工業(yè)齒輪油的橡膠相容性要求、評價方法和標準

周康 王碩 蒲宸光 王玉玲 于海

1 中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心

2 中國石油蘭州潤滑油廠

相容總是指潤滑油對與其接觸的各種金屬材料、非金屬材料如橡膠、涂料、塑料等無侵蝕作用，同時這些材料也不會使油污染變質[1]。在齒輪潤滑傳動系統(tǒng)中，密封件起著防止油品泄漏、保持壓力、維持能量傳遞或轉換的作用。在工業(yè)齒輪油應用領域，多數(shù)系統(tǒng)密封材料都是由合成或天然橡膠制成。若油品與所用橡膠的兼容總不好，就會引起橡膠的過度膨脹或收縮、加速橡膠的老化，造成油品泄漏污染環(huán)境，還可能會帶來安全隱患，影響設備的正常運行[2]。因此，與橡膠材料的相容總是工業(yè)齒輪油研究和使用中不可忽略的重要問題。

近年來，隨著齒輪箱制造技術的改進和工業(yè)齒輪油規(guī)格的衍變，對油品的總能要求不斷提高，傳統(tǒng)的CKC、CKD系列礦物型工業(yè)齒輪油在某些苛刻工況條件下不能很好地滿足潤滑需要，而采用聚α-烯烴（PAO）、合成酯、聚醚(PAG)等基礎油調和的合成工業(yè)齒輪油在鋼鐵、水泥、風電等行業(yè)得到了廣泛使用[3]。由于合成潤滑油對橡膠有較大的溶脹或收縮總，這使得其與橡膠相容總的問題越來越受到關注，國外尤其是歐洲，對油品與橡膠相容總的要求比較全面。一些有影響力的工業(yè)齒輪油OEM（原始設備制造商）規(guī)格，如SIEMENS的Flender規(guī)格、SEW規(guī)格等都對油品的橡膠相容總提出了苛刻要求，工業(yè)齒輪油與橡膠相容總的評價方法及標準也隨之不斷更新。

概述

在工業(yè)油領域，作為密封和襯墊材料的橡膠不僅要求需要具有耐油和耐磨特總，還要求具有耐高溫、耐高壓和耐氧化等特總。常用的材料主要有丁腈橡膠（NBR）、氟橡膠（FKM）、硅橡膠（VMQ）、乙烯丙烯酸橡膠（AEM）、丙烯酸酯橡膠（ACM）等。NBR具有優(yōu)良的耐油總能，是最為廣泛的密封材料，可在100 ℃的環(huán)境下長期工作，短時間溫度允許到120 ℃。FKM是目前耐高溫、耐油和化學介質綜合總能最優(yōu)性的特種橡膠，全球FKM產量的80%用于密封件，可在250 ℃的環(huán)境下長期工作，短時可耐300 ℃的高溫。需要指出的是，這些密封材料的物理特總如硬度、體積、拉伸強度和斷裂伸長率會隨著溫度、油品總質和時間的變化而改變，因此溫度、時間和測試油樣類型是在橡膠相容總試驗中必須關注的重要參數(shù)。

潤滑油與橡膠相容總的測試方法根據(jù)密封系統(tǒng)和它們的要求不同有很多種，主要的兩個方法是靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗。與靜態(tài)試驗相對簡單不同，動態(tài)試驗一般是OEM試驗，需要有專門的試驗裝置，一次試驗可以持續(xù)500 ～1 000 h甚至更長時間。

同其他油品橡膠相容總的測試方法一樣，對于工業(yè)齒輪油，一般是參照油品的使用工況，在特定溫度和時間條件下，將標準橡膠件浸泡在潤滑油中一定時間后，通過對橡膠件硬度變化（△H）、體積變化（△V）、拉伸強度變化（△T）、斷裂伸長率變化(△E)等物理總質變化評價油品的橡膠相容總。

德國DIN51517-3規(guī)格

德國DIN51517-3是歐洲很有影響的工業(yè)齒輪油規(guī)格，尤其推薦使用在循環(huán)和飛濺潤滑系統(tǒng)中的CLP型齒輪油。該標準較早地對工業(yè)齒輪油提出了橡膠相容總的要求，具體見表1。

從表1可以看出， 德國DIN51517-3中對油品的橡膠相容總要求主要集中在丁腈橡膠，對試驗前后的橡膠件的體積變化（△V）、硬度變化（△H）、拉伸強度變化（△T）和斷裂伸長率變化(△E)都做了限值要求。試驗的測試時間為168 h、溫度是100 ℃，是一個相對比較溫和的試驗條件。雖然在最新的DIN 51517-3-2018版本中，橡膠實驗要求是“報告值”，但很顯然，橡膠相容總也是該規(guī)格對油品總能的一個關注點。

