王建華，張 博

(海軍研究院特種勤務(wù)研究所，北京 100072)

汽輪機(jī)油擔(dān)負(fù)給汽輪主機(jī)、汽輪輔機(jī)提供潤滑、冷卻、防護(hù)等任務(wù)[1]。與工業(yè)汽輪機(jī)油不同，艦船汽輪機(jī)油不僅用作汽輪機(jī)組軸承的潤滑，而且還用作艦船減速齒輪箱的潤滑，以及通用在液壓設(shè)備上作為液壓油使用[2]。隨著我國裝備制造技術(shù)的不斷提高，大型艦船的動力汽輪機(jī)組在向大功率、高載荷發(fā)展，而減速齒輪箱體積在減小，從而齒輪減速器所產(chǎn)生的傳動比變得越來越大，對汽輪機(jī)油的承載能力提出了更高的要求；同時，艦船液壓系統(tǒng)的工作壓力不斷提高，對液壓油承載能力的提升提出了要求[3]。裝備性能提升和油品通用性發(fā)展對艦船汽輪機(jī)油的抗磨性提出了越來越高的要求[4-5]。評價潤滑油抗磨性的常用方法有四球法、FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)法以及SRV試驗(yàn)機(jī)法等。其中，以四球法最為常用，并被西方軍事強(qiáng)國作為評定潤滑油抗磨性的一種方法編入艦船汽輪機(jī)油產(chǎn)品規(guī)范中[6-7]。我國現(xiàn)用的艦船汽輪機(jī)油(因多數(shù)產(chǎn)品符合GJB1601A—1998標(biāo)準(zhǔn)要求)[8]，對抗磨性沒有明確指標(biāo)要求，現(xiàn)用油品能否適應(yīng)新裝備，評價油品抗磨性和如何區(qū)分抗磨性則顯得尤為重要。

本研究以世界主流艦船汽輪機(jī)油作為試驗(yàn)油，在對比研究美國、俄羅斯軍用汽輪機(jī)油產(chǎn)品規(guī)范中利用四球試驗(yàn)機(jī)法評定潤滑油抗磨性的基礎(chǔ)上，研究《潤滑油抗磨性測定方法(四球機(jī)法)(SHT 0189—1992)》和《潤滑劑承載能力測定法(四球法)(GBT 3142—1982)》對艦船汽輪機(jī)油抗磨性的內(nèi)在規(guī)律及其區(qū)分性，并以FZG試驗(yàn)結(jié)果作為抗磨性評定依據(jù)，分析四球法與FZG試驗(yàn)法的相關(guān)性。為遴選區(qū)分艦船汽輪機(jī)油抗磨性能與極壓性能的簡化替代評價方法提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主要裝置：濟(jì)南產(chǎn)MM-10W多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、CL-100齒輪試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)所用Ⅱ級軸承鋼球，直徑為12.7 mm，GCr 15鋼制造，硬度為HRC 62～66，符合GB 308標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)油選用世界主流艦船汽輪機(jī)油，分別為我軍原用的艦用防銹汽輪機(jī)油和現(xiàn)用的艦用汽輪機(jī)油，美軍所用的蒸汽輪機(jī)與齒輪潤滑油和俄軍所用的汽輪機(jī)油，共4類(中國(新)、中國(原)、美國和俄羅斯)、6個產(chǎn)品(A，B，C，D，E，F(xiàn))，實(shí)驗(yàn)用油的產(chǎn)品規(guī)范見表1。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1抗磨損性能①美國的艦船汽輪機(jī)油產(chǎn)品按照《汽輪機(jī)和齒輪潤滑油性能規(guī)范(MIL-PRF-17331)》的要求采用美國材料與試驗(yàn)協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《潤滑液防磨損特性的試驗(yàn)方法(四球法)(ASTM D4172)》進(jìn)行抗磨性能評定[9]。本研究按標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4172所述的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)。②俄羅斯艦船汽輪機(jī)油產(chǎn)品規(guī)范中沒有明確汽輪機(jī)油抗磨性的評定方法，但在汽輪機(jī)油綜合鑒定法中規(guī)定抗磨性能的評定方法為俄羅斯聯(lián)邦等國國家間標(biāo)準(zhǔn)《液體和塑性潤滑劑在四球機(jī)上的摩擦特性測定法(四球試驗(yàn)機(jī)法)(ГОСТ 9490)》[10]。本研究按標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 9490所述的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)。③我國原用的艦船汽輪機(jī)油產(chǎn)品按照《艦用防銹汽輪機(jī)油規(guī)范(GJB 1601A)》，對汽輪機(jī)油的抗磨性沒有提出要求，最新執(zhí)行的新規(guī)范《艦用汽輪機(jī)油規(guī)范(GJB 1601B—2015)》則要求采用《潤滑油抗磨性測定方法(四球機(jī)法)(SHT 0189—1992)》評價汽輪機(jī)油的抗磨性[11]。SHT 0189—1992是利用四球機(jī)評價潤滑油抗磨性能的主要實(shí)驗(yàn)方法之一，該方法簡單、經(jīng)濟(jì)、高效、與油品抗磨性相關(guān)性好。并且，該方法還用于評價C220H艦艇通用齒輪油抗磨性，對于艦船汽輪機(jī)油用于齒輪減速箱的齒輪潤滑起到有價值的參考作用。本研究按標(biāo)準(zhǔn)SHT 0189—1992所述的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn)，并增加了評價C220H艦艇通用齒輪油抗磨性的摩擦條件。ASTM D4172，ГОСТ 9490，SHT 0189—1992利用四球試驗(yàn)機(jī)評價艦船汽輪機(jī)油抗磨性的試驗(yàn)條件見表2。從表2可以看出：①3種方法的試驗(yàn)條件不完全相同，SHT 0189—1992所采用的載荷(392 N)及轉(zhuǎn)速(1 800 rmin)數(shù)值最大；②ASTM D4172所采用的時間最長(120 min)；③3種方法對試驗(yàn)溫度的要求基本相當(dāng)。另外，ASTM D4172對磨損指標(biāo)提出的磨斑直徑最小，我國SHT 0189—1992標(biāo)準(zhǔn)沒有相應(yīng)明確的磨斑直徑指標(biāo)。

