工業(yè)齒輪油氧化安定性測(cè)試方法的對(duì)比研究

周康 孫建武 王碩 王玉玲

1 中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心

2 中國石油蘭州潤滑油廠

本文對(duì)工業(yè)齒輪油氧化安定性測(cè)試方法進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比，簡要闡述了3類氧化試驗(yàn)方法的原理和特點(diǎn)；采用代表性的工業(yè)齒輪油樣品，選擇試驗(yàn)耗時(shí)較短的DKA氧化試驗(yàn)、烘箱氧化試驗(yàn)及SH/T 0123—2003《極壓潤滑油氧化性能測(cè)定法》進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明，DKA氧化試驗(yàn)與烘箱氧化試驗(yàn)的結(jié)果一致性較好，與SH/T 0123—2003《極壓潤滑油氧化性能測(cè)定法》的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)性較強(qiáng)，適合用于工業(yè)齒輪油氧化安定性的前期篩選。

齒輪油的氧化安定性指油品抗老化性能，一般是以油中生成的沉淀物及酸值來表示，是決定油品使用壽命的主要指標(biāo)之一。工業(yè)齒輪油在使用過程中，不可避免地會(huì)與空氣、金屬和雜質(zhì)等接觸，在溫度較高條件下使用時(shí)會(huì)加速油品的氧化，氧化過程產(chǎn)生的油泥會(huì)導(dǎo)致油品和齒輪箱組件使用壽命縮短，影響潤滑效果。同時(shí)，隨著節(jié)能和環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，要求包括工業(yè)齒輪油在內(nèi)的潤滑油產(chǎn)品具有較長的使用壽命或換油周期，對(duì)油品的氧化安定性提出了日益苛刻的要求。因此，氧化安定性是工業(yè)齒輪油研究過程中需關(guān)注的重點(diǎn)。

工業(yè)齒輪油的使用工況復(fù)雜惡劣，影響其氧化安定性的除了油品化學(xué)組成外，還有眾多的外在因素（溫度、壓力、負(fù)荷、時(shí)間和金屬催化等）。本文選擇代表性的工業(yè)齒輪油樣品，采用常用的3種抗氧化試驗(yàn)方法進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，考察不同方法試驗(yàn)結(jié)果的一致性和對(duì)應(yīng)性，為工業(yè)齒輪油的配方開發(fā)提供參考。

試驗(yàn)方法概述與對(duì)比

試驗(yàn)方法概述

根據(jù)使用主要儀器設(shè)備的不同，國內(nèi)外工業(yè)齒輪油氧化安定性測(cè)試方法大體上可以分為如下3類：

氧化管試驗(yàn)法

工業(yè)齒輪油國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5903—2011《工業(yè)閉式齒輪油》和石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T 0467—2010《合成工業(yè)齒輪油》中均采用了SH/T 0123—2003《極壓潤滑油氧化性能測(cè)定法》來評(píng)定油品的氧化安定性。該方法是將300 mL試樣倒入試驗(yàn)的氧化管中，然后插入已到達(dá)試驗(yàn)溫度（95 ℃或121 ℃）的加熱浴中，通入恒壓干燥的空氣，通過測(cè)定試樣100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的增長值和沉淀值的變化，表示油品的氧化安定性。

GB 5903—2011中，也要求采用GB/T 12581—2006《加抑制劑礦物油氧化特性測(cè)定法》測(cè)試油品的氧化安定性。該方法是通過測(cè)定95 ℃試驗(yàn)條件下試樣酸值達(dá)到2.0 mgKOH/g所需要的時(shí)間來判定油品的氧化安定性，特別適用于評(píng)價(jià)容易被水污染的油品氧化安定性。由于工業(yè)齒輪油的使用環(huán)境較為惡劣，常常會(huì)有遇水的工況，因此也成為工業(yè)齒輪油評(píng)價(jià)氧化安定性的重要方法。

此外，DKA氧化試驗(yàn)（CECL-48-A-00）條件較為苛刻，是測(cè)定特定人工老化條件下潤滑油氧化的試驗(yàn)方法，近年被油品公司和添加劑公司廣泛使用。該方法是將0.5 mg試樣在150 ℃條件下通入一定流速的空氣，通過測(cè)定試驗(yàn)后試樣酸值增加、40 ℃和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化和油泥情況，對(duì)油品的氧化安定性進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。

