農業機械設備傳動系統用潤滑油傳動效率性能比較

文彥龍

中國石化潤滑油有限公司北京研究院

機械傳動能量的消耗主要由發動機和傳動系統這兩個系統的損耗為主。其中，機械傳動系統的功率損失占汽車行駛過程中功率總消耗的比例比較大，約40%～60%，因此傳動系統性能的好壞就顯得十分重要。潤滑油是機械行業中使用最為廣泛的潤滑劑，對發動機、變速箱以及驅動橋等部件起著潤滑、冷卻、清潔以及密封等作用。潤滑油的選用直接影響傳動效率。不同條件及工況下使用的潤滑油均不相同，不同的潤滑油對于機械的影響也不盡相同。

農業機械設備由于傳動系統結構復雜，潤滑油使用品種多，且不統一。為了直觀對比農業機械傳動系統所用潤滑油產品的燃油經濟性，本文選取了液壓傳動制動三用油、液壓傳動兩用油和液壓油這3種農業機械設備傳動系統使用頻次較多的潤滑油產品，通過一系列模擬臺架試驗驗證，分析了不同潤滑油對傳動效率的影響[1]。

試驗部分

試驗油樣理化性能

本研究所選用中石化的液壓傳動制動三用油（1052）、液壓傳動兩用油（1051）和46號抗磨液壓油（1050），油品理化數據見表1。

表1 試驗油品的理化性能數據

試驗儀器

EHL油膜厚度儀

EHL油膜厚度儀（圖1）是在彈性流體動壓潤滑下，由電腦控制儀器測定油膜厚度。

MTM牽引力系數儀

MTM牽引力系數儀（圖2）是一款可靈活用于測量寬范圍滾動和滑動條件下，潤滑和未潤滑接觸面摩擦性能的通用設備，通過鋼球加載在鋼盤的表面，球和盤的獨立驅動形成了滾動/滑動相混合的接觸。設備可通過壓力傳感器測量鋼球和鋼盤間的摩擦力。試樣的標準配置是一個直徑為19.05 mm(3/4英寸)的鋼球和一個直徑為46 mm的鋼盤。

FZG效率試驗儀

FZG效率試驗儀（圖3）是通過在FZG齒輪承載性能臺架上加裝扭矩傳感器，通過調節不同轉速、載荷級別來直接表征不同潤滑油品及不同潤滑模式下的扭矩損失。

圖1 EHL油膜厚度儀

結果與討論

一般情況下，齒輪傳動所產生的扭矩損失主要由兩部分組成，一個是非負荷情況下的攪油損失，另一個是負荷情況下的摩擦損失。在非負荷條件下，油品處于彈性流體潤滑狀態，因此，油品的壓黏性能決定了非負荷條件下扭矩損失的大小，而油品的壓黏性能主要由油品的油膜厚度和牽引力系數所決定；在負荷條件下，油品大多數處于混合或邊界潤滑狀態，因此，油品的添加劑的減摩特性決定了其扭矩損失。

圖2 MTM牽引力系數儀

圖3 FZG效率試驗儀

油膜厚度分析

采用EHL油膜厚度儀測定了3種油品在不同溫度下的油膜厚度，結果分別見圖4～圖6。

對比表1中3種油品的理化數據，可以看出，油膜厚度的大小與油品的黏度數據有相關性，黏度越大，其油膜厚度越大。從圖4～圖6中40 ℃、60 ℃和80 ℃的油膜厚度數據看出，液壓傳動兩用油的黏度最大，其次是液壓傳動制動三用油，最后是HM46抗磨液壓油。

MTM牽引力系數分析

采用MTM牽引力系數儀測定了3種油品在一定滾動/滑動比、負荷條件下，不同溫度下的牽引力系數。結果分別見圖7～圖9。

牽引力系數主要表征了油品的摩擦系數。從圖7～圖9可以看出：

◇在低速情況下，油品處于邊界潤滑狀態，此時，牽引力系數主要由油品的添加劑組分所決定。液壓傳動兩用油和液壓傳動制動三用油在低速時的牽引力系數較46號抗磨液壓油較低，因此，在邊界潤滑條件下，雖然46號抗磨液壓油黏度較低，但由于其添加劑組分缺少減摩劑，無法提升整個系統的傳動效率。

◇在高速情況下，油品處于混合潤滑或彈性流體潤滑狀態，此時的牽引力系數主要由油品的內摩擦力所影響，即與基礎油的類型和黏度指數改進劑有較大關系。高速時，液壓傳動兩用油的牽引力系數最大，其次是46號抗磨液壓油，最后是液壓傳動制動三用油。這主要是因為在配方上，液壓傳動兩用油選用API I類基礎油，而46號抗磨液壓油和液壓傳動制動三用油則選用API II類或III類基礎油（一般情況下，API I類基礎油的牽引力系數最大，其次是API II類和III類基礎油）；同時，液壓傳動制動三用油添加了部分黏度指數改進劑，使其具有最低的牽引力系數。

圖4 40 ℃時3種油品的油膜厚度曲線

圖5 60 ℃時3種油品的油膜厚度曲線

圖6 80 ℃時3種油品的油膜厚度曲線

圖7 40 ℃時3種油品的牽引力系數

圖8 60 ℃時3種油品的牽引力系數

圖9 80 ℃時3種油品的牽引力系數

圖10 30 ℃時3種油品的傳動效率

圖11 60 ℃時3種油品的傳動效率

FZG傳動效率分析

EHL油膜厚度和MTM牽引力系數測定結果顯示，液壓傳動制動三用油油膜厚度和牽引力系數都較低，因此，理論上其具有優異的提升傳動效率的性能。為此選用FZG臺架試驗模擬實際工況進行驗證，考察了3種油品的傳動效率，結果見圖10、圖11。

從圖10、圖11可以看出，在相同的輸入扭矩下，液壓傳動制動三用油的扭矩損失最低， 46號抗磨液壓油居中，液壓傳動兩用油最高，這與之前EHL油膜厚度及MTM牽引力系數的測定結果相當。

結論

影響機械傳動效率的因素很多，不同潤滑油由于所選基礎油種類以及添加劑的不同，其對于傳動效率的影響也不盡相同，單純的追求通過低黏度油品來提升傳動效率是遠遠不夠的。液壓傳動制動三用油由于選用了合適的基礎油和優異的添加劑，雖然其黏度比46號抗磨液壓油較高，但其牽引力系數較低，使得其具有了優異的提升傳動效率的性能。