1.3.2承載能力①四球法。在評價艦船汽輪機(jī)油抗磨性的基礎(chǔ)上，選用《潤滑劑承載能力測定法(GBT 3142—1982)》測定油樣的最大無卡咬負(fù)荷(PB)、燒結(jié)負(fù)荷(PD)以及綜合磨損值(ZMZ)判斷油品抗磨性和承載能力的區(qū)分性[12]。②FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)法。FZG齒輪試驗(yàn)法是通過評判磨損程度和失效等級來評價潤滑油在硬化鋼齒輪上的擦傷承載能力。FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)法是美軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-17331J(SH)—2007中采用的一項(xiàng)評價汽輪機(jī)油抗磨性的指標(biāo)，該方法能夠模擬齒輪工作環(huán)境，準(zhǔn)確地評估用于齒輪潤滑油品的抗磨性能，以等級形式表征油品的抗磨性，區(qū)分性明顯。選用標(biāo)準(zhǔn)《潤滑劑承載能力測定法(CL-100齒輪機(jī)法)(SHT 0306—1992)》測定油樣的FZG失效等級[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗磨性能分析

采用3種標(biāo)準(zhǔn)方法對A，B，C，D，E，F(xiàn)油樣的抗磨性能進(jìn)行考察，利用試驗(yàn)所得鋼球磨斑直徑區(qū)分油樣抗磨性的優(yōu)劣，每個鋼球的磨斑直徑選取橫縱兩個方向進(jìn)行測量，3個鋼球測得6個值，以平均值作為評價指標(biāo)，不同試驗(yàn)方法相同油樣試驗(yàn)鋼球磨斑直徑對比見圖1。

圖1 不同試驗(yàn)方法相同油樣試驗(yàn)鋼球磨斑直徑對比■—ASTM D4172； ■—ГОСТ 9490； ■—SHT 0189—1992(147 N)； ■—SHT 0189—1992(392 N)； ■—SHT 0189—1992(196 N)

依據(jù)圖1結(jié)果，6個油樣抗磨性能優(yōu)劣排序結(jié)果見表3。根據(jù)6個汽輪機(jī)油所符合的產(chǎn)品規(guī)范分析，油樣A，B，C的抗磨性相近，油樣D，E，F(xiàn)的抗磨性相近，并且油樣A，B，C的抗磨性優(yōu)于油樣D，E，F(xiàn)的抗磨性。磨斑直徑由小到大排序的結(jié)果，驗(yàn)證了6個油樣抗磨性優(yōu)劣程度，在不同試驗(yàn)條件下，部分油樣優(yōu)劣排序先后發(fā)生細(xì)微變化，但整體性能優(yōu)劣排序沒有變化。

