工程机械设备的润滑

中国石油大连润滑油研发中心

工程机械设备种类众多,可分为十大类：挖掘机械、铲土运输机械、起重机械、压实机械、桩工机械、钢筋混凝土机械、路面机械、凿岩机械、机动工业车辆和其他。其主要产品为：装载机、挖掘机、叉车、起重机、压路机、混凝土搅拌车、推土机、平地机、摊铺机、盾构机等。其中,装载机、挖掘机和叉车3个品种的年产量和保有量占据80%以上市场份额,用油量同样占80%以上。

工程机械主要由工作装置、底盘、液压系统、发动机系统、传动系统、电气系统、空调等系统组成。在行驶、工作过程中,各部分都有进行相对运动(相互接触,且接触面的垂直方向受压力)的零部件,这些零部件都需要加注与其运动工况相适应的润滑材料。工程机械设备用油部位主要包括发动机及冷却系统、传动系统、制动系统和一些需脂部件。

不同的工程机械设备,用油既有共通之处,也有各自的特点。本文就工程机械相同的用油进行概括,并就细分品种的用油特点分别进行介绍。

工程机械设备及用油

发动机及发动机油

目前工程机械主要以柴油机为动力,天然气发动机在徐工、福田雷沃等装载机上也有少量使用。柴油机总体构造包括曲柄连杆和配气两大机构以及燃料供给、润滑、冷却、进排气、启动和电源等五大系统,在高速高负荷工作条件下,各摩擦表面如气缸壁与活塞环、曲轴颈与轴承、凸轮轴与轴承等必须得到良好的润滑。润滑系统的作用就是向各运动零件的摩擦表面输送润滑油,以实现润滑、密封、清洁、冷却、液压、缓冲和防锈等作用。

我国柴油机油质量等级按照美国石油学会(API)规格划分,目前从API CD、API CF-4、API CH-4、API CI-4、API CJ-4均有使用,而目前最高等级的API CK-4和API FA-4也已在美国问世。黏度级别则分为SAE 0W-20、SAE 15W-40、……、SAE 20W-50,根据组合不同,类别众多。

柴油机油质量级别的选择

柴油机油质量级别的选择应根据内燃机制造商的推荐、柴油机的机械负荷和热负荷、工作条件的苛刻程度、燃料性能等多种因素确定。但是用户主要还是依据排放要求和发动机制造商为满足排放要求采用的技术来选择柴油机油。由于我国排放法规采用欧洲排放法规,而柴油机油规格又采用API规格,对油品选用造成了一定的困难。排放和技术对应的柴油机油质量级别见表1。

此外, API最新推出了API CK-4和API FA-4规格。其中,CK-4仍为低灰产品,可以直接替代质量等级较低的CF-4到CJ-4的任何质量级别的产品;FA-4则是节能型重负荷柴机油质量级别,适用于对节能要求较高的特定发动机,不可与CF-4到CK-4的质量级别互相替换。

目前我国工程机械行业排放标准从2016 年4 月1 日起全面升级到国Ⅲ排放,以前出售的国Ⅱ排放的工程机械可以使用CF-4,但是2016 年4 月1 日以后所有工程机械必须满足国Ⅲ排放要求,发动机油也相对应升级到CH-4甚至CI-4。

一般情况下,从CF-4到CH-4,再到CI-4,质量级别不断提高,油品性能也更好。应指出的是,CJ-4油品虽然各方面性能均好,但其为了适用于低硫燃料［硫含量＜0.001 5%(质量分数)］及DPF技术,需要降低润滑油中的硫酸盐灰分［≤1.0%(质量分数)］,同时为了保证催化剂的耐久性,还需要降低润滑油中的硫［≤0.4%(质量分数)］和磷［≤0.12%(质量分数)］元素的含量,由于硫酸盐灰分及硫、磷含量降低(即低SAPS),油品碱值就低,会导致中和酸性物质的能力变差,油品使用寿命相对减少。

柴油机油黏度级别的选择

柴油机油黏度级别的选择的主要依据包括：

◇发动机本身设计要求：工程机械用发动机设计一般选用10W-30或15W-40油居多,这样的黏度比较适中,具有高低温黏度油的双重特性;柴油机油中最低黏度级别的0W-20油主要针对道路机械特定OEM(原始设备制造商)的卡车,如依维柯等,目前工程机械行业基本不使用这么低的黏度等级的油品;单级油目前也在逐渐淘汰。

◇环境温度：若常处于高温环境下,应选高黏度油品,如15W-40甚至20W-50,如果是北方冬季使用,应选低温性能更好的油品。柴油机油黏度等级选用与环境温度的关系见表2。

◇负荷：大吨位、重负荷、连续高速运转的工程机械,应选用高黏度油,从而保证高温时提供足够的油膜强度;负荷较小、工况缓和的小型机械设备,可使用较低黏度牌号的柴油机油。

