周康

中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心

微點蝕又稱“灰斑”、“微剝落”等，是齒輪工作過程中齒面出現(xiàn)微小疲勞裂紋并伴隨少量材料轉(zhuǎn)移的綜合過程。它宏觀上相對點蝕較為密集，肉眼可見片區(qū)灰斑；微觀上表現(xiàn)為淺表凹坑(裂紋深度約為10～20 μm，長度約25～100 μm，寬度約10～20 μm)[1]。近年來，微點蝕作為一種新型的齒面疲勞磨損而受到關(guān)注，它通常發(fā)生在凸輪、齒輪和滾動軸承等受交變負(fù)荷的機(jī)械零件中，容易引起輪齒精度降低、動載荷和噪音增大，從而減少齒輪的使用壽命，導(dǎo)致許多大型工業(yè)傳動機(jī)械和一些汽車傳動機(jī)械失效，在兆瓦級風(fēng)電齒輪等工業(yè)應(yīng)用中顯得尤為突出。

成立于1899年的德國西門子弗蘭德FLENDER集團(tuán)是世界領(lǐng)先的頂級專業(yè)動力傳動設(shè)備制造商，憑借齒輪制造的悠久歷史，F(xiàn)LENDER已成為高速齒輪領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。滿足西門子弗蘭德減速機(jī)潤滑需求的Flender工業(yè)齒輪油認(rèn)證規(guī)格（以下簡稱Flender認(rèn)證規(guī)格）是風(fēng)力發(fā)電、冶金、礦山、水泥、造紙等行業(yè)工業(yè)齒輪和減速機(jī)等傳動部件最重要的OEM（原始設(shè)備制造商）認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，代表著工業(yè)齒輪油的發(fā)展趨勢。2011年以來，F(xiàn)lender認(rèn)證規(guī)格多次更新，于2011年2月28日 、2013年12月17日、2015年8月7日先后頒布了Rev.13、Rev.14、Rev.15要求（第13版～第15版）。筆者在2017年的研究中對這3個版本的規(guī)格進(jìn)行了比較[2]。最新的版本是2018年5月頒布的Rev.16（第16版，2017年10月1日首次頒布，2017年12月6日和2018年5月24日對該版本進(jìn)行了補(bǔ)充說明），每次更新都有一些新的變化。本文對最新的Flender認(rèn)證規(guī)格第16版進(jìn)行解讀，與第15版規(guī)格進(jìn)行對比，分析新標(biāo)準(zhǔn)帶來的影響，以期為高性能工業(yè)齒輪油的開發(fā)提供思路。

風(fēng)電、造船及航空等行業(yè)所用齒輪箱由于載荷大、工況復(fù)雜多變?nèi)菀壮霈F(xiàn)微點蝕現(xiàn)象，由此引發(fā)了近年來對低速重載齒輪傳動中微點蝕現(xiàn)象的重視和深入系統(tǒng)的研究。由于齒輪微點蝕已成為影響其傳動精度、使用壽命及運行可靠性的一個重要影響因素，越來越多的齒輪制造商要求在其設(shè)備上使用抗微點蝕工業(yè)齒輪油。西門子Flender認(rèn)證規(guī)格是抗微點蝕工業(yè)齒輪油的最高標(biāo)準(zhǔn)。本文對2018年5月24日頒布的第16版Flender認(rèn)證規(guī)格進(jìn)行解讀，比較其與第15版的差別，分析新標(biāo)準(zhǔn)帶來的影響。

第15版、第16版Flender認(rèn)證規(guī)格的對比

試驗項目

兩個規(guī)格的試驗項目比較見表1。

第16版規(guī)格的試驗項目在第15版的基礎(chǔ)上，在如下方面做出了變動：

底漆材料的兼容性試驗

第16版規(guī)格對與底漆材料的兼容性試驗方法進(jìn)行了更新，由Revision 1升級為Revision 2。具體表現(xiàn)在：

◇增加了底漆材料厚度的限值，將P22環(huán)氧樹脂油漆干膜厚度規(guī)定為30 μm，M20-EP和EP 3152的涂層干膜厚度規(guī)定為80 μm；

