范海粉，王瑞興，徐昂

(上海禾泰特種潤(rùn)滑科技股份有限公司,上海 200331)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪油的初步研究

范海粉，王瑞興，徐昂

(上海禾泰特種潤(rùn)滑科技股份有限公司,上海 200331)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用油需求量逐年提高，但國(guó)內(nèi)風(fēng)電廠大部分仍然使用國(guó)外品牌風(fēng)電齒輪油，且其性能存在一定不足。文章重點(diǎn)考察了基礎(chǔ)油和黏稠劑復(fù)配、黏稠劑配比、極壓抗磨劑選擇及其復(fù)配等對(duì)風(fēng)電齒輪油低溫和黏溫性能的影響，結(jié)果表明：低黏度酯類油添加高分子黏稠劑可以制備出具有超高黏度指數(shù)和較低傾點(diǎn)的高黏度基礎(chǔ)油；且對(duì)硫系和磷系極壓抗磨劑都具有較好的感受性，表現(xiàn)出抗磨協(xié)同性；此外文章所制備齒輪油還具有優(yōu)異的氧化安定性和高溫清凈性。

風(fēng)力發(fā)電；齒輪油；黏溫性能；低溫性能；極壓抗磨性

0 引言

隨著我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用油需求量也逐年提高，風(fēng)電已成為繼火電、水電之后的第三大電源。主齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組的核心部件，其基本功能就是將風(fēng)力推動(dòng)葉片所產(chǎn)生的低轉(zhuǎn)速高扭矩功率，轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)所需的高轉(zhuǎn)速低扭矩功率，因此齒輪箱的可靠性往往直接影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率和使用壽命[1]。齒輪箱用潤(rùn)滑油主要是防止齒輪微點(diǎn)蝕和軸承損壞，進(jìn)而降低齒輪箱失效幾率，因此選擇合適且性能好的齒輪油對(duì)保證風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定高效運(yùn)行，提高發(fā)電效率有重要意義。

合適的齒輪箱潤(rùn)滑油需要具備長(zhǎng)期的氧化安定性和熱穩(wěn)定性、清靜性、較高的黏度指數(shù)、良好的低溫流動(dòng)性及極壓抗磨性能等[2]。目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電廠齒輪箱主要使用國(guó)外品牌風(fēng)電齒輪油，但是在以上性能方面還存在一些差距，不能完全滿足國(guó)內(nèi)某些地區(qū)要求，為此本文結(jié)合國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，自主開發(fā)了風(fēng)電設(shè)備專用齒輪油的制備工藝，重點(diǎn)考察了基礎(chǔ)油及增稠劑的選擇、黏稠劑復(fù)配比例、極壓抗磨劑選擇及其復(fù)配等對(duì)齒輪油黏溫性、低溫性、極壓抗磨性、熱氧化性、清靜性等方面的影響，并初步制備出綜合性能優(yōu)良的風(fēng)電齒輪油產(chǎn)品，本產(chǎn)品可替代國(guó)外品牌產(chǎn)品應(yīng)用于國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組中，對(duì)于加速國(guó)產(chǎn)風(fēng)電齒輪油行業(yè)發(fā)展，具有很大的推廣空間。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本文所用原材料如表1所示。

表1 原材料性能信息

1.2 主要實(shí)驗(yàn)方法

(1)潤(rùn)滑油黏度指數(shù)試驗(yàn) GB/T 1995；

(2)潤(rùn)滑油傾點(diǎn)測(cè)試方法 GB/T 3535；

(3)氧化安定性試驗(yàn)(旋轉(zhuǎn)氧彈法) SH/T 0193；

(4)潤(rùn)滑劑承載動(dòng)力測(cè)定法(四球法) GB/T 3142；

(5)潤(rùn)滑劑磨斑直徑和摩擦系數(shù)測(cè)試法 SH/T 0189。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同黏稠劑對(duì)基礎(chǔ)油的低溫和黏溫性能影響

目前國(guó)內(nèi)外常用的風(fēng)電齒輪油基礎(chǔ)油一般選擇高黏度聚α-烯烴(PAO)，雖然具有較好的黏溫和低溫性能，但仍不能滿足一些極端工況需求。為此，本文分別以低傾點(diǎn)、低黏度的PAO和飽和多元醇酯為基礎(chǔ)油，與不同高分子黏稠劑復(fù)配組合，以期制備出低溫傾點(diǎn)和黏溫指數(shù)都符合極端工況需求的基礎(chǔ)油配方。