氧化誘導(dǎo)期法

GB 5903—2011在測(cè)定L-CKB工業(yè)齒輪油的氧化安定性時(shí)，也采用了SH/T 0193—2008《潤滑油氧化安定性的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)氧彈法》。該方法是將50 g試樣、5 mL水、銅催化劑線圈放入一個(gè)帶蓋的玻璃試樣器內(nèi)，置于裝有壓力表的氧彈中。氧彈充入620 kPa壓力的氧氣，放入規(guī)定的恒溫油浴中（150 ℃），使其以100 r/min的速度與水平面呈30°角軸向旋轉(zhuǎn)，記錄達(dá)到規(guī)定的壓力降175 kPa所需的時(shí)間（min）。以氧化誘導(dǎo)期表示其抗氧化能力，氧化誘導(dǎo)期越長，油品的氧化安定性越好。

設(shè)備模擬試驗(yàn)法

設(shè)備模擬試驗(yàn)法是指將油樣加入到模擬設(shè)備中，模擬不同潤滑油的實(shí)際工作環(huán)境，在規(guī)定時(shí)間和試驗(yàn)溫度進(jìn)行氧化后，根據(jù)黏度、酸值的變化等指標(biāo)表征油品的氧化程度[1]。

本文采用了一種自建方法考察工業(yè)齒輪油的氧化安定性，即烘箱氧化試驗(yàn)。該方法是在250 mL 燒杯中加入200 mL 試油，將磨好的45號(hào)鋼片以和杯底約30°角浸于試樣中，將燒杯置于135 ℃ 烘箱中恒溫72 h，然后取出鋼片用石油醚沖洗，觀察鋼片變色（鋼片評(píng)級(jí)規(guī)定： 0為鋼片不變色；1為稍變色，幾乎與新片相同；2 為局部淡白色；3為鋼片淡白色，擦去后鋼片亮；4為紅、黃、藍(lán)、灰等彩色或灰白色；5為局部灰黑色，明顯腐蝕；6 為鋼片灰黑，剝落）和杯底沉積物情況（以多、中、少、無區(qū)分），同時(shí)測(cè)定油品氧化前后酸值、100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的變化。

不同方法的試驗(yàn)條件對(duì)比

前述工業(yè)齒輪油抗氧化試驗(yàn)方法的主要試驗(yàn)條件對(duì)比見表1。

從表1可以看出：5種方法對(duì)試樣量、試驗(yàn)溫度、催化劑種類和時(shí)間等的要求均不相同，具體來說：

◇SH/T 0123、GB/T 12581需要的試樣量較大，達(dá)到了300 mL；

◇ 與SH/T 0123相 比，GB/T 12581要求加入鐵線圈、銅線圈作為金屬催化劑，通氣使用的是氧氣而不是空氣。

◇旋轉(zhuǎn)氧彈法（SH/T 0193）設(shè)備比較簡單，反映的是油品簡單的靜態(tài)特性，難以全面凸顯用戶普遍關(guān)心的潤滑油使用性能[2]。

◇烘箱氧化法和DKA氧化方法類似，試驗(yàn)溫度較高，表征項(xiàng)目也大致相同，主要關(guān)注油品酸值、運(yùn)動(dòng)黏度和油泥（沉積物）的變化。

不同測(cè)試方法對(duì)比考察工業(yè)齒輪油的氧化安定性

試驗(yàn)油品的調(diào)制

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的150BS-1、150BS-2和150BS-3分別和APIⅡ類基礎(chǔ)油作為基礎(chǔ)油組分，加入復(fù)合劑以及選定的降凝劑、抗泡劑和破乳劑，調(diào)制成320黏度級(jí)別的CKD工業(yè)齒輪油YGO-1、YGO-2、YGO-3（使用復(fù)合劑A調(diào)制）及 YGO-4、YGO-5、YGO-6（ 使用復(fù)合劑B調(diào)制）。

試驗(yàn)用150BS-1、150BS-2、和150BS-3均為市售的典型150BS光亮基礎(chǔ)油，主要理化性能見表2。試驗(yàn)用復(fù)合劑A和復(fù)合劑B為市售的兩種進(jìn)口工業(yè)齒輪油復(fù)合劑，主要理化性能見表3。