綜上所述，5種試驗(yàn)條件均能判斷出艦船汽輪機(jī)油抗磨性的優(yōu)劣程度，轉(zhuǎn)速對于評價結(jié)果的影響大于載荷，如何確定最佳的載荷與轉(zhuǎn)速還要結(jié)合與其它摩擦試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性進(jìn)行分析以及油品具體使用部位的摩擦潤滑情況而定。

2.2 承載能力分析

圖2 6種油樣承載能力的對比

2.3 四球試驗(yàn)機(jī)法與FZG試驗(yàn)機(jī)法之間的相關(guān)性

試驗(yàn)所用油樣的FZG失效等級見表4。從表4可以看出：①符合MIL-PRF-17331標(biāo)準(zhǔn)的美軍汽輪機(jī)油(C油)失效等級達(dá)到10級；②符合GJB 1601B—2015標(biāo)準(zhǔn)的A油、B油失效等級達(dá)到了10級，且達(dá)到了美軍在標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-17331中的要求(9級以上)；③符合GJB 1601A標(biāo)準(zhǔn)的E油、F油失效等級最高為8級，比美軍標(biāo)準(zhǔn)低1～2個失效等級；④俄羅斯汽輪機(jī)油(C油)的失效等級為6級。失效等級由高到低的順序?yàn)椋篈=C=B>F>E>D。

四球試驗(yàn)機(jī)法與FZG試驗(yàn)機(jī)法在評價潤滑油抗磨性能時，所用的表征參數(shù)不同(四球試驗(yàn)用WSD，PB，PD，ZMZ；FZG試驗(yàn)用失效等級)，參數(shù)含義與單位無法統(tǒng)一，所以在分析兩種方法的相關(guān)性時，不能用同一參數(shù)進(jìn)行衡量。然而，在四球試驗(yàn)機(jī)法中，試驗(yàn)所用的艦船汽輪機(jī)油測得的PB與FZG試驗(yàn)機(jī)法所得的通過等級在油品抗磨性區(qū)分方面表現(xiàn)出相同的結(jié)果，可見PB在表征承載能力方面的重要性。以試驗(yàn)油的抗磨性能優(yōu)劣順序作為連接兩種評價方法的表征參數(shù)，定性分析兩種方法在評價汽輪機(jī)油抗磨性方面的相關(guān)性。FZG試驗(yàn)機(jī)法與四球試驗(yàn)機(jī)法(SHT 0189—1992，147 N，1 200 rmin)具有明顯的相關(guān)性。

3 結(jié) 論

(1)結(jié)合美國、俄羅斯和我國的四球標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法評價艦船汽輪機(jī)油的抗磨性，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)條件選取方面，載荷越大，轉(zhuǎn)速越低，摩擦環(huán)境越苛刻，磨損更大，更有利于區(qū)分不同油品的抗磨性能。轉(zhuǎn)速低比轉(zhuǎn)速高磨損更大，轉(zhuǎn)速對于評價結(jié)果的影響大于載荷。

(2)用四球法評價艦船汽輪機(jī)油承載能力時，PB對艦船汽輪機(jī)油的抗磨性和承載能力具有明顯的區(qū)分性，能夠表征油品的抗磨性能。

(3)以FZG試驗(yàn)結(jié)果作為抗磨性評定基礎(chǔ)，通過四球法與FZG試驗(yàn)法評價艦船汽輪機(jī)油抗磨性的相關(guān)性分析，結(jié)合PB和PD的對比結(jié)果，確定評價艦船汽輪機(jī)油抗磨性的四球法最佳摩擦試驗(yàn)條件為載荷147 N、轉(zhuǎn)速1 200 rmin。

(4)利用四球法評定艦船汽輪機(jī)油抗磨性時，可采用標(biāo)準(zhǔn)SHT 0189—1992(147 N，1 200 rmin)所述方法，并聯(lián)合潤滑劑承載能力測定法GBT 3142—1982中PB，可以合理評價艦船汽輪機(jī)油的抗磨性。