中國石化長城AE 68液壓油（高清）在盾構(gòu)機上的應用研究

張靜如

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

掘進機械是工程機械行業(yè)中的一類重要設(shè)備，根據(jù)《工程機械定義及類組劃分》的分類[1]，掘進機械主要分為懸臂式巷道掘進機、全斷面隧道掘進機等。盾構(gòu)機是全斷面隧道掘進機的一種，其使用盾構(gòu)施工法，主機結(jié)構(gòu)見圖1[2]。盾構(gòu)機起源于英國，在20世紀上半葉盾構(gòu)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，并在德國、美國、日本以及歐洲等發(fā)達國家得到了較快的發(fā)展。目前，盾構(gòu)機經(jīng)過長時間的不斷改進，其作為一種高效的隧道施工設(shè)備，被廣泛應用于各種隧道施工中，如地鐵建設(shè)、輸油管道等，并擴展到多個領(lǐng)域，得到了廣泛的認可[3]。我國的盾構(gòu)技術(shù)起步較晚，在21世紀初，美國、日本和歐洲等國家的盾構(gòu)機相關(guān)公司壟斷了我國盾構(gòu)機市場和技術(shù)。國際知名的盾構(gòu)機制造商包括德國的海瑞克公司、維爾特公司，日本的小松公司和川崎重工，美國的羅賓斯公司以及法國的NFM公司等[4]。

圖1 盾構(gòu)機主機結(jié)構(gòu)

近年來，隨著我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展與城市化水平的提高，我國隧道及地下空間開發(fā)得到迅猛發(fā)展[5]。我國的盾構(gòu)技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已形成一套全面的技術(shù)體系，通過對國外先進技術(shù)的引進與吸收，我國研制出一系列具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、性能優(yōu)良的盾構(gòu)設(shè)備，實現(xiàn)了中國盾構(gòu)從有到優(yōu)的發(fā)展，結(jié)束了我國盾構(gòu)長期依賴國外品牌的歷史。我國進入了具備盾構(gòu)自主設(shè)計、制造和施工技術(shù)的盾構(gòu)大國行列，同時我國也涌現(xiàn)出了多家實力雄厚的盾構(gòu)機制造公司。如中國中鐵工程裝備集團有限公司、中國鐵建重工集團有限公司、中交天和機械設(shè)備制造有限公司等。

盾構(gòu)設(shè)備作為機械化開挖的工程裝備，已在鐵路隧道、公路隧道、城市地鐵、綜合管廊、地下通道、煤礦巷道和飲水隧洞等隧道及地下空間開發(fā)工程中得到了廣泛的應用[6]。并隨著城市地下交通以及地下管廊等規(guī)劃的進一步實施，盾構(gòu)機的需求量將進一步擴大。為了適應不同工程對盾構(gòu)施工技術(shù)的需求，盾構(gòu)施工技術(shù)還需要進一步的發(fā)展和完善[7]。

根據(jù)出渣方法以及工作方式的不同，目前國內(nèi)盾構(gòu)機主要分為土壓平衡盾構(gòu)機、泥水盾構(gòu)機及巖石掘進機等。這幾類盾構(gòu)機工況普遍具有負荷較大、工作溫度高、連續(xù)作業(yè)、多粉塵以及自動化程度高等特點，因此，對設(shè)備用油具有較高的要求，需要具備優(yōu)異的極壓抗磨性、防銹性、耐高溫性及抗氧化性等性能。由于我國盾構(gòu)技術(shù)源于國外，其潤滑油品的選用一直沿用國外品牌。為了探索長城液壓油在盾構(gòu)機及其他工程機械上的應用性能，擴大長城液壓油的應用范圍，本文開展了長城AE 68液壓油（高清）產(chǎn)品在某電力隧道項目某型號盾構(gòu)機上的應用試驗，為盾構(gòu)機等工程機械用油的國產(chǎn)化替代提供支持。

應用試驗

試驗設(shè)備基本情況

本次應用研究選用的設(shè)備為土壓平衡盾構(gòu)機，共涉及兩臺盾構(gòu)機，分別記為1號盾構(gòu)機和2號盾構(gòu)機。兩臺設(shè)備參數(shù)相同，主要參數(shù)如表1所示，開挖直徑均為4 350 mm。1號盾構(gòu)機掘進里程約2 840 m，2號盾構(gòu)機掘進里程約2 900 m。

表1 土壓平衡盾構(gòu)機主要參數(shù)

試驗油品信息

試驗使用的長城AE 68液壓油（高清）產(chǎn)品典型數(shù)據(jù)見表2。

表2 長城AE 68液壓油（高清）典型數(shù)據(jù)

取樣

本次應用研究所使用的長城AE 68液壓油（高清）自盾構(gòu)機廠內(nèi)試機開始注入液壓系統(tǒng)內(nèi)，試機結(jié)束后，將盾構(gòu)機液壓油系統(tǒng)內(nèi)液壓油抽取干凈，重新注滿長城AE 68液壓油（高清）新油。裝油完畢后，開展盾構(gòu)機現(xiàn)場試運行。將試運行結(jié)束后第一次抽取的液壓油油樣作為0個月的油樣，此后，根據(jù)現(xiàn)場施工情況及設(shè)備運行情況每月定期取樣，直至本次應用研究任務結(jié)束。1號盾構(gòu)機共計取樣13次，2號盾構(gòu)機共計取樣12次。本次行車試驗所取油樣外觀照片如圖2所示。

