覃楚東 賀石中 關(guān)浩堅(jiān) 李秋秋 趙暢暢 周新聰

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司設(shè)備潤滑與檢測研究所 廣東廣州 510530；2.工業(yè)摩擦潤滑技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心 廣東廣州 510530；3.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 湖北武漢 430063)

齒輪箱是廣泛應(yīng)用于各種機(jī)組中的重要機(jī)械部件，其工作狀態(tài)和使用壽命會(huì)受到潤滑油潤滑性能、機(jī)組運(yùn)行工況、設(shè)備運(yùn)維水平等方面的影響，其中潤滑油性能對(duì)齒輪箱的穩(wěn)定運(yùn)行起到不可忽視的作用[1]。水分會(huì)降低油基潤滑劑的各方面性能，從而引發(fā)設(shè)備一系列的潤滑故障[2]。JACQUES等[3]采用晶體微平衡(QCM)技術(shù)檢測了水摻入后油特性和降解的變化，證實(shí)了油中混入水分含量越大，油的降解跡象越大。吳世雄[4]研究發(fā)現(xiàn)，水分對(duì)汽輪機(jī)油的承載能力和抗磨損性能有顯著負(fù)面影響，同時(shí)會(huì)加快設(shè)備金屬表面的腐蝕。因此，研究水分含量對(duì)齒輪油摩擦學(xué)性能的影響非常必要。

聚亞烷基乙二醇(PAG)，是一種由環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷組成的共聚物，通常用于工業(yè)潤滑劑的基礎(chǔ)油[5]。由于氧原子的存在，高極性的PAG分子可以吸附在金屬表面形成一層PAG分子膜，以達(dá)到抗磨的作用，所以即使不添加抗磨添加劑，PAG型潤滑劑也能起到良好的抗磨作用[6]。與PAG不同，磷酸酯雖然具有較強(qiáng)的邊界潤滑能力，但由于抗磨耐久性較差，一般只能作為潤滑劑的添加劑使用[7]。而在磷酸酯型添加劑中，磷酸三苯酯便是一種常見的抗磨極壓劑。

目前磷酸酯型添加劑和PAG型潤滑劑已經(jīng)在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，針對(duì)磷酸酯型添加劑和PAG型潤滑劑抗磨機(jī)制的研究也較多。LIU等[8]對(duì)磷酸酯水溶液的潤滑性能和抗磨機(jī)制進(jìn)行了一系列的研究，發(fā)現(xiàn)磷酸酯會(huì)吸附在金屬表面形成一層吸附層，其極性頭部面向溶液方向會(huì)吸附水分子形成水合層，而其余更多的水分則會(huì)在水合層外流動(dòng)形成流動(dòng)層，并降低摩擦副之間的摩擦力，從而得到較低的摩擦因數(shù)。LIU等[9]研究指出水合PAG分子頂層游離水是造成超潤滑性的主要原因，并通過研究不同鏈長PAG分子在不同水分含量下的摩擦學(xué)性能，提出了3種不同水分含量下的PAG分子成膜模型。

上述研究雖然在水分對(duì)磷酸酯及水分對(duì)PAG分子在潤滑方面的影響進(jìn)行了深入研究，但是都只是針對(duì)磷酸酯型添加劑和PAG分子單獨(dú)與水溶液之間的摩擦機(jī)制進(jìn)行了研究，并沒有對(duì)水分子、磷酸酯型添加劑和PAG分子三者之間的相互關(guān)系進(jìn)行研究。2013年，張夢麗[7]提出了以磷酸酯和聚亞烷基乙二醇的混合水溶液作為水基潤滑劑，并發(fā)現(xiàn)在磷酸酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、聚亞烷基乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%～25%之間時(shí)，水基潤滑劑能夠結(jié)合PAG的強(qiáng)成膜能力和磷酸酯的強(qiáng)邊界潤滑能力，從而達(dá)到較好的耐磨性能。然而該文獻(xiàn)是在高水分含量下進(jìn)行的研究，即作為一種水基潤滑劑進(jìn)行的研究，對(duì)于油基潤滑劑并不一定適用。油基潤滑劑一般不含有水，但在使用過程中可能會(huì)因?yàn)闈櫥芾聿划?dāng)而引入水分污染[10]。對(duì)于油基潤滑劑，一般認(rèn)為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水分含量就屬于比較高的水分含量。大多數(shù)油基潤滑劑混入水分子后會(huì)導(dǎo)致其各方面性能下降，尤其是抗磨性能；同時(shí)水分也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生銹蝕和腐蝕，所以水分是監(jiān)測油品性能的重要指標(biāo)之一[11]。因此，很有必要對(duì)PAG型油基潤滑劑被水侵入后的性能變化以及磷酸酯和PAG分子之間抗磨方面的相互作用進(jìn)行研究，從而為設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)提供參考。然而到目前為止，尚沒有研究者對(duì)其進(jìn)行過深入研究。