在SpectraSyn 6、UNIESTER 3420中，分別添加高分子復(fù)酯類UNIESTER 4445(簡(jiǎn)稱4445)、聚異丁烯PB1300和黏度指數(shù)改進(jìn)劑聚甲基丙烯酸甲酯Viscoplex7-310(簡(jiǎn)稱V7-310)，其黏度指數(shù)和傾點(diǎn)變化如表2所示。

表2 不同黏稠劑基礎(chǔ)油的低溫和黏溫性能影響

注：*SpectraSyn 6和4445復(fù)酯不相容。

由表2可以看到，V7-310對(duì)兩種低黏度基礎(chǔ)油的黏度指數(shù)改善最為顯著，其黏溫性能明顯增強(qiáng)；4445雖然與SpectraSyn 6不兼容，但對(duì)UNIESTER 3420的黏度和黏度指數(shù)都具有很好的改善作用；而PB1300則對(duì)油品的黏度指數(shù)和黏度影響最小。另外，UNIESTER 3420與上述黏稠劑復(fù)配后，低溫傾點(diǎn)變化較小，而復(fù)配后的SpectraSyn 6傾點(diǎn)則大幅度上升。

一般在含有聚合物的潤(rùn)滑油中，高溫下，溶解度好的聚合物分子鏈可充分伸展，高分子間相互吸引，內(nèi)摩擦增大，進(jìn)而對(duì)潤(rùn)滑油起到良好增稠作用，而低溫下，溶解度差的聚合物分子大部分處于蜷曲狀態(tài)，對(duì)內(nèi)摩擦影響不大，降低了對(duì)潤(rùn)滑油增稠作用。因此聚合物對(duì)潤(rùn)滑油黏度指數(shù)的提高程度，取決于聚合物分子在潤(rùn)滑油中的溶解度隨溫度變化的幅度大小，聚合物溶解度隨溫度變化越大，對(duì)潤(rùn)滑油的黏度指數(shù)改進(jìn)越好。V7-310是一種專用的聚甲基丙烯酸酯黏度指數(shù)改進(jìn)劑，其顯著的黏度指數(shù)改善作用可能歸因于其在常規(guī)潤(rùn)滑油中溶解度隨溫度變化較大。4445本身是酯類聚合物，與飽和多元醇酯UNIESTER 3420結(jié)構(gòu)相似，互溶性好，其分子鏈可以得到充分的溶解和舒展，對(duì)UNIESTER 3420表現(xiàn)出較強(qiáng)的增稠作用，但良好的互溶性使得4445溶解度變化受溫度影響小，所以對(duì)UNIESTER 3420黏度指數(shù)改進(jìn)幅度稍低。PB1300對(duì)油品的增黏最弱可能因?yàn)槠湓赨NIESTER 3420中溶解度弱，且自身分子鏈短(分子量?jī)H為1300)，產(chǎn)生內(nèi)摩擦力低，此外其在UNIESTER 3420中整體較弱的溶解度也限制了溶解度隨溫度變化的幅度，從而降低了對(duì)黏溫性能的提升作用。

有機(jī)化合物低溫性能主要受主鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)自由度的影響。分子中主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)所受的阻力越小，其分子鏈的柔順性越好，流動(dòng)活化能也較低，在外力的影響下越容易向周圍的自由空間躍遷，即表現(xiàn)出較低的傾點(diǎn)和低溫流動(dòng)性[3]。SpectraSyn 6為線性直鏈分子，其各分子的原子與所加入的增黏劑分子鏈原子間互相吸引機(jī)會(huì)較多，致使分子間引力大大增強(qiáng)，分子間主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)所受阻力增大，因而低溫流動(dòng)性變差，傾點(diǎn)增高。UNIESTER 3420為飽和季戊四醇酯，分子為所占空間較大的體型立體結(jié)構(gòu)，與所加入增黏劑分子鏈間吸引機(jī)會(huì)相對(duì)較小，分子間主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)所受阻力增加不大[3]，因而低溫流動(dòng)性較好，傾點(diǎn)降低。

