工業(yè)齒輪油長周期密封相容性研究

杜雪嶺 石 嘯 張國茹

(中國石化潤滑油有限公司北京研究院 北京 100085)

工業(yè)齒輪箱在鋼鐵、煤炭和水泥等行業(yè)的機(jī)械傳動設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，齒輪箱向著體積小、高效率、長壽命和優(yōu)異密封的方向發(fā)展。對工業(yè)齒輪油的質(zhì)量要求也越來越高，油品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也不斷更新，主要是提升齒輪油的抗微點(diǎn)蝕性能、軸承保護(hù)性能、抗泡沫性能和與密封橡膠的相容性等方面[1-2]。

在各種工業(yè)齒輪傳動設(shè)備中，齒輪油與齒輪箱中的密封橡膠材料直接接觸。如果工業(yè)齒輪油與密封橡膠材料的相容性不好，會導(dǎo)致多種不良后果，比如橡膠材料的過度膨脹或收縮，導(dǎo)致齒輪異常振動及磨損；加速密封橡膠材料的老化，進(jìn)而影響到齒輪箱的整體壽命；導(dǎo)致油品泄漏，污染環(huán)境，甚至有可能帶來安全隱患[3]。

目前工業(yè)齒輪箱中使用的工業(yè)齒輪油，主要包括礦物型齒輪油、PAO(聚α烯烴，poly alphaolefin)合成型齒輪油和PAG(聚醚，polyalkylene glycol)合成型齒輪油等類型。其中礦物型工業(yè)齒輪油用量最大，占比達(dá)80%以上，因此本文作者主要針對礦物型工業(yè)齒輪油進(jìn)行氧化和密封相容性研究。

1 工業(yè)齒輪油密封相容性研究概況

根據(jù)相關(guān)研究成果[4-5]，工業(yè)齒輪箱橡膠密封材料發(fā)生異常泄漏的主要原因包括密封圈本身的性能、裝配過程、潤滑劑、設(shè)備操作條件、密封環(huán)境和軸表面情況等。其中潤滑劑對于齒輪箱密封部件發(fā)生長期泄漏影響因素占比可達(dá)40%，為主要影響因素。因此應(yīng)選用與橡膠有良好相容性的齒輪油，可保障齒輪箱密封良好，避免因油品泄漏導(dǎo)致液位降低等不良后果，同時(shí)也可避免因泄漏污染環(huán)境。

潤滑油與橡膠的相容性指2種接觸的物質(zhì)互不影響彼此性能的能力，即包括潤滑油對與其所接觸的橡膠材料無侵蝕的能力，以及橡膠不會污染與其所接觸潤滑油的能力。相容性的本質(zhì)是潤滑油與橡膠之間相互作用，這個(gè)作用包括物理作用和化學(xué)反應(yīng)。物理作用主要分為2個(gè)方面，一是潤滑油的基礎(chǔ)油和添加劑分子會向橡膠基體中擴(kuò)散，導(dǎo)致橡膠的體積膨脹；二是橡膠中的小分子物質(zhì)和各種助劑可以溶解在潤滑油中，導(dǎo)致橡膠的體積收縮。潤滑油與橡膠的化學(xué)反應(yīng)主要包括熱氧化反應(yīng)和基團(tuán)特異反應(yīng)，使橡膠高分子鏈斷裂、交聯(lián)結(jié)構(gòu)和填充組分被破壞，導(dǎo)致橡膠機(jī)械性能下降[6-9]。潤滑油與橡膠之間的物理化學(xué)作用共同決定著兩者的相容性，因此溫度、氧氣含量、接觸方式等皆可影響潤滑油的橡膠相容性。

國內(nèi)常見的潤滑油橡膠相容性試驗(yàn)主要參照GB/T 1690《硫化橡膠或熱塑性橡膠 耐液體試驗(yàn)方法》，標(biāo)準(zhǔn)修改采用ISO 1817《硫化橡膠或熱塑性橡膠 液體影響的測定》，該常規(guī)靜態(tài)相容性試驗(yàn)國內(nèi)外一般測試時(shí)長為24、72和168 h等[10-13]，但對于更長時(shí)間的靜態(tài)相容性和長周期動態(tài)相容性的研究公開報(bào)道相對較少。