本文作者以市售的含有磷酸三苯酯添加劑的PAG型齒輪油作為研究對(duì)象，模擬設(shè)備運(yùn)行油被水污染的真實(shí)工況，進(jìn)行了一系列摩擦學(xué)試驗(yàn)。通過分析研究數(shù)據(jù)，在相關(guān)摩擦學(xué)理論的基礎(chǔ)上，建立磷酸三苯酯在少量水分存在的情況下對(duì)PAG型油基潤滑劑的抗磨作用模型，揭示了水分對(duì)PAG型油基潤滑劑的作用機(jī)制。

1 試驗(yàn)部分

1.1 樣品準(zhǔn)備

試驗(yàn)所用的PAG型齒輪油為Shell Omala S4 WE 320齒輪油，具體信息見表1。試驗(yàn)所用的水為自制去離子水。為了研究不同水含量對(duì)PAG型齒輪油的影響，制備了9種油水混合物樣品，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%，分別用PAG-0%至PAG-5%表示。試驗(yàn)前，每種油水混合物樣品均采用振動(dòng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)搖勻以防止水的分離，并使用超聲波浴30 min以消除振動(dòng)后產(chǎn)生的氣泡。

表1 Shell Omala S4 WE 320主要成分

1.2 理化試驗(yàn)

對(duì)各個(gè)樣品進(jìn)行了理化測試，測試指標(biāo)為40 ℃黏度、酸值、水分、抗氧化性能、傾點(diǎn)、泡沫特性和銅片及鋼片腐蝕。其中，按GB/T 11137—2989(2004)測試黏度，按ASTM D664—18e2測試酸值，按GB/T 260—2016測試水分；按SH/T 0193—2008旋轉(zhuǎn)氧彈法測試抗氧化性能；按GB/T 3535—2006測試傾點(diǎn)；按GB/T 12579—2002(2004)測試抗泡沫特性；按GB/T 5096—2017測試銅片腐蝕性能；按SH/T 0195—1992(2007)測試鋼片腐蝕性能。

1.3 摩擦學(xué)性能試驗(yàn)

1.3.1 油膜承載能力試驗(yàn)

使用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，按GB/T 3142—2019對(duì)9種不同水分含量的PAG型齒輪油樣品進(jìn)行最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷測試，分別反映油樣的油膜強(qiáng)度和極壓性能。

1.3.2 摩擦磨損性能試驗(yàn)

使用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)9種不同水分含量的PAG型齒輪油樣品進(jìn)行了摩擦因數(shù)測試。參考摩擦因數(shù)的測試標(biāo)準(zhǔn)ASTM D 5183-2021，并對(duì)其中的測試條件進(jìn)行修改，載荷為490.5 N，測試時(shí)間為1 800 s。試驗(yàn)后，采用無水乙醇對(duì)鋼球進(jìn)行超聲清洗，然后測量3個(gè)下鋼球的磨斑直徑，取平均值。

鋼球磨損體積采用以下公式進(jìn)行估算[3]：

式中：d為磨痕直徑；h為磨痕深度，其計(jì)算公式為

其中，r為鋼球的半徑。

使用奧林巴斯光學(xué)顯微鏡獲取磨損軌跡的光學(xué)圖像，使用蔡司掃描電鏡EVO18獲取磨損軌跡的掃描電子顯微圖像及能譜信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化性能和油膜承載能力分析