2.2 不同黏稠劑復(fù)配對(duì)基礎(chǔ)油低溫和黏溫性能的影響

根據(jù)2.1結(jié)論，本文以UNIESTER 3420為基礎(chǔ)油，復(fù)配不同比例的4445和V7-310，以充分利用它們顯著的增稠作用和黏度指數(shù)改進(jìn)作用，制備出兼具有優(yōu)異黏溫性能和低溫性能基礎(chǔ)油組合，其黏度指數(shù)和傾點(diǎn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同黏稠劑復(fù)配對(duì)基礎(chǔ)油低溫和黏溫性能的影響

由表3可看到，油品的黏度隨著4445和V7-310復(fù)配添加比例尤其是4445增加而呈現(xiàn)出較大的增加趨勢(shì)；油品的黏度指數(shù)主要隨著V7-310的添加比例增加而增加，但增加幅度有限，且基本不受4445添加比例影響。

由于4445和V7-310都是高分子鏈結(jié)構(gòu)，其分子鏈間的纏結(jié)、分子鏈的舒展都會(huì)增加UNIESTER 3420的流動(dòng)阻力，使其黏度大幅度增加；而油品黏度指數(shù)主要取決于聚合物分子在潤(rùn)滑油中的溶解度隨溫度變化幅度大小，且V7-310在UNIESTER 3420酯類油中的溶解度隨溫度變化幅度大于4445，可能復(fù)配黏稠劑在酯類油中整體溶解度隨溫度變化幅度大小主要取決于變化幅度較大的V7-310，因而油品主要表現(xiàn)出V7-310的黏溫性能。當(dāng)V7-310加入比例逐漸增高時(shí)，其高分子鏈在基礎(chǔ)油中的溶解逐漸接近飽和，溶解度隨溫度變化幅度大小接近穩(wěn)定，所以油品的黏度指數(shù)沒有出現(xiàn)顯著的增加趨勢(shì)。

4445和V7-310復(fù)配后，油品的傾點(diǎn)較2.1節(jié)出現(xiàn)一定幅度的上升，可能因?yàn)閺?fù)配一定比例的4445和V7-310后，UNIESTER 3420分子同時(shí)受到4445分子鏈中的酯基和V7-310分子鏈中的丙烯酸酯基的雙重吸引，增加了分子主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)所受阻力，低溫性變差。另外隨著4445和V7-310添加比例的增大，油品ν 40 ℃幅度增加較大，但傾點(diǎn)基本在-42 ℃上下變動(dòng)，變動(dòng)幅度小，這可能因?yàn)橐环矫鎻?fù)配增黏劑在上述油品中的添加比例都較高，與UNIESTER 3420分子接觸機(jī)會(huì)基本都接近飽和，對(duì)其分子主鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的阻力變動(dòng)不大，另一方面上述油品都具有極高的黏度指數(shù)，黏溫性能十分優(yōu)異，低溫下復(fù)配增黏劑高分子鏈主要處于蜷曲線團(tuán)狀態(tài)，高分子鏈間纏結(jié)小，內(nèi)摩擦小，對(duì)油品流動(dòng)阻礙作用不大[4]，綜上使得以上油品在低溫下表現(xiàn)出相似的低溫流動(dòng)性。

2.3 不同極壓抗磨劑對(duì)基礎(chǔ)油極壓抗磨性能的考察

極壓抗磨劑不僅決定著齒輪油的極壓抗磨潤(rùn)滑性能，而且對(duì)齒輪油的氧化安定性及抗微點(diǎn)蝕性也具有重大影響。本文選擇在UNIESTER 3420中同時(shí)添加25%的4445和25%的V7-310、兼具優(yōu)異黏溫和低溫性能的基礎(chǔ)油組合配方，然后分別添加極壓抗磨劑硫化脂肪酸Smart Base 2518(簡(jiǎn)稱2518)、硫化異丁烯T321、烷氧基磷酸鹽P120、芳香磷酸胺Vanlube692，此外還添加了金屬鈍化劑T551，以減小高活性極壓抗磨劑對(duì)有色金屬的腐蝕，其四球和銅片腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同極壓抗磨劑對(duì)基礎(chǔ)油極壓抗磨性能的影響

