艦用汽輪機油摩擦學性能不同評價方法和條件的相關性

張 博，王建華

(中國人民解放軍92228部隊，北京 100072)

艦船主汽輪機組的功能是為螺旋槳提供動力。工作時，汽輪機采用間接傳動的方式，以齒輪箱為變速器，將汽輪機轉子提供的動力傳遞給船舶螺旋槳。艦用汽輪機油不但擔負著汽輪機軸承潤滑、冷卻、防護的任務，而且具有承載齒輪載荷、潤滑、抗磨的作用。尤其是在變速器傳動比高達20∶1的情況下，艦用汽輪機油的抗磨性和承載能力顯得尤為重要。

對于艦船汽輪機油抗磨性的評價，中國、美國和俄羅斯的軍用標準中采用不同試驗條件的四球試驗方法：美國軍用標準MIL-PRF-17331L汽輪機油產品規范中，采用調整后的ASTM D4172—94評定其抗磨性[1]；俄羅斯國家標準ГОСТ 9972—74汽輪機油產品規范中，對抗磨性沒有提出要求，但在汽輪機油綜合鑒定法中，要求采用ГОСТ 9490—75標準方法(四球法)評定艦用汽輪機油的抗磨性能[2]；中國國家軍用標準GJB 1601B—2015《艦用汽輪機油規范》要求采用標準SH/T 0189—2017《潤滑油抗磨損性能測定法(四球法)》評價艦用汽輪機油的抗磨性，但并未設置合格指標，僅要求提供報告數據[3]。

對于艦船汽輪機油承載能力的評價，美國軍用標準采用ASTM D5182—19(FZG齒輪法試驗)，設定通過等級為不低于9級；俄羅斯的產品規范和綜合鑒定法中無相關要求；中國軍用標準要求采用NB/SH/T 0306—2013《潤滑劑承載能力的評定FZG目測法》評定承載能力，并要求失效等級不低于9級。

FZG試驗條件貼近實際工況，但試驗費用高、時間長、經濟性較差。相比FZG試驗，四球試驗則表現出較好的經濟性和便捷性，還具有同時評價油品抗磨性和承載能力的優越性。然而，四球試驗與FZG試驗在評價艦用汽輪機油承載性能上的相關性，還有待深入研究。此外，SRV-Ⅳ摩擦磨損試驗機以其多種摩擦副接觸形式、多樣摩擦磨損評定項目、多用途寬溫度的綜合試驗能力、以及評價結果良好的穩定性，從而被廣泛用于評價潤滑劑摩擦磨損性能[4-6]。

因此，對于艦用汽輪機油，探尋SRV試驗、四球試驗、FZG試驗3種試驗方法的試驗條件與試驗結果的相關性，對于探尋經濟性好、方便有效的艦船汽輪機油摩擦磨損性能評定方法具有重要意義。

基于前期用四球試驗法考察艦用汽輪機油抗磨性能的成果[7]，本研究以同時滿足中國、美國、俄羅斯軍用標準的艦船汽輪機油為試驗油，采用四球試驗法、FZG法和SRV法，考察不同試驗方法與試驗條件評價艦用汽輪機油摩擦學性能的相關性，通過綜合分析，優化一種簡單、經濟、快速的評價艦用汽輪機油摩擦學性能的評價方法。

1 實 驗

1.1 試驗材料

試驗油共8個油樣，分別命名為A1，A2，B，C，D，E，F，G。其中，A1，A2，B油符合中國國家軍用標準GJB 1601B—2015規范要求，由某國內制造商提供；C油符合美國軍用標準MIL-PRF-17331L規范要求，購自某外國公司；D油符合俄羅斯國家標準ГОСТ 9972—74規范要求，由某公司提供；E，F，G油樣符合中國國家軍用標準GJB 1601A—1998規范要求，由中國石油某經銷公司提供。GJB 1601B—2015和MIL-PRF-17331L對產品抗磨性和承載能力有要求，ГОСТ 9972—74和GJB 1601A—1998對產品抗磨性和承載能力無要求。

四球試驗用鋼球符合GB308要求的Ⅱ級軸承鋼球，直徑12.7 mm，材質為GCr15[8]；FZG試驗用國產QCL-003型試驗齒輪[9]；SRV試驗用試驗球和試驗盤為AISI 52100鋼，試驗球洛氏硬度HRC為60±2，試驗盤洛氏硬度HRC為62±1。SRV試驗球表面粗糙度(CLA)要求為0.020～0.030 μm，直徑為10 mm；試驗盤表面粗糙度要求為0.035～0.050 μm，直徑為24 mm±0.5 mm，厚度為7.8 mm±0.1 mm[10]。