為探究水分對(duì)PAG型齒輪油的影響，選擇9種不同水分含量的PAG型齒輪油進(jìn)行理化測試。首先通過對(duì)油樣進(jìn)行水分測試以表征其實(shí)際水分含量，一方面保證配樣時(shí)水分含量的準(zhǔn)確性，另一方面保證水分在油中未分離沉降。水分含量測試結(jié)果如圖1(a)所示，所測水分與預(yù)設(shè)水分基本一致，隨著加入的水分增多，實(shí)測水分含量也相應(yīng)增多，表明了PAG型齒輪油能與水互溶的特性。

圖1 樣品水分(a)和酸值(b)變化情況

水分的升高通常預(yù)示著酸值的增高[12]，對(duì)不同水分含量的PAG型齒輪油試樣進(jìn)行了酸值測試，結(jié)果如圖1(b)所示。隨著不分含量的增加，試樣酸值整體變化不明顯，呈先輕微上升，后逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定的趨勢，表明一定范圍內(nèi)水分含量對(duì)PAG型齒輪油的酸值影響不大。酸值反映油中酸性組分的含量，水分含量對(duì)酸值的影響可以分3個(gè)階段進(jìn)行解釋。在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.0%，水分對(duì)油品的水解起主導(dǎo)作用，酸性產(chǎn)物生成增多，油品酸值輕微上升；在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～2.0%時(shí)，水分的稀釋起主導(dǎo)作用，油中酸性產(chǎn)物含量降低；在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～5.0%時(shí)，酸性產(chǎn)物生成與水分的稀釋基本達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，油品酸值基本保持不變。

一般來說，油中的酸性產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致高溫運(yùn)行下的設(shè)備容易發(fā)生腐蝕[13]，故而進(jìn)行了鋼片腐蝕和銅片腐蝕試驗(yàn)，結(jié)果如圖2(a)、(b)所示，鋼片和銅片浸泡在不同水分含量的油樣中經(jīng)過24 h、100 ℃的試驗(yàn)，仍然保持光亮表面，沒有腐蝕痕跡，從側(cè)面反映了PAG型齒輪油在受到水分的影響時(shí)，酸值依然保持穩(wěn)定。

圖2 鋼片和銅片腐蝕情況(a-i分別對(duì)應(yīng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%)

為了全面掌握水分對(duì)PAG型齒輪油的理化性能的影響，進(jìn)一步測試了各個(gè)樣品的抗氧化性能、傾點(diǎn)以及泡沫特性，其中抗氧化性能采用的是旋轉(zhuǎn)氧彈法。測試結(jié)果如表2所示，水分對(duì)PAG型齒輪油的抗氧化性能、傾點(diǎn)以及泡沫特性等均無明顯的影響。

表2 各個(gè)樣品的其他理化性能測試結(jié)果

此外還進(jìn)行了黏度測試，因?yàn)轲ざ壬婕坝推返臐櫥阅?，反映石油產(chǎn)品的內(nèi)摩擦力，是表示油品油性和流動(dòng)性的一項(xiàng)重要的理化指標(biāo)[14]。圖3(a)示出了水分含量對(duì)PAG型齒輪油40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的影響?？梢?，在低水分含量下(約質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%以下)，水分對(duì)PAG型齒輪油試樣的黏度影響不大，但隨著水分含量繼續(xù)上升，試樣黏度快速下降。這是由于長鏈PAG分子在無水或低水分含量下會(huì)相互纏繞，但當(dāng)水分含量超過某個(gè)臨界值時(shí)就會(huì)開始伸展，此時(shí)隨著水分含量的增加，黏度會(huì)逐漸減小[6]。上述研究結(jié)果表明，水分含量對(duì)PAG型齒輪油的理化性能影響不大，但在水分含量過高時(shí)會(huì)使油品黏度減小。

圖3 水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)黏度和油膜承載能力的影響

黏度的大小是影響油膜性能的一個(gè)重要指標(biāo)，文獻(xiàn)[15]指出，黏度減小會(huì)導(dǎo)致油膜變薄，從而導(dǎo)致抗磨性能變差。圖3(b)示出了水分含量對(duì)PAG型齒輪油最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷的影響?？梢?，在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%時(shí)，試樣的最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷無明顯變化，當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，兩者開始急劇下降，這與黏度受水分影響的變化規(guī)律相一致，說明PAG型齒輪油的黏度與其油膜承載能力呈正相關(guān)關(guān)系。其具體的機(jī)制應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)油、抗磨添加劑及水分三者之間的相互關(guān)系進(jìn)一步探究。