從表4可以看到，添加比例為1%時(shí)，硫系極壓抗磨劑表現(xiàn)出較高的燒結(jié)負(fù)荷，極壓性能突出，磷系極壓抗磨劑也呈現(xiàn)出超高的最大無卡咬負(fù)荷，抗磨性能顯著，其中T321所調(diào)制油品PD值最高，Vanlube 692調(diào)制油品PB值最大，P120調(diào)制油品除具有相對(duì)較高的PB值外，還具有優(yōu)異的燒結(jié)負(fù)荷PD值。另外表4所有油品都表現(xiàn)出優(yōu)異的耐金屬腐蝕性，也說明本文所選基礎(chǔ)油配方對(duì)以上硫磷極壓抗磨劑具有很好的感受性。

在摩擦過程中，摩擦生熱使含硫劑中的C-S鍵斷裂，釋放出S，游離出來的S在高溫條件下與Fe化合物反應(yīng)，在相接觸的金屬表面生成一層剛硬的硫化物保護(hù)膜，增加油品抗燒結(jié)能力。T321含硫量高，更容易釋放活性S，因而具有更好的極壓潤(rùn)滑性[5]，2518是控制活性硫釋放，可能生成硫化物速率相對(duì)慢些，極壓抗磨偏弱。磷系極壓抗磨劑作用機(jī)理是：摩擦過程中與Fe反應(yīng)生成亞磷酸鐵，亞磷酸鐵與Fe形成共融合金，熔化后流入試件表面的凹坑，使表面變得更光滑，增大接觸面積，降低了接觸應(yīng)力；Vanlube 692是磷酸二丁酯與4-四亞丙基苯胺的化合物，因同時(shí)含有活性磷和活性氮，除能生成亞磷酸鐵外，其氮元素由于原子半徑小，電負(fù)性高，還很容易使分子之間形成氫鍵，增強(qiáng)摩擦表面橫向力，提高了油膜強(qiáng)度，有利于抗磨性能PB值提高；而P120為烷氧基磷酸鹽，不僅含有少量的氮元素，而且分子體積相對(duì)較小，相同容積內(nèi)分子數(shù)目增多，在金屬表面可形成細(xì)密的物理吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜，承載能力PD值相應(yīng)提高[6]。

從表4還可看出，P120分別與T321和2518按照0.5%加入量復(fù)配時(shí)，所制備油品PB值都高于1%P120加入量的，Vanlube 692與2518復(fù)配時(shí)PB值達(dá)238 kg，遠(yuǎn)高于Vanlube 692在1%添加量時(shí)的191 kg，以上都表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗磨協(xié)同性；此外P120和Vanlube 692的加入，使T321的極壓性降低，而2518的極壓性能則有增加趨勢(shì)，可能因?yàn)楸疚乃悯ヮ愑途哂泻軓?qiáng)的極性，在摩擦表面有很強(qiáng)的吸附，尤其是4445高分子復(fù)酯，會(huì)在摩擦表面形成附著力很強(qiáng)的有機(jī)薄膜，它與磷硫單獨(dú)存在時(shí)形成的吸附膜都具有很好的配伍性，但當(dāng)硫磷吸附膜同時(shí)存在時(shí)，三者之間就會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)作用，使酯類有機(jī)膜更傾向和磷化合物吸附膜作用，限制了硫化合物反應(yīng)膜的生成和發(fā)揮，復(fù)配后2518極壓性能的增強(qiáng)可能歸因于其控制硫釋放能力降低了吸附競(jìng)爭(zhēng)的影響[7-8]。

2.4 研制風(fēng)電齒輪油性能評(píng)價(jià)

在2.3節(jié)中極壓抗磨性相對(duì)優(yōu)異的P120配方和2518與Vanlube 692復(fù)配配方中，再分別添加常規(guī)抗氧劑、防銹劑等，調(diào)制出兩組齒輪油，以對(duì)其基本性能進(jìn)一步考察，如表5所示。

表5 風(fēng)電齒輪油的性能

注：*將少量油品平鋪分散在表面皿中，然后放在250℃中烘烤3h。

由表5可以看到，兩種配方都可制備出綜合性能優(yōu)異的齒輪油，可以看到本文調(diào)制油品的黏溫性能、低溫性能和極壓抗磨性能都遠(yuǎn)高于國(guó)外同類品牌。

