工業(yè)齒輪油與材料兼容性評(píng)價(jià)現(xiàn)狀及趨勢(shì)

金 吟

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司北京研究院

工業(yè)齒輪油在工業(yè)齒輪箱中潤(rùn)滑齒輪及軸承，同時(shí)起到冷卻、防銹、抗震、清凈的作用，是齒輪箱實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)的一個(gè)必要組成單元。隨著科技的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)齒輪箱的傳動(dòng)效率提升、更高的可靠性和耐久性逐漸引起關(guān)注，因此工業(yè)齒輪油、傳動(dòng)部件及齒輪箱內(nèi)部其他材料被視為統(tǒng)一的整體。工業(yè)齒輪油在潤(rùn)滑摩擦副表面的同時(shí)，也會(huì)與齒輪箱內(nèi)部的其他材料產(chǎn)生接觸，因此工業(yè)齒輪油與材料的兼容性也應(yīng)予以重視。

工業(yè)齒輪箱內(nèi)部材料主要包括橡膠、涂層、密封膠。齒輪箱與橡膠件的兼容性方面已形成了較為完善的工業(yè)齒輪油與橡膠兼容性的評(píng)價(jià)體系，國(guó)外部分標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)該問(wèn)題已加以關(guān)注。文本主要探討了工業(yè)齒輪箱與涂層、密封膠的兼容性測(cè)試方法相關(guān)情況。

涂層兼容性

工業(yè)齒輪箱中常見(jiàn)涂層材料類(lèi)型及失效形式

涂層是涂料涂裝于齒輪箱表面，減少金屬表面由于外界物質(zhì)及外界環(huán)境等因素帶來(lái)的危害，如大氣、水分、鹽霧、化學(xué)品的影響，并兼具美觀效果。涂層通常分為3個(gè)部分：底漆、中間漆、面漆。底漆是直接與鋼鐵表面接觸的涂層，是整個(gè)涂層體系的重要基礎(chǔ)。底漆應(yīng)具有對(duì)鋼鐵表面良好的潤(rùn)濕性和附著力，對(duì)中間漆附著牢固，成膜物質(zhì)應(yīng)具有對(duì)水、氧、離子透過(guò)的屏蔽功能，填料應(yīng)具有緩蝕功能和陰極保護(hù)功能[1]。中間漆的作用是較大地增加涂層的厚度，以提高整個(gè)涂層的屏蔽性能，使涂層表面平整，保持表面漆涂層的美觀。同時(shí)中間漆還應(yīng)具有一定的彈性，保持涂層在受到冷熱變化和受力變形時(shí)具有一定的柔韌性。面漆則防止化學(xué)介質(zhì)和化學(xué)煙霧及水、氣等對(duì)鋼鐵產(chǎn)生腐蝕，防止紫外線對(duì)漆膜中樹(shù)脂的降解破壞，延長(zhǎng)涂層的防護(hù)使用期和使用壽命。在齒輪箱內(nèi)部，通常噴涂底漆，因此潤(rùn)滑劑與底漆的接觸面較大。但實(shí)際使用時(shí)，也存在潤(rùn)滑劑和齒輪箱外部接觸的可能，因此也有部分國(guó)際OEM（原始設(shè)備制造商）比如風(fēng)電齒輪箱制造商關(guān)注潤(rùn)滑劑與面漆接觸時(shí)的兼容性。

本文介紹了工業(yè)齒輪油涂層、密封材料的常見(jiàn)類(lèi)型與失效形式，工業(yè)齒輪油與涂層、密封材料兼容性的評(píng)價(jià)方法；展望了國(guó)內(nèi)在工業(yè)齒輪油與材料兼容性評(píng)價(jià)體系及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格建立方面的發(fā)展趨勢(shì)。

常用的底漆類(lèi)型有環(huán)氧樹(shù)脂漆、改性環(huán)氧、環(huán)氧富鋅底漆等，其中環(huán)氧樹(shù)脂漆及環(huán)氧富鋅底漆是工業(yè)齒輪箱使用較為廣泛的材料類(lèi)型。

在齒輪箱運(yùn)行過(guò)程中，一旦產(chǎn)生潤(rùn)滑劑與涂層的不兼容、不適應(yīng)，可導(dǎo)致傳動(dòng)單元整體性能的下降，嚴(yán)重的會(huì)縮短齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命：一方面，涂料的剝落會(huì)造成齒輪箱體耐腐蝕等性能變差；另一方面，涂料剝落混合在潤(rùn)滑油中，會(huì)加速齒輪、軸承的磨損等現(xiàn)象。常見(jiàn)的涂層與化學(xué)介質(zhì)接觸后產(chǎn)生的不良反應(yīng)主要表現(xiàn)為剝落、裂紋、粉化、起泡、麻點(diǎn)、變色等導(dǎo)致的附著力下降。為避免上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，工業(yè)齒輪油和涂層的兼容性測(cè)試可被視為一種有效的評(píng)價(jià)手段。