2.2 摩擦磨損性能

在石油化工行業(yè)中，磷酸三苯酯一般用作抗磨劑或阻燃劑，在高速摩擦下其會(huì)在摩擦表面形成一層磷化膜，為摩擦表面提供抗磨作用[16]。PAG型齒輪油中的PAG分子也會(huì)形成分子膜，提供抗磨作用[5]。為了進(jìn)一步探究水分對(duì)含磷酸三苯酯的PAG型齒輪油抗磨性能的影響，文中對(duì)不同水分含量的PAG型齒輪油進(jìn)行了摩擦因數(shù)測試，并根據(jù)磨痕尺寸計(jì)算出相應(yīng)的磨損體積和磨損率。

圖4(a)所示為不同水分含量的PAG型齒輪油試樣的摩擦因數(shù)測試結(jié)果。在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%時(shí)，試樣的摩擦因數(shù)數(shù)值都比較接近，且都保持著逐漸平穩(wěn)下降的趨勢，這可以歸因于摩擦熱造成的金屬材料結(jié)點(diǎn)塑性流動(dòng)，從而減小了界面的剪切阻力，最終導(dǎo)致摩擦因數(shù)逐漸下降[17]。當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，摩擦因數(shù)開始發(fā)生不規(guī)律的波動(dòng)并大幅度增大，表明高水分含量導(dǎo)致PAG型齒輪油的油膜不穩(wěn)定。如圖4(b)所示，PAG型齒輪油在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，磨斑直徑開始急劇增大。圖4(c)、(d)的磨損體積和磨損率也體現(xiàn)了類似規(guī)律，在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)磨損程度加劇。

圖4 不同水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣的摩擦因數(shù)曲線(a)、磨斑直徑(b)、磨損體積(c)和磨損率(d)

圖5所示為不同水分含量油樣潤滑下摩擦試驗(yàn)后下試球磨痕的光學(xué)顯微圖(取磨斑直徑最接近平均值的下試球)?？梢钥闯觯グ咧睆诫S著水分含量的增大而明顯增大。此外，磨痕中有不同程度的燒蝕痕跡，而且水分含量越高的樣品燒蝕痕跡越明顯，這是由于局部過熱造成，表明在高水分含量下PAG型齒輪油更難形成穩(wěn)定的摩擦膜。

圖5 摩擦試驗(yàn)后下試球磨痕形貌(A至I分別對(duì)應(yīng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%的樣品)

在摩擦過程中，由于硬顆?；蚰Σ粮北砻娴挠参⑼贵w對(duì)固體表面擠壓和沿表面運(yùn)動(dòng)所引起的損失或材料流失，會(huì)產(chǎn)生磨粒[18]。圖6所示為不同水分含量油樣潤滑下摩擦過程中產(chǎn)生的磨粒的顯微圖片，每種樣品分別選取3張典型磨粒圖片，以充分展示不同水分含量下磨粒的不同尺寸和形貌特征?？芍?，隨著水分含量的增大，所產(chǎn)生的磨損磨粒的尺寸也明顯增大。此外，在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%時(shí)，磨粒主要為黏著磨損磨粒，而當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%及以上時(shí)，磨粒則變?yōu)橹饕呛谏趸F顆粒和銹蝕顆粒。

圖6 摩擦試驗(yàn)后油樣中磨粒的顯微圖(A至I分別對(duì)應(yīng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%樣品，a-r為A-I的補(bǔ)充圖)

以上分析表明：高水分含量導(dǎo)致耐磨性能下降，引起磨損顆粒尺寸的增大；摩擦過程中不穩(wěn)定的摩擦膜引起局部過熱，促進(jìn)了磨損顆粒的氧化。

圖7所示為不同水分含量油樣潤滑下摩擦試驗(yàn)后上試球磨痕的光學(xué)顯微圖。可見，隨著水分含量的增大，磨痕中深色摩擦膜的寬度明顯增大且變得密集，這與磨斑直徑的變化一致。由于該油的主要成分為PAG分子和磷酸三苯酯，故認(rèn)為摩擦膜是這兩者在局部高溫條件下共同作用所形成。

