和諧型機車空氣壓縮機油的研究

李英姿，徐文波，劉曉峰，安　猛，童宗文，茹更生，屈雙利

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京　100081；2.北京鐵路局 豐臺機務(wù)段，北京　100070；3.北京鐵路局 懷柔北機務(wù)段，北京　101408；4.鄭州鐵路局機務(wù)處，河南 鄭州　450052)

為滿足我國鐵路提速、重載的需要,近年來大功率和諧型系列機車HXD1，HXD2，HXD3，HXN3和HXN5等陸續(xù)上線，這些和諧型機車加裝了多家廠商的空氣壓縮機[1-2]。不同廠商的壓縮機一般使用不同的進口壓縮機油，其中克諾爾南口公司的壓縮機(簡稱克諾爾壓縮機)使用的是Anderol 3057M，石家莊嘉祥公司的壓縮機(簡稱嘉祥壓縮機)使用的是Shell AS32，惠州標(biāo)頂公司的壓縮機(簡稱標(biāo)頂壓縮機)使用的是MobilRarus SHC 1025，登福公司的壓縮機(簡稱登福壓縮機)使用的是AEON 9000TH等進口壓縮機油。由于同一種和諧型機車上可能裝有不同廠商的空氣壓縮機,因此，在同一個機務(wù)段的同一種和諧型機車上甚至?xí)霈F(xiàn)使用多種進口壓縮機油的復(fù)雜狀況。這些進口壓縮機油雖然都是合成型潤滑油，性能水平較高，但品牌多，種類雜，質(zhì)量指標(biāo)各異，并且只有典型性能的參考數(shù)據(jù)，沒有質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從而造成現(xiàn)場油品使用和驗收等管理困難，且國內(nèi)售價昂貴。因此開展和諧機車空氣壓縮機油的國產(chǎn)化研制工作，對于保證和諧型機車的安全運用，降低運營成本具有重要意義。

1　試驗室研究

1.1　配方研究

和諧型機車的載荷大，制動消耗空氣量大(尤其在長大坡道、曲線地段時)，使用環(huán)境、氣候變化大(在全國各地區(qū)、全天候條件下使用)，正常運用故障率要求低；且和諧型機車的壓縮機為螺桿式空氣壓縮機，其在工作過程中，油品呈霧狀并與高溫壓縮氣體混合，以高速度循環(huán)反復(fù)地被加熱和冷卻，壓縮空氣中的水汽更加速了油品變質(zhì)的傾向，因此空氣壓縮機油的性能對該類型壓縮機的使用有決定性的影響。

目前優(yōu)質(zhì)的螺桿式空氣壓縮機油由深度精制的礦物型或合成型基礎(chǔ)油添加多種抗氧劑、金屬減活劑、防銹劑、抗泡劑等調(diào)和而成。鑒于和諧型機車空氣壓縮機潤滑特點及其苛刻的運用條件，綜合考慮后認(rèn)為研制油宜選用合成基礎(chǔ)油。

合成基礎(chǔ)油有合成烴油、聚醚型油、酯類油、硅油等多種，其中合成烴油中的聚α-烯烴(PAO)，因具有相對經(jīng)濟、揮發(fā)性低、良好的黏溫性能、高低溫性能、熱氧化安定性、水解安定性等特點而應(yīng)用范圍不斷擴大，特別適用于一般礦物油滿足不了的高溫、低溫或?qū)挏氐纫筝^高的工況，可明顯延長換油周期和檢修周期，因此，選取聚α-烯烴油作為合成基礎(chǔ)油的主要成分；但另一方面，聚α-烯烴會使某些橡膠收縮或變硬，且對某些添加劑的溶解性較差，為解決此問題，宜將聚α-烯烴與酯類油復(fù)配使用。通過考察三羥甲基丙烷酯、雙酯油、鄰苯二甲酸二丁酯、國產(chǎn)雙季戊四醇酯等多種酯類油[3-4]，從中篩選出抗水解(乳化)性能好的酯類油。綜合考慮，將不同黏度等級的聚α-烯烴油與選定的酯類油按不同比例復(fù)合調(diào)配，制成3個黏度等級(32，46，57)的復(fù)合基礎(chǔ)油。

