魏巧玲 石嘯 張國(guó)茹中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司

在齒輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，潤(rùn)滑油品生成泡沫過(guò)多會(huì)造成很大安全隱患，準(zhǔn)確檢測(cè)油品抗泡性能很有必要。弗蘭德泡沫試驗(yàn)作為一種契合齒輪實(shí)際運(yùn)行工況的新型國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)泡沫測(cè)試方法，已成為先進(jìn)齒輪制造商推薦用油必須完成的試驗(yàn)。本文以工業(yè)閉式齒輪油為試驗(yàn)油樣，探究了不同黏度油品弗蘭德泡沫性能差異并分析其原因。試驗(yàn)結(jié)果表明，VG 68和VG 150 黏度的油品停機(jī)后總體積增加百分?jǐn)?shù)約5%～6%，而VG 680黏度油品總體積增加百分?jǐn)?shù)超過(guò)10%；研究發(fā)現(xiàn)造成這一現(xiàn)象的主要原因是高黏度油品內(nèi)部氣泡上升至表面破裂的速率低于低黏度油品。

供圖/魏巧玲

齒輪是工業(yè)設(shè)備傳動(dòng)過(guò)程中不可或缺的重要裝置，常采用工業(yè)齒輪油對(duì)其嚙合表面進(jìn)行潤(rùn)滑。由于工業(yè)齒輪箱非完全封閉系統(tǒng)，齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì)將空氣攪動(dòng)進(jìn)來(lái)，在油品內(nèi)部和表面形成氣泡以及泡沫[1,2]。

潤(rùn)滑油內(nèi)部形成的氣泡只有上浮到表面才能破碎，當(dāng)潤(rùn)滑油受到振動(dòng)、攪拌等外力作用時(shí)，在油品內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，氣泡在熱力學(xué)上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，眾多微小氣泡在油品內(nèi)部移動(dòng)、碰撞，發(fā)生聚合，形成更大的氣泡，然后在液體浮力的作用下逐漸向上移動(dòng)，在氣-液表面氣泡膜發(fā)生液體引流，最終破裂（如圖1 所示）[3]。其中描述油品內(nèi)部氣泡上升過(guò)程的性質(zhì)被稱為空氣釋放性，描述泡沫在油品表層破裂過(guò)程的性質(zhì)被稱為抗泡性，二者都是評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油泡沫性能的重要指標(biāo)。若油品泡沫性能不好，則很容易破壞齒輪嚙合處形成的油膜，導(dǎo)致齒輪潤(rùn)滑不足、異常磨損和齒輪箱散熱不暢，最終影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，從而造成安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失[4～6]?；谏鲜銮闆r，工業(yè)齒輪油在出廠前都必須進(jìn)行泡沫試驗(yàn)，以確定其泡沫性能滿足技術(shù)指標(biāo)。

圖1 泡沫破裂機(jī)制示意

工業(yè)齒輪油泡沫性能評(píng)價(jià)一般采用GB/T 12579《潤(rùn)滑油泡沫特性測(cè)定法》或ASTM D892《潤(rùn)滑油泡沫特性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[7,8]。近些年隨著齒輪箱技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)工業(yè)齒輪油抗泡沫性能要求也在不斷提升，一些高端齒輪箱OEM（原始設(shè)備制造商），如德國(guó)Flender 公司模擬工業(yè)齒輪箱實(shí)際工況特點(diǎn)設(shè)計(jì)了弗蘭德泡沫試驗(yàn)。2012 年弗蘭德泡沫試驗(yàn)從OEM 內(nèi)部測(cè)試方法衍變?yōu)镮SO 方法標(biāo)準(zhǔn)，即ISO 12152—2012《潤(rùn)滑油，工業(yè)用油和相關(guān)產(chǎn)品.正齒輪試驗(yàn)臺(tái)上使用的工業(yè)齒輪油發(fā)泡和空氣釋放特性測(cè)定.弗蘭德泡沫試驗(yàn)規(guī)程》[9]，我國(guó)在2020 年參考ISO 12152—2012 制定了石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T 6007—2020《工業(yè)齒輪油泡沫和空氣釋放特性的評(píng)定. Flender 泡沫試驗(yàn)法》。

