工程機械驅(qū)動橋用齒輪油抗氧化性能研究

董志磊，王月行

（1. 徐工集團江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004；2. 工程機械智能制造國家重點試驗室，江蘇 徐州 221004）

齒輪油作為齒輪傳動的潤滑介質(zhì)，在減小齒輪磨損、減緩疲勞點蝕和防止齒輪擦傷方面起著重要的作用。工程機械驅(qū)動橋尤其是輪邊減速機中的齒輪處于低速重載工況，在嚙合區(qū)不易建立油膜，同時由于工程機械中的齒輪精度較低，表面粗糙度較大，潤滑不良容易導(dǎo)致齒輪過早出現(xiàn)點蝕和齒面擦傷等問題［1］。裝載機、平地機等工程機械的驅(qū)動橋普遍使用GL-5重負荷車輛齒輪油，GL-5齒輪油含有大量硫磷類極壓抗磨劑，此類添加劑在高溫高壓下可與齒輪表面反生摩擦化學(xué)反應(yīng)，生成的硫化（亞）鐵、磷酸（亞）鐵等保護膜可以避免金屬直接接觸，保護膜的剪切應(yīng)力較低，容易發(fā)生塑性流動，起到減小摩擦的作用［2］。

工程機械經(jīng)常處于長時間、高負荷工況，齒輪油溫度較高，周圍環(huán)境中的水分容易混入油中，在高溫、水分以及金屬材料的催化下，齒輪油極易發(fā)生氧化變質(zhì)，失去潤滑作用，因此抗氧化性能是齒輪油的一個重要性能指標［3］。GB 13895-1992《重負荷車輛齒輪油（GL-5）》規(guī)格是國內(nèi)車輛齒輪油的最高規(guī)格，標準要求滿足GL-5規(guī)格的齒輪油必須通過L-60氧化試驗。此試驗需要專門的齒輪箱臺架，國內(nèi)相關(guān)臺架資源很少，不利于主機廠對油樣進行日常監(jiān)控。

CEC L-48-00氧化實驗法廣泛應(yīng)用于傳動系潤滑油的氧化安定性評價，屬于玻璃管模擬氧化實驗［4］。本文參照L-60氧化試驗法，通過對現(xiàn)有試驗設(shè)備進行改進，開發(fā)出了評價GL-5齒輪油氧化安定性的企業(yè)方法，并與CEC L-48-00氧化實驗法進行了對比。

1 試驗部分

1.1 試驗方法對比

L-60氧化試驗方法是將120mL待測油加入齒輪箱中，為了模擬驅(qū)動橋內(nèi)齒輪油的劇烈攪拌，在齒輪箱內(nèi)裝有2個嚙合的直齒輪，銅片為催化劑，以1.1L/h的流量向油樣中鼓泡通入干燥空氣來加速油品氧化，將試驗油在162.8℃±0.6℃下氧化50h。通過考察氧化前后試樣的100℃粘度增長率、戊烷不溶物含量、酸值等參數(shù)考察油品的氧化安定性［5］。

新開發(fā)的試驗方法是將250mL待測油加入油盒內(nèi)，使用攪拌槳代替齒輪對油樣的攪拌。在試驗條件篩選時發(fā)現(xiàn)，直接用銅絲或銅片做催化劑時，齒輪油氧化產(chǎn)生的油泥會覆蓋在催化劑表面上使其失去催化作用。有研究表明銅離子可催化基礎(chǔ)油的氧化［6］，本文以Cu2+的水溶液作為催化劑，向體系內(nèi)加水也可考察水分對齒輪油抗氧化性能的影響。以鼓泡的方式向油樣中通入干燥空氣，齒輪油氧化安定性評價指標包括100℃粘度變化率和酸值變化率。L-60氧化實驗法、研發(fā)方法和CEC L-48-00方法的實驗參數(shù)對比見表1。

表1 試驗參數(shù)對比

1.2 試驗內(nèi)容

選用市售的6種GL-5重負荷車輛齒輪油進行氧化試驗，試驗油樣的新油性能參數(shù)見表2，試樣的100℃運動粘度均在13.5～24.0mm2/s范圍內(nèi)，滿足標準要求。由于添加劑配方的不同，上述油品的酸值也不相同。