長周期靜態(tài)相容性和動態(tài)相容性是高端工業(yè)齒輪油評價(jià)體系中必不可少的重要組成部分。歐洲特別是德國已經(jīng)建立了較為完善的工業(yè)齒輪油與橡膠密封材料相容性的評價(jià)體系，如普通工業(yè)齒輪油須符合DIN 51517-3《潤滑劑 潤滑油 第三部分：潤滑油CLP的最低要求》工業(yè)齒輪油標(biāo)準(zhǔn)中常規(guī)靜態(tài)相容性要求(SRE-NBR 28/SX橡膠，100 ℃，168 h)[14]。而部分頂尖齒輪箱制造商(OEM)配套的高端工業(yè)齒輪油，除了要求滿足常規(guī)的靜態(tài)相容性，還需要通過OEM結(jié)合自身齒輪箱和橡膠材料特點(diǎn)建立的更為嚴(yán)苛的長周期密封相容性試驗(yàn)，其中包括長周期靜態(tài)相容性及動態(tài)相容性評價(jià)[15]。相關(guān)測試要求見表 1。

表1 DIN 51517-3和高端齒輪箱OEM中對工業(yè)齒輪油橡膠密封相容性測試要求

從表1可以看出，DIN 51517-3工業(yè)齒輪油規(guī)格僅對168 h的常規(guī)靜態(tài)密封相容性有要求，而兩家OEM靜態(tài)密封相容性測試時(shí)間都延長到了1 008 h；且需要開展動態(tài)相容性試驗(yàn)，其中OEM-2動態(tài)相容性測試時(shí)間更長(2 016 h)，也更為苛刻，后續(xù)長周期相容性試驗(yàn)采用OEM-2測試條件。

在長周期的橡膠相容性試驗(yàn)中，橡膠密封圈長時(shí)間浸泡在潤滑油液中會發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，潤滑油本身在高溫試驗(yàn)下也會氧化變質(zhì)產(chǎn)生裂化酸性產(chǎn)物侵蝕橡膠材質(zhì)，影響橡膠性能。吳福麗等[10]研究表明抗氧劑對丁腈橡膠相容性有正面影響，主要是由于抗氧劑抑制了油品和橡膠的氧化過程，減緩了橡膠的老化。另外有研究表明[16-17]，抗氧劑的加入可以抑制油品和不飽和橡膠的氧化。因此本文作者擬對比加入不同類型抗氧劑的工業(yè)齒輪油配方在氧化試驗(yàn)、常規(guī)靜態(tài)相容性試驗(yàn)、長周期靜態(tài)相容性試驗(yàn)和長周期動態(tài)相容性試驗(yàn)中的性能差異，為高端工業(yè)齒輪油開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)材料

文中制備3種油樣，分別是符合GB 5903—2011 L-CKD規(guī)格VG220-1工業(yè)齒輪油以及加入2種類型抗氧劑的VG220-2和VG220-3工業(yè)齒輪油，具體見表 2，油品理化性能見表 3。

表2 3種試驗(yàn)用油樣 單位：%

表3 VG220油品理化性能

DIN 51517-3工業(yè)齒輪油標(biāo)準(zhǔn)中要求的常規(guī)靜態(tài)相容性試驗(yàn)橡膠為符合ISO 13226《橡膠——用于表征液體對硫化橡膠的影響的標(biāo)準(zhǔn)參考彈性體(SRE)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的SRE-NBR 28/SX硫化丁腈橡膠，OEM-2要求的長周期密封相容性試驗(yàn)橡膠為DIN 3760《旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈》規(guī)格的72NBR902丁腈橡膠和75FKM585氟橡膠。橡膠樣件均是德國產(chǎn)，橡膠樣件參數(shù)見表 4。

表4 橡膠樣件性能參數(shù)

2.2 橡膠相容性試驗(yàn)

文中采用常規(guī)靜態(tài)試驗(yàn)(168 h)、長周期靜態(tài)試驗(yàn)(1 008 h)和長周期動態(tài)試驗(yàn)(2 016 h)評價(jià)高端工業(yè)齒輪油橡膠相容性。