圖2 行車試驗油樣照片

油樣監(jiān)測

為監(jiān)測長城AE 68液壓油（高清）在1號和2號盾構(gòu)機上的性能變化，本次應用研究參照液壓油換油標準NB/SH/T 0599的指標要求，并結(jié)合盾構(gòu)機工況要求，對能夠表征盾構(gòu)機用液壓油性能變化的關(guān)鍵指標進行了分析。

參照換油標準NB/SH/T 0599的要求，本次應用研究選取的分析項目包括：色度增加、40 ℃運動黏度變化率、酸值增加、戊烷不溶物以及銅片腐蝕性能，詳細要求見表3。因人工取樣過程中，油品清潔度和含水量受外界因素影響較大，故本次應用研究未進行清潔度和抗乳化性能分析。同時，根據(jù)盾構(gòu)機用油主要性能要求（抗氧化性能、抗磨性能、耐高溫性能），并參照企標Q/SH 3031 0550《AE液壓油》新油技術(shù)要求，對油品黏度指數(shù)變化、旋轉(zhuǎn)氧彈變化以及磨損金屬含量（鐵和銅）進行監(jiān)測。

表3 選取的液壓油關(guān)鍵換油指標技術(shù)要求及試驗方法

結(jié)果及討論

經(jīng)過總里程約5 800 m的行車試驗，試驗油品長城AE 68液壓油（高清）在1號和2號盾構(gòu)機上運行良好。具體分析結(jié)果如下：

色度

潤滑油的顏色可以反映其精制程度和穩(wěn)定性，同時，也與油品中加入的添加劑有關(guān)。對于在用油，通過新、舊油品色度的對比，可以大致估量油品的氧化、變質(zhì)和受污染的情況。應用試驗過程中，油品色度變化情況如圖3所示。

圖3 應用試驗過程中長城AE 68液壓油（高清）色度變化情況

由圖3可以看出，1號盾構(gòu)機運行2 840 m的油樣及2號盾構(gòu)機運行2 400 m的油樣色度較大，原因是取樣時油品被污染，致使油樣渾濁，色度變大。除此之外，整個應用試驗過程中長城AE 68液壓油（高清）的色度呈現(xiàn)規(guī)律性變化，并且變化幅度較小，色度增長始終保持在不大于2 號的范圍內(nèi)，在一定程度上反映了油品老化程度較小。

運動黏度

運動黏度是評價潤滑油品流動性的重要指標。黏度過大，潤滑油流動性差，不易啟動，增加液壓系統(tǒng)壓力和功率的損失；黏度過小，不易形成流體潤滑，增加液壓泵零部件磨損，同時導致液壓系統(tǒng)密封性變差，導致容積效率降低。因此，液壓油需保持一個適當?shù)酿ざ?，用來保證盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)的正常潤滑和密封。在不考慮外界污染、混油的情況下，液壓油在正常工作狀態(tài)下，黏度變化通常是由氧化所致。應用試驗過程中，油品運動黏度變化情況如圖4所示。

圖4 應用試驗過程中長城AE 68液壓油（高清）40 ℃運動黏度變化情況

由圖4可以看出，長城AE 68液壓油（高清）的40 ℃運動黏度未有較大變化，且黏度變化曲線一直保持在較好水平。這說明長城AE 68液壓油（高清）在應用過程中具有較好的黏度保持能力。

黏度指數(shù)

黏度指數(shù)反映液壓油黏度隨溫度變化的保持能力。一般來說，溫度升高導致液壓油黏度變小，溫度下降和壓力增加導致液壓油黏度變大。盾構(gòu)機使用工況較為苛刻，外部環(huán)境溫度變化較大。因此，盾構(gòu)機用液壓油需要有較高的黏度指數(shù)，為盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)提供良好的潤滑和密封，保證高效的能量傳遞。應用試驗過程中，油品黏度指數(shù)變化情況如圖5所示。

圖5 應用試驗過程中長城AE 68液壓油（高清）黏度指數(shù)變化情況

由圖5可以看出，長城AE 68液壓油（高清）的黏度指數(shù)未發(fā)生大的變化，說明長城AE 68液壓油（高清）具有較好的黏度指數(shù)保持能力，可以保證在溫度變化時，為盾構(gòu)機提供更好的潤滑保護，同時保證更加有效的能量傳遞。

酸值

酸值是潤滑油中含有酸性物質(zhì)的一種指標。一般認為，酸值的下降與油品使用初期酸性添加劑（如極壓抗磨劑）的消耗有關(guān)，而隨著油品使用時間增加，油品氧化產(chǎn)生的酸性物質(zhì)會再次導致酸值升高，在正常使用過程中液壓油酸值呈現(xiàn)先下降后上升的規(guī)律。因此，酸值的變化在一定程度上可以反映液壓油的老化程度。應用試驗過程中，油品酸值變化情況如圖6所示。