1.2 試驗方法

1.2.1 四球試驗法依據美國MIL-PRF-17331L規范中調整參數的ASTM D4172—94法、俄羅斯標準ГОСТ 9490—75、中國石化行業標準SH/T 0189—2017和C220/H艦艇通用齒輪油規范(GJB 6025—2007)的抗磨性評定試驗方法與試驗條件，在濟南時代試金試驗機有限公司生產的MR-S10B型試驗機上評價汽輪機油的抗磨性，記錄磨斑直徑(WSD)。試驗方法和條件如表1所示[8，11-13]。同時，依據《潤滑劑承載能力測定法》(GB/T 3142—2019)評價汽輪機油的承載能力，測定8個油樣的最大無卡咬負荷(PB)、燒結負荷(PD)，判斷油品承載能力[14]。

表1 不同四球試驗法的試驗條件

1.2.2 FZG試驗法依據標準方法SH/T 0306—92《潤滑劑承載能力測定法(CL-100齒輪機法)》，在濟南舜茂試驗儀器有限公司生產的FZG齒輪磨損試驗機上評定艦用汽輪機油的抗擦傷承載能力，評判FZG失效等級[9]。

1.2.3 SRV試驗法依據SH/T 0847—2010(ASTM D6425—02)《極壓潤滑油摩擦磨損測定SRV試驗機法》，在德國Optimol Instrument公司生產的SRV-Ⅳ型摩擦磨損試驗機上評價艦用汽輪機油的減摩抗磨性。試驗條件：往復運動頻率為50 Hz，預加載荷50 N；30 s時載荷增至300 N，運行2 h±15 s，溫度50 ℃[10]。測定試驗球的磨斑直徑和磨損體積。

1.3 相關性分析

在四球試驗法評價油樣抗磨性和承載能力的試驗中，采用Pearson系數回歸法，分析中國、美國、俄羅斯的各標準試驗方法間的相關性。根據Pearson系數r的取值，確定兩種試驗方法間的線性相關性：當|r|≥0.8時，可視為極強相關；當0.6≤|r|<0.8，可視為強相關；當0.4≤|r|<0.6時，視為中等程度相關；當0.2≤|r|<0.4時，說明兩個變量弱相關；當0≤|r|<0.2時，可視為極弱相關或無相關[15]。

2 結果與分析

2.1 四球試驗結果

2.1.1 汽輪機油抗磨性能評定按照表1不同四球試驗法的試驗條件，分別對8個艦用汽輪機油樣品的抗磨性能進行評定，分析相同油樣在不同試驗條件下、以及不同油樣在相同試驗條件下鋼球的WSD，結果分別如圖1和圖2所示。

圖1 8種試驗油在不同條件下試驗鋼球的WSD

圖2 5種試驗方法及條件下不同油樣鋼球WSD

由圖1可知，試驗條件對油樣抗磨性能(鋼球WSD)的試驗表現有一定的影響：①當試驗載荷不同時，載荷越大，油品抗磨性表現越差。在載荷為392 N時，各試驗油四球試驗鋼球的WSD均明顯高于其他較低載荷下的結果，表明試驗載荷是影響試驗鋼球WSD的關鍵因素，載荷增大時各油樣四球試驗中鋼球的磨斑直徑均顯著增大，而轉速、時間、溫度等試驗條件對鋼球WSD的影響較小。②當試驗載荷相同時，對于質量規范中有抗磨性能要求的試驗油(A1，A2，B，C)，其試驗鋼球的WSD相近，而轉速、時間、溫度等試驗條件對鋼球的WSD影響較小。如ASTM D4172—94標準方法的試驗時間為其他方法試驗時間的2倍，其試驗鋼球的WSD與其他方法同載荷下的結果仍比較接近，說明試驗時間對鋼球的WSD影響較小。

而對于質量規范中無抗磨性能要求的試驗油(D，E，F，G)，其試驗鋼球的WSD較大，抗磨性能整體上較差。同時，相同油樣不同條件下試驗鋼球的WSD變化較大，說明轉速、時間、溫度等試驗條件對試驗油抗磨性的表現產生影響。如試驗載荷同為147 N時，相比于SH/T 0189—2017方法試驗結果，按照ASTM D4172—94標準方法進行四球試驗，4種油樣試驗鋼球的WSD均更大。這是因為ASTM D4172—94方法規定的試驗時間增加1倍、轉速降低50%。這說明，對于質量規范中無抗磨性要求的油品，其在長時間、低轉速下的抗磨性表現比其在較短時間、較高轉速下的表現差。同樣在試驗載荷同為196 N時，相比于SH/T 0189—2017方法試驗結果，按照ГОСТ 9490—75方法進行四球試驗，油樣D，E，F試驗鋼球的WSD值均較大，原因在于ГОСТ 9490—75方法的試驗溫度較高、轉速較低。因此以上試驗結果說明在較高溫度、較低轉速試驗條件下，油品抗磨性表現較差。