采用氧化試驗、防銹試驗、銅片腐蝕試驗、摩擦磨損、破乳化試驗、抗泡試驗等國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法，對多種抗磨劑、抗氧劑、金屬減活劑、防銹劑、破乳劑、抗泡劑等添加劑進行篩選、評定，并通過正交試驗進行優(yōu)化，確定了含抗氧劑、抗磨劑、防銹防腐蝕劑、破乳劑、抗泡劑等的添加劑配方。

在確定的3個黏度等級(32，46，57)的復(fù)合基礎(chǔ)油中加入同一優(yōu)化配方的添加劑，按照一定的工藝，研制出了TKY H810,TKY H820,TKY H830系列和諧型機車空氣壓縮機油(分別簡稱為H810，H820，H830研制油)。

1.2　性能評定

根據(jù)和諧型機車空氣壓縮機的潤滑特點和使用工況要求，空氣壓縮機油應(yīng)具有適宜的黏度和高的黏度指數(shù)，優(yōu)良的抗氧化性能、防銹防腐蝕性能、空氣釋放性、抗泡性能、破乳化性能、低溫性能，較低的揮發(fā)性，較好的抗磨性能。

按照和諧型機車空氣壓縮機參數(shù)、運用條件對油品的性能要求，參照GB 5904《回轉(zhuǎn)式空氣壓縮機油》標(biāo)準(zhǔn)的試驗項目及方法[5]，對H810，H820，H830研制油和Shell AS32，Anderol 3057M，AEON 9000TH，MobilRarus SHC 1025(分別簡稱AS32，3057M，9000TH，SHC 1025)進口油的理化性能進行綜合評定，結(jié)果列于表1。

表1　和諧型機車空氣壓縮機油理化性能評定結(jié)果

研制油與進口油的主要理化性能比較如下。

(1)黏溫性能：H810與AS32同是32黏度等級、H820與SHC 1025同是46黏度等級，H830與3057M及9000TH的黏度等級相當(dāng)； H810，H820，H830，AS32和SHC 1025的黏度指數(shù)都大于130，黏溫性能優(yōu)異，3057M和9000TH的黏度指數(shù)小于130，黏溫性能稍遜。

(2)抗乳化性能：研制油的破乳化時間都在5 min內(nèi)，除AS32為7 min外，其他進口油的破乳化時間都在10 min以上，可見研制油的抗乳化性能優(yōu)于進口油。

(3)抗泡性能：研制油的抗泡性能優(yōu)良，SHC 1025和9000TH的泡沫傾向性大。

(4)低溫性能：研制油和進口油的傾點都低于-40 ℃。在-50 ℃低溫下，H810，AS32，SHC 1025的動力黏度相當(dāng)，皆小于30 Pa·s，H820和H830的動力黏度約為60 Pa·s，3057M的動力黏度大于100 Pa·s，9000TH的動力黏度偏大，大于150 Pa·s。

(5)抗氧化性能：經(jīng)氧化安定性和旋轉(zhuǎn)氧彈試驗，研制油的抗氧化性能優(yōu)良，超過或相當(dāng)各進口油。

(6)防銹防腐蝕性能：由銅片腐蝕、防銹試驗可知，研制油和進口油的防銹防腐蝕性能均優(yōu)異。

(7)抗磨性：研制油與3057M及AS32進口油的抗磨性能相當(dāng)，其四球磨斑直徑都在0.5 mm以下，SHC 1025和9000TH進口油的四球磨斑較大，大于0.5 mm。

(8)空氣釋放值：除9000TH外，研制油與其他進口油皆小于1 min。

(9)其他性能，如高溫性能(閃點)、揮發(fā)失重等，研制油與進口油在同一水平上。

由此可以得出：研制油的抗乳化性能、抗氧化性能、抗磨性能、抗泡性能、防銹防腐蝕性能、低溫性能優(yōu)異，且主要理化性能指標(biāo)達(dá)到或超過進口油。

2　室內(nèi)混油試驗

考慮到和諧型機車運用中存在研制油與進口油混合的狀況，為考察混合后油品的性能變化，將H820研制油分別與3057M，AS32，SHC 1025，9000TH進口油按1∶1比例調(diào)配成混合油，在實驗室內(nèi)進行理化性能評定試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2　H820研制油與進口油的室內(nèi)混油試驗結(jié)果

