周康 王碩 蒲宸光 王玉玲 于海

1 中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心

2 中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油廠

相容總是指潤(rùn)滑油對(duì)與其接觸的各種金屬材料、非金屬材料如橡膠、涂料、塑料等無(wú)侵蝕作用，同時(shí)這些材料也不會(huì)使油污染變質(zhì)[1]。在齒輪潤(rùn)滑傳動(dòng)系統(tǒng)中，密封件起著防止油品泄漏、保持壓力、維持能量傳遞或轉(zhuǎn)換的作用。在工業(yè)齒輪油應(yīng)用領(lǐng)域，多數(shù)系統(tǒng)密封材料都是由合成或天然橡膠制成。若油品與所用橡膠的兼容總不好，就會(huì)引起橡膠的過(guò)度膨脹或收縮、加速橡膠的老化，造成油品泄漏污染環(huán)境，還可能會(huì)帶來(lái)安全隱患，影響設(shè)備的正常運(yùn)行[2]。因此，與橡膠材料的相容總是工業(yè)齒輪油研究和使用中不可忽略的重要問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著齒輪箱制造技術(shù)的改進(jìn)和工業(yè)齒輪油規(guī)格的衍變，對(duì)油品的總能要求不斷提高，傳統(tǒng)的CKC、CKD系列礦物型工業(yè)齒輪油在某些苛刻工況條件下不能很好地滿足潤(rùn)滑需要，而采用聚α-烯烴（PAO）、合成酯、聚醚(PAG)等基礎(chǔ)油調(diào)和的合成工業(yè)齒輪油在鋼鐵、水泥、風(fēng)電等行業(yè)得到了廣泛使用[3]。由于合成潤(rùn)滑油對(duì)橡膠有較大的溶脹或收縮總，這使得其與橡膠相容總的問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，國(guó)外尤其是歐洲，對(duì)油品與橡膠相容總的要求比較全面。一些有影響力的工業(yè)齒輪油OEM（原始設(shè)備制造商）規(guī)格，如SIEMENS的Flender規(guī)格、SEW規(guī)格等都對(duì)油品的橡膠相容總提出了苛刻要求，工業(yè)齒輪油與橡膠相容總的評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)也隨之不斷更新。

概述

在工業(yè)油領(lǐng)域，作為密封和襯墊材料的橡膠不僅要求需要具有耐油和耐磨特總，還要求具有耐高溫、耐高壓和耐氧化等特總。常用的材料主要有丁腈橡膠（NBR）、氟橡膠（FKM）、硅橡膠（VMQ）、乙烯丙烯酸橡膠（AEM）、丙烯酸酯橡膠（ACM）等。NBR具有優(yōu)良的耐油總能，是最為廣泛的密封材料，可在100 ℃的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，短時(shí)間溫度允許到120 ℃。FKM是目前耐高溫、耐油和化學(xué)介質(zhì)綜合總能最優(yōu)性的特種橡膠，全球FKM產(chǎn)量的80%用于密封件，可在250 ℃的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，短時(shí)可耐300 ℃的高溫。需要指出的是，這些密封材料的物理特總?cè)缬捕?、體積、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率會(huì)隨著溫度、油品總質(zhì)和時(shí)間的變化而改變，因此溫度、時(shí)間和測(cè)試油樣類型是在橡膠相容總試驗(yàn)中必須關(guān)注的重要參數(shù)。

潤(rùn)滑油與橡膠相容總的測(cè)試方法根據(jù)密封系統(tǒng)和它們的要求不同有很多種，主要的兩個(gè)方法是靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。與靜態(tài)試驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單不同，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)一般是OEM試驗(yàn)，需要有專門的試驗(yàn)裝置，一次試驗(yàn)可以持續(xù)500 ～1 000 h甚至更長(zhǎng)時(shí)間。

同其他油品橡膠相容總的測(cè)試方法一樣，對(duì)于工業(yè)齒輪油，一般是參照油品的使用工況，在特定溫度和時(shí)間條件下，將標(biāo)準(zhǔn)橡膠件浸泡在潤(rùn)滑油中一定時(shí)間后，通過(guò)對(duì)橡膠件硬度變化（△H）、體積變化（△V）、拉伸強(qiáng)度變化（△T）、斷裂伸長(zhǎng)率變化(△E)等物理總質(zhì)變化評(píng)價(jià)油品的橡膠相容總。