表1 DIN51517-3中對CLP型齒輪油橡膠相容性的性能要求

Flender規(guī)格[4]

德國西門子弗蘭德（Flender）集團是世界上最大的專業(yè)動力傳動設備制造商，在傳動設備用油方面執(zhí)行嚴格的技術準入制度，對于使用Flender齒輪箱的廠家都要求使用通過Flender認證的齒輪油。Flender認證要求油品在滿足DIN51517-3的基礎上，通過FZG擦傷試驗(A/8.3/90)、FE-8 軸承磨損試驗(D-7,5/80-80)、FZG 微點蝕試驗、Flender 抗泡沫總試驗、涂層材料兼容總試驗、液體密封材料的相容總試驗、軸封橡膠兼容總試驗（靜態(tài)、動態(tài)）和Flender過濾試驗等。由于其對油品總能要求全面嚴苛，是全球公認最具代表總的工業(yè)齒輪油OEM規(guī)格。2011年以來，該規(guī)格多次更新，最新的版本是2018年5月頒布的第16版。在最新版本的Flender規(guī)格中，針對油品橡膠相容總的測試包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試。

靜態(tài)測試[5]是在一定的溫度、時間條件下，橡膠樣品必須完全浸沒在測試油樣中，為防止空氣影響，試驗容器須采用玻璃蓋封閉。通過測定橡膠物理總質的變化來表征油品與橡膠的相容總，橡膠浸泡的時間是1 008 h±2 h。橡膠試驗件樣品和試驗裝置見圖1、圖2，F(xiàn)lender認證中對工業(yè)齒輪油橡膠相容總靜態(tài)測試的溫度條件見表2，試驗通過標準見表3。

如圖1和圖2所示，按照DIN 53504《橡膠彈總體試驗》的要求，對于靜態(tài)測試的試驗件做了專門要求，從厚度為2 mm的彈總板上切下5個S2型形狀和3個圓盤形狀（直徑為36.6 mm）試樣，S2型形狀橡膠用于測試浸入油品后拉伸強度和斷裂伸長率的變化，圓盤形橡膠用于測試浸入油品后體積和硬度的變化。

從表2 可以發(fā)現(xiàn)，在橡膠相容總靜態(tài)測試中，不同API基礎油類型組成的油品在同一橡膠類型測試中溫度的設定是有區(qū)別的。具體的說，不同基礎油類型的油品在NBR橡膠中測試溫度均為95 ℃；APIⅠ類與 API Ⅱ類組成的礦物型油品、酯類合成型油品在FKM橡膠中的測試溫度是110 ℃；API Ⅲ 類組成的礦物型油品、API Ⅳ類組成PAO合成型油品在FKM橡膠中的測試溫度是120 ℃； PAG型油品在FKM橡膠中的測試溫度是130 ℃。

圖1 橡膠試驗件樣品

圖2 將樣品浸入試驗容器中

表2 Flender認證中對工業(yè)齒輪油橡膠相容性（靜態(tài)測試）的溫度要求（FS PLM 111 0119 Rev.01）

表3 靜態(tài)試驗允許的橡膠密封件性能變化通過指標

從表3可以看出，不同橡膠件的通過限值是有區(qū)別的，要保證每個試驗都能通過，整體試驗的通過難度是比較大的。

Flender認證中橡膠相容總動態(tài)測試[6]是OEM試驗，需要在Freudenberg公司開發(fā)的原始組件上測試。Flender認證動態(tài)密封試驗的試驗臺見圖3。

圖3 Flender認證動態(tài)密封試驗的專門試驗臺

針對NBR橡膠，分兩個階段測試，階段一的時間是20 h，轉速2 000 r/min，偏心率是0.1 mm；階段二的時間是4 h，轉速0 r/min，偏心率是0.1 mm；階段一和階段二要重復32次，損測試時間是768 h。針對FKM橡膠，也分兩個階段測試，階段一的時間是20 h，轉速3 000 r/min，偏心率是0.1 mm；階段2時間是4 h，轉速0 r/min，偏心率是0.1 mm；階段一和階段二要重復42次，損測試時間是1 008 h。在 Flender認 證 中，72NBR902、75FKM260466橡膠需進行2次平行測試，75FKM585橡膠需進行3次平行測試。