此外2518與Vanlube 692復(fù)配配方尤其是P120配方都表現(xiàn)出優(yōu)異的氧化安定性，這可能是因?yàn)槠漭^低的硫磷元素含量，特別是P120配方不含有活性硫元素，都大大減輕了對(duì)油品的催化氧化作用；而其偏低的摩擦系數(shù)和磨斑直徑可能歸因于酯類基礎(chǔ)油在摩擦表面形成的極性很強(qiáng)的有機(jī)保護(hù)膜。

圖1是本文調(diào)制油品和國(guó)外同類品牌的高溫清靜性試驗(yàn)。由圖1可以看到，雖然添加了高分子聚合物V7-310和4445，但是本文油品高溫結(jié)焦性仍優(yōu)于國(guó)外的聚α-烯烴調(diào)制的油品，這可能是因?yàn)閮煞N聚合物大分子在熱氧化過程中相互影響，主要進(jìn)行降解反應(yīng)并生成低分子聚合體，而聚α-烯烴則主要進(jìn)行縮聚反應(yīng)產(chǎn)生分子量更大的高聚物，增加了結(jié)焦量。

(a)P120配方

(b)2518和Vanlube 692組合配方

(c)國(guó)外油

3 結(jié)論

通過考察基礎(chǔ)油和黏稠劑復(fù)配、黏稠劑復(fù)配比例、極壓抗磨劑選擇及其復(fù)配等因素，得出以下結(jié)論：

(1)聚甲基丙烯酸甲酯V7-310對(duì)低黏度基礎(chǔ)油的黏溫性能增強(qiáng)最顯著，而聚異丁烯PB1300最弱；高黏度復(fù)酯4445僅對(duì)酯類油的黏度和黏溫性能具有改善作用。此外增稠后的UNIESTER 3420仍具有較低的低溫傾點(diǎn)，而SpectraSyn 6則明顯上升。

(2) UNIESTER 3420酯類油黏度受4445和V7-310復(fù)配添加比例影響明顯；油品的黏度指數(shù)主要隨著V7-310的添加比例增加而增加，且基本不受4445添加比例影響。

(3) 所調(diào)制復(fù)配酯類油對(duì)硫系和磷系極壓抗磨劑都具有較好的感受性；并可使復(fù)配硫磷添加劑表現(xiàn)出抗磨協(xié)同性；但P120和Vanlube 692的加入，使T321極壓性降低，而2518的極壓性能則有增加趨勢(shì)。

(4)相對(duì)于國(guó)外同類PAO類型風(fēng)電齒輪油品牌，本文所調(diào)制風(fēng)電齒輪油品還具有超強(qiáng)的氧化安定性和高溫清靜性，綜合性能優(yōu)異，完全滿足風(fēng)電齒輪箱要求，具有較好的應(yīng)用前景。

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Study on the Wind Turbine Gear Oils

FAN Hai-fen, WANG Rui-xing, XU Ang

(Shanghai Hitecrun Specialty Lubricants Technology Co., Ltd, Shanghai 200331, China)

The demand of wind turbine oil is increasing annually, but domestic wind power plants mainly use foreign wind power gear oil with some deficiencies in performance. In this paper, the influence of complex formulation of base oil and thickeners, compound proportion of thickeners, selection and compounding of EP anti-wear agent on the low temperature and viscosity-temperature performances of wind power gear oil was studied. Result shows that the high viscosity base oil with high viscosity index and low pour point could be prepared by adding polymer thickener into low viscosity ester oil; the base oil has a good sensitivity to sulfur and phosphorus EP anti-wear agents, and in which the sulfur agent can exhibit synergistic effect with phosphorus-based additives; In addition, the gear oil prepared by them has excellent oxidation stability and high temperature cleanliness.

wind power; gear oil; viscosity-temperature performance; low temperature performance; EP anti-wear property

2017-03-24。

王鋒,工程師,1994年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工程系有機(jī)化工專業(yè),主要從事特種油產(chǎn)品的市場(chǎng)開發(fā)與銷售管理工作,發(fā)表論文2篇。E-mail:wangfeng_rhy@petrochina.com.cn

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.03.003

1002-3119(2017)03-0015-06

TE626.3

A