由表2可知：H820與SHC 1025，H820與9000TH這2種混合油的抗泡、抗磨性能數(shù)據(jù)偏大，這是因為受SHC 1025及9010TH進口油抗泡、抗磨性能較差的影響；4種混合油的抗乳化性能、銅片腐蝕性能、抗氧化性能均良好，運動黏度在正常變化范圍之內(nèi)。

由此可以得出：H820研制油與進口油調(diào)制成的混合油的性能均較穩(wěn)定，H820研制油與進口油相互間沒有異常的不良影響。

3　現(xiàn)場運用考核試驗

為考核研制油的實際使用性能，并與進口油對比，在豐臺、懷柔北、洛陽機務(wù)段的和諧型機車上開展為期1年多的研制油和進口油現(xiàn)場運用考核和對比試驗。

3.1　試驗概況

3.1.1試驗基本情況

選擇29臺安裝有4種空氣壓縮機的和諧型機車進行空氣壓縮機油的現(xiàn)場試驗，其中安裝嘉祥空氣壓縮機的為8臺HXD2B機車，安裝克諾爾空氣壓縮機的為8臺HXD3B機車，安裝標(biāo)頂空氣壓縮機的為5臺HXD3機車，安裝登福空氣壓縮機的為8臺HXN5機車。試驗基本情況見表3，4種空氣壓縮機的主要技術(shù)參數(shù)見表4。試驗期間，使用研制油的試驗機車的空氣壓縮機工作正常，沒有發(fā)生與研制油質(zhì)量有關(guān)的故障。

表3　和諧型機車空氣壓縮機油現(xiàn)場試驗基本情況表

表4　和諧型機車空氣壓縮機主要技術(shù)參數(shù)

3.1.2同黏度等級研制油與進口油的比對試驗

(1)嘉祥壓縮機：在豐臺機務(wù)段的3臺HXD2B型機車(平均每臺運行里程13.5萬km)上試驗H810研制油，同期在另外2臺機車(平均每臺運行里程11.9萬km)上試驗AS32進口油。

(2)克諾爾壓縮機：在豐臺機務(wù)段的3臺HXD3B型機車(平均每臺運行里程15.7萬km)上試驗H830研制油，同期在另外2臺機車(平均每臺運行里程15.4萬km)上試驗3057M進口油。

(3)登福壓縮機：在懷柔北機務(wù)段的3臺HXN5型機車(平均每臺運行里程11.9萬km)上試驗H830研制油，同期在另外2臺機車(平均每臺運行里程12.0萬km)上試驗9000TH進口油。

(4)標(biāo)頂壓縮機：在洛陽機務(wù)段的3臺HXD3型機車(平均每臺運行里程19.2萬km)上試驗H820研制油，同期在另外2臺機車(平均每臺運行里程20.2萬km)上試驗SHC 1025進口油。

3.1.3H820研制油與4種進口油的比對試驗

除在洛陽機務(wù)段3臺HXD3型機車的6臺標(biāo)頂壓縮機上外,同時還在豐臺機務(wù)段3臺HXD2B型機車(平均每臺運行里程14.7萬km)的6臺嘉祥壓縮機、3臺HXD3B型機車(平均每臺運行里程15.8萬km)的6臺克諾爾壓縮機上，在懷柔北機務(wù)段3臺HXN5型機車(平均每臺運行里程11.4萬km)的6臺登福壓縮機上都試驗H820研制油，并同期各在另外2臺機車上試驗SHC 1025，AS32，3057M和9000TH進口油。

3.1.4監(jiān)測檢驗

每隔1.5～2個月(結(jié)合修程)采集試驗油樣1次，每次采集100 mL；在29臺試驗機車上共采集油樣516個。對采集的油樣主要測定與分析油樣的運動黏度、黏度指數(shù)、Fe和Si等元素含量、酸值、水分和不溶物等項目。

