HXN3 型鐵路機車齒輪箱油的研制

廖豐斌 張建榮 華秀菱 伏喜勝 陳志忠 黃蕓琪

1 中國石油潤滑油公司產品設計中心

2 中國石油潤滑油公司

隨著我國鐵路運輸事業的飛速發展，引進國外先進機車產品的步伐也在不斷加大。近年來，中國中車大連機車車輛有限公司與美國EMD 公司合作生產了HXN3型鐵路機車[1，2]。該型機車是在SD70MAC、SD90MAC 型機車基礎上，根據中國鐵路技術規范改進設計而成的6 000 馬力（4 410 kW）交流傳動干線貨運鐵路機車[3～5]。機車軸重25 t，采用一系列先進技術，可在平直線路上單機牽引5 000 t 貨運列車，最高運行速度為120 km[6～8]。其工況為典型的高速重載工況，對傳動系統齒輪箱油的極壓抗磨性能、熱氧化安定性能提出了更高的要求，相比于普通齒輪油，在抗氧化性能、抗磨性能以及防腐蝕性能等方面具有更為優異的表現。本文通過對HXN3 型鐵路機車運行工況開展調研，并對HXN3型鐵路機車在用國外專用油品進行分析，結合HXN3 型鐵路機車運行工況和競品性能特點，通過實驗室大量的考察，最終成功研制出滿足HXN3 型鐵路機車潤滑需求的齒輪油產品，產品性能與國外油品相當。

國外油品性能考察及分析

對HXN3 型鐵路機車在用國外專用油品進行了全面的理化分析和性能評價，分析評價結果詳見表1。

表1 國外油品分析數據

從表1 數據可以看出，國外油品黏度指數達到182，傾點為-45 ℃，表明油品具有卓越的黏溫性能和低溫性能，常規的PAO合成油無法滿足性能需求。銅片腐蝕（121 ℃，24 h）結果為1b，該項目標準試驗時間為3 h，表明油品具有突出的防腐蝕性能。氧化壽命試驗（ASTM D943）可以測試油品長周期條件下的抗氧化性能，而旋轉氧彈試驗溫度為150 ℃，可以測試油品高溫下的抗氧化性能，國外油品氧化壽命達到10 000 h 以上，旋轉氧彈達到2 200 min，表明油品具有優異的抗氧化性能。國外油品比較側重于抗氧化性能和防腐蝕性能。

供圖/廖豐斌

試驗部分

基礎油選擇

根據國外油品黏度指數和傾點數據，判斷其為全合成油品，從40 ℃運動黏度數據可以看出國外油品為460 黏度級別。因此，HXN3型鐵路機車齒輪箱油基礎油選用具有較高黏度指數的PAO 合成基礎油，該基礎油與傳統PAO 相比，具有更高的黏度指數、更好的剪切穩定性能以及低溫性能，可以為潤滑油成品提供更為出色的性能表現。同時，也引入了一部分酯類基礎油，以增加對部分添加劑的溶解性。HXN3 型鐵路機車齒輪箱油基礎油性質見表2。

表2 HXN3型鐵路機車齒輪箱油基礎油性質

從表2 可以看出，基礎油的黏度、黏度指數和傾點與國外油品相當，可以滿足要求。因此確定采用高黏度指數PAO 加酯類油為HXN3型鐵路機車齒輪箱油的基礎油方案。

添加劑選擇

國外專用油品具有卓越的抗高溫/抗氧化性能、沉積控制以及抗化學降解能力，以適應長周期運行工況。經評價分析，其氧化壽命試驗達到10 000 h 以上，旋轉氧彈試驗結果達到2 200 min。首先對現有添加劑配方體系進行了關鍵性能考察，調合方案和分析數據見表3。

表3 現有配方體系考察

從表3 數據可以看出，GO-1、GO-2 旋轉氧彈試驗結果分別為805 min 和152 min，氧化壽命試驗分別為小于1 000 h 和小于500 h，遠低于國外油品。因此，現有添加劑配方體系均不能滿足國外油品的抗氧化性能要求。

抗氧劑的選擇

從某種意義上講，一種油品各方面性能的變化，使用過程中質量的變差，皆由油品的氧化所引起。因此，需要在配方中引入抗氧劑增強油品的抗氧化性能。本研究通過在基礎油中以0.5%（質量分數）的加劑量引入不同類型抗氧劑，對其抗氧化性能（旋轉氧彈，NB/SH/T 0193）進行考察。試驗結果見表4。

表4 抗氧劑的選擇和性能考察

從表4 可以看出，相比于其他幾種抗氧劑，硫化烷基酚在配方中的旋轉氧彈時間最長，抗氧化性能較好。

極壓抗磨劑的選擇

齒輪油中極壓抗磨劑為主要添加劑，并且種類較多。而極壓抗磨劑又都是化學活性相對較高的化合物，容易被金屬表面（齒面）吸附，產生化學或物理反應膜，從而起到防止金屬摩擦或咬合的作用[9]。高活性的含磷極壓抗磨劑是導致齒輪油生成油泥的主要原因，從而降低油品的抗氧化性能。國外油品兼具優異的抗氧化性能和極壓抗磨性能，因此需要選擇活性適宜的極壓抗磨劑，從而保證油品極壓抗磨性能的同時確保油品具有優異的抗氧化性能。在上文確定的基礎油中加入0.5%（質量分數）的硫化烷基酚后，選用幾種不同類型的極壓抗磨劑以1.0%（質量分數）加劑量引入其中，采用旋轉氧彈試驗（NB/SH/T 0193）和四球機試驗（GB/T 3142、NB/SH/T 0189）對油品抗氧化性能和極壓抗磨性能進行考察，試驗結果見表5。

