工業(yè)齒輪油弗蘭德泡沫性能探究

魏巧玲 石嘯 張國茹中國石化潤滑油有限公司

在齒輪高速運轉(zhuǎn)過程中，潤滑油品生成泡沫過多會造成很大安全隱患，準確檢測油品抗泡性能很有必要。弗蘭德泡沫試驗作為一種契合齒輪實際運行工況的新型國際標準泡沫測試方法，已成為先進齒輪制造商推薦用油必須完成的試驗。本文以工業(yè)閉式齒輪油為試驗油樣，探究了不同黏度油品弗蘭德泡沫性能差異并分析其原因。試驗結(jié)果表明，VG 68和VG 150 黏度的油品停機后總體積增加百分數(shù)約5%～6%，而VG 680黏度油品總體積增加百分數(shù)超過10%；研究發(fā)現(xiàn)造成這一現(xiàn)象的主要原因是高黏度油品內(nèi)部氣泡上升至表面破裂的速率低于低黏度油品。

供圖/魏巧玲

齒輪是工業(yè)設(shè)備傳動過程中不可或缺的重要裝置，常采用工業(yè)齒輪油對其嚙合表面進行潤滑。由于工業(yè)齒輪箱非完全封閉系統(tǒng)，齒輪在運轉(zhuǎn)過程中不可避免地會將空氣攪動進來，在油品內(nèi)部和表面形成氣泡以及泡沫[1,2]。

潤滑油內(nèi)部形成的氣泡只有上浮到表面才能破碎，當潤滑油受到振動、攪拌等外力作用時，在油品內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，氣泡在熱力學(xué)上處于不穩(wěn)定狀態(tài)，眾多微小氣泡在油品內(nèi)部移動、碰撞，發(fā)生聚合，形成更大的氣泡，然后在液體浮力的作用下逐漸向上移動，在氣-液表面氣泡膜發(fā)生液體引流，最終破裂（如圖1 所示）[3]。其中描述油品內(nèi)部氣泡上升過程的性質(zhì)被稱為空氣釋放性，描述泡沫在油品表層破裂過程的性質(zhì)被稱為抗泡性，二者都是評價潤滑油泡沫性能的重要指標。若油品泡沫性能不好，則很容易破壞齒輪嚙合處形成的油膜，導(dǎo)致齒輪潤滑不足、異常磨損和齒輪箱散熱不暢，最終影響設(shè)備的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，從而造成安全隱患和經(jīng)濟損失[4～6]?；谏鲜銮闆r，工業(yè)齒輪油在出廠前都必須進行泡沫試驗，以確定其泡沫性能滿足技術(shù)指標。

圖1 泡沫破裂機制示意

工業(yè)齒輪油泡沫性能評價一般采用GB/T 12579《潤滑油泡沫特性測定法》或ASTM D892《潤滑油泡沫特性標準試驗方法》[7,8]。近些年隨著齒輪箱技術(shù)的不斷發(fā)展，對工業(yè)齒輪油抗泡沫性能要求也在不斷提升，一些高端齒輪箱OEM（原始設(shè)備制造商），如德國Flender 公司模擬工業(yè)齒輪箱實際工況特點設(shè)計了弗蘭德泡沫試驗。2012 年弗蘭德泡沫試驗從OEM 內(nèi)部測試方法衍變?yōu)镮SO 方法標準，即ISO 12152—2012《潤滑油，工業(yè)用油和相關(guān)產(chǎn)品.正齒輪試驗臺上使用的工業(yè)齒輪油發(fā)泡和空氣釋放特性測定.弗蘭德泡沫試驗規(guī)程》[9]，我國在2020 年參考ISO 12152—2012 制定了石化行業(yè)標準NB/SH/T 6007—2020《工業(yè)齒輪油泡沫和空氣釋放特性的評定. Flender 泡沫試驗法》。

