聚醚合成工業(yè)齒輪油的研制

于 海，張遂心，周 康，蒲辰光

(中國石油蘭州潤(rùn)滑油研究開發(fā)中心，蘭州 730060)

聚醚(PAG，又稱聚亞烷基二醇)是一種高性能合成基礎(chǔ)油，因其具有極其優(yōu)異的黏溫性能、低溫性能、潤(rùn)滑性能、耐高溫清凈性能而在工業(yè)潤(rùn)滑油產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。特別是聚醚合成工業(yè)齒輪油，因?yàn)榭梢蕴峁O低的摩擦因數(shù)，防止設(shè)備的熱積累，有效降低設(shè)備的運(yùn)行溫度，而且可以有效地降低設(shè)備的動(dòng)力消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。因而特別適合用于高滑動(dòng)的齒輪，可使在最苛刻條件下運(yùn)行的錐形齒輪、螺旋齒輪、斜齒輪、行星齒輪等幾乎所有的齒輪減速機(jī)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置獲得前所未有的表現(xiàn)性能[1]。

目前我國聚醚合成工業(yè)齒輪油市場(chǎng)以國外產(chǎn)品為主，廠商主要包括美孚、殼牌、BP等，國內(nèi)品牌僅有少量份額。鑒于聚醚合成工業(yè)齒輪油優(yōu)異的使用性能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，未來將具有很大的市場(chǎng)潛力，據(jù)《PAG應(yīng)用及規(guī)劃》中數(shù)據(jù)顯示：目前我國聚醚合成工業(yè)齒輪油需求量約3 600 t，到2020年國內(nèi)的需求可以達(dá)到4 500 t。因此，開發(fā)聚醚合成工業(yè)齒輪油為我國高端裝備潤(rùn)滑技術(shù)的配套與升級(jí)，具有重要意義。

1 聚醚合成工業(yè)齒輪油的研制

1.1 基礎(chǔ)油的選擇

聚醚是以環(huán)氧乙烷(EO)、環(huán)氧丙烷(PO)、環(huán)氧丁烷(BO)或四氫吠喃(THF)等為原料，開環(huán)均聚或共聚成線型聚合物[2]。相比于傳統(tǒng)的石油基基礎(chǔ)油(如礦物油、合成烴、酯類油等)，聚醚具有許多優(yōu)良性能，其中包括良好的潤(rùn)滑性能，高的閃點(diǎn)和高的黏度指數(shù)，低揮發(fā)度和低傾點(diǎn)；高溫下使用，生成的氧化產(chǎn)物能夠完全溶解在聚醚液體中或者揮發(fā)掉，設(shè)備中不留下沉積物。

表1為聚醚與礦物油、合成烴、酯類油一些特性的對(duì)比[1]。

表1 聚醚與礦物油、合成烴、酯類油的特性對(duì)比

注：++代表很好；+代表好；--代表差；0代表一般，以下同。

從表1可以看出，聚醚相比于其他3種基礎(chǔ)油在黏溫特性、抗老化、抗磨損和減摩性能上較為出色，但由于其分子結(jié)構(gòu)中含有大量的烷氧基官能團(tuán)，在長(zhǎng)的碳鏈末端還存在有極性較強(qiáng)的羥基。這些官能團(tuán)的存在，使得聚醚基礎(chǔ)油與其他類型基礎(chǔ)油的相容性以及對(duì)添加劑的適應(yīng)性均較差，為配方研究帶來較大難度[3]。

聚醚基礎(chǔ)油又分為3種類型：油溶性聚醚OSP、水溶性聚醚WSP和水不溶性聚醚WIP。不同類型的聚醚在黏溫性能、密度、減摩性能等方面有較大差異，如表2所示[4]。