2.2.1 靜態(tài)相容性試驗(yàn)

常規(guī)和長周期靜態(tài)相容性試驗(yàn)均采用浸泡試驗(yàn)，即將橡膠片浸泡在特定溫度的潤滑油中達(dá)到一定時(shí)間，然后測試橡膠浸漬前后物理性能的變化來評價(jià)潤滑油與橡膠材料的相容性，評價(jià)參數(shù)包括浸泡前后橡膠樣品的硬度變化率、體積變化率、拉斷強(qiáng)度變化率和拉斷伸長變化率。DIN 51517-3要求的常規(guī)靜態(tài)試驗(yàn)中SRE-NBR 28/SX硫化丁腈橡膠試驗(yàn)溫度為100 ℃，浸泡時(shí)間為168 h；OEM要求的72NBR902橡膠和75FKM585橡膠靜態(tài)相容性試驗(yàn)溫度分別為95和110 ℃，浸泡時(shí)間均為1 008 h。靜態(tài)相容性評價(jià)主要試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 靜態(tài)密封相容性試驗(yàn)

2.2.2 動態(tài)相容性試驗(yàn)

動態(tài)密封相容性測試在專門的動態(tài)密封試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，裝置示意圖見圖2。測試項(xiàng)目包括錐形軸芯裝置測試、徑向力測量和目視檢查等多個(gè)項(xiàng)目。根據(jù)DIN ISO 4287《產(chǎn)品幾何量技術(shù)規(guī)范(GPS)表面結(jié)構(gòu)輪廓法圖形參數(shù)》，使用表面測量裝置測量軸的磨損情況，并用顯微鏡(放大16～25倍)對密封材料進(jìn)行目視檢查。動態(tài)相容性試驗(yàn)需要開展240 h預(yù)篩選試驗(yàn)和2 016 h正式的長周期動態(tài)密封試驗(yàn)，其中預(yù)篩選240 h試驗(yàn)的測試溫度為80 ℃，2 016 h長周期試驗(yàn)的測試溫度為70 ℃，具體測試條件和要求見表5和表6。

圖2 動態(tài)密封測試裝置

表5 240 h預(yù)篩選動態(tài)密封試驗(yàn)

表6 2 016 h長周期動態(tài)密封試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 氧化試驗(yàn)

如前文所述，長周期動態(tài)或者靜態(tài)密封相容性試驗(yàn)需要在70、95 ℃甚至100 ℃以上進(jìn)行，遠(yuǎn)高于工業(yè)齒輪油常見使用溫度(40～60 ℃)，屬于典型高溫工況。潤滑油在高溫下的長周期密封相容性與油品抗氧化性能可能存在一定關(guān)聯(lián)，因此在進(jìn)行密封相容性試驗(yàn)之前，采用SH/T 0123《極壓潤滑油氧化性能測定法》對3種齒輪油的抗氧化性能進(jìn)行評價(jià)，包括標(biāo)準(zhǔn)要求的312 h氧化測試以及650 h延長試驗(yàn)(非標(biāo)試驗(yàn))，測試結(jié)果見表 7。

表7 VG220油品抗氧化性能

從表 7可以看出，VG220-1、VG220-2和VG220-3齒輪油均可以滿足312 h標(biāo)準(zhǔn)氧化試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)要求；但在650 h氧化延長試驗(yàn)中，VG220-2齒輪油的抗氧化性能優(yōu)勢凸顯，100 ℃運(yùn)動黏度變化和酸值均小于VG220-1和VG220-3。

標(biāo)準(zhǔn)氧化試驗(yàn)和延長氧化試驗(yàn)表明，采用胺類抗氧劑補(bǔ)強(qiáng)的VG220-2高溫黏度控制能力和抑制酸值增加效果最優(yōu)；采用酚類抗氧劑與原配方中的胺類抗氧劑復(fù)配的VG220-3抑制黏度增長能力較弱，酸值也有較大幅度增加，該酚類抗氧劑與原配方中胺類抗氧劑配伍不佳。另外，對于橡膠而言，VG220-2齒輪油氧化后酸值增加幅度較小，可減緩氧化生成的酸性物質(zhì)對橡膠的腐蝕。