工業(yè)齒輪油與涂層的兼容性評(píng)價(jià)方法

工業(yè)齒輪油與涂層的兼容性，與潤(rùn)滑劑與其他材料的兼容性測(cè)試類(lèi)似，是采用浸泡的方式使涂層與工業(yè)齒輪油產(chǎn)生接觸后，評(píng)價(jià)涂層的性能。測(cè)試目前暫無(wú)國(guó)際統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)方法及涂層標(biāo)準(zhǔn)件，但有一些相對(duì)成熟的經(jīng)驗(yàn)可以參考。部分國(guó)際知名齒輪箱制造商對(duì)兼容性要求較為嚴(yán)格，結(jié)合自身需求建立了企業(yè)規(guī)格，如西門(mén)子弗蘭德（Flender）。具體操作時(shí)可根據(jù)實(shí)際的需要制定試驗(yàn)方法及樣件，兼容性的測(cè)試手段通常采用浸泡法、劃格法，涂層性能的評(píng)價(jià)可參考相關(guān)國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

浸泡法是將涂層樣片在一定溫度、一定時(shí)間下浸泡于工業(yè)齒輪油中，觀察涂層外觀有無(wú)出現(xiàn)異常。優(yōu)點(diǎn)是操作方法簡(jiǎn)單、容易觀察，是一種快速驗(yàn)證兼容性的手段。進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，考慮到工業(yè)齒輪油及其使用環(huán)境特點(diǎn)，通常遵循高于齒輪箱實(shí)際運(yùn)行溫度、長(zhǎng)周期浸泡的測(cè)試條件，同時(shí)亦可借鑒GB/T 1734《漆膜耐汽油性測(cè)定法》。

圖1 測(cè)試過(guò)程示意

劃格法是在浸泡法的基礎(chǔ)上在涂層表面用標(biāo)準(zhǔn)尺劃出規(guī)定間距的方格，采用黏取劃格處涂層的方式測(cè)試黏附性能，測(cè)試過(guò)程見(jiàn)圖1。

劃格法是一種評(píng)價(jià)涂層表面在潤(rùn)滑劑中浸泡后黏附性能保持能力的手段，可參考涂層的評(píng)價(jià)方法如ISO 2409《色漆和清漆 交叉切割試驗(yàn)》（Paints and varnishes Crosscut test）。值得注意的是，在使用該方法時(shí)需要采用標(biāo)準(zhǔn)尺，且對(duì)劃格間距、深度都有規(guī)定，建議在具備評(píng)價(jià)能力且有一定操作經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。

密封材料兼容性

工業(yè)齒輪箱中常見(jiàn)密封材料類(lèi)型及失效形式

齒輪箱中的密封材料主要有橡膠、平面密封膠、螺紋緊固膠等，起到連接部位的密封作用。平面密封膠主要用于齒輪箱殼體的密封，螺紋緊固膠則用于緊固件的密封，常見(jiàn)的化學(xué)結(jié)構(gòu)主要有聚硅氧烷類(lèi)、丙烯酸酯類(lèi)等。與橡膠類(lèi)似，在齒輪箱的實(shí)際運(yùn)行中，如潤(rùn)滑劑與密封材料如產(chǎn)生不兼容的情況，會(huì)增大因密封性能下降導(dǎo)致的漏油、潤(rùn)滑效果下降等風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)予以關(guān)注。

工業(yè)齒輪油與密封膠的兼容性評(píng)價(jià)方法

與涂料的兼容性測(cè)試類(lèi)似，工業(yè)齒輪油與密封膠的兼容性測(cè)試，目前暫無(wú)標(biāo)準(zhǔn)方法及材料標(biāo)準(zhǔn)件。一些對(duì)于兼容性要求較為嚴(yán)格的國(guó)際齒輪箱制造商結(jié)合自身材料特點(diǎn)建立了企業(yè)規(guī)格，如西門(mén)子弗蘭德（Flender）。在實(shí)際操作中，可以參考其測(cè)試方法，也可根據(jù)自身實(shí)際需要設(shè)定測(cè)試方式。

密封膠的種類(lèi)多樣，分類(lèi)方式也有很多種。根據(jù)潤(rùn)滑油使用及測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，可將密封膠材料按使用環(huán)境及種類(lèi)的不同分為有氧型和厭氧型。因其化學(xué)特性的不同，兼容性的測(cè)試方法也存在差異。