由圖2可以看出，在相同試驗方法和條件下，試驗鋼球WSD從小到大的油樣順序分別為：采用ASTM D4172—94(載荷147 N、轉速600 r/min)方法，A1

可以看出，在3種試驗方法的5種試驗條件下，不同艦用汽輪機油樣品的抗磨性能均能得到有效區分。影響油品抗磨性表現的關鍵因素是摩擦副的油膜厚度[16]，在各項試驗條件中，試驗載荷是影響油膜厚度的最重要因素，載荷越大、油膜厚度越小，因此油品的抗磨性表現越差；轉速和溫度是影響油膜厚度另兩個主要因素，根據潤滑油運動黏度、試驗溫度、油膜厚度與摩擦速度和摩擦時間關系的研究結論[17-21]，低轉速、高溫度下的油膜厚度比高轉速、低溫度的油膜厚度要小，因此在低轉速、高溫度試驗條件下油品的抗磨性表現較差；而在四球試驗全過程中，油膜厚度基本不變，因而試驗時間對油品抗磨性的表現影響較小。

2.1.2 汽輪機油承載能力評定依據潤滑劑承載能力測定法GB/T 3142—2019(四球法)，測得的8種試驗油的PB和PD，結果如表2所示。

表2 8種試驗油的承載能力評定結果

由表2可以看出：A1，A2，B，C油的PB較其他4個油樣高，表現出較好的承載能力，從高到低的順序為A1>A2>C>B>D>E=F=G；試驗油A1，A2，B，C，D的PD為1 570 N，高于試驗油E，F，G(1 236 N)。綜合油品的PB和PD判斷，試驗油A1，A2，B，C的承載能力高于試驗油D，E，F，G，8個油樣的承載能力由高到低的排序為A1>A2>C>B>D>E=F=G。

2.2 FZG試驗評定汽輪機油的承載能力

按照標準方法SH/T 0306—92評定8種試驗油的FZG試驗失效等級，結果如表3所示。由表3可知：滿足GJB 1601B—2015質量規范要求的試驗油A1，A2，B和滿足MIL-PRF-17331L質量規范要求的C油的FZG試驗失效等級達到了10級；而符合GJB 1601A—1998質量規范的試驗油E，F，G和符合ГОСТ 9972—74質量規范的試驗油D的FZG失效等級均未達到9級。試驗油的FZG試驗失效等級由高到低的排序為A1=A2=C=B>F>E>G=D。該承載能力排序與GB/T 3142—2019試驗所得油品承載能力評價結果相接近。

表3 8個油樣的FZG失效等級

2.3 SRV試驗評定汽輪機油的摩擦磨損性能

利用SRV試驗按照標準方法SH/T 0847—2010評定汽輪機油的摩擦磨損性能，8種試驗油測得的摩擦因數隨時間的變化曲線如圖3所示。油品摩擦因數的最大值(fmax)、最小值(fmin)，試驗15，30，90，120 min時的摩擦因數(f15，f30，f90，f120)，磨痕長度(d1)和寬度(d2)，及由d1、d2計算得到的磨損體積(VW)見表4。

圖3 SRV試驗各油樣摩擦因數隨時間的變化曲線

表4 按照SH/T 0847—2010方法測試油樣的摩擦磨損性能

由圖3和表4可知：A1，A2，B，C，D試驗油在SRV試驗各階段測得的摩擦因數整體低于E，F，G油，表現出較好的減摩潤滑性；A1，A2，C，D，E試驗油在SRV試驗15～120 min階段測得的摩擦因數基本保持不變，而B，F，G測得的摩擦因數隨試驗時間延長，呈現緩慢下降趨勢；根據SRV試驗鋼球磨損體積大小，可知試驗油抗磨性能優劣順序為A1>A2>C>B>G>E>F>D。該結果與采用SH/T 0189—2017方法(試驗載荷147 N、轉速1 200 r/min)時各種油品抗磨性的評定結果接近。這說明，采用SRV試驗方法評價各種試驗油的抗磨性能，所得結果與采用SH/T 0189—2017方法(試驗載荷147 N、轉速1 200 r/min)具有較高的相關性。

2.4 試驗方法間的相關性分析

2.4.1 四球試驗方法間的相關性分析利用Pearson系數回歸分析ASTM D4172—94方法和SH/T 0189—2017方法不同條件下(①147 N、1 200 r/min；②392 N、1 200 r/min；③196 N、1 800 r/min)四球試驗測得的鋼球WSD數據，得到不同四球試驗方法間的線性相關性，如圖4所示。由圖4可知：按照ASTM D4172—94方法和SH/T 0189—2017方法條件①或條件②試驗時，試驗結果的Pearson系數r分別為0.912 81和0.967 20，均大于0.8，且ASTM D4172—94方法所得WSD隨SH/T 0189—2017方法所得結果增大而增大，說明ASTM D4172—94方法與SH/T 0189—2017方法(條件①或條件②)之間存在極強的線性正相關關系；按照ASTM D4172—94方法和SH/T 0189—2017方法條件③試驗時，二者試驗結果的Pearson系數r為0.730 24，此時0.6