3.2 168 h靜態(tài)相容性

3種工業(yè)齒輪油與SRE-NBR 28/SX橡膠在168 h靜態(tài)相容性試驗(yàn)結(jié)果及DIN 51517-3對于橡膠相容性的技術(shù)要求見表 8。

表8 168 h靜態(tài)相容性試驗(yàn)

從表8可以看出，VG220-1、VG220-2和VG220-3齒輪油常規(guī)168 h靜態(tài)橡膠相容性測試結(jié)果大體相近，均可滿足DIN 51517-3對于工業(yè)齒輪油橡膠相容性技術(shù)要求，表明168 h靜態(tài)試驗(yàn)對于該3種礦物型工業(yè)齒輪油密封相容性沒有區(qū)分度。

3.3 1 008 h靜態(tài)相容性

根據(jù)OEM靜態(tài)橡膠密封試驗(yàn)要求，將VG220-1、VG220-2和VG220-3齒輪油分別與72NBR902和75FKM585橡膠分別進(jìn)行長達(dá)1 008 h靜態(tài)密封試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 長周期靜態(tài)密封試驗(yàn)

從表9中結(jié)果可以看出，VG220-1和VG220-2油品都可以滿足1 008 h靜態(tài)密封試驗(yàn)要求，但VG220-3的硬度變化率和體積變化率略微超出了指標(biāo)限值，表明該酚型抗氧劑在此配方體系中與原復(fù)合劑中的胺類抗氧劑配伍性不佳，長周期抗氧化性能不足，油品氧化變質(zhì)生成過多的酸性化合物對75FKM585氟橡膠存在一定程度的副作用。168 h常規(guī)靜態(tài)相容性試驗(yàn)由于測試時(shí)間相對較短，無法有效區(qū)分3種礦物型齒輪油的密封相容性；而1 008 h靜態(tài)相容性則展現(xiàn)出了一定的區(qū)分度，VG220-3齒輪油1 008 h長周期靜態(tài)相容性表現(xiàn)與650 h延長氧化試驗(yàn)中其抗氧化性能基本一致(黏度增長和酸值均是最大)。

由于2 016 h動態(tài)密封試驗(yàn)周期長，且費(fèi)用較高(7萬元/次)，因此優(yōu)選VG220-1和VG220-2繼續(xù)開展動態(tài)密封試驗(yàn)。

3.4 2 016 h動態(tài)相容性

根據(jù)OEM-2的具體要求，一般先開展240 h預(yù)篩選試驗(yàn)，通過后再開展2 016 h的長周期動態(tài)密封試驗(yàn)，每種橡膠需要做2次測試作為平行試驗(yàn)評價(jià)油品的密封相容性，VG220-1和VG220-2具體測試結(jié)果見表10—13。

表13 VG220-2齒輪油2 016 h動態(tài)試驗(yàn)

從表10、12所示的動態(tài)密封試驗(yàn)結(jié)果可知，VG220-1齒輪油僅可通過240 h動態(tài)預(yù)篩選試驗(yàn)，無法滿足更為苛刻的2 016 h長周期動態(tài)密封相容性要求；而從表11、13所示的動態(tài)密封試驗(yàn)結(jié)果可知，抗氧化性能優(yōu)異的VG220-2齒輪油可以通過240 h預(yù)篩選和2 016 h長周期動態(tài)相容性測試。

圖3所示為NBR密封圈在VG220-2油品中試驗(yàn)2016 h后的表面放大圖，圖4所示為FKM密封圈在VG220-2油品中試驗(yàn)2016 h后的表面放大圖?？梢钥闯?，在VG220-2齒輪油中試驗(yàn)后的NBR和FKM密封圈未發(fā)生明顯的磨損變色，且沒有碳化物沉積、裂縫和炮眼等異?，F(xiàn)象，表明VG220-2齒輪油與72NBR902丁腈橡膠和75FKM585氟橡膠密封圈均具有較好的長周期動態(tài)密封相容性。