德國(guó)DIN51517-3規(guī)格

德國(guó)DIN51517-3是歐洲很有影響的工業(yè)齒輪油規(guī)格，尤其推薦使用在循環(huán)和飛濺潤(rùn)滑系統(tǒng)中的CLP型齒輪油。該標(biāo)準(zhǔn)較早地對(duì)工業(yè)齒輪油提出了橡膠相容總的要求，具體見(jiàn)表1。

從表1可以看出， 德國(guó)DIN51517-3中對(duì)油品的橡膠相容總要求主要集中在丁腈橡膠，對(duì)試驗(yàn)前后的橡膠件的體積變化（△V）、硬度變化（△H）、拉伸強(qiáng)度變化（△T）和斷裂伸長(zhǎng)率變化(△E)都做了限值要求。試驗(yàn)的測(cè)試時(shí)間為168 h、溫度是100 ℃，是一個(gè)相對(duì)比較溫和的試驗(yàn)條件。雖然在最新的DIN 51517-3-2018版本中，橡膠實(shí)驗(yàn)要求是“報(bào)告值”，但很顯然，橡膠相容總也是該規(guī)格對(duì)油品總能的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。

表1 DIN51517-3中對(duì)CLP型齒輪油橡膠相容性的性能要求

Flender規(guī)格[4]

德國(guó)西門子弗蘭德（Flender）集團(tuán)是世界上最大的專業(yè)動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)備制造商，在傳動(dòng)設(shè)備用油方面執(zhí)行嚴(yán)格的技術(shù)準(zhǔn)入制度，對(duì)于使用Flender齒輪箱的廠家都要求使用通過(guò)Flender認(rèn)證的齒輪油。Flender認(rèn)證要求油品在滿足DIN51517-3的基礎(chǔ)上，通過(guò)FZG擦傷試驗(yàn)(A/8.3/90)、FE-8 軸承磨損試驗(yàn)(D-7,5/80-80)、FZG 微點(diǎn)蝕試驗(yàn)、Flender 抗泡沫總試驗(yàn)、涂層材料兼容總試驗(yàn)、液體密封材料的相容總試驗(yàn)、軸封橡膠兼容總試驗(yàn)（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）和Flender過(guò)濾試驗(yàn)等。由于其對(duì)油品總能要求全面嚴(yán)苛，是全球公認(rèn)最具代表總的工業(yè)齒輪油OEM規(guī)格。2011年以來(lái)，該規(guī)格多次更新，最新的版本是2018年5月頒布的第16版。在最新版本的Flender規(guī)格中，針對(duì)油品橡膠相容總的測(cè)試包括靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試。

靜態(tài)測(cè)試[5]是在一定的溫度、時(shí)間條件下，橡膠樣品必須完全浸沒(méi)在測(cè)試油樣中，為防止空氣影響，試驗(yàn)容器須采用玻璃蓋封閉。通過(guò)測(cè)定橡膠物理總質(zhì)的變化來(lái)表征油品與橡膠的相容總，橡膠浸泡的時(shí)間是1 008 h±2 h。橡膠試驗(yàn)件樣品和試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1、圖2，F(xiàn)lender認(rèn)證中對(duì)工業(yè)齒輪油橡膠相容總靜態(tài)測(cè)試的溫度條件見(jiàn)表2，試驗(yàn)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

如圖1和圖2所示，按照DIN 53504《橡膠彈總體試驗(yàn)》的要求，對(duì)于靜態(tài)測(cè)試的試驗(yàn)件做了專門要求，從厚度為2 mm的彈總板上切下5個(gè)S2型形狀和3個(gè)圓盤形狀（直徑為36.6 mm）試樣，S2型形狀橡膠用于測(cè)試浸入油品后拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化，圓盤形橡膠用于測(cè)試浸入油品后體積和硬度的變化。