圖4 不同試驗條件的SH/T 0189—2017方法與ASTM D4172—94方法在評定油品抗磨性能上的線性相關分析

同樣，利用Pearson系數回歸分析不同試驗條件下SH/T 0189—2017方法與ГОСТ 9490—75方法測得不同試驗油鋼球的WSD數據，得到不同四球試驗方法間的線性相關性，如圖5所示。由圖5可知：按照SH/T 0189—2017方法條件①與ГОСТ 9490—75方法試驗時，二者結果的Pearson系數r為0.955 08，遠大于0.8，且ГОСТ 9490—75方法所得WSD值和SH/T 0189—2017方法所得結果變化一致，說明兩種方法之間存在極強的線性正相關關系；而在SH/T 0189—2017方法條件②或條件③試驗時，試驗結果與ГОСТ 9490—75方法試驗結果的Pearson系數r分別為0.810 07和0.841 82，均大于0.8，說明試驗方法極強相關，但存在SH/T 0189—2017方法所得WSD值增大，ГОСТ 9490—75方法所得結果下降的點，兩者變化方向不完全一致，因而不具有正相關關系。

圖5 不同條件下SH/T 0189—2017方法與ГОСТ 9490—75方法在評定油品抗磨性能上的線性相關分析

2.4.2 四球試驗方法與SRV試驗方法的相關性利用Pearson系數回歸分析不同試驗條件下SH/T 0189—2017方法測得的WSD數據與SH/T 0847—2010方法測得的磨損體積數據，得到不同試驗方法的線性相關性，如圖6所示。由圖6可知：在試驗條件①時，SH/T 0189—2017方法與SH/T 0847—2010方法測試結果的Pearson系數r為0.811 3，大于0.8，且X、Y兩者變化一致，說明兩種方法之間存在極強的相關性；在試驗條件②時，SH/T 0189—2017方法與SH/T 0847—2010方法測試結果的Pearson系數r為0.829 92，大于0.8，說明兩種方法有極強相關性，但存在SH/T 0189—2017方法所得WSD值增大，SH/T 0847—2010方法所得結果下降的點，兩者變化方向不完全一致，因而不具有正相關關系；在試驗條件③時，SH/T 0189—2017方法與SH/T 0847—2010方法測試結果的Pearson系數r為0.711 72，此時0.6

圖6 不同條件下SH/T 0189—2017方法與SH/T 0847—2010方法在評定油品抗磨性能上的線性相關分析

2.4.3 四球與FZG試驗方法的相關性對比四球法承載能力評定結果(表2)與FZG試驗評定結果(表3)，如圖7所示。由圖7可知：試驗油A1，A2，B，C的FZG試驗失效等級為10級，其對應PB均大于800 N；試驗油D，E，F，G的FZG試驗失效等級都低于9級，其對應的PB均不大于510 N。此外，試驗油A1，A2，B，C，D的PD均為1 570 N，試驗油E，F，G的PD均為1 236 N?；谝陨锨闆r，可將8個油樣分為2組，其中試驗油A1，A2，B，C的承載能力較高，另外4個油樣承載能力較低。油樣在四球試驗與FZG試驗承載能力評定試驗上，PB與PD結果均與FZG結果具有相關性，體現了四球試驗與FZG試驗方法的相關性。

圖7 四球法與FZG法承載能力相關性

3 結 論

(1)采用四球法評定艦用汽輪機油的抗磨性時，摩擦副的油膜厚度是影響試驗結果的關鍵因素。試驗載荷對油膜厚度的影響最大，因而試驗載荷越大，油品抗磨性表現越差；載荷相同時，低轉速、高溫度下油樣的抗磨性表現較差，原因在于低轉速、高溫度下油膜厚度更小，因而低轉速、高溫度更利于區分試驗油的抗磨性。

(2)Pearson回歸分析表明，采用SH/T 0189—2017方法，在試驗載荷147 N、轉速1 200 r/min的條件下評定汽輪機油的抗磨性能時，分別與ASTM D4172—94方法、ГОСТ 9490—75方法、SH/T 0847—2010方法(SRV試驗)呈現極強的線性正相關性。

(3)采用GB/T 3142—2019四球試驗評定汽輪機油的承載能力時與FZG法具有較高的相關性。

(4)綜上所述，可以分別將SH/T 0189—2017方法(試驗載荷147 N、轉速1 200 r/min)和GB/T 3142—2019方法作為簡易評定方法，在無法實現SRV或FZG齒輪臺架試驗時，用于評定艦用汽輪機油的抗磨性能和承載能力。