有氧型的膠黏劑如平面密封膠可獨(dú)立制成樣片并具有一定彈性，其兼容性測(cè)試方法與橡膠兼容性類(lèi)似。兼容性測(cè)試方法可基于DIN ISO1817橡膠兼容性測(cè)試方法建立，將樣片裁剪成規(guī)定尺寸的啞鈴型，采用浸泡的方式，在規(guī)定時(shí)間規(guī)定溫度后，對(duì)密封材料的拉伸強(qiáng)度變化率、拉斷伸長(zhǎng)率進(jìn)行評(píng)價(jià)。用此方法評(píng)估工業(yè)齒輪油與平面密封膠的兼容性。平面密封膠測(cè)試過(guò)程如圖2所示。

厭氧型的膠黏劑如螺紋緊固膠可以借助螺栓和螺母進(jìn)行測(cè)試。將膠黏劑涂抹于螺栓與螺母之間，依據(jù)材質(zhì)的需要在規(guī)定條件下完成固化。將固化完成的樣件在規(guī)定時(shí)間、規(guī)定溫度下浸泡于工業(yè)齒輪油中，浸泡完成后通過(guò)測(cè)試其破壞扭矩及平均拆卸扭矩、剪切力等，評(píng)估工業(yè)齒輪油與螺紋緊固膠的兼容性。螺紋緊固膠測(cè)試過(guò)程如圖3所示。

值得注意的是，工業(yè)齒輪油與密封材料的兼容性的測(cè)試需要用到專(zhuān)業(yè)儀器及設(shè)備，如拉力器、數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、扭力扳手等。如需進(jìn)行兼容性測(cè)試，建議在具有資質(zhì)及一定測(cè)試經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評(píng)價(jià)。密封材料的兼容測(cè)試方法也并不唯一，具有研發(fā)實(shí)力和評(píng)價(jià)手段的相關(guān)機(jī)構(gòu)可以自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法。

我國(guó)對(duì)工業(yè)齒輪油與材料兼容性的關(guān)注情況

在工業(yè)齒輪油與材料兼容性評(píng)價(jià)體系建設(shè)方面，少數(shù)國(guó)內(nèi)的大型專(zhuān)業(yè)油公司如中國(guó)石化長(zhǎng)城潤(rùn)滑油及少數(shù)第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)已與國(guó)際接軌，基本具備測(cè)試條件并在逐步研究和發(fā)展中。

大型國(guó)際齒輪箱制造商在中國(guó)生產(chǎn)和使用的齒輪箱產(chǎn)品在用油要求上執(zhí)行其企業(yè)規(guī)格，對(duì)油品的要求相對(duì)較高。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)齒輪箱制造商尤其是國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)已開(kāi)始對(duì)材料兼容性方面予以關(guān)注，相對(duì)于國(guó)際一流制造商雖然尚存在一定差距，但隨著國(guó)內(nèi)制造商逐漸予以重視，將來(lái)在該領(lǐng)域的差距將有明顯的縮小。尤其是國(guó)內(nèi)知名的風(fēng)電齒輪箱制造商、整機(jī)制造商均在逐漸完善兼容性評(píng)價(jià)系統(tǒng)和相關(guān)企業(yè)規(guī)格，部分中國(guó)制造商已結(jié)合自身齒輪箱及密封特點(diǎn)建立OEM測(cè)試方法，為選油用油提供更多判斷依據(jù)，也提升了齒輪箱整體的可靠性和耐久性。將來(lái)將風(fēng)電領(lǐng)域的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)推廣應(yīng)用于更大范圍的工業(yè)齒輪箱中具有廣闊的前景，可達(dá)到最大程度上規(guī)范油品及齒輪箱內(nèi)部材料的使用，減少由于兼容性問(wèn)題帶來(lái)的產(chǎn)品性能下降及安全隱患的目的。

圖2 平面密封膠測(cè)試過(guò)程示意

圖3 螺紋緊固膠測(cè)試過(guò)程

結(jié)論

目前國(guó)外齒輪箱制造商已建立了較為完善的工業(yè)齒輪油與材料兼容性的測(cè)試方法。國(guó)內(nèi)少數(shù)大型油公司如中國(guó)石化長(zhǎng)城潤(rùn)滑油已在該方面達(dá)到國(guó)際技術(shù)水平及測(cè)試能力，部分制造商尤其是風(fēng)電領(lǐng)域的制造商已在該方面予以重視，但國(guó)內(nèi)整體認(rèn)知水平仍有待提升，在用油及材料方面的意識(shí)提升、評(píng)價(jià)體系建立方面存在較大的發(fā)展空間。