圖3 NBR密封圈在VG220-2油品中2 016 h試驗(yàn)后表面放大圖

圖4 FKM密封圈在VG220-2油品中2 016 h試驗(yàn)后表面放大圖

動態(tài)相容性試驗(yàn)與靜態(tài)相容性試驗(yàn)的顯著區(qū)別在于動態(tài)試驗(yàn)過程中會模擬齒輪箱正常工作狀態(tài)下油品、密封圈和軸套三者之間的摩擦，長時(shí)間摩擦過程會加速油品與橡膠之間一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)；而抗氧化性能最為優(yōu)異的VG220-2齒輪油可以減少氧化后酸性化合物的生成(650 h氧化試驗(yàn)中VG220-2齒輪油的酸值遠(yuǎn)小于其他方案)，可有效減緩油品老化對橡膠的侵蝕，更容易通過長周期動態(tài)密封相容性試驗(yàn)。同時(shí)表明VG220-2齒輪油中補(bǔ)加的抗高溫胺型抗氧劑與原復(fù)合劑中的胺類抗氧劑配伍性較好，優(yōu)異的長效抗氧化性能對齒輪油通過長周期動態(tài)密封相容性作用顯著，且長周期密封相容性與650 h延長氧化試驗(yàn)性能表現(xiàn)存在正向關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)論

對工業(yè)齒輪油與橡膠密封材料的相容性試驗(yàn)進(jìn)行了梳理，選擇工業(yè)齒輪箱常用的礦物工業(yè)齒輪油為試驗(yàn)油品，采用不同的抗氧劑配方體系L-CKD工業(yè)齒輪油，開展SH/T 0123工業(yè)齒輪油氧化試驗(yàn)、168 h常規(guī)靜態(tài)相容性試驗(yàn)，以及OEM要求的最為嚴(yán)苛長周期靜態(tài)(1 008 h)和動態(tài)密封相容性(2 016 h)試驗(yàn)進(jìn)行油品密封相容性關(guān)聯(lián)性研究，得到以下結(jié)論。

(1)含有二苯胺類抗氧劑的原配方、補(bǔ)加抗高溫胺類抗氧劑和補(bǔ)加酚類抗氧劑的3種齒輪油均可通過標(biāo)準(zhǔn)312 h氧化試驗(yàn)，但650 h氧化試驗(yàn)中補(bǔ)加抗高溫胺類抗氧劑的VG220-2齒輪油黏度控制最好，酸值增加最小，抗氧化性能最優(yōu)。

(2)常規(guī)靜態(tài)密封相容性試驗(yàn)(168 h，100 ℃)無法有效區(qū)分3種礦物型工業(yè)齒輪油的密封相容性。長周期靜態(tài)相容性試驗(yàn)(1 008 h，110 ℃)中酚類抗氧劑補(bǔ)強(qiáng)方案不如胺類抗氧劑補(bǔ)強(qiáng)方案和僅含二苯胺抗氧劑的原配方。長周期動態(tài)密封相容性(2 016 h，70 ℃)中補(bǔ)加抗高溫胺類抗氧劑的VG220-2齒輪油密封相容性優(yōu)于僅含二苯胺抗氧劑的原配方。在3種密封相容性測試中，長周期動態(tài)相容性(2 016 h，70 ℃)試驗(yàn)條件最為嚴(yán)苛，長周期靜態(tài)相容性(1 008 h，110 ℃)次之。

(3)3種不同抗氧劑體系的礦物型工業(yè)齒輪油在650 h延長氧化試驗(yàn)中的抗氧化性能表現(xiàn)與其在長周期的靜態(tài)和動態(tài)相容性試驗(yàn)中基本一致。

(4)隨著高端齒輪箱應(yīng)用增多，設(shè)備對于齒輪油的密封相容性要求越來越嚴(yán)苛，礦物型工業(yè)齒輪油的密封相容性無法通過常規(guī)靜態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行有效區(qū)分，越來越多的高端工業(yè)齒輪箱OEM開始采用長周期靜態(tài)以及動態(tài)相容性試驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)。對于長周期相容性試驗(yàn)考察而言，650 h延長氧化試驗(yàn)具有很強(qiáng)的參考價(jià)值。