目前國際上評價工業(yè)齒輪油質(zhì)量規(guī)格的標準中認可度較高的有國際標準化組織（International Organization for Standardization,ISO） 發(fā) 布 的ISO 12925-1《 潤滑劑、工業(yè)用油及相關(guān)產(chǎn)品（L級）.C 系列（齒輪）.第1 部分：閉式齒輪系統(tǒng)潤滑劑使用規(guī)范》，以及德國標準化學(xué)會（Deutsches Institut für Normung e.V., DIN）發(fā)布的DIN 51517-3《潤滑劑.潤滑油.第3 部分：潤滑油CLP 最低要求》等。ISO 在2018 年1 月發(fā)布 的ISO 12925-1：2018 版 本（替代ISO 12925-1：1996 版）中 新 增了ISO 12152 弗蘭德泡沫試驗，用于模擬實際齒輪箱中油品的泡沫性特性。DIN 在2018 年3 月發(fā)布的DIN 51517-3：2018 版本（替代DIN 51517-3：2014）中同樣新增了ISO 12152 弗蘭德泡沫項目用于評價齒輪油的泡沫性能。國內(nèi)關(guān)于工業(yè)齒輪油質(zhì)量規(guī)格的評價標準是GB 5903—2011《工業(yè)閉式齒輪油》，目前暫未對油品弗蘭德泡沫性能作出要求。上述標準中關(guān)于油品泡沫性能具體要求見表1。

表1 國內(nèi)外質(zhì)量標準中對工業(yè)齒輪油泡沫性能的要求

本文擬對不同黏度等級的工業(yè)閉式齒輪油進行常規(guī)泡沫試驗和弗蘭德泡沫試驗，探究工業(yè)齒輪油弗蘭德泡沫性能與常規(guī)泡沫性能的差異，為工業(yè)齒輪油泡沫性能深入研究奠定基礎(chǔ)。

試驗部分

試驗油品

本文根據(jù)工業(yè)齒輪油不同黏度級別基礎(chǔ)油組分同源特點和跨黏度級別通讀規(guī)則[10]，結(jié)合工業(yè)齒輪油常用黏度級別范圍（VG 68～VG 680）， 選 擇VG 68、VG 150 和VG 680 三個由低到高的黏度級別，調(diào)配了兩種不同質(zhì)量規(guī)格（分別以Ⅰ、Ⅱ表示，II 規(guī)格高于I 規(guī)格）的6 個油品，油品配方見表2，基本理化性能見表3。

表2 VG 68、VG 150和VG 680油品配方

表3 VG 68、VG 150和VG 680油品理化性能

常規(guī)泡沫試驗

本文利用潤滑油雙浴泡沫特性測試儀（美國Koehler 公司K43093 型，Visaya 公 司 金 屬 擴散 頭， 型 號 為AYA-10-88606）進行油樣常規(guī)泡沫試驗，試驗裝置如圖2 所示。具體步驟參考GB/T 12579[11]， 簡 要 概 述 如下：①在24 ℃條件下向190 mL油樣中通入恒定流速的干燥空氣，以氣體擴散頭出現(xiàn)第一個氣泡起計時，通氣5 min，記錄吹氣結(jié)束時的泡沫體積和靜置10 min 后的泡沫體積；②在93.5 ℃條件下對第二份油樣（180 mL）重復(fù)第①步操作；③待第二份油樣泡沫消散后，降溫至24 ℃，再次重復(fù)第①步操作。

圖2 常規(guī)泡沫試驗裝置

弗蘭德泡沫試驗

本文基于石化行業(yè)標準NB/SH/T 6007[12]進行弗蘭德泡沫試驗，利用德國Strama 公司弗蘭德泡沫試驗儀模擬待測齒輪油在實際工況下的起泡過程。試驗裝置如圖3（a）所示。在室溫下以恒定轉(zhuǎn)速（1 450 r/min ± 50 r/min）的電機驅(qū)動齒輪攪拌油樣5 min，觀察并記錄停機后90 min 內(nèi)固定時刻試樣總體積增加百分數(shù)、油-氣混合物體積增加百分數(shù)和表層泡沫體積增加百分數(shù)，如圖3（b）所示。

