通用型林木聯(lián)合采伐機(jī)潤(rùn)滑劑的研制

肖友程，李 勝，經(jīng)建芳，李康春，黃福川

通用型林木聯(lián)合采伐機(jī)潤(rùn)滑劑的研制

肖友程，李 勝，經(jīng)建芳，李康春，黃福川

（廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廣西石化資源加工及過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004）

本文結(jié)合林木聯(lián)合采伐機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)和工作環(huán)境，通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑劑基礎(chǔ)油以及其他添加劑的考察和篩選，確定了一種通用型林木聯(lián)合采伐機(jī)潤(rùn)滑劑的配方。通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑劑理化性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究和在采伐機(jī)上成功試用表明，通用型林木聯(lián)合采伐機(jī)潤(rùn)滑劑不僅具有良好的剪切安定性、抗高溫氧化性、抗水、防銹、抗腐蝕性能，達(dá)到一油通用，而且它具有高性?xún)r(jià)比，對(duì)環(huán)境友好，不會(huì)造成林地的污染和破壞。

聯(lián)合采伐機(jī)；通用油；環(huán)境友好

林木聯(lián)合采伐機(jī)是一種多功能、高自動(dòng)化、高效率的林木采伐機(jī)械[1]。林木聯(lián)合采伐機(jī)需要潤(rùn)滑的系統(tǒng)主要有動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。林木聯(lián)合采伐發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高、功率密度大、機(jī)油箱小、排放要求高，再加上其特殊的工況、負(fù)荷等特點(diǎn)，因此，要求潤(rùn)滑油具有抗高溫氧化性能、良好的清凈分散性及對(duì)環(huán)境友好[2]。林木聯(lián)合采伐機(jī)液壓系統(tǒng)各液壓缸上的力不斷的變化，導(dǎo)致了液壓系統(tǒng)的外負(fù)載變化很大，另外其自身帶有行走系統(tǒng)，因此，液壓系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)的很緊湊，油箱體積小，液壓油加注量少，使液壓油循環(huán)次數(shù)增加，液壓油長(zhǎng)期處于高熱負(fù)荷下[3]。因此，林木聯(lián)合采伐機(jī)液壓系統(tǒng)所使用的液壓油應(yīng)具有高抗剪切穩(wěn)定性、抗磨損性、抗泡性、抗乳化性、減震性、降噪性等。對(duì)于林木聯(lián)合采伐機(jī)中使用的齒輪，大多在野外山林和露天工作，常年在高溫、寒冷、風(fēng)雨等惡劣的自然條件下工作，齒輪的工作條件極端苛刻，因此，齒輪對(duì)潤(rùn)滑油質(zhì)量要求較高，具體表現(xiàn)在具有優(yōu)良的抗磨、減摩和高的承載能力，同時(shí)要求齒輪油具有良好的熱氧化穩(wěn)定性、良好的粘溫性能和低溫啟動(dòng)性能等。

1 研制油的功能和要求

研制的通用型林木聯(lián)合采伐機(jī)潤(rùn)滑劑，要求其在惡劣條件下仍可保持優(yōu)良的潤(rùn)滑性能；具有較為完善抗高溫、抗潮濕造成材料腐蝕的綜合性能。研制潤(rùn)滑劑的主要目的是一油多用，適用于林木聯(lián)合采伐機(jī)的動(dòng)力、液壓、齒輪傳動(dòng)等系統(tǒng)。在林木聯(lián)合采伐機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件上，可形成一層極薄材油膜，降低摩擦系數(shù)，具有抗磨、減摩作用，減少動(dòng)力、齒輪傳動(dòng)、液壓等系統(tǒng)的磨損；由于使用的特殊環(huán)境要求，除了滿(mǎn)足通常各系統(tǒng)的高強(qiáng)度使用的要求外，還能適應(yīng)于野外苛刻環(huán)境條件下長(zhǎng)時(shí)間使用，并具有良好的清凈分散性、抗氧防腐、防銹、抗磨、承載能力，確保林木聯(lián)合采伐機(jī)正常工作。