3.2　空氣壓縮機工作狀況考察試驗

為考察研制油在壓縮機上的實際工作狀況，在壓縮機上進行了現(xiàn)場泵風(fēng)試驗。測試結(jié)果見表5。由表5可知：使用H810，H820，H830研制油的機車總風(fēng)缸壓力從0達(dá)到900 kPa，單臺壓縮機工作所用時間都小于7 min，2臺壓縮機同時工作所用時間都小于4 min，滿足一般和諧型機車空氣壓縮機單臺工作所用時間小于10 min、2臺同時工作所用時間小于5 min的性能要求，與使用AS32及3057M進口油的壓縮機泵風(fēng)工作時間相當(dāng)；使用H810，H820，H830研制油和AS32及3057M進口油的機車壓縮機機頭(潤滑油)的溫度都在正常變化范圍。由此驗證了使用H810，H820，H830研制油可保證機車空氣壓縮機正常工作。

表5　和諧型機車空氣壓縮機工作狀況考察

3.3　試驗結(jié)果分析

3.3.1同黏度等級研制油與進口油的比對試驗

對試驗期間研制油和進口油監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果見表6，其中每種油的平均數(shù)據(jù)為其在同型壓縮機上同期油樣平均數(shù)據(jù)的最大值。分別對H810與AS32，H820與SHC 1025，H830與3057M和9000TH3同黏度等級的研制油與進口油對比，結(jié)果如下。

表6　和諧型機車空氣壓縮機油運用考核數(shù)據(jù)分析

1)H810研制油與AS32進口油的對比

32黏度等級的H810研制油和AS32進口油的40 ℃運動黏度與機車走行公里的關(guān)系如圖1所示。由表6和圖1可知:H810研制油與AS32進口油的40 ℃運動黏度變化(平均分別小于1.6%，2.4%)、黏度指數(shù)變化(平均小于4，3個單位)、酸值變化(分別小于0.06和0.03 mgKOH·g-1)、Fe元素含量(小于3 mg·kg-1)、不溶物含量(都不大于0.03%)、乳化層達(dá)到3 mL的油水分離時間(小于30 min)等指標(biāo)都較小并且相當(dāng)；使用H810研制油與使用AS32進口油的嘉祥壓縮機均潤滑良好、使用狀態(tài)正常，并且狀況相當(dāng)。

由此可以得出：H810研制油綜合性能穩(wěn)定，抗氧化性能、抗磨性能、黏溫性能、抗乳化性能較好，與AS32進口油相當(dāng)，可以滿足和諧型機車嘉祥空氣壓縮機的潤滑要求。

圖1　32黏度等級試驗油的40 ℃運動黏度與機車走行公里的關(guān)系圖

2)H830研制油與進口油的對比

57黏度等級(或相當(dāng))的H830研制油和3057M及9000TH進口油的40 ℃運動黏度與機車走行公里的關(guān)系如圖2所示。

由表6和圖2可知：①H830研制油與3057M和9000TH進口油的運動黏度變化(平均分別小于2.8%，9.1%，4.6%)、黏度指數(shù)變化(均小于5個單位)、Fe和Si元素含量(均小于7 mg·kg-1)、不溶物含量(均不大于0.04%)等指標(biāo)均較小且相當(dāng)；②H830研制油與3057M進口油的酸值變化相當(dāng)，均小于0.10 mg KOH·g-1，而9000TH進口油的酸值變化為0.23～0.35 mg KOH·g-1，酸值變化大，超出一般壓縮機油酸值變化的換油指標(biāo)(0.2 mgKOH·g-1)；③12個H830研制油油樣中有5個的乳化層達(dá)到3 mL的油水分離時間在25 min內(nèi)，而3057M進口油的在60 min以上，9000TH進口油的在40 min以上，故H830研制油抗乳化性能優(yōu)于或相當(dāng)于3057M及9000TH進口油；④H830研制油在克諾爾、登福壓縮機上潤滑和使用狀況正常，與3057M進口油在克諾爾壓縮機、9000TH進口油在登福壓縮機上的使用狀況相當(dāng)。

圖2　57黏度等級試驗油的40 ℃運動黏度與機車走行公里的關(guān)系圖

由此可以得出：H830研制油綜合性能穩(wěn)定，抗氧化性能、抗磨性能、黏溫性能、抗乳化性能較好，實際使用性能優(yōu)于或相當(dāng)于3057M及9000TH進口油，可以滿足和諧型機車克諾爾、登?？諝鈮嚎s機的潤滑要求。