目前國(guó)際上評(píng)價(jià)工業(yè)齒輪油質(zhì)量規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)可度較高的有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization,ISO） 發(fā) 布 的ISO 12925-1《 潤(rùn)滑劑、工業(yè)用油及相關(guān)產(chǎn)品（L級(jí)）.C 系列（齒輪）.第1 部分：閉式齒輪系統(tǒng)潤(rùn)滑劑使用規(guī)范》，以及德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)會(huì)（Deutsches Institut für Normung e.V., DIN）發(fā)布的DIN 51517-3《潤(rùn)滑劑.潤(rùn)滑油.第3 部分：潤(rùn)滑油CLP 最低要求》等。ISO 在2018 年1 月發(fā)布 的ISO 12925-1：2018 版 本（替代ISO 12925-1：1996 版）中 新 增了ISO 12152 弗蘭德泡沫試驗(yàn)，用于模擬實(shí)際齒輪箱中油品的泡沫性特性。DIN 在2018 年3 月發(fā)布的DIN 51517-3：2018 版本（替代DIN 51517-3：2014）中同樣新增了ISO 12152 弗蘭德泡沫項(xiàng)目用于評(píng)價(jià)齒輪油的泡沫性能。國(guó)內(nèi)關(guān)于工業(yè)齒輪油質(zhì)量規(guī)格的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是GB 5903—2011《工業(yè)閉式齒輪油》，目前暫未對(duì)油品弗蘭德泡沫性能作出要求。上述標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于油品泡沫性能具體要求見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)工業(yè)齒輪油泡沫性能的要求

本文擬對(duì)不同黏度等級(jí)的工業(yè)閉式齒輪油進(jìn)行常規(guī)泡沫試驗(yàn)和弗蘭德泡沫試驗(yàn)，探究工業(yè)齒輪油弗蘭德泡沫性能與常規(guī)泡沫性能的差異，為工業(yè)齒輪油泡沫性能深入研究奠定基礎(chǔ)。

試驗(yàn)部分

試驗(yàn)油品

本文根據(jù)工業(yè)齒輪油不同黏度級(jí)別基礎(chǔ)油組分同源特點(diǎn)和跨黏度級(jí)別通讀規(guī)則[10]，結(jié)合工業(yè)齒輪油常用黏度級(jí)別范圍（VG 68～VG 680）， 選 擇VG 68、VG 150 和VG 680 三個(gè)由低到高的黏度級(jí)別，調(diào)配了兩種不同質(zhì)量規(guī)格（分別以Ⅰ、Ⅱ表示，II 規(guī)格高于I 規(guī)格）的6 個(gè)油品，油品配方見(jiàn)表2，基本理化性能見(jiàn)表3。

表2 VG 68、VG 150和VG 680油品配方

表3 VG 68、VG 150和VG 680油品理化性能

常規(guī)泡沫試驗(yàn)

本文利用潤(rùn)滑油雙浴泡沫特性測(cè)試儀（美國(guó)Koehler 公司K43093 型，Visaya 公 司 金 屬 擴(kuò)散 頭， 型 號(hào) 為AYA-10-88606）進(jìn)行油樣常規(guī)泡沫試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2 所示。具體步驟參考GB/T 12579[11]， 簡(jiǎn) 要 概 述 如下：①在24 ℃條件下向190 mL油樣中通入恒定流速的干燥空氣，以氣體擴(kuò)散頭出現(xiàn)第一個(gè)氣泡起計(jì)時(shí)，通氣5 min，記錄吹氣結(jié)束時(shí)的泡沫體積和靜置10 min 后的泡沫體積；②在93.5 ℃條件下對(duì)第二份油樣（180 mL）重復(fù)第①步操作；③待第二份油樣泡沫消散后，降溫至24 ℃，再次重復(fù)第①步操作。

圖2 常規(guī)泡沫試驗(yàn)裝置

弗蘭德泡沫試驗(yàn)

本文基于石化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/SH/T 6007[12]進(jìn)行弗蘭德泡沫試驗(yàn)，利用德國(guó)Strama 公司弗蘭德泡沫試驗(yàn)儀模擬待測(cè)齒輪油在實(shí)際工況下的起泡過(guò)程。試驗(yàn)裝置如圖3（a）所示。在室溫下以恒定轉(zhuǎn)速（1 450 r/min ± 50 r/min）的電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪攪拌油樣5 min，觀察并記錄停機(jī)后90 min 內(nèi)固定時(shí)刻試樣總體積增加百分?jǐn)?shù)、油-氣混合物體積增加百分?jǐn)?shù)和表層泡沫體積增加百分?jǐn)?shù)，如圖3（b）所示。

圖3 弗蘭德泡沫試驗(yàn)