然而，林木聯(lián)合采伐機(jī)的動(dòng)力、液壓、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械部件因自身的結(jié)構(gòu)、功能、使用條件等不同，對(duì)潤(rùn)滑劑的使用要求也有差別。要研制通用型潤(rùn)滑劑，對(duì)基礎(chǔ)油和添加劑配方還存在許多未知的因素，需要進(jìn)行深入的理論和試驗(yàn)探究。

2 基礎(chǔ)油的確定

聚α-烯烴是由α-烯烴在催化劑的作用下聚合而獲得的一類(lèi)長(zhǎng)鏈烷烴，是一類(lèi)性能比較全面、優(yōu)異的油品。表1為低粘度聚α-烯烴和部分礦物油典型理化指標(biāo)。

表1 聚α-烯烴和礦物油典型理化指標(biāo)對(duì)比Tab.1 The comparison of physical and chemical index of PAO and mineral oil

通過(guò)PAO和幾種礦物油理化性質(zhì)的對(duì)比可看出，PAO在-40℃環(huán)境下也具有很低的低溫粘度，而礦物油在-40℃一般為固體狀態(tài)；PAO的傾點(diǎn)小于-50℃，這就保證了油品即使是在寒區(qū)甚至嚴(yán)寒區(qū)冬季野外作業(yè)的聯(lián)合采伐機(jī)具有良好的泵送性和低溫啟動(dòng)性。此外，PAO的蒸發(fā)損失較礦物油來(lái)說(shuō)比較低，這可保證油品不會(huì)因?yàn)檩p組分揮發(fā)而使其稠化加劇，可以在高溫的環(huán)境下使用。同時(shí)，PAO還有一個(gè)優(yōu)異的高溫性能指標(biāo)就是具有較高的閃點(diǎn)及燃點(diǎn)，保證油品不易在林區(qū)燃燒，引起森林火災(zāi)。

然而聚α-烯烴也存在一定的缺點(diǎn)，如使橡膠材料的密封件收縮變硬、與極性添加劑溶解性差等。經(jīng)試驗(yàn)研究，在聚α-烯烴合成油中加入葵二酸二辛酯能有效地改善這種不足。葵二酸二辛酯由蓖麻油為原料制成，屬于線(xiàn)性結(jié)構(gòu)雙酯。它不僅是一種良好的橡膠膨脹劑，對(duì)聯(lián)合采伐機(jī)的動(dòng)力、液壓、齒輪系統(tǒng)等機(jī)械部件的橡膠密封件起到良好的保護(hù)作用，而且它本身具有很強(qiáng)的極性，彌補(bǔ)非極性的聚α-烯烴與極性添加劑相容性的缺點(diǎn)。此外，葵二酸二辛酯還具有優(yōu)異的抗剪切性能、熱氧化安定性、抗乳化能力、低蒸發(fā)損失、高生物降解率等，完全適用于聯(lián)合采伐機(jī)在野外苛刻的工作環(huán)境和各系統(tǒng)一油多用的要求。

Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油是用全氫工藝加工的基礎(chǔ)油。它具有優(yōu)異的粘溫性質(zhì)、蒸發(fā)損失小、飽和烴含量接近100%，是性能最接近聚α-烯烴的礦物油。然而Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油成本只是聚α-烯烴的三分之一。另外，由于它與聚α-烯烴一樣屬于烴類(lèi)基礎(chǔ)油，因此，與聚α-烯烴有良好的相容性。

綜上，采用聚α-烯烴（PAO）、Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油與葵二酸二辛酯復(fù)合作為研制潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油，具有優(yōu)異的綜合性能、較高的性?xún)r(jià)比、對(duì)環(huán)境友好。