3)H820研制油與SHC 1025進口油的對比

46黏度等級H820研制油和SHC 1025進口油的40 ℃運動黏度與機車走行公里的關(guān)系如圖3所示。

由表6和圖3可見：①H820研制油與SHC 1025進口油的運動黏度變化(都小于5%)、黏度指數(shù)變化(均小于5個單位)、酸值變化(均小于0.08 mgKOH·g-1),Fe(均小于20 mg·kg-1)、Si元素含量(均小于5 mg·kg-1)、不溶物含量(均小于0.04%)等指標(biāo)較小并且相當(dāng)；②乳化層達(dá)到3 mL的油水分離時間：H820研制油油樣在30 min內(nèi)可較好地油水分離，4個SHC 1025進口油油樣中有3個在150 min以上，故H820研制油抗乳化性能優(yōu)于SHC 1025進口油；③油樣中水分達(dá)0.1%以上的，H820研制油有7個(共54個油樣)，SHC 1025進口油有3個(共36個油樣)，主要出現(xiàn)在機車(2位壓縮機)運用約10萬km后，經(jīng)分析是由于洛陽機務(wù)段HXD3機車上的2臺標(biāo)頂壓縮機使用不均，油中帶入的水分不易排出所致，可見H820研制油和SHC 1025進口油的含水分狀況相當(dāng)；④H820研制油在標(biāo)頂壓縮機上的潤滑與使用狀況良好,與SHC 1025進口油在標(biāo)頂壓縮機上的使用狀況相當(dāng)。

由此可以得出：H820研制油在運用過程中綜合性能比較穩(wěn)定，抗氧化性能、抗磨性能、黏溫性能、抗乳化性能較好，實際使用性能相當(dāng)或優(yōu)于SHC1025進口油，可滿足和諧型機車標(biāo)頂空氣壓縮機的潤滑要求。

3.3.2H820研制油與4種進口油的比對試驗

H820研制油與AS32，3057M，9000TH和SHC 1025進口油的平均黏度變化、平均酸值變化、平均Fe含量如圖4所示。由表6和圖4可得如下結(jié)論。

圖4　H820研制油與4種進口油的比較圖

(1)黏度變化：H820研制油在嘉祥壓縮機(HXD2B機車)、克諾爾壓縮機(HXD3B機車)、登福壓縮機(HXN5機車)上的40 ℃運動黏度變化平均小于8.4%，平均黏度指數(shù)變化都小于5個單位，黏溫性能較好，與4種進口油的相當(dāng)。

(2)酸值變化：H820研制油的酸值變化較小，除在HXN5機車上的酸值變化達(dá)0.17 mgKOH·g-1外,其余都小于0.09 mgKOH·g-1，與SHC 1025，3057M，AS32進口油相當(dāng)，優(yōu)于9000TH進口油。

(3)元素含量：H820研制油中Fe，Si元素含量較小，與4種進口油的相當(dāng)。

(4)不溶物：H820研制油中不溶物含量都小于0.04%，與4種進口油的相當(dāng)。

(5)抗乳化性能：H820研制油的抗乳化性能保持較好，一般在30 min內(nèi)可較好地油水分離，優(yōu)于或相當(dāng)于4種進口油。

(6)水分：H820研制油在克諾爾、嘉祥、登福壓縮機上基本不含水分，在標(biāo)頂壓縮機上含水分狀況與SHC 1025進口油相當(dāng)，故H820研制油含水分狀況與4種進口油的相當(dāng)。

(7)使用狀況：H820研制油在嘉祥、克諾爾、標(biāo)頂、登福壓縮機上潤滑與使用狀況良好，與3057M進口油在克諾爾壓縮機、AS32進口油在嘉祥壓縮機、SHC 1025進口油在標(biāo)頂壓縮機、9000TH進口油在登福壓縮機的使用狀況相當(dāng)。