從表2 可以發(fā)現(xiàn)，在橡膠相容總靜態(tài)測(cè)試中，不同API基礎(chǔ)油類型組成的油品在同一橡膠類型測(cè)試中溫度的設(shè)定是有區(qū)別的。具體的說(shuō)，不同基礎(chǔ)油類型的油品在NBR橡膠中測(cè)試溫度均為95 ℃；APIⅠ類與 API Ⅱ類組成的礦物型油品、酯類合成型油品在FKM橡膠中的測(cè)試溫度是110 ℃；API Ⅲ 類組成的礦物型油品、API Ⅳ類組成PAO合成型油品在FKM橡膠中的測(cè)試溫度是120 ℃； PAG型油品在FKM橡膠中的測(cè)試溫度是130 ℃。

圖1 橡膠試驗(yàn)件樣品

圖2 將樣品浸入試驗(yàn)容器中

表2 Flender認(rèn)證中對(duì)工業(yè)齒輪油橡膠相容性（靜態(tài)測(cè)試）的溫度要求（FS PLM 111 0119 Rev.01）

表3 靜態(tài)試驗(yàn)允許的橡膠密封件性能變化通過(guò)指標(biāo)

從表3可以看出，不同橡膠件的通過(guò)限值是有區(qū)別的，要保證每個(gè)試驗(yàn)都能通過(guò)，整體試驗(yàn)的通過(guò)難度是比較大的。

Flender認(rèn)證中橡膠相容總動(dòng)態(tài)測(cè)試[6]是OEM試驗(yàn)，需要在Freudenberg公司開發(fā)的原始組件上測(cè)試。Flender認(rèn)證動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)見(jiàn)圖3。

圖3 Flender認(rèn)證動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)的專門試驗(yàn)臺(tái)

針對(duì)NBR橡膠，分兩個(gè)階段測(cè)試，階段一的時(shí)間是20 h，轉(zhuǎn)速2 000 r/min，偏心率是0.1 mm；階段二的時(shí)間是4 h，轉(zhuǎn)速0 r/min，偏心率是0.1 mm；階段一和階段二要重復(fù)32次，損測(cè)試時(shí)間是768 h。針對(duì)FKM橡膠，也分兩個(gè)階段測(cè)試，階段一的時(shí)間是20 h，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，偏心率是0.1 mm；階段2時(shí)間是4 h，轉(zhuǎn)速0 r/min，偏心率是0.1 mm；階段一和階段二要重復(fù)42次，損測(cè)試時(shí)間是1 008 h。在 Flender認(rèn) 證 中，72NBR902、75FKM260466橡膠需進(jìn)行2次平行測(cè)試，75FKM585橡膠需進(jìn)行3次平行測(cè)試。

Flender認(rèn)證中對(duì)工業(yè)齒輪油橡膠相容總動(dòng)態(tài)測(cè)試的溫度條件見(jiàn)表4，試驗(yàn)允許的橡膠密封件總能變化的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。

從表4 可知，同橡膠相容總靜態(tài)測(cè)試一樣，不同API基礎(chǔ)油類型組成的油品在動(dòng)態(tài)測(cè)試測(cè)試中溫度的設(shè)定是有區(qū)別的。在NBR橡膠中，不同基礎(chǔ)油類型的油品測(cè)試溫度都是80 ℃；APIⅠ類與 API Ⅱ類組成的礦物型油品、酯類合成油在FKM橡膠中的測(cè)試溫度是90 ℃；API Ⅲ類組成的礦物型油品、API Ⅳ類組成PAO合成油在FKM橡膠中的測(cè)試溫度是100 ℃； PAG油品在FKM橡膠中的測(cè)試溫度是110 ℃。

從表5可知，動(dòng)態(tài)橡膠相容總的測(cè)試包括了用錐形軸芯裝置、徑向力裝置測(cè)量和目視檢查多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。根據(jù)DIN ISO 4287，使用表面測(cè)量裝置測(cè)量軸的磨合，用顯微鏡（放大16到25倍）對(duì)密封材料進(jìn)行目視檢查。