圖3 弗蘭德泡沫試驗

為保證設(shè)備穩(wěn)定工作和避免對潤滑表面造成氣蝕，弗蘭德泡沫試驗要求停機1 min 后油樣總體積增加百分數(shù)不超過15%，并且停機5 min 后油-氣混合物體積增加百分數(shù)不超過10%，否則即認定為油品泡沫性能測試不通過。

結(jié)果與討論

泡沫試驗結(jié)果

不同黏度級別和質(zhì)量規(guī)格的工業(yè)閉式齒輪油的常規(guī)泡沫試驗結(jié)果見表4。

常規(guī)泡沫試驗測試對象為油品表層泡沫，試驗結(jié)果用兩個數(shù)字表示，分別為吹氣結(jié)束后油品表層泡沫體積和靜置10 min后的泡沫體積。從表4 結(jié)果中可以看出，6 個工業(yè)閉式齒輪油在常規(guī)泡沫試驗中均有良好的抗泡性能，且滿足GB 5903質(zhì)量指標要求。

表4 油品常規(guī)泡沫試驗結(jié)果

采用弗蘭德泡沫試驗機進一步測試工業(yè)齒輪油的泡沫性能，測試結(jié)果見表5。

弗蘭德泡沫試驗測試對象為油品內(nèi)部氣泡和表層泡沫，可同時表征潤滑油的空氣釋放性和抗泡性。從表5 中可以看出，6 種工業(yè)閉式齒輪油泡沫性能均滿足弗蘭德泡沫試驗的指標要求。

表5 油品弗蘭德泡沫試驗結(jié)果

根據(jù)弗蘭德泡沫評價指標要求，分別作不同黏度等級齒輪油總體積增加百分數(shù)和油-氣混合物體積增加百分數(shù)隨時間變化的折線圖，如圖4 所示。

從圖4（a）可以看出，兩種質(zhì)量規(guī)格下的VG 680 黏度油品經(jīng)齒輪攪拌之后總體積增加百分數(shù)（表征油品總體泡沫性能）遠高于相應(yīng)的VG 68 黏度和VG 150 黏度的油品。從圖4（b）中可以看出，兩種質(zhì)量規(guī)格下的齒輪油，VG 680 黏度的油品在齒輪攪拌結(jié)束之后油-氣混合物體積增加百分數(shù)（表征油液內(nèi)部氣泡狀態(tài)）同樣高于較低黏度的油品，且隨停機時間延長，油-氣混合物體積增加百分數(shù)持續(xù)維持在10%左右，直至試驗結(jié)束。

圖4 不同黏度等級的工業(yè)齒輪油總體積、油-氣混合物體積增加百分數(shù)隨時間變化的折線圖

對于常規(guī)泡沫試驗和弗蘭德泡沫試驗，試驗過程中的泡沫照片見圖5。

圖5 VG 680-Ⅰ在泡沫試驗過程中的泡沫

根據(jù)行標NB/SH/T 6007 要求，同一油樣在同一儀器上兩次測得的停機1 min 后總體積增加百分數(shù)差值不超過5%，才可滿足試驗結(jié)果的重復(fù)性要求。對6 個試驗油樣進行復(fù)測，其試驗結(jié)果重復(fù)性見表6。

由表6 可以看出，所有試驗油品的測試結(jié)果均滿足NB/SH/T 6007重復(fù)性要求，試驗結(jié)果可靠。

表6 油品弗蘭德泡沫試驗結(jié)果重復(fù)性

兩種泡沫試驗結(jié)果差異討論

常規(guī)泡沫試驗和弗蘭德泡沫試驗表明，本文所用6 種工業(yè)齒輪油泡沫性能均滿足國標和行標相關(guān)規(guī)格要求。在兩種泡沫試驗中，不同質(zhì)量規(guī)格油品在同一黏度下的泡沫性能沒有明顯差異，這是因為兩種質(zhì)量規(guī)格油品雖使用不同加劑量的復(fù)合添加劑，但該添加劑在油品中所占質(zhì)量分數(shù)較小，對油品泡沫性能影響很小。然而對比兩種泡沫試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同黏度等級油品在兩種泡沫試驗中泡沫性能差異很大，常規(guī)泡沫試驗中不同黏度油品均表現(xiàn)出良好的泡沫性能，弗蘭德泡沫試驗中低黏度級別（VG 68、VG 150）油品相比高黏度級別（VG 680）的泡沫性能表現(xiàn)更為優(yōu)異。