◇對每種底漆試驗用油量進(jìn)行了修正，從第15版的每個涂層測試用量為1 L更新到2 L。

第16版規(guī)格中要求試驗油通過與齒輪箱底漆材料的兼容性試驗與第15版相比并未變化，一般分兩個階段進(jìn)行：

◇第一階段在130 ℃條件下浸泡168 h；

◇第二階段分兩組，一組不加水，另一組加入5%的水后，再在90 ℃條件下浸泡5 h。

兩個階段試驗結(jié)束后對考察油品與油漆的相容性，通過外觀、硬度測試及劃痕測試結(jié)果評價。

表1 Flender認(rèn)證規(guī)格第15版與第16版試驗項目的比較

與面漆材料的相容性試驗

第16版規(guī)格首次增加了與面漆材料的相容性試驗。第16版規(guī)格中規(guī)定了五種面漆材料相容性試驗，包括四種聚氨酯涂料（PU 5240、PU6340、PU5045、PU 6340 HC）和一種環(huán)氧樹脂涂料（EP4251），每種涂層干膜厚度規(guī)定為μm。第16版規(guī)格中要求試驗油品通過與面漆材料兼容性試驗，該試驗將涂有面漆的漆片放入容器中，再放置在80 ℃烘箱中浸泡168 h，然后對漆片浸油、未浸油區(qū)域的硬度（應(yīng)用漆膜擺桿硬度計測量）和與油漆的相容性進(jìn)行評價。要求浸油區(qū)漆膜硬度相對試驗前漆膜硬度變化率絕對值不大于50%；漆膜涂層從底材上的脫離抗性不小于Gt 1級。

齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)的核心部件，往往安裝在距地面幾十米甚至100多米高的狹小機(jī)艙內(nèi)，容易受到酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的影響，特別對于地處海邊的風(fēng)機(jī)，還會受到水汽和鹽霧的侵蝕，極易受到腐蝕。齒輪箱的外部保護(hù)就顯得尤為重要， 油漆涂裝就是一種很有效的保護(hù)[3]。風(fēng)機(jī)齒輪箱設(shè)備在出廠前一般會進(jìn)行刷漆(包括底漆、面漆)，其對涂層的底漆和面漆的材料選用和涂裝工序要求非常嚴(yán)格。底漆是直接與鋼鐵表面接觸的涂層，要求油漆能夠牢固地附著在齒輪箱內(nèi)外表面。若所用油品與油漆不兼容，造成脫落會直接潤滑油性能下降，加速齒輪和軸承的磨損， 嚴(yán)重時會縮短齒輪傳動系統(tǒng)的壽命。面漆中含有較高比例的耐腐蝕樹脂，是防腐蝕涂層配套體系中最外的一層漆。它的主要作用是防止?jié)櫥图八獾葘︿撹F產(chǎn)生腐蝕，延長涂層的防護(hù)使用期，保持齒輪箱內(nèi)外表面的清潔。齒輪油在使用過程中要與油漆接觸，因此需要測定設(shè)備涂層材料與潤滑油的相容性，防止油品對設(shè)備涂層的侵蝕。

Flender抗泡試驗

第16版規(guī)格在Flender抗泡試驗中將所用的PG合成油試驗所用混用測試油Tribol 1390/220更名為Castrol Optigear Synthetic 1390/220。這主要是由于Castrol油品公司將原先產(chǎn)品進(jìn)行更名造成的。

第16版規(guī)格中Flender泡沫性試驗方法為ISO12152，試驗條件：針對礦物型、PAO與合成酯類測試油品需要3次測試，一次是單獨的試驗油，另外2次是試驗油分別混入2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Castrol Alpha SP220S測試油。3次試驗通過的要求均一樣，即為停機(jī)1 min后油氣混合物體積增量不超過15%，停機(jī)5 min后油氣混合物體積增量不超過10%。針對PAG型測試油品也需要3次測試，除去單獨一次試驗油外，另外2次是試驗油分別混2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的Castrol Optigear Synthetic 1390/220測試油，試驗的通過要求同前。