為保證設(shè)備穩(wěn)定工作和避免對(duì)潤(rùn)滑表面造成氣蝕，弗蘭德泡沫試驗(yàn)要求停機(jī)1 min 后油樣總體積增加百分?jǐn)?shù)不超過(guò)15%，并且停機(jī)5 min 后油-氣混合物體積增加百分?jǐn)?shù)不超過(guò)10%，否則即認(rèn)定為油品泡沫性能測(cè)試不通過(guò)。

結(jié)果與討論

泡沫試驗(yàn)結(jié)果

不同黏度級(jí)別和質(zhì)量規(guī)格的工業(yè)閉式齒輪油的常規(guī)泡沫試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

常規(guī)泡沫試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象為油品表層泡沫，試驗(yàn)結(jié)果用兩個(gè)數(shù)字表示，分別為吹氣結(jié)束后油品表層泡沫體積和靜置10 min后的泡沫體積。從表4 結(jié)果中可以看出，6 個(gè)工業(yè)閉式齒輪油在常規(guī)泡沫試驗(yàn)中均有良好的抗泡性能，且滿足GB 5903質(zhì)量指標(biāo)要求。

表4 油品常規(guī)泡沫試驗(yàn)結(jié)果

采用弗蘭德泡沫試驗(yàn)機(jī)進(jìn)一步測(cè)試工業(yè)齒輪油的泡沫性能，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

弗蘭德泡沫試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象為油品內(nèi)部氣泡和表層泡沫，可同時(shí)表征潤(rùn)滑油的空氣釋放性和抗泡性。從表5 中可以看出，6 種工業(yè)閉式齒輪油泡沫性能均滿足弗蘭德泡沫試驗(yàn)的指標(biāo)要求。

表5 油品弗蘭德泡沫試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)弗蘭德泡沫評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，分別作不同黏度等級(jí)齒輪油總體積增加百分?jǐn)?shù)和油-氣混合物體積增加百分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的折線圖，如圖4 所示。

從圖4（a）可以看出，兩種質(zhì)量規(guī)格下的VG 680 黏度油品經(jīng)齒輪攪拌之后總體積增加百分?jǐn)?shù)（表征油品總體泡沫性能）遠(yuǎn)高于相應(yīng)的VG 68 黏度和VG 150 黏度的油品。從圖4（b）中可以看出，兩種質(zhì)量規(guī)格下的齒輪油，VG 680 黏度的油品在齒輪攪拌結(jié)束之后油-氣混合物體積增加百分?jǐn)?shù)（表征油液內(nèi)部氣泡狀態(tài)）同樣高于較低黏度的油品，且隨停機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)，油-氣混合物體積增加百分?jǐn)?shù)持續(xù)維持在10%左右，直至試驗(yàn)結(jié)束。

圖4 不同黏度等級(jí)的工業(yè)齒輪油總體積、油-氣混合物體積增加百分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的折線圖

對(duì)于常規(guī)泡沫試驗(yàn)和弗蘭德泡沫試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中的泡沫照片見(jiàn)圖5。

圖5 VG 680-Ⅰ在泡沫試驗(yàn)過(guò)程中的泡沫

根據(jù)行標(biāo)NB/SH/T 6007 要求，同一油樣在同一儀器上兩次測(cè)得的停機(jī)1 min 后總體積增加百分?jǐn)?shù)差值不超過(guò)5%，才可滿足試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性要求。對(duì)6 個(gè)試驗(yàn)油樣進(jìn)行復(fù)測(cè)，其試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性見(jiàn)表6。

由表6 可以看出，所有試驗(yàn)油品的測(cè)試結(jié)果均滿足NB/SH/T 6007重復(fù)性要求，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

表6 油品弗蘭德泡沫試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性

兩種泡沫試驗(yàn)結(jié)果差異討論

常規(guī)泡沫試驗(yàn)和弗蘭德泡沫試驗(yàn)表明，本文所用6 種工業(yè)齒輪油泡沫性能均滿足國(guó)標(biāo)和行標(biāo)相關(guān)規(guī)格要求。在兩種泡沫試驗(yàn)中，不同質(zhì)量規(guī)格油品在同一黏度下的泡沫性能沒(méi)有明顯差異，這是因?yàn)閮煞N質(zhì)量規(guī)格油品雖使用不同加劑量的復(fù)合添加劑，但該添加劑在油品中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，對(duì)油品泡沫性能影響很小。然而對(duì)比兩種泡沫試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同黏度等級(jí)油品在兩種泡沫試驗(yàn)中泡沫性能差異很大，常規(guī)泡沫試驗(yàn)中不同黏度油品均表現(xiàn)出良好的泡沫性能，弗蘭德泡沫試驗(yàn)中低黏度級(jí)別（VG 68、VG 150）油品相比高黏度級(jí)別（VG 680）的泡沫性能表現(xiàn)更為優(yōu)異。