如圖5 所示，觀察常規(guī)泡沫試驗和弗蘭德泡沫試驗的測試過程發(fā)現(xiàn)，造成兩種泡沫試驗下油品性能差異的主要原因是兩種試驗方法中起泡方式和測試對象不同。在常規(guī)泡沫試驗中，僅測試油品表層泡沫變化情況，試驗過程中通過向油品中通入空氣來形成氣泡，所得到的氣泡直徑大且數(shù)量少；在弗蘭德泡沫試驗中，同時測試油品內(nèi)部氣泡和表層泡沫變化情況，對潤滑油的空氣釋放性和抗泡性均有表征，試驗中通過齒輪攪拌將空氣混入油品內(nèi)部形成氣泡，所得到的氣泡直徑小且數(shù)量多。

Stokes 公式[13]給出了氣泡在流體環(huán)境中上浮時的速度：

其中ρ2表示氣泡密度，ρ1和η分別表示液體密度和黏度，R表示氣泡半徑，g為重力加速度。

由公式（1）可知，在油液黏度（η）和密度（ρ1）同時增大的情況下，油品內(nèi)部氣泡上浮的速率會減慢。另外，氣泡直徑越小，其上升速率越慢，在油品內(nèi)部滯留的時間越長。

在弗蘭德泡沫試驗中，由于形成的氣泡直徑較小，故氣泡上浮速度慢，停留在油品內(nèi)部氣泡較多，停機初始各黏度等級油品的油-氣混合物體積增加百分數(shù)（表征油液內(nèi)部氣泡狀態(tài)）都較大。另外，由表3 中關(guān)于試驗油樣理化性質(zhì)的測試結(jié)果可知，油品黏度越大，其密度也越大。所以在弗蘭德泡沫試驗中，隨著油品黏度增大，內(nèi)部氣泡上浮至表面的速率減慢，造成高黏度油品在測試時間內(nèi)油-氣混合物體積增加百分數(shù)較大，從而使高黏度油品所表現(xiàn)出的空氣釋放性和整體泡沫性能不及低黏度油品優(yōu)異。

結(jié)論

本文采用常規(guī)泡沫試驗和弗蘭德泡沫試驗分析了不同質(zhì)量規(guī)格、不同黏度等級工業(yè)閉式齒輪油的泡沫性能。得出以下結(jié)論：

☆兩種質(zhì)量規(guī)格工業(yè)閉式齒輪油在同一黏度下的常規(guī)泡沫性能和弗蘭德泡沫性能均沒有明顯差異。

☆兩種質(zhì)量規(guī)格工業(yè)閉式齒輪油弗蘭德泡沫性能均滿足ISO 12925-1—2018 質(zhì)量標準要求；但不同黏度油品弗蘭德泡沫性能表現(xiàn)差異較大，高黏度油品性能不及低黏度油品優(yōu)異。

☆弗蘭德泡沫試驗中產(chǎn)生的氣泡密而多，氣泡相對不容易上浮到液體表面，造成氣泡更多地存在于油品內(nèi)部，依據(jù)Stokes 公式，由于黏度和密度的影響，造成高黏度級別油品中這一現(xiàn)象更為明顯。

☆由于弗蘭德泡沫試驗同時監(jiān)測油品表面泡沫和內(nèi)部氣泡狀態(tài)，建議除常規(guī)泡沫試驗外，同時將弗蘭德泡沫試驗作為工業(yè)齒輪油性能測試手段之一，從而更加全面地考察油品泡沫性能，為高性能齒輪油的研發(fā)提供支持。