表2 不同類型聚醚的特性對(duì)比

從表2可以看出，水溶性聚醚WSP相較于其他兩個(gè)類型聚醚，在潤(rùn)滑性、黏溫性、減摩性能方面均是最優(yōu)的。原因在于，隨著聚醚中環(huán)氧乙烷(EO)單元含量的增加，油品的黏溫性能和黏壓特性會(huì)提升[2，5]。一般來說，水溶性聚醚的EO單元質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常大于50%，而水不溶聚醚的EO單元質(zhì)量分?jǐn)?shù)則不大于25%，油溶性聚醚選用的是更長(zhǎng)鏈的環(huán)氧烷烴和長(zhǎng)鏈的羧酸封端，在潤(rùn)滑性、黏溫性、減摩性能方面的表現(xiàn)是3個(gè)聚醚類型中最差的。此外，鑒于目前國內(nèi)外同類產(chǎn)品大多采用水溶性聚醚，故本研究采用市售的南京威爾公司生產(chǎn)的WSP基礎(chǔ)油A(40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為100 mm2/s)和WSP基礎(chǔ)油B(40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為1 000 mm2/s)作為基礎(chǔ)油組分。

1.2 抗磨劑的選擇

由于聚醚基礎(chǔ)油的分子結(jié)構(gòu)中含有大量的烷氧基團(tuán)，使得常用的抗磨添加劑在聚醚基礎(chǔ)油中與在石油基基礎(chǔ)油(如礦物油、合成烴以及酯類油)中的適應(yīng)性存在較大的差異，部分添加劑不能直接用于聚醚的潤(rùn)滑油配方中。因此，試驗(yàn)首先對(duì)幾種抗磨劑以一定量[添加量(w小于1%)]添加到基礎(chǔ)油中時(shí)與WSP基礎(chǔ)油A和B的調(diào)合基礎(chǔ)油[m(A)∶m(B)為4∶1]的相溶性進(jìn)行考察，結(jié)果見表3。

表3 幾種抗磨劑與聚醚的相溶性

注：○表示相溶性良好；×表示相溶性差，出現(xiàn)不溶或渾濁現(xiàn)象。

從表3可以看出，T306、磷酸酯鏈胺鹽和中性磷酸酯對(duì)聚醚的感受性良好，而T406和磷酸酯芳胺鹽對(duì)聚醚的感受性則不佳。

將相溶性良好的3種抗磨劑以一定量[添加量(w)小于1%]按不同組合加入到WSP基礎(chǔ)油A和B的調(diào)合基礎(chǔ)油[m(A)∶m(B)為4∶1]中，考察各油樣在四球機(jī)中各條件下的摩擦學(xué)性能，結(jié)果見表4。

表4 抗磨劑四球摩擦性能考察結(jié)果

從表4可以看出，采用T306與磷酸酯鏈胺鹽和與雜環(huán)/亞磷酸酯胺鹽的復(fù)配方案相較于其他抗磨劑組合對(duì)于油品的最大無卡咬負(fù)荷PB和燒結(jié)負(fù)荷PD提升最大。但從磨斑直徑來看，與雜環(huán)/亞磷酸酯胺鹽的復(fù)配方案測(cè)得的磨斑直徑較大，略差于其他抗磨劑組合，故本研究確定抗磨劑方案為T306與磷酸酯鏈胺鹽。

1.3 防銹劑的選擇

在石油基基礎(chǔ)油中，一般防銹劑僅需要很低的劑量就能有效地抑制銹蝕，而在極性基礎(chǔ)油中尤其是WSP聚醚基礎(chǔ)油中，同樣的防銹劑在更高的劑量下，往往都不能發(fā)揮作用[6]。因此，需要對(duì)防銹劑性能按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11143A方法篩選考察，結(jié)果見表5。從表5可以看出，采用酰肌氨酸和磷酸酯胺鹽的復(fù)配方案相比較其他防銹組合，具有很好的防銹效果，故試驗(yàn)優(yōu)選酰肌氨酸和磷酸酯胺鹽的復(fù)配方案。