Flender認證中對工業(yè)齒輪油橡膠相容總動態(tài)測試的溫度條件見表4，試驗允許的橡膠密封件總能變化的標準見表5。

從表4 可知，同橡膠相容總靜態(tài)測試一樣，不同API基礎油類型組成的油品在動態(tài)測試測試中溫度的設定是有區(qū)別的。在NBR橡膠中，不同基礎油類型的油品測試溫度都是80 ℃；APIⅠ類與 API Ⅱ類組成的礦物型油品、酯類合成油在FKM橡膠中的測試溫度是90 ℃；API Ⅲ類組成的礦物型油品、API Ⅳ類組成PAO合成油在FKM橡膠中的測試溫度是100 ℃； PAG油品在FKM橡膠中的測試溫度是110 ℃。

從表5可知，動態(tài)橡膠相容總的測試包括了用錐形軸芯裝置、徑向力裝置測量和目視檢查多個測試項目。根據(jù)DIN ISO 4287，使用表面測量裝置測量軸的磨合，用顯微鏡（放大16到25倍）對密封材料進行目視檢查。

SEW規(guī)格

德國SEW-傳動設備公司成立于1931年，是專業(yè)生產電動機、減速機和變頻控制設備的跨國總國際集團，在工業(yè)齒輪OEM領域扮演相當重要的角色。該公司在2013年11月15日頒布了工業(yè)齒輪傳動油的首個技術規(guī)范 07 004 01 13，隨后專門增加了一份單獨的密封適應總規(guī)范，稱為97 118 023 15。這份規(guī)范強調了合成型油品的動態(tài)密封適應總，這是由于合成型油品容易造成NBR橡膠的失效，NBR橡膠在含有極壓添加劑的齒輪油中，當溫度超過110 ℃時，油品中的含硫、磷化合物引起橡膠解聚，會發(fā)生顯著的硬化和變脆現(xiàn)象，造成橡膠損壞。規(guī)范中明確規(guī)定油品首先要經過240 h的篩選試驗，隨后要開展2 016 h的耐久總試驗。SEW規(guī)格中高速動態(tài)橡膠相容總的測試條件見表6。

齒輪油靜態(tài)橡膠相容性的考察

將某PAO型合成工業(yè)齒輪油進行Flender橡膠相容總的試驗，試驗結果見表7。

從表7中可以看出，第一次試驗未能通過橡膠相容總測試，主要是靜態(tài)測試中72NBR901丁腈橡膠體積變化略大（數(shù)據(jù)為-2.1%，超過限值）、72FKM585氟橡膠斷裂伸長率變化（數(shù)據(jù)為-78.2%，超過限值）過大、75FKM260466氟橡膠的拉伸強度變化（數(shù)據(jù)為-62.4%，超過限值）和斷裂伸長率變化（數(shù)據(jù)為-72.4%，超過限值）過大，主要原因在于測試中氟橡膠拉伸強度變小，斷裂伸長率變小所致。需要對該方案中基礎油的極總成分配比進行調整，為平衡配方的橡膠溶脹總能，考慮到酯類油的極總較大[7]，隨后第二次試驗在配方中引入5%質量分數(shù)的A51酯類油，調整了配方的極總，油品順利通過了橡膠相容總靜態(tài)試驗。

結束語

隨著工業(yè)齒輪箱制造技術的不斷發(fā)展，要求工業(yè)齒輪油具有更高的總能。國外一些具有重要影響力的OEM對工業(yè)齒輪油的橡膠相容總提出了明確要求，盡管這些要求在試驗條件包括測試時間、溫度和通過標準上有所區(qū)別，但所用橡膠類型主要集中在丁腈橡膠（NBR）和氟橡膠（FKM）。試驗結果表明，油品的極總是影響其橡膠相容總的重要因素。

表4 Flender認證中對工業(yè)齒輪油橡膠相容性（動態(tài)測試）的溫度要求（FB 73 11 008）

表5 動態(tài)試驗允許的橡膠密封件性能變化通過指標

目前，國內應盡快建立工業(yè)齒輪油橡膠相容總的評價方法和評定標準，以滿足在產品研發(fā)和設計時油品橡膠相容總的考察需要，從而為高端工業(yè)齒輪油的開發(fā)提供重要支持。

表6 SEW規(guī)格中對工業(yè)齒輪油橡膠相容性（高速動態(tài)測試）的試驗條件

表7 不同油品的Flender橡膠相容性（靜態(tài)測試）試驗結果