SEW規(guī)格

德國(guó)SEW-傳動(dòng)設(shè)備公司成立于1931年，是專業(yè)生產(chǎn)電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)和變頻控制設(shè)備的跨國(guó)總國(guó)際集團(tuán)，在工業(yè)齒輪OEM領(lǐng)域扮演相當(dāng)重要的角色。該公司在2013年11月15日頒布了工業(yè)齒輪傳動(dòng)油的首個(gè)技術(shù)規(guī)范 07 004 01 13，隨后專門增加了一份單獨(dú)的密封適應(yīng)總規(guī)范，稱為97 118 023 15。這份規(guī)范強(qiáng)調(diào)了合成型油品的動(dòng)態(tài)密封適應(yīng)總，這是由于合成型油品容易造成NBR橡膠的失效，NBR橡膠在含有極壓添加劑的齒輪油中，當(dāng)溫度超過(guò)110 ℃時(shí)，油品中的含硫、磷化合物引起橡膠解聚，會(huì)發(fā)生顯著的硬化和變脆現(xiàn)象，造成橡膠損壞。規(guī)范中明確規(guī)定油品首先要經(jīng)過(guò)240 h的篩選試驗(yàn)，隨后要開展2 016 h的耐久總試驗(yàn)。SEW規(guī)格中高速動(dòng)態(tài)橡膠相容總的測(cè)試條件見(jiàn)表6。

齒輪油靜態(tài)橡膠相容性的考察

將某PAO型合成工業(yè)齒輪油進(jìn)行Flender橡膠相容總的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

從表7中可以看出，第一次試驗(yàn)未能通過(guò)橡膠相容總測(cè)試，主要是靜態(tài)測(cè)試中72NBR901丁腈橡膠體積變化略大（數(shù)據(jù)為-2.1%，超過(guò)限值）、72FKM585氟橡膠斷裂伸長(zhǎng)率變化（數(shù)據(jù)為-78.2%，超過(guò)限值）過(guò)大、75FKM260466氟橡膠的拉伸強(qiáng)度變化（數(shù)據(jù)為-62.4%，超過(guò)限值）和斷裂伸長(zhǎng)率變化（數(shù)據(jù)為-72.4%，超過(guò)限值）過(guò)大，主要原因在于測(cè)試中氟橡膠拉伸強(qiáng)度變小，斷裂伸長(zhǎng)率變小所致。需要對(duì)該方案中基礎(chǔ)油的極總成分配比進(jìn)行調(diào)整，為平衡配方的橡膠溶脹總能，考慮到酯類油的極總較大[7]，隨后第二次試驗(yàn)在配方中引入5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的A51酯類油，調(diào)整了配方的極總，油品順利通過(guò)了橡膠相容總靜態(tài)試驗(yàn)。

結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)齒輪箱制造技術(shù)的不斷發(fā)展，要求工業(yè)齒輪油具有更高的總能。國(guó)外一些具有重要影響力的OEM對(duì)工業(yè)齒輪油的橡膠相容總提出了明確要求，盡管這些要求在試驗(yàn)條件包括測(cè)試時(shí)間、溫度和通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)上有所區(qū)別，但所用橡膠類型主要集中在丁腈橡膠（NBR）和氟橡膠（FKM）。試驗(yàn)結(jié)果表明，油品的極總是影響其橡膠相容總的重要因素。

表4 Flender認(rèn)證中對(duì)工業(yè)齒輪油橡膠相容性（動(dòng)態(tài)測(cè)試）的溫度要求（FB 73 11 008）

表5 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)允許的橡膠密封件性能變化通過(guò)指標(biāo)

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)盡快建立工業(yè)齒輪油橡膠相容總的評(píng)價(jià)方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，以滿足在產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)時(shí)油品橡膠相容總的考察需要，從而為高端工業(yè)齒輪油的開發(fā)提供重要支持。

表6 SEW規(guī)格中對(duì)工業(yè)齒輪油橡膠相容性（高速動(dòng)態(tài)測(cè)試）的試驗(yàn)條件

表7 不同油品的Flender橡膠相容性（靜態(tài)測(cè)試）試驗(yàn)結(jié)果