表5 極壓抗磨劑的選擇和性能考察

從表5 數據可以看出，相比與其他兩種極壓抗磨劑，在配方中引入二烷基二硫化物在保證油品極壓抗磨性能的基礎上，有效提高油品的抗氧化性能。

防銹劑的選擇

極壓抗磨劑與金屬表面產生的反應膜是對金屬的一種腐蝕或銹蝕。因此，有必要引入防銹劑使表面活性物質與極壓抗磨劑之間在金屬表面產生一種競爭吸附，使之達到某種平衡狀態，既有一定的極壓抗磨性，又不致于產生過度腐蝕或銹蝕。本研究在上文確定的基礎油中加入0.5%（質量分數）的硫化烷基酚和1.0%（質量分數）的二烷基二硫化物基礎上，通過引入兩種同類型不同結構的防銹劑，以0.1%（質量分數）的總劑量在不同比例下對油品的防銹性能[GB/T 11143（B 法）]和抗氧化性能（旋轉氧彈，NB/SH/T 0193）進行了考察。試驗結果見表6。

表6 防銹劑的選擇和防銹性能考察

從表6 可以看出，辛基苯駢三氮唑可以有效提升油品的防銹性能，但對抗氧化性能不利，甲基苯駢三氮唑對抗氧化性能影響較小，但防銹性能不好。在兩者質量比為7：3時，兼具優異的防銹性能和抗氧化性能，與國外油品相當。

HXN3 型鐵路機車齒輪箱油綜合性能考察

通過對抗氧劑、極壓抗磨劑、防銹劑等添加劑的篩選，以及配方中各添加劑之間的配比進行考察，形成了HXN3 型鐵路機車齒輪箱油配方技術，并對調合的油品與國外油品進行全面分析評價，結果見表7。

表7 HXN3型鐵路機車齒輪箱油與國外油品的典型性質

從表7 可以看出， 研制的HXN3 型鐵路機車齒輪箱油具有優異的抗氧化性能、極壓抗磨性能、黏溫性能、低溫性能、抗泡性能等。與國外油品相比，具有更為優異的極壓抗磨性能、油膜強度。在保證優異的抗氧化性能的同時，保持了出色的極壓抗磨性能。其余各項理化性能和國外油品基本相當。

HXN3 型鐵路機車齒輪箱油與國外油品的性能評價

為了更好地評價研制油在實際使用過程中的性能，通過四球摩擦系數試驗、EHD2 油膜厚度測定試驗等模擬試驗對研制油和國外油品進行對比分析。

試驗方法

摩擦系數測定試驗：采用四球磨損試驗機，按SH/T 0762《潤滑油摩擦系數測定法（四球法）》測定油品的摩擦系數，試驗條件為：試驗油溫75 ℃，負荷98.1 N（10 kgf）條件下，以轉速600 r/min 運行10 min， 每10 min 增加負荷98.1 N（10 kgf），每10 min 記錄一次摩擦系數。

EHD2 油膜厚度測定試驗：采用英國PCS 公司生產的EHD2 油膜厚度測定儀，測試油品在80 ℃和120 ℃，載荷25 N 條件下的油膜厚度。

摩擦系數測定試驗

摩擦系數測定試驗主要用于評價潤滑油的摩擦特性。研制油和國外油品的摩擦系數測定試驗曲線如圖1 所示。

圖1 摩擦系數測定試驗曲線

從圖1 可以看出，研制油的摩擦系數隨著試驗負荷的增加始終保持平穩，在試驗負荷達到588 N 之后略低于國外油品，表明兩者均具有良好的摩擦特性。對應實際工況，可以降低油溫，提高齒輪箱傳動效率，有效提升燃油經濟性。

EHD2 油膜厚度測定試驗

成膜能力的評價是對油品在苛刻工況下減摩特性的考察，成膜能力強，在極端工況下，能夠有效對摩擦副起到潤滑保護作用，減少摩擦磨損，從而起到減摩作用。研制油和國外油品的油膜厚度曲線圖如圖2、圖3 所示。

圖2 油膜厚度（80 ℃）曲線

圖3 油膜厚度（120 ℃）曲線

從圖2、圖3 可以看出，研制油在80 ℃條件下，隨著轉速的升高，平均油膜厚度保持平穩增大，且平均油膜厚度大于國外油品；在120 ℃條件下，平均油膜厚度與國外油品相當。這表明研制油相比國外油品具有更為優異的成膜能力，對應實際工況可以對齒輪和軸承起到潤滑保護作用，減少摩擦磨損。

結論

☆通過對HXN3 型鐵路機車使用工況開展調研，并對國外油品進行分析，結合油品使用工況和競品性能特點，通過對基礎油、添加劑的篩選，成功研制出HXN3 型鐵路機車齒輪箱油產品。

☆研制油在極壓抗磨性能、油膜強度方面優于國外油品。

☆通過模擬試驗對比，研制油相比國外油品具有更好的摩擦特性以及成膜能力。