3 復(fù)合添加劑的確定

3.1 復(fù)合清凈劑的確定

林木聯(lián)合采伐機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，柴油在燃燒室中燃燒易產(chǎn)生炭粒，潤(rùn)滑油易氧化生成積炭和油泥。集結(jié)在一起的炭粒、積炭、油泥等會(huì)在活塞、活塞環(huán)、氣缸壁和排氣口處沉積、結(jié)焦或堵塞濾清器和油孔，是發(fā)動(dòng)機(jī)磨損增加、散熱不良、排氣不暢、供油不足而造成潤(rùn)滑不良、油耗增大、功率下降[5]。采用低堿值合成磺酸鈣、高堿值合成石油磺酸鈣與硫化烷基酚鈣復(fù)合作為清凈劑，可控制發(fā)動(dòng)機(jī)沉積物和保持發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定、高效的工作。另外，齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于復(fù)合添加劑的作用，在有水和氧的共同作用下易使齒面發(fā)生腐蝕、生銹。復(fù)合金屬清凈劑中的石油磺酸鈣還具有良好的防銹能力，可充當(dāng)防銹劑使用，保護(hù)齒輪表面。為了確定復(fù)合清凈劑各成分的最佳配比，以低堿值合成磺酸鈣、高堿值合成石油磺酸鈣與硫化烷基酚鈣為3個(gè)因子，每個(gè)因子分別取1%、2%、3%的劑量水平，按L9（33）正交表安排實(shí)驗(yàn)，分別與調(diào)配好的基礎(chǔ)油均勻混合，得到9個(gè)樣品，測(cè)試每個(gè)樣品的灰分含量和堿值的大小，得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

從表2可以看出，樣品5的灰分低，堿值較高，因此選用樣品5的配方（低堿值合成磺酸鈣：高堿值合成石油磺酸鈣：硫化烷基酚鈣=2∶2∶3）作為復(fù)合清凈劑。

表2 各樣品灰分和堿值的測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Measurement of each oil sample ash and base number

3.2 復(fù)合抗氧劑的確定

發(fā)動(dòng)機(jī)油和液壓油在高溫下容易發(fā)生氧化，生成膠質(zhì)、油泥和對(duì)金屬腐蝕作用的酸性物質(zhì)。這些物質(zhì)不僅會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸、黏環(huán)，還會(huì)使液壓元件腐蝕，影響液壓系統(tǒng)正常工作。所研制的潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油是由聚α-烯烴、Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油和葵二酸二辛酯復(fù)合而成。其中聚α-烯烴和葵二酸二辛酯都具有良好的氧化安定性，而Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油由于在加氫處理過(guò)程中，某些芳烴和含硫芳烴等天然抗氧劑被消除，如果不加抗氧劑，它的抗氧化能力甚至比溶劑精制基礎(chǔ)油還差。采用2,6-二叔丁基混合酚和苯三唑衍生物復(fù)合作為抗氧劑，能有效地改善研制油的氧化安定性。為了篩選出復(fù)合抗氧劑的最佳配方，將其組分按照不同的質(zhì)量比分別加入基礎(chǔ)油調(diào)配成11組試樣油，復(fù)合抗氧劑的加入量為0.5%。試樣油中復(fù)合抗氧劑的組成見(jiàn)表3。

表3 各試樣油的組成Tab.3 The composition of the sample oil

對(duì)各試樣油進(jìn)行旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按照ASTMD2272執(zhí)行，重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值作為最終結(jié)果，見(jiàn)圖1。

圖1 各試樣油旋轉(zhuǎn)氧彈試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.1 The comparison of the rotating bomb test data

從圖1中可以看出，配方8是所有試驗(yàn)的抗氧劑中效果最好的。所以，確定配方8為研制潤(rùn)滑劑的復(fù)合抗氧劑。

3.3 其他添加劑的選擇

磨損會(huì)機(jī)械效率下降、零部件使用壽命降低。采用磷酸三甲酯和硫化異丁烯復(fù)合作為抗磨劑，能在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸主軸承、連桿軸承、活塞銷(xiāo)軸承、凸輪挺桿間間隙處；液壓系統(tǒng)的液壓部件；齒輪等金屬表面形成化學(xué)反應(yīng)膜，防止金屬部件磨損、硬性刮傷、皺裂等。采用磷酸酯作為油性劑，其具有很強(qiáng)的吸附能力，在金屬摩擦表面形成牢固的吸附膜，減少摩擦與腐蝕。聯(lián)合采伐機(jī)工作時(shí)，機(jī)械部件常伴有劇烈的抖動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)油和液壓油與空氣一起受到這種抖動(dòng)，容易產(chǎn)生氣泡。氣泡的產(chǎn)生不僅會(huì)導(dǎo)致供油不足，還會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的壓力降低、能力傳遞不穩(wěn)定、產(chǎn)生噪音、液壓泵發(fā)生汽蝕等。采用二甲基硅油作為抗泡劑，使?jié)櫥瑒┚哂辛己玫目古菪院涂諝忉尫判?，減少氣泡的產(chǎn)生。采用聚異丁烯丁二酰亞胺作為分散劑。聚異丁烯丁二酰亞胺具有優(yōu)異的分散和中和作用，不但可以油泥、積炭等清洗下來(lái)并分散在油中，還可以中和因柴油燃燒生成的酸性物質(zhì)。此外，其不含金屬，不引起因其自身殘留灰分過(guò)多而引起發(fā)動(dòng)機(jī)部件磨損。防銹劑選擇質(zhì)量比40%～50%的石油磺酸鈣與60%～50%的烯基丁二酸半酯復(fù)合。