由此可以得出：H820研制油綜合性能比較穩(wěn)定，抗氧化性能、抗磨性能、黏溫性能、抗乳化性能較好，與4種進口油的相當(dāng)，可滿足和諧型內(nèi)電機車克諾爾、嘉祥、標(biāo)頂、登?？諝鈮嚎s機的潤滑要求。

4　結(jié)　論

(1)TKY H810，H820，H830系列研制油，選用適宜的合成油作為基礎(chǔ)油，加入由抗氧劑、抗磨劑、防銹防腐蝕劑、破乳劑、抗泡劑等通過優(yōu)化配方的添加劑，按照一定的工藝調(diào)配而成。經(jīng)室內(nèi)理化性能綜合評定，研制油的抗乳化性能、抗氧化性能、抗磨性能、防銹防腐蝕性能、低溫性能、抗泡性能優(yōu)異，主要理化性能達(dá)到或超過進口油。

(2)TKY H810，H820，H830系列研制油在豐臺、懷柔北、洛陽機務(wù)段21臺和諧型機車(總運行299萬km)的嘉祥、克諾爾、標(biāo)頂和登福4種典型壓縮機上經(jīng)過為期1年多的現(xiàn)場運用考核，并同期與8臺機車現(xiàn)用4種進口油進行比較。結(jié)果表明：該系列研制油的抗氧化性能、抗磨性能、黏溫性能、抗乳化性能較好，綜合性能較穩(wěn)定；在和諧型機車的空氣壓縮機上使用正常，潤滑效果良好，與同黏度等級進口油的使用性能相當(dāng)；TKY H820在所試驗的4種典型壓縮機上的性能變化和使用都正常，于4種進口油實際使用性能相當(dāng)。所研制的TKY H810，H820，H830和諧機車空氣壓縮機油填補了國內(nèi)空白，達(dá)到國際先進水平，可滿足和諧型內(nèi)燃和電力機車空氣壓縮機的潤滑要求。

[1]胡躍文, 段繼超, 張娟,等.和諧HXD1型大功率交流電力機車空氣制動系統(tǒng)[J]. 電力機車與城軌車輛,2007,30(1):33-34.

(HU Yuewen, DUAN Jichao, ZHANG Juan,et al. Air Brake System of Type HXD1 High-Power AC Electric Locomotive[J]. Electric Locomotives & Mass Transit Vehicles,2007,30(1):33-34. in Chinese)

[2]曹灝,王存兵,吳國棟.HXD3 型電力機車空氣制動系統(tǒng)[J].鐵道機車車輛,2009,29(4):46-50.

(CAO Hao, WANG Cunbing, WU Guodong. Air Braking System of HXD3 Type High Power Freight Electric Locomotive[J].Railway Locomotive & Car, 2009,29(4):46-50.in Chinese)

[3]李英姿，劉曉峰，楊啟錞.鐵路螺桿式空氣壓縮機油的研制[J].中國鐵道科學(xué),2004,25(6)：21-26.

(LI Yingzi,LIU Xiaofeng，YANG Qichun.Development of Screw Air Compressor Oil for Railway Locomotive[J]. China Railway Science, 2004,25(6)：21-26.in Chinese)

[4]崔敬佶,李延秋.PAO和酯類油在合成潤滑劑中的應(yīng)用[J]. 潤滑油,2001,19(1):7-12.

(CUI Jingji,LI Yanqiu.PAO-ESTERS and Their Applications in Lubricating Oils[J].Lubricating Oil,2001,19(1):7-12.in Chinese)

[5]石油化工科學(xué)研究院.GB 5904—1986(2004) 輕負(fù)荷噴油回轉(zhuǎn)式空氣壓縮機油[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1986.

(Sinopec Research Institute of Petroleum Processing. GB 5904—1986(2004)Lubricants for Light Duty Rotary Oil-Flooded Air Compressor[S]. Beijing：China Standards Press,1986.in Chinese)

[6]中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所.TB/T 3257—2011 鐵路機車空氣壓縮機油[S]. 北京：中國鐵道出版社,2011.

(Metals and Chemistry Research Institute of China Academy of Railway Sciences. TB/T 3257—2011 Air Compressor Lubricating Oil for Railway Locomotive[S]. Beijing：China Railway Publishing House,2000.in Chinese)