圖6 應用試驗過程中長城AE 68液壓油（高清）酸值增加變化情況

由圖6可以看出，整個應用過程長城AE 68液壓油（高清）的酸值變化幅度較小，說明油品的老化程度較小。且酸值整體稍有下降，但未呈現(xiàn)上升趨勢，推測油品中的極壓抗磨劑有少量消耗，尚未出現(xiàn)大量消耗。

戊烷不溶物

戊烷不溶物指的是使用過的油品在溶于戊烷后所分離出的物質(zhì)，一般包括油品的氧化產(chǎn)物、添加劑的分解產(chǎn)物、灰塵、積炭、金屬粉末等?？梢杂糜谂袛嘤推吩谑褂眠^程中的受污染程度和老化程度。應用試驗過程中，油品戊烷不溶物變化情況如圖7所示。

圖7 應用試驗過程中長城AE 68液壓油（高清）戊烷不溶物變化情況

由圖7可以看出，整個應用過程中長城AE 68液壓油（高清）的戊烷不溶物始終保持在較低的范圍內(nèi)，戊烷不溶物質(zhì)量分數(shù)最大不超過0.04%，說明長城AE 68液壓油（高清）在應用過程中氧化變質(zhì)的程度較小，在一定程度上反映了油品具有較長的氧化壽命。

銅片腐蝕

潤滑油品中的活性硫化物對金屬有較強的腐蝕作用，直接影響設(shè)備的工作壽命。同時，潤滑油品使用一段時間后，會產(chǎn)生具有腐蝕性的氧化物。盾構(gòu)機液壓元器件中含有銅等活潑金屬元素，因此，盾構(gòu)機用液壓油需具有優(yōu)異的抗腐蝕能力，以達到對液壓元器件的保護作用。應用試驗過程中，油品銅片腐蝕性能變化情況如圖8所示。

圖8 應用試驗過程中長城AE 68液壓油（高清）銅片腐蝕變化情況

由圖8可以看出，兩臺盾構(gòu)機裝填的長城AE 68液壓油（高清）的銅片腐蝕測試結(jié)果均為1b級別，未達到NB/SH/T 0599液壓油換油標準中銅片腐蝕指標要求（＞2a）。表明油品在整個應用試驗過程中始終具有良好的銅腐蝕防護性能。

旋轉(zhuǎn)氧彈

旋轉(zhuǎn)氧彈可用來測試潤滑油品抗氧化能力。通常情況下礦物型潤滑油抗氧化能力越好，旋轉(zhuǎn)氧彈數(shù)值越大。因盾構(gòu)機通常為地下作業(yè)，潤滑油品更換較為不便。因此，盾構(gòu)機所用液壓油更加需要具有優(yōu)異的抗氧化能力，用來保證盾構(gòu)機的更長周期的可靠運行。應用試驗過程中，油品旋轉(zhuǎn)氧彈變化情況如圖9所示。

圖9 應用試驗過程中長城AE 68液壓油（高清）旋轉(zhuǎn)氧彈變化情況

由圖9可以看出，對于1號盾構(gòu)機，整個應用過程中長城AE 68液壓油（高清）的旋轉(zhuǎn)氧彈變化幅度較小，說明在整個應用過程中長城AE 68 液壓油均保持優(yōu)異的抗氧化性能。對于2號盾構(gòu)機，前期長城AE 68液壓油（高清）旋轉(zhuǎn)氧彈變化一直較為平穩(wěn)，在設(shè)備運行后期時，旋轉(zhuǎn)氧彈數(shù)值稍有降低，但此時油品依然具有較好的抗氧化能力。

元素含量

液壓油中銅、鐵元素含量的變化情況可以表征液壓系統(tǒng)液壓元器件的磨損情況，也代表了液壓油對液壓元器件接觸界面的保護情況。應用試驗過程中，油品元素含量變化情況見表4和表5，試驗方法為GB/T 17476。

表4 應用試驗過程中1號盾構(gòu)機長城AE 68液壓油（高清）銅、鐵元素變化情況

表5 應用試驗過程中2號盾構(gòu)機長城AE 68液壓油（高清）銅、鐵元素變化情況

由表4和表5可以看出，長城AE 68液壓油（高清）中銅、鐵金屬元素含量一直處于較低水平，均維持在10 mg/kg以下。說明長城AE 68液壓油（高清）在整個應用過程中對設(shè)備起到了良好的抗磨保護。

結(jié)論

本次應用研究采用中國石化長城AE 68液壓油（高清）在兩臺直徑為4 350 mm的土壓平衡盾構(gòu)機上開展了全標段行車試驗和效果追蹤，每臺盾構(gòu)機施工標段均約為2 900 m，本次行車試驗項目掘進總長度約5 800 m。結(jié)果表明中國石化長城AE 68液壓油（高清）具有良好的抗氧化性、抗腐蝕性、抗磨性、耐久性等綜合性能，保證了盾構(gòu)機的可靠、穩(wěn)定運行，為設(shè)備提供了全方位的潤滑，可以滿足該盾構(gòu)機的潤滑要求。