4 研制潤(rùn)滑劑的理化指標(biāo)

4.1 研制潤(rùn)滑劑的調(diào)配

采用聚α-烯烴（PAO）、Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油與葵二酸二辛酯復(fù)合作為研制潤(rùn)滑劑的基礎(chǔ)油，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)各種添加劑反復(fù)的配方試驗(yàn)，并對(duì)最優(yōu)化配方進(jìn)行選取。根據(jù)篩選的最優(yōu)配方對(duì)研制潤(rùn)滑劑進(jìn)行調(diào)配，具體步驟為：將82%的基礎(chǔ)油（質(zhì)量比40%聚α-烯烴（PAO）、30%Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油與30%葵二酸二辛酯復(fù)合）加入調(diào)合罐，加熱并不停攪拌至70℃，然后加入6%的復(fù)合清凈劑、0.5%的復(fù)合抗氧劑、5.5%油性劑、0.005%抗泡劑、5.895%分散劑、0.1%防銹劑，對(duì)混合的基礎(chǔ)油和添加劑繼續(xù)攪拌45min，待冷卻后，制備成所需要的通用型林木聯(lián)合采伐機(jī)潤(rùn)滑劑。

4.2 研制潤(rùn)滑劑的理化性能

研制潤(rùn)滑劑的典型理化性能見(jiàn)表4。

表4 研制潤(rùn)滑劑的理化性能Tab.4 The physicochemical properties of the developed lubricant

5 結(jié)論

以聚α-烯烴（PAO）、Ⅲ類(lèi)基礎(chǔ)油與葵二酸二辛酯復(fù)合作為基礎(chǔ)油，并添加清凈劑、分散劑、抗磨劑、油性劑、抗泡性、抗氧性等添加劑，研制出了一種通用型林木聯(lián)合采伐機(jī)潤(rùn)滑劑。經(jīng)理化性能評(píng)定，其各項(xiàng)理化指標(biāo)可滿(mǎn)足聯(lián)合采伐機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的使用要求。一種通用型林木聯(lián)合采伐機(jī)潤(rùn)滑劑專(zhuān)利已申請(qǐng)。

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Stuady of the universal forest multifunctional harvester lubricant

XIAO You-cheng，LI Sheng，JING Jian-fang，LI Kang-chun HUANG Fu-chuan
（Key Laboratory of Guangxi Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Combining with the work characteristic and environment of the engine,the hydraulic system and the gear transmission system of forest combined harvesters,a new formula of lubricant was determined by studying and selecting the base oil and compound additives.The physical and chemical characteristics of lubricant have been tested more than one year in the laboratory and the lubricant has been successfully applied in a forest combined harvesters.It is found that the developed lubricant not only has good shear stability,excellent oxidation stability,anti-wear,anti-rust and strong corrosion resistance to be a universal lubricant,but also has highly cost-effective.The developed lubricant is environment-friendly,which could not cause pollution and the destruction of forest land.

forest multifunctional harvester；universal oil；environment-friendly

TE626.4

A

1002-1124（2014）08-0067-04

2014-04-21

肖友程（1989-），男，在讀碩士研究生，研究方向：化工機(jī)械潤(rùn)滑。

黃福川（1963-），男，教授，2005年畢業(yè)于西南石油大學(xué)，工學(xué)博士，主要從事潤(rùn)滑及摩擦材料方面的研究工作。