工業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。在工業齒輪油應用領域，多數系統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齒輪油規格的衍變，對油品的總能要求不斷提高，傳統的CKC、CKD系列礦物型工業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齒輪油在鋼鐵、水泥、風電等行業得到了廣泛使用[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齒輪油OEM（原始設備制造商）規格，如SIEMENS的Flender規格、SEW規格等都對油品的橡膠相容總提出了苛刻要求，工業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具有優良的耐油總能，是最為廣泛的密封材料，可在100 ℃的環境下長期工作，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性的特種橡膠，全球FKM產量的80%用于密封件，可在250 ℃的環境下長期工作，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。

潤滑油與橡膠相容總的測試方法根據密封系統和它們的要求不同有很多種，主要的兩個方法是靜態試驗和動態試驗。與靜態試驗相對簡單不同，動態試驗一般是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規格

德國DIN51517-3是歐洲很有影響的工業齒輪油規格，尤其推薦使用在循環和飛濺潤滑系統中的CLP型齒輪油。該標準較早地對工業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規格[4]

德國西門子弗蘭德（Flender）集團是世界上最大的專業動力傳動設備制造商，在傳動設備用油方面執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、動態）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齒輪油OEM規格。2011年以來，該規格多次更新，最新的版本是2018年5月頒布的第16版。在最新版本的Flender規格中，針對油品橡膠相容總的測試包括靜態測試和動態測試。

靜態測試[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，Flender認證中對工業齒輪油橡膠相容總靜態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 可以發現，在橡膠相容總靜態測試中，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認證中對工業齒輪油橡膠相容性（靜態測試）的溫度要求（FS PLM 111 0119 Rev.01）

表3 靜態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測試[6]是OEM試驗，需要在Freudenberg公司開發的原始組件上測試。Flender認證動態密封試驗的試驗臺見圖3。

圖3 Flender認證動態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認證中對工業齒輪油橡膠相容總動態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，同橡膠相容總靜態測試一樣，不同API基礎油類型組成的油品在動態測試測試中溫度的設定是有區別的。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規格

德國SEW-傳動設備公司成立于1931年，是專業生產電動機、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日頒布了工業齒輪傳動油的首個技術規范 07 004 01 13，隨后專門增加了一份單獨的密封適應總規范，稱為97 118 023 15。這份規范強調了合成型油品的動態密封適應總，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，會發生顯著的硬化和變脆現象，造成橡膠損壞。規范中明確規定油品首先要經過240 h的篩選試驗，隨后要開展2 016 h的耐久總試驗。SEW規格中高速動態橡膠相容總的測試條件見表6。

齒輪油靜態橡膠相容性的考察

將某PAO型合成工業齒輪油進行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，主要是靜態測試中72NBR901丁腈橡膠體積變化略大（數據為-2.1%，超過限值）、72FKM585氟橡膠斷裂伸長率變化（數據為-78.2%，超過限值）過大、75FKM260466氟橡膠的拉伸強度變化（數據為-62.4%，超過限值）和斷裂伸長率變化（數據為-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試驗。

結束語

隨著工業齒輪箱制造技術的不斷發展，要求工業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認證中對工業齒輪油橡膠相容性（動態測試）的溫度要求（FB 73 11 008）

表5 動態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，以滿足在產品研發和設計時油品橡膠相容總的考察需要，從而為高端工業齒輪油的開發提供重要支持。

表6 SEW規格中對工業齒輪油橡膠相容性（高速動態測試）的試驗條件

表7 不同油品的Flender橡膠相容性（靜態測試）試驗結果