如圖5 所示，觀察常規(guī)泡沫試驗(yàn)和弗蘭德泡沫試驗(yàn)的測(cè)試過(guò)程發(fā)現(xiàn)，造成兩種泡沫試驗(yàn)下油品性能差異的主要原因是兩種試驗(yàn)方法中起泡方式和測(cè)試對(duì)象不同。在常規(guī)泡沫試驗(yàn)中，僅測(cè)試油品表層泡沫變化情況，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)向油品中通入空氣來(lái)形成氣泡，所得到的氣泡直徑大且數(shù)量少；在弗蘭德泡沫試驗(yàn)中，同時(shí)測(cè)試油品內(nèi)部氣泡和表層泡沫變化情況，對(duì)潤(rùn)滑油的空氣釋放性和抗泡性均有表征，試驗(yàn)中通過(guò)齒輪攪拌將空氣混入油品內(nèi)部形成氣泡，所得到的氣泡直徑小且數(shù)量多。

Stokes 公式[13]給出了氣泡在流體環(huán)境中上浮時(shí)的速度：

其中ρ2表示氣泡密度，ρ1和η分別表示液體密度和黏度，R表示氣泡半徑，g為重力加速度。

由公式（1）可知，在油液黏度（η）和密度（ρ1）同時(shí)增大的情況下，油品內(nèi)部氣泡上浮的速率會(huì)減慢。另外，氣泡直徑越小，其上升速率越慢，在油品內(nèi)部滯留的時(shí)間越長(zhǎng)。

在弗蘭德泡沫試驗(yàn)中，由于形成的氣泡直徑較小，故氣泡上浮速度慢，停留在油品內(nèi)部氣泡較多，停機(jī)初始各黏度等級(jí)油品的油-氣混合物體積增加百分?jǐn)?shù)（表征油液內(nèi)部氣泡狀態(tài)）都較大。另外，由表3 中關(guān)于試驗(yàn)油樣理化性質(zhì)的測(cè)試結(jié)果可知，油品黏度越大，其密度也越大。所以在弗蘭德泡沫試驗(yàn)中，隨著油品黏度增大，內(nèi)部氣泡上浮至表面的速率減慢，造成高黏度油品在測(cè)試時(shí)間內(nèi)油-氣混合物體積增加百分?jǐn)?shù)較大，從而使高黏度油品所表現(xiàn)出的空氣釋放性和整體泡沫性能不及低黏度油品優(yōu)異。

結(jié)論

本文采用常規(guī)泡沫試驗(yàn)和弗蘭德泡沫試驗(yàn)分析了不同質(zhì)量規(guī)格、不同黏度等級(jí)工業(yè)閉式齒輪油的泡沫性能。得出以下結(jié)論：

☆兩種質(zhì)量規(guī)格工業(yè)閉式齒輪油在同一黏度下的常規(guī)泡沫性能和弗蘭德泡沫性能均沒(méi)有明顯差異。

☆兩種質(zhì)量規(guī)格工業(yè)閉式齒輪油弗蘭德泡沫性能均滿足ISO 12925-1—2018 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求；但不同黏度油品弗蘭德泡沫性能表現(xiàn)差異較大，高黏度油品性能不及低黏度油品優(yōu)異。

☆弗蘭德泡沫試驗(yàn)中產(chǎn)生的氣泡密而多，氣泡相對(duì)不容易上浮到液體表面，造成氣泡更多地存在于油品內(nèi)部，依據(jù)Stokes 公式，由于黏度和密度的影響，造成高黏度級(jí)別油品中這一現(xiàn)象更為明顯。

☆由于弗蘭德泡沫試驗(yàn)同時(shí)監(jiān)測(cè)油品表面泡沫和內(nèi)部氣泡狀態(tài)，建議除常規(guī)泡沫試驗(yàn)外，同時(shí)將弗蘭德泡沫試驗(yàn)作為工業(yè)齒輪油性能測(cè)試手段之一，從而更加全面地考察油品泡沫性能，為高性能齒輪油的研發(fā)提供支持。