動態(tài)橡膠兼容性測試

第16版規(guī)格在合成型油品的動態(tài)橡膠兼容性測試中減少了一種測試條件。第16版規(guī)格中，合成型油品測試涉及到一種丁腈橡膠72 NBR 902及兩種氟橡膠75 FKM 585、75 FKM260466。這幾種橡膠均要進(jìn)行硬度變化、體積變化、拉伸強(qiáng)度變化、斷裂伸長率變化的檢測，均要滿足相關(guān)指標(biāo)的要求。

試驗規(guī)則的設(shè)定

第16版規(guī)格中，除一些試驗條件發(fā)生變化外，在試驗規(guī)則的設(shè)定上也發(fā)生了一些變化。以PAO與合成酯為基礎(chǔ)油的合成油為例，要獲得VG150到VG680的產(chǎn)品認(rèn)證，需要遵守的測試項目與之前發(fā)生了明顯變化，具體見表2。

根據(jù)第15版規(guī)格，VG220需通過除了抗泡和過濾試驗之外的所有試驗，VG680需通過Flender認(rèn)證中泡沫試驗，VG320需通過Flender過濾試驗，這樣才能從VG220覆蓋到VG680牌號；針對低黏度VG150油品需要單獨進(jìn)行所有認(rèn)證試驗。要獲得VG150到VG680的產(chǎn)品認(rèn)證，共需要測試不同黏度級別的油品為18個。

第16版規(guī)格規(guī)定，針對低黏度VG150，需要進(jìn)行FZG擦傷試驗、FE-8 軸承磨損試驗、FZG 微點蝕試驗；針對VG680，需要進(jìn)行Flender 抗泡沫性試驗；與底漆材料的兼容性試驗、與面漆材料的兼容性試驗、Flender過濾試驗、液體密封材料的相容性試驗、靜態(tài)軸封橡膠兼容性試驗和動態(tài)軸封橡膠兼容性試驗這6項試驗則選擇VG320、VG460兩個黏度級別展開。要獲得VG150到VG680的產(chǎn)品認(rèn)證，共需要測試不同黏度級別的油品為16個。

表2 Flender規(guī)格第15版與16版中不同黏度油品所做測試項目的比較

主要技術(shù)指標(biāo)解讀

油品的極壓抗磨性

Flender認(rèn)證規(guī)格中抗磨性能包含F(xiàn)ZG擦傷試驗和FZG 微點蝕試驗：

◇FZG擦傷試驗是衡量油品承載能力的一個重要指標(biāo)。FZG擦傷試驗方法為DIN ISO 14635，試驗條件為：A/8.3/90，表示A型試驗齒輪，小齒輪的節(jié)圓速度是8.3 m/s，齒輪箱的試驗溫度90 ℃。Flender認(rèn)證規(guī)格中要求油品的承載失效“大于12級”。

◇FVA微點蝕試驗是評價油品抗微點蝕性能的重要手段。Flender認(rèn)證規(guī)格中抗微點蝕試驗方法為FVA 54 VII，其試驗條件見表3。評定一個樣品需要的運行時間為577 h，包括兩個階段的測試：承載級要求9級試驗后的齒廓偏差ffG小于7.5 μm、微點蝕面積GF為小于15%；耐久級要求10級測試至少做2次，同時滿足 (ffGtotal -fGafter LS8)/z10 ≤2 μm、(GFtotal -GFafterLS8 )/z10≤5%（即試驗結(jié)束后總齒廓偏差ffG total減去8級后的齒廓偏差fGafter LS8除以10級耐久級次數(shù)z10不大于2μm、試驗結(jié)束后總微點蝕面積GF total減去8級后的微點蝕面積GFafter LS8除以10級耐久級的次數(shù)z10不大于5%）。

油品的軸承保護(hù)性能

以風(fēng)電行業(yè)為例，軸承是齒輪箱中最為重要的零件，國內(nèi)外的實踐表明，軸承失效常會引起齒輪箱災(zāi)難性的破壞。一般來說，風(fēng)電齒輪箱輸入軸的轉(zhuǎn)速在10～20 r/min，由于轉(zhuǎn)速較低，導(dǎo)致輸入軸軸承也就是行星架支撐軸承的油膜形成往往比較難。油膜的作用是在軸承運轉(zhuǎn)時分開兩個金屬接觸面，避免金屬與金屬直接發(fā)生接觸。良好的潤滑可以減少軸承的磨損，延長其使用壽命。