表1 工業(yè)齒輪油抗氧化試驗(yàn)方法的主要試驗(yàn)條件對(duì)比

表2 試驗(yàn)用150BS光亮油和APIⅡ基礎(chǔ)油的主要理化性能

不同測(cè)試方法的氧化安定性結(jié)果對(duì)比分析

采用上述5種方法中耗時(shí)相對(duì)較短的DKA氧化、烘箱氧化和極壓潤滑油氧化性能測(cè)定法(SH/T 0123)測(cè)試油品的氧化安定性，結(jié)果見表4。不同油品烘箱氧化試驗(yàn)后的鋼片變色情況和DKA氧化試驗(yàn)后的油泥評(píng)級(jí)情況分別見圖1、圖2。

表3 試驗(yàn)用工業(yè)齒輪油復(fù)合劑的主要理化性質(zhì)

表4 不同測(cè)試方法考察工業(yè)齒輪油的氧化安定性

從表4可以看出：

◇在烘箱氧化試驗(yàn)和DKA氧化試驗(yàn)中，YGO-2、YGO-5的黏度增長、酸值增加值和鋼片（油泥）評(píng)級(jí)較大；在SH/T 0123試驗(yàn)中，YGO-2、YGO-5的100℃運(yùn)動(dòng)黏度增長率分別為6.89%、6.16%，沉淀值都大于0.1 mL，均超過了GB 5903—2011標(biāo)準(zhǔn)的氧化安定性限值要求。

◇采用烘箱氧化試驗(yàn)、DKA氧化試驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)于用復(fù)合劑A調(diào)配的 YGO-1、YGO-2、YGO-3，YGO-1的黏度增長、酸值增加值和鋼片（油泥）評(píng)級(jí)表現(xiàn)最好，YGO-2的表現(xiàn)最差。對(duì)于用復(fù)合劑B調(diào)配的YGO-4、YGO-5、YGO-6，YGO-4的黏度增長、酸值增加值和鋼片（油泥）評(píng)級(jí)表現(xiàn)最好，YGO-5的表現(xiàn)最差。YGO-1和YGO-4油品的氧化安定性性能表現(xiàn)最好，推測(cè)與150BS基礎(chǔ)油的來源及結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān)。

◇由于DKA氧化試驗(yàn)的溫度和時(shí)間都大于烘箱氧化試驗(yàn)，因而油品DKA氧化試驗(yàn)后的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度增長率、酸值增加均大于烘箱氧化試驗(yàn)的結(jié)果；DKA氧化試驗(yàn)與烘箱氧化試驗(yàn)的結(jié)果具有一定的對(duì)應(yīng)性，即烘箱氧化表現(xiàn)較好的油品在DKA氧化試驗(yàn)中也表現(xiàn)較好。同時(shí)，烘箱氧化試驗(yàn)和DKA氧化試驗(yàn)結(jié)果較好的油品采用SH/T 123測(cè)試時(shí)也表現(xiàn)較好， 100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度增長率在較小范圍波動(dòng)，說明抗氧劑未完全消耗[3]，試驗(yàn)條件相對(duì)較為緩和。

根據(jù)圖1、圖2，YGO-1、YGO-2和YGO-3油品烘箱氧化試驗(yàn)后的鋼片變色分別為2級(jí)、5級(jí)和3級(jí)，DKA氧化試驗(yàn)后油品的油泥評(píng)價(jià)分別為1級(jí)、3級(jí)和3級(jí)；YGO-4、YGO-5和 YGO-6油品烘箱氧化試驗(yàn)后的鋼片變色分別為2級(jí)、4級(jí)和3級(jí)，DKA氧化試驗(yàn)后油品的油泥評(píng)價(jià)分別為1級(jí)、3級(jí)和1級(jí)。整體看，烘箱氧化試驗(yàn)后的鋼片變色大的油品，DKA氧化試驗(yàn)后的油泥評(píng)級(jí)就越高。

圖1 采用烘箱氧化試驗(yàn)測(cè)試不同工業(yè)齒輪油的鋼片變色情況

圖2 采用DKA氧化試驗(yàn)測(cè)試不同工業(yè)齒輪油的油泥情況

結(jié)束語

工業(yè)齒輪油氧化安定性測(cè)試方法較多，其中烘箱氧化試驗(yàn)和DKA氧化試驗(yàn)類似，主要關(guān)注油品酸值變化、黏度變化和油泥變化。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，烘箱氧化試驗(yàn)與DKA氧化試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，都具有良好的區(qū)分性，同時(shí)與工業(yè)齒輪油常用的SH/T 0123—2003《極壓潤滑油氧化性能測(cè)定法》的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)性較強(qiáng)。這2種方法可以作為考察工業(yè)齒輪油配方氧化安定性的前期篩選方法。