表2 試驗油新油參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 酸值變化

由圖1可以看出，不同油品經(jīng)過2種方法氧化后酸值變化率的相對趨勢保持一致，CEC L-48-00氧化實驗時間較長，各油樣的酸值均有所增加。

圖1 酸值變化率

齒輪油的酸值是添加劑配方中的酸性亞磷酸酯或酸性磷酸酯銨鹽等硫磷類極壓抗磨劑產(chǎn)生的。在實際使用過程中，隨著極壓抗磨劑的消耗，齒輪油的酸值會緩慢下降，之后隨著齒輪油氧化產(chǎn)生的有機酸的增加，齒輪油的酸值會出現(xiàn)上升［7］。在使用研發(fā)方法的氧化實驗中，中石油天鴻GL-5 85W/90齒輪油和長城GL-5 85W/90齒輪油氧化后酸值為正增長，可能是由于2種齒輪油中的抗氧劑和具有還原性的極壓抗磨劑消耗完后，油品快速氧化造成的，天鴻的抗氧化性優(yōu)于長城GL-5 85W/90。其余齒輪油的酸值表現(xiàn)為下降，可能是由于齒輪油中具有還原性的酸性極壓抗磨劑尚未完全消耗，齒輪油的快速氧化過程尚未發(fā)生。不同齒輪油添加劑的熱氧化穩(wěn)定性不同，因此酸值下降幅度不同。長城GL-5 75W/90齒輪油和新日GL-5 85w/90齒輪油酸值率在80%以上，已經(jīng)接近油品開始劇烈氧化的臨界點。

2.2 100℃運動粘度變化

由圖2可以看出，經(jīng)過2種方法氧化后不同油品的粘度變化率基本相同。多級齒輪油中含有調(diào)節(jié)粘溫性能的粘指劑，由于齒輪嚙合對粘指劑的剪切作用，在使用初期齒輪油粘度會快速下降至穩(wěn)定值，之后會隨著潤滑油的氧化而緩慢增長，當抗氧劑等具有還原性的添加劑消耗完后，油品會發(fā)生劇烈氧化造成粘度快速上升。在使用研發(fā)方法的氧化實驗中，天鴻GL-5 85W/90齒輪油和長城GL-5 85W/90齒輪油的粘度增長率均超過20%，表明兩者已經(jīng)發(fā)生劇烈氧化，與兩者酸值出現(xiàn)正增長相一致。長城GL-5 75W/90、新日GL-5 85W/90和科瑪松GL-5 75W/90粘度增長率較小，說明還未發(fā)生劇烈氧化，三者添加劑配方中具有還原性的極壓抗磨劑起到了抑制油品氧化的作用，極壓抗磨劑的消耗造成了酸值下降，因此酸值均表現(xiàn)為負增長。美孚齒輪油的粘度增長較大，但是酸值下降率較小，可能是由于在試驗結(jié)束時美孚齒輪油已經(jīng)開始劇烈氧化，由于時間較短，酸值并未顯著增加，仍低于新油酸值。

圖2 粘度變化

3 結(jié)論

（1）基于L-60試驗參數(shù)開發(fā)的氧化試驗方法對不同質(zhì)量的齒輪油具有良好的區(qū)分性，與CEC L-48-00氧化實驗結(jié)果具有良好的一致性，且實驗時間較短；

（2）實驗表明，中石化長城GL-5 75W/90、新日GL-5 85W/90、科瑪松GL-5 75W/90齒輪油的抗氧化性能較好，美孚GL-5 80W/90齒輪油次之，天鴻 85W/90齒輪油和長城GL-5 85W/90齒輪油的抗氧化性能一般。上述齒輪油的抗氧化性能優(yōu)劣是基于實驗室模擬氧化實驗進行判定的，實際使用性能還需要通過行車實驗進行驗證。

［1］ 楊粟. 潤滑油特征對重載傳動齒輪接觸疲勞強度的影響機制［D］. 北京：北京理工大學(xué)，2016.

［2］ Leslie R. Rudnick. Lubricant additives chemistry and applications［M］. Second edition. CRC press，2008.

［3］ 費逸偉，郭峰，楊宏偉，等. 潤滑油熱氧化安定性試驗方法標準比較分析［J］. 化工時刊，2015，29（2）：37-41.

［4］ CEC L-48-00. Oxidation stability of lubricating oils used in automotive transmissions by artificial ageing［S］.

［5］ SH/T 0520-1992（2006）. 車輛齒輪油熱氧化安定性評價法（L-60法）［S］.

［6］ 潘燕，王月行，朱偉偉. 銅離子對直鏈烯烴基礎(chǔ)油氧化安定性的影響［J］. 潤滑與密封，2016，41（8）：129-132.

［7］ 武永亮，鄭小艷. 重型車車橋換油周期的研究［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17（2）：40-43.