圖7 摩擦試驗(yàn)后上試球磨痕形貌(A至I分別對(duì)應(yīng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%樣品)

為了進(jìn)一步探究PAG分子膜與磷化膜在摩擦過程中的相互關(guān)系，對(duì)上試球磨痕進(jìn)行了EDS能譜分析，結(jié)果如表3所示。其中樣品A為未經(jīng)浸油和摩擦試驗(yàn)的清洗后空白鋼球樣品，樣品B為浸過PAG型齒輪油新油但未經(jīng)摩擦試驗(yàn)的清洗后鋼球樣品。A與B樣品任意選取一個(gè)位置進(jìn)行EDS能譜分析，而PAG-0%至PAG-5%等9個(gè)樣品則在磨痕處進(jìn)行EDS能譜分析。

表3 上試球磨痕能譜數(shù)據(jù)

由表3可知，當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%及以上時(shí)，元素P含量大幅度上升，而在其余樣品則幾乎無法檢測出元素P，表明元素P的出現(xiàn)與摩擦行為及水分含量有關(guān)。根據(jù)樣品的成分可知，元素P只能來源于磷酸三苯酯，推測是在摩擦過程中磷酸三苯酯在鋼球上形成了磷化膜。在低水分含量下，PAG分子膜的強(qiáng)度足以起到抗磨效果，且PAG分子的長鏈結(jié)構(gòu)也在一定程度上對(duì)磷化膜產(chǎn)生了保護(hù)效果。隨著水分含量的逐漸提高，約在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%時(shí)，PAG分子膜的強(qiáng)度因水分含量過高而開始下降，磷化膜開始與PAG分子膜共同起抗磨作用。當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%以上時(shí)，油膜強(qiáng)度進(jìn)一步下降引起磨損異常。

2.3 磨損機(jī)制分析

潤滑油通過在摩擦副表面上的潤濕、吸附形成油膜，與液體和固體本身的理化性能及接觸條件有關(guān)[19]。在潤滑過程中，影響油膜形成的因素有很多，包括顆粒粒徑、介質(zhì)性質(zhì)、固體邊界材料、流動(dòng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)(如溫度)等因素，介質(zhì)性質(zhì)中又包括介質(zhì)的種類、密度、黏度及所處的溫度等[20]。PAG型潤滑油中主要存在著長鏈PAG分子，其中PAG分子中的羥基會(huì)與金屬表面的正負(fù)粒子結(jié)合，而PAG分子之間則依靠黏附力連接起來，從而在金屬表面形成一層緊密且排列整齊的PAG分子膜，如圖8(a)所示[21]。當(dāng)摩擦副開始摩擦?xí)r，對(duì)于含水的PAG型潤滑油，水合PAG分子會(huì)吸附在摩擦副表面形成水合PAG分子膜，該膜稱為吸附層。若水分子過多，多余的水合PAG分子會(huì)在兩摩擦副吸附層之間流動(dòng)形成流體層，示意圖如圖8(b)所示[9]。對(duì)于磷類抗磨劑，其分子會(huì)在油液中發(fā)生部分水解，或先被摩擦副吸附，再在摩擦副表面發(fā)生部分水解，最后經(jīng)摩擦作用反應(yīng)生成磷酸鐵膜，如圖8(c)所示[22]。

圖8 油樣成膜機(jī)制

基于PAG分子和磷類抗磨劑分子的成膜過程和理論分析，建立了一個(gè)水分子、磷酸三苯酯和PAG分子三者相互作用的抗磨機(jī)制模型：

(1)當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)幾乎不存在水分時(shí)，首先PAG分子由于摩擦作用所形成的摩擦膜，即PAG分子膜，會(huì)附著在金屬表面。由于PAG分子為長鏈分子，分子之間會(huì)發(fā)生纏繞，抗剪切能力強(qiáng)，以及PAG分子的含量遠(yuǎn)高于磷酸三苯酯，故認(rèn)為處于摩擦副表面的磷酸三苯酯被PAG分子膜覆蓋，摩擦副被PAG分子隔開，磷酸三苯酯幾乎不參與摩擦過程。由此，在一定的載荷下當(dāng)兩摩擦副摩擦?xí)r，PAG分子膜起主導(dǎo)作用，而磷酸三苯酯則由于幾乎不參與摩擦而未形成磷化膜，如圖9(a)所示。

