定法试验，还增加了Flender动态抗泡试验，结果见表14。

表14 复合配方抗泡性评价结果

从表14可以看出：选择硅型抗泡剂T-1或T-1与非硅型抗泡剂T-2复配均可满足抗泡要求，单独加入T-1的Flender泡沫试验结果较好，所以选择T-1作为本研究的抗泡剂。

通过添加剂复合效应研究，确定了复合配方。将复合剂命名为RHY4026复合剂。

3.3 复合配方评价

RHY4026复合剂以2.0%加剂量分别加入68～680号全合成基础油中，进行全面性能评价，结果见表15。同时将研制油KG/S68、KG/S320与国外参比油进行了性能对比，结果分别见表16、图1。

表15 复合配方评价结果

表16 研制油与国外参比油性能对比

图1 D943试验酸值变化

从表15、表16、图1结果看出：研制油达到国外同类油品的质量水平，产品具有突出的抗氧化性，与一般的工业齿轮油相比，旋转氧弹氧化时间大于1000 min，GB/T 12581试验酸值达到2.0 mgKOH/g时间大于10000 h，在10000 h时研制油酸值为0.43 mgKOH/g，国外参比油为0.44 mgKOH/g，抗氧化性能卓越；极压抗磨性突出：油膜强度高，PB达到1000 N以上，抗磨性好，磨班直径小，40 kg的磨斑直径达到0.35 mm，这是以往的工业齿轮油配方体系无法达到的水平；硫含量小于0.2%，但却赋予油品良好抗擦伤性和极压性，很好地通过了FZG齿轮机试验；采用合理的配方体系，赋予油品更好的抗乳化性能和抗泡性能。此外从齿轮油的发展角度，更注重高温清净性和热氧化安定性。合成工业齿轮油系列产品可替代国外同类系列产品，是工业齿轮油的高端产品。

研制的合成工业齿轮油作为性能卓越的轴承与齿轮润滑油，通过了齿轮油的台架FZG齿轮机台架，该油品具有优异的抗磨性与防锈防腐性。为了验证其具有优异的轴承保护作用，借助两个轴承试验台架FAG FE-8轴承磨损试验台架、SKF EMCOR轴承腐蚀试验台架，对KG/S320合成工业齿轮油进行了FAG FE-8轴承磨损试验台架、SKF EMCOR轴承腐蚀试验台架，并与国外相关产品进行了对比，台架结果见表17。

表17 试验油的台架试验及与国外参比油对比数据

从台架试验结果看，研制KG/S320合成工业齿轮油通过了轴承试验台架FAG FE-8轴承磨损试验台架、SKF EMCOR轴承腐蚀试验台架，并从轴承磨损试验结果看，抗磨性优于国外同类合成工业齿轮油。

4 应用评价结果

KG/S320合成工业齿轮油完全可以满足OEM对风力发电高性能工业齿轮油的要求，所以在某风电设备S50/750型号风力发电机组上进行使用试验，并同时与国外进行了性能对比。试验周期为三年，使用试验结果得出以下结论：(1)昆仑KG/S320合成工业齿轮油和国外产品在二个试验周期内(2年)其理化指标铜片腐蚀、倾点、水含量和磨损金属含量均保持稳定，两产品无明显差异；(2)昆仑KG/S320合成工业齿轮油在黏度保持性、酸值保持性、抗氧化能力及功能添加剂保持能力方面明显优于国外参比油，更适用于风机的长周期运转；(3)油液监测数据证明：KG/S320合成工业齿轮油具有良好的使用性能，完全可以满足风电设备安全运转的使用要求。

KG/S320合成工业齿轮油在某化工集团公司化学反应釜减速机齿轮箱中替代国外油品使用，使用效果良好，很好的满足大型齿轮箱、减速箱重负荷、长周期的工作要求；KG/S150、 KG/S220、 KG/S320在青海盐湖钾肥生产基地某设备大型减速机齿轮箱上使用，经受了青海湖地区冬夏高、低温、潮湿条件的考验，表现出了优异的性能，得到了用户的认可，认为其性能完全可以替代国外进口产品，并降低了生产成本。

5 结论

(1)以PAO为主要组分油的基础油体系，复配抗氧剂、抗磨剂、防锈防腐剂等功能添加剂，RHY4026复合剂以2.0%(m)剂量调制的68～680全合成工业齿轮油通过了抗氧化性试验、FZG齿轮机试验、FAG FE-8轴承磨损试验台架、SKF EMCOR轴承腐蚀试验台架，产品具有优异的抗氧化性、极压抗磨性、防锈防腐性、抗泡性、抗乳化性等，性能达到国外参比油系列水平。

(2)通过KG/S320使用试验验证:该油品具有良好的黏度保持性、酸值保持性、抗氧化能力及功能添加剂保持能力，完全可以满足风电高性能设备安全运转的使用要求；不同牌号的合成工业齿轮油在国内不同企业的减速机齿轮箱中替代国外油品应用，使用效果良好。

[1] 吕兆岐，谢泉.润滑油品研究与应用指南[M].北京:中国石化出版社，2000.

[2] 李光宇，马先贵，丁津原.论齿轮油的更新换代[J].机械传动，2007(2)：94.

Development and Application of Synthetic Industrial Gear Oil

HUA Xiu -ling, FU Xi-sheng, ZHANG Ji-ping

(PetroChina Lanzhou Lubricating Oil R&D Institute, Lanzhou 730060, China)

Synthetic industrial gear oil was developed by using PAO base oil and antioxidant, antiwear agent, friction modifier, antirust and anticorrosion agent. The gear oil has excellent performances of oxidation resistance, EP&AW, antirust/anticorrosion, antifoam, demulsification and totally attains foreign S series level of high-end industrial gear oil. During its application in wind power equipment for two years, excellent service performances of KunLun KG/S320 synthetic industrial gear oil was proved by oil monitoring date. The gear oil totally satisfies wind machine safe handling operating requirement of certain wind power limited company; For replacing foreign gear oils, different brands synthetic industrial gear oils were used in reduction gear box in different domestic enterprises. Results show that the application effect is satisfactory.

PAO; synthetic industrial gear oil; combination; service test

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.02.007

1002-3119(2017)02-0027-09

TE626.38

A

2016-04-28。

华秀菱，高级工程师，2008年毕业于兰州理工大学化学工程与工艺专业,多年来一直从事齿轮油与添加剂研究，已公开发表论文十余篇。E-mail：huaxiuling_rhy@petrochina.com.cn