四球法區分艦船汽輪機油抗磨性研究

王建華，張 博

(海軍研究院特種勤務研究所，北京 100072)

汽輪機油擔負給汽輪主機、汽輪輔機提供潤滑、冷卻、防護等任務[1]。與工業汽輪機油不同，艦船汽輪機油不僅用作汽輪機組軸承的潤滑，而且還用作艦船減速齒輪箱的潤滑，以及通用在液壓設備上作為液壓油使用[2]。隨著我國裝備制造技術的不斷提高，大型艦船的動力汽輪機組在向大功率、高載荷發展，而減速齒輪箱體積在減小，從而齒輪減速器所產生的傳動比變得越來越大，對汽輪機油的承載能力提出了更高的要求；同時，艦船液壓系統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展對艦船汽輪機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齒輪試驗機法以及SRV試驗機法等。其中，以四球法最為常用，并被西方軍事強國作為評定潤滑油抗磨性的一種方法編入艦船汽輪機油產品規范中[6-7]。我國現用的艦船汽輪機油(因多數產品符合GJB1601A—1998標準要求)[8]，對抗磨性沒有明確指標要求，現用油品能否適應新裝備，評價油品抗磨性和如何區分抗磨性則顯得尤為重要。

本研究以世界主流艦船汽輪機油作為試驗油，在對比研究美國、俄羅斯軍用汽輪機油產品規范中利用四球試驗機法評定潤滑油抗磨性的基礎上，研究《潤滑油抗磨性測定方法(四球機法)(SHT 0189—1992)》和《潤滑劑承載能力測定法(四球法)(GBT 3142—1982)》對艦船汽輪機油抗磨性的內在規律及其區分性，并以FZG試驗結果作為抗磨性評定依據，分析四球法與FZG試驗法的相關性。為遴選區分艦船汽輪機油抗磨性能與極壓性能的簡化替代評價方法提供數據支撐。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

試驗主要裝置：濟南產MM-10W多功能摩擦磨損試驗機、CL-100齒輪試驗機。試驗所用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標準的要求。

1.2 實驗材料

試驗油選用世界主流艦船汽輪機油，分別為我軍原用的艦用防銹汽輪機油和現用的艦用汽輪機油，美軍所用的蒸汽輪機與齒輪潤滑油和俄軍所用的汽輪機油，共4類(中國(新)、中國(原)、美國和俄羅斯)、6個產品(A，B，C，D，E，F)，實驗用油的產品規范見表1。

1.3 試驗方法

1.3.1抗磨損性能①美國的艦船汽輪機油產品按照《汽輪機和齒輪潤滑油性能規范(MIL-PRF-17331)》的要求采用美國材料與試驗協會標準《潤滑液防磨損特性的試驗方法(四球法)(ASTM D4172)》進行抗磨性能評定[9]。本研究按標準ASTM D4172所述的試驗條件進行試驗。②俄羅斯艦船汽輪機油產品規范中沒有明確汽輪機油抗磨性的評定方法，但在汽輪機油綜合鑒定法中規定抗磨性能的評定方法為俄羅斯聯邦等國國家間標準《液體和塑性潤滑劑在四球機上的摩擦特性測定法(四球試驗機法)(ГОСТ 9490)》[10]。本研究按標準ГОСТ 9490所述的試驗條件進行試驗。③我國原用的艦船汽輪機油產品按照《艦用防銹汽輪機油規范(GJB 1601A)》，對汽輪機油的抗磨性沒有提出要求，最新執行的新規范《艦用汽輪機油規范(GJB 1601B—2015)》則要求采用《潤滑油抗磨性測定方法(四球機法)(SHT 0189—1992)》評價汽輪機油的抗磨性[11]。SHT 0189—1992是利用四球機評價潤滑油抗磨性能的主要實驗方法之一，該方法簡單、經濟、高效、與油品抗磨性相關性好。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。本研究按標準SHT 0189—1992所述的試驗條件進行試驗，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利用四球試驗機評價艦船汽輪機油抗磨性的試驗條件見表2。從表2可以看出：①3種方法的試驗條件不完全相同，SHT 0189—1992所采用的載荷(392 N)及轉速(1 800 rmin)數值最大；②ASTM D4172所采用的時間最長(120 min)；③3種方法對試驗溫度的要求基本相當。另外，ASTM D4172對磨損指標提出的磨斑直徑最小，我國SHT 0189—1992標準沒有相應明確的磨斑直徑指標。

1.3.2承載能力①四球法。在評價艦船汽輪機油抗磨性的基礎上，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荷(PB)、燒結負荷(PD)以及綜合磨損值(ZMZ)判斷油品抗磨性和承載能力的區分性[12]。②FZG齒輪試驗機法。FZG齒輪試驗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齒輪試驗機法是美軍標準MIL-PRF-17331J(SH)—2007中采用的一項評價汽輪機油抗磨性的指標，該方法能夠模擬齒輪工作環境，準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，區分性明顯。選用標準《潤滑劑承載能力測定法(CL-100齒輪機法)(SHT 0306—1992)》測定油樣的FZG失效等級[13]。

2 結果與討論

2.1 抗磨性能分析

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

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

依據圖1結果，6個油樣抗磨性能優劣排序結果見表3。根據6個汽輪機油所符合的產品規范分析，油樣A，B，C的抗磨性相近，油樣D，E，F的抗磨性相近，并且油樣A，B，C的抗磨性優于油樣D，E，F的抗磨性。磨斑直徑由小到大排序的結果，驗證了6個油樣抗磨性優劣程度，在不同試驗條件下，部分油樣優劣排序先后發生細微變化，但整體性能優劣排序沒有變化。

綜上所述，5種試驗條件均能判斷出艦船汽輪機油抗磨性的優劣程度，轉速對于評價結果的影響大于載荷，如何確定最佳的載荷與轉速還要結合與其它摩擦試驗結果的相關性進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 四球試驗機法與FZG試驗機法之間的相關性

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

四球試驗機法與FZG試驗機法在評價潤滑油抗磨性能時，所用的表征參數不同(四球試驗用WSD，PB，PD，ZMZ；FZG試驗用失效等級)，參數含義與單位無法統一，所以在分析兩種方法的相關性時，不能用同一參數進行衡量。然而，在四球試驗機法中，試驗所用的艦船汽輪機油測得的PB與FZG試驗機法所得的通過等級在油品抗磨性區分方面表現出相同的結果，可見PB在表征承載能力方面的重要性。以試驗油的抗磨性能優劣順序作為連接兩種評價方法的表征參數，定性分析兩種方法在評價汽輪機油抗磨性方面的相關性。FZG試驗機法與四球試驗機法(SHT 0189—1992，147 N，1 200 rmin)具有明顯的相關性。

3 結 論

(1)結合美國、俄羅斯和我國的四球標準試驗方法評價艦船汽輪機油的抗磨性，發現在試驗條件選取方面，載荷越大，轉速越低，摩擦環境越苛刻，磨損更大，更有利于區分不同油品的抗磨性能。轉速低比轉速高磨損更大，轉速對于評價結果的影響大于載荷。

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

(3)以FZG試驗結果作為抗磨性評定基礎，通過四球法與FZG試驗法評價艦船汽輪機油抗磨性的相關性分析，結合PB和PD的對比結果，確定評價艦船汽輪機油抗磨性的四球法最佳摩擦試驗條件為載荷147 N、轉速1 200 rmin。

(4)利用四球法評定艦船汽輪機油抗磨性時，可采用標準SHT 0189—1992(147 N，1 200 rmin)所述方法，并聯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油的抗磨性。