第16版Flender認(rèn)證規(guī)格中FE-8軸承磨損試驗方法為DIN 51819-3，試驗條件為D-7.5/80-80，表示試驗軸承D，轉(zhuǎn)速是7.5 r/min，軸向力為80 kN，溫度是80 ℃。Flender認(rèn)證規(guī)格中要求油品的滾柱磨損不大于30 mg，保持架磨損值為報告值。

表3 FVA 54 VII抗微點蝕試驗條件

在第16版中， FZG擦傷試驗、FVA 微點蝕試驗和FE-8 軸承磨損試驗都在低黏度VG150中進(jìn)行，對油品是一個巨大的考驗。這是由于低黏度的油品在重載情況下，齒面嚙合過程中不容易維持足夠的油膜強(qiáng)度，從而造成齒面或軸承磨損。

油品的抗泡沫性能

針對VG680需要進(jìn)行Flender抗泡沫性試驗也是一件具有挑戰(zhàn)性的工作，這是由于油品黏度太大時，雖不易形成氣泡，但一旦形成氣泡，很難浮到表面。此外，溫度和黏度這兩個因素是互相關(guān)聯(lián)的，對大黏度油品來說，當(dāng)溫度升高時，黏度下降到適于生成氣泡的范圍，反而會增大成泡傾向。

油品的其他性能

第16版Flender認(rèn)證規(guī)格中，選擇VG320而不是VG150或VG680，開展面漆材料的兼容性試驗、Flender過濾試驗、液體密封材料的相容性試驗、靜態(tài)軸封橡膠兼容性試驗和動態(tài)軸封橡膠兼容性等六個項目試驗是一種使用性能的現(xiàn)實考量。這是由于VG320黏度級別的油品在工業(yè)齒輪油市場中占比是最大的，理應(yīng)得到更多的關(guān)注，材料相容性試驗（靜態(tài)/動態(tài)、液體密封、底漆/面漆）本身也是Flender認(rèn)證項目的難點，將其放在市場用量最大的黏度VG320上也是本版本規(guī)格的一大特色。

新認(rèn)證規(guī)格帶來的影響

結(jié)合對Flender認(rèn)證第16版規(guī)格的梳理發(fā)現(xiàn)，隨著認(rèn)證規(guī)格版本的升級，對油品的核心要求沒有大的變化，但突出的特點是更加強(qiáng)調(diào)油品的實際使用性能。不管是從試驗方法角度首次增加了與面漆材料的相容性試驗，還是從認(rèn)證規(guī)則上采用低黏度油品開展抗磨性能測試，高黏度油品開展材料兼容性測試，都體現(xiàn)了認(rèn)證油品與實際應(yīng)用的高度結(jié)合。這是由于FZG 擦傷試驗、FVA抗微點蝕試驗和FE-8 軸承磨損試驗強(qiáng)調(diào)的是油品本質(zhì)的使用性能，即保護(hù)齒輪和軸承；Flender抗泡沫性試驗，涂層材料、液體密封材料和軸封橡膠的相容性試驗和Flender過濾試驗強(qiáng)調(diào)的是油品延伸的客戶感受性能，即延長油品使用周期和設(shè)備使用壽命。

結(jié)束語

西門子的Flender規(guī)格是全球公認(rèn)的抗點蝕工業(yè)齒輪油最高規(guī)格，也是最具代表性的齒輪油OEM規(guī)格。通過對第16版Flender認(rèn)證規(guī)格的分析可以發(fā)現(xiàn)，如果說FZG 擦傷試驗、FVA抗微點蝕試驗和FE-8軸承磨損試驗關(guān)注的是油品可靠性，那么Flender 抗泡沫性試驗，涂層材料、液體密封材料和軸封橡膠的相容性試驗和Flender過濾試驗則強(qiáng)調(diào)油品耐久性?？煽啃院湍途眯詫⑹俏磥砀咝阅芄I(yè)齒輪油的發(fā)展方向。