表5 幾種防銹劑的性能考察

1.4 抗氧劑的選擇

聚醚基礎(chǔ)油雖然在高溫下能抑制油泥的生成，但其本身的抗氧化性能較差，試驗(yàn)對(duì)多種抗氧劑組合進(jìn)行了考察，結(jié)果見表6。從表6可以看出，采用酚胺組合的抗氧體系可有效提高油品的抗氧化性能，故試驗(yàn)優(yōu)選T501和胺類抗氧劑的組合方案。

表6 抗氧劑性能考察

2 聚醚合成工業(yè)齒輪油綜合性能考察

通過對(duì)抗磨劑、防銹劑、抗氧劑等添加劑的篩選，并對(duì)配方中各添加劑之間的配比進(jìn)行了平衡，形成了KGW聚醚合成工業(yè)齒輪油配方技術(shù)，并對(duì)調(diào)合油品的各項(xiàng)性能進(jìn)行了考察，結(jié)果見表7。從表7可以看出，研制的KGW聚醚合成工業(yè)齒輪油各牌號(hào)產(chǎn)品具有良好的黏溫性能、低溫性能、防銹性能、抗氧化性能以及極壓抗磨性能。

表7 KGW150，KGW220，KGW320，KGW460聚醚合成工業(yè)齒輪油的典型性質(zhì)

1)在1 200 r/min，392 N，60 min，75 ℃條件下測(cè)得。

對(duì)各牌號(hào)研制油與國外同類產(chǎn)品進(jìn)行了各項(xiàng)物理化學(xué)性能的對(duì)比試驗(yàn)，以黏度牌號(hào)為220號(hào)和320號(hào)為例的結(jié)果見表8。從表8可以看出，研制的KGW 220、KGW320聚醚合成工業(yè)齒輪油產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品相比，具有更優(yōu)的黏溫性能、低溫性能、抗氧化性能以及極壓性能，達(dá)到國外同類產(chǎn)品質(zhì)量水平。

除常規(guī)物理化學(xué)性能分析以外，摩擦因數(shù)也是聚醚合成工業(yè)齒輪油產(chǎn)品的重要指標(biāo)之一。其中，低的摩擦因數(shù)可以帶來齒輪箱減速器傳動(dòng)效率的提升、工作溫度的下降，并減少功率輸出和能源消耗[7]。故本研究利用MTM2微牽引力試驗(yàn)機(jī)，通過測(cè)定油品牽引系數(shù)在恒定負(fù)荷、溫度和傳動(dòng)比下隨時(shí)間的變化情況，分別對(duì)研制油KGW220，KGW320，KGW460與國外同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比考察，結(jié)果見圖1～圖3。從圖1～圖3可以看出，與國外同類產(chǎn)品相比，研制油KGW220，KGW320，KGW460的MTM牽引系數(shù)更低，對(duì)應(yīng)實(shí)際工況，可以更好地降低油溫，提高傳動(dòng)效率。

1)在1 200 r/min，392 N，60 min，75 ℃條件下測(cè)得。

圖1 KGW220與國外產(chǎn)品220的牽引系數(shù)對(duì)比——KGW220； ——國外產(chǎn)品220

圖2 KGW320與國外產(chǎn)品320的牽引系數(shù)對(duì)比——KGW320; ——國外產(chǎn)品320

圖3 KGW460與國外產(chǎn)品460的牽引系數(shù)對(duì)比——KGW460; ——國外產(chǎn)品460

3 結(jié) 論

以聚醚為基礎(chǔ)油輔以抗磨劑、抗氧劑、防銹劑等多種添加劑研制而成的KGW聚醚合成工業(yè)齒輪油具有優(yōu)異的黏溫性能和低溫性能、優(yōu)異的極壓抗磨性和極優(yōu)的減摩性能，可滿足高負(fù)荷、強(qiáng)沖擊等苛刻條件下各類齒輪傳動(dòng)裝置的潤(rùn)滑要求。該系列產(chǎn)品達(dá)到了國外同類產(chǎn)品質(zhì)量水平。