圖9 磷酸三苯酯和PAG分子協(xié)同作用的抗磨機(jī)制

(2)當(dāng)水分含量較少時(shí)，PAG分子則會(huì)吸附水分子形成水合PAG分子，隨后粘附在摩擦副表面形成水合PAG分子膜。此時(shí)長鏈PAG分子仍處于纏繞狀態(tài)，有較強(qiáng)的抗剪切能力，并繼續(xù)覆蓋著磷酸三苯酯，如圖9(b)所示。

(3)當(dāng)水分足量時(shí)，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.3%，水合PAG分子會(huì)完全伸展，所形成的水合PAG分子膜的抗剪切能力將減弱，但其膜的厚度會(huì)增大[9]，因此磷酸三苯酯仍然未能有效參與摩擦，如圖9(c)所示。

(4)當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.3%時(shí)，過量的水分子會(huì)導(dǎo)致2個(gè)摩擦副之間形成流體層，PAG分子膜的抗剪切能力進(jìn)一步減弱，導(dǎo)致水合PAG分子膜在摩擦副表面發(fā)生滑移?；茣?huì)促進(jìn)摩擦副之間的潤滑，但也會(huì)導(dǎo)致磷酸三苯酯開始參與摩擦，磷化膜開始生成，如圖9(d)所示。

(5)當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%時(shí)，流體層逐漸擴(kuò)大，一方面使得滑移加劇，導(dǎo)致更多磷酸三苯酯摩擦生成磷化膜，另一方面使得水合PAG分子膜變薄[22]，導(dǎo)致了整體潤滑性能的下降，如圖9(e)所示。

綜上所述，磷酸三苯酯是一種極壓抗磨劑，在摩擦副直接高壓接觸時(shí)會(huì)生成磷化膜來降低摩擦和磨損。PAG分子由于極性作用會(huì)吸附在摩擦副表面，形成相互纏繞的覆蓋分子膜，降低避免摩擦副的直接接觸和磨損。水分會(huì)吸附在PAG分子上形成水合PAG分子，當(dāng)水分含量升高后由于競爭反應(yīng)會(huì)破壞分子間的纏繞，形成流體層導(dǎo)致PAG覆蓋分子膜的承載能力變?nèi)?，摩擦副直接接觸并發(fā)生摩擦和磨損。

3 結(jié)論

(1)理化性能分析發(fā)現(xiàn)，水分對(duì)PAG型齒輪油的大多數(shù)理化性能影響不大，但對(duì)黏度有較明顯的影響，當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)黏度會(huì)明顯下降，小于2%時(shí)則變化平緩。

(2)摩擦學(xué)測試結(jié)果表明，在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2%時(shí)，PAG型齒輪油能保持穩(wěn)定摩擦，這主要?dú)w因于PAG分子具有強(qiáng)大的耐水性，通過吸附水分子形成水合PAG分子，使相互纏繞的PAG分子得以伸展，油膜厚度變大，同時(shí)流體層也促進(jìn)了PAG分子膜的滑移，起到支持潤滑的作用。

(3)磨斑表征及磨損產(chǎn)物分析表明，當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.3%時(shí)便會(huì)出現(xiàn)明顯的磷元素殘留。通過建立不同水分含量下含磷酸三苯酯的PAG型齒輪油的摩擦模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%及以下時(shí)，由水合PAG分子膜起主要的抗磨作用，磷化膜尚未形成；當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.3%時(shí)，隨著水合PAG分子膜的滑移，磷化膜開始形成并參與摩擦，與水合PAG分子膜共同起抗磨作用，保證了齒輪油穩(wěn)定的潤滑作用；當(dāng)水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，滑移加劇，流體層逐漸擴(kuò)大，水合PAG分子膜則越來越薄，PAG型齒輪油整體潤滑性能顯著下降。

(4)研究方法為工業(yè)上常見的PAG型齒輪油受到水分侵入時(shí)的性能變化研究提供了參考，并為含磷酸三苯酯添加劑的PAG型齒輪油在不同水分含量下的抗磨機(jī)制提供了新的見解。