◇设备新旧：新设备各方面配合间隙小,可选用低黏度油。旧设备有一定程度的磨损,配合间隙大,需要使用更大黏度的油品才能够达到更好的密封要求,所以旧设备一般用油黏度更高。

液压系统及液压油

液压系统由动力元件、执行元件、控制元件和辅助元件组成。液压油在液压系统中起着能力传递、系统润滑、防腐、防锈、冷却等作用。

表1 排放和技术对应的柴油机油质量级别

表2 柴油机油黏度等级选用与环境温度关系

液压油的选用

市场上液压油品种众多,如抗氧防锈液压油、抗磨液压油、难燃液压油等。液压油的选用需要考虑设备类型及工况、油箱大小、循环速率、环境等多种因素,容易使人困惑。在实际工作中,可以着重从环境温度、系统压力和系统工作温度3个主要参数出发,兼顾对换油周期的期望进行选用,具体可参考表3。

其中,抗磨液压油系列HM、HV、HS等质量级别及其对应无灰液压油系列则是工程机械行业主要使用的液压油品种,在不同的工程机械设备上应用广泛。

液压油黏度的选择

在液压系统中,液压设备的机械效率能否得到充分的发挥,其中最重要的一点就是正确地选用黏度适宜的液压油。液压油黏度过高,虽然对润滑性有利,但会增加系统的阻力,压力损失增大,造成功率损失增大,油温上升,液压动作不稳,出现噪音。过高的黏度还会造成低温启动时吸油困难,甚至造成低温启动时中断供油,发生设备故障。相反,当液压油黏度过低时,会增加液压设备的内、外泄漏,液压系统工作压力不稳,压力降低,液压油润滑不到位,油泵的工作效率下降,严重时还会导致泵磨损增加。

按照液压油国家标准GB 11118.1-2011,液压油牌号以40 ℃运动黏度划分,从15到150号。液压油黏度牌号的选择,首先需要考虑液压泵的类型,每种泵都有它适用的最佳黏度范围：一般叶片泵可选牌号为22～68,确保最小工作黏度不应低于10 mm2/s、最大启动黏度不应大于700 mm2/s;柱塞泵和齿轮泵的可选牌号在32～150,确保柱塞泵最小工作黏度不应低于8 mm2/s,最大启动黏度不应大于1 000 mm2/s,齿轮泵最小工作黏度不应低于20 mm2/s,最大启动黏度可达到2 000 mm2/s。其次要参考液压系统运行压力及运行温度,使用温度和压力高的液压系统要选用黏度较高的液压油,可以获得较好的润滑性,相反温度和压力较低,应选较低的黏度,这样可节省能耗。最后,选择黏度级别时还应考虑液压系统的新旧程度和室外室内等工作环境。

表3 常用液压油的选用

在实际应用过程中,液压油黏度牌号由厂家推荐,工程机械设备一般以VG 46号为主,VG 32号、VG 68号和多级油也经常使用。

液力传动系统及液力传动油

液力传动是以液体为工作介质,利用液体动能来传递能量的流体传动。叶轮将动力机(内燃机、电动机、涡轮机等)输入的转速、力矩加以转换,经输出轴带动机器的工作部分。液体与装在输入轴、输出轴、壳体上的各叶轮相互作用,产生动量矩的变化,从而传递能量。液力传动的输入轴与输出轴之间只靠液体为工作介质联系,构件间不直接接触,是一种非刚性传动,与靠液体压力能来传递能量的液压传动在原理、结构和性能上都有很大差别。

液力传动装置的主要设备有液力耦合器、液力变矩器和液力机械元件。液力耦合器又称液力联轴器,是一种用来将动力机与工作机连接起来传递旋转动力的机械装置。液力变矩器是由泵轮、涡轮、导轮组成的液力元件,是一种用来将动力机与工作机连接起来传递转矩、变矩、变速以及离合等作用的机械装置。

液力传动系统的油路供变矩器、变速器操作系统使用,为了简化结构和便于密封,整个系统通常是共用同一种油品。液力传动油不但是液力传动的传力介质,而且也是换挡执行器,如湿式换挡离合器、换挡制动器及自动控制换挡液压系统中各种控制阀的液压控制用油,还为变矩器及齿轮变速器中的轴承、齿轮提供润滑和冷却。因此,液力传动油是一个要求很高的油品,直接关系到液力元件的可靠性、传动效率和使用寿命。

工程机械用液力传动油常用牌号有6号、8号等产品。

齿轮传动及齿轮油

工程机械齿轮传动装置主要包括变速装置、转向机、前后驱动桥的齿轮箱以及万向节滚针轴承等机件。其中变速器在动力系统中的重要性仅次于发动机。而有级式变速器使用最广。其采用齿轮传动,具有若干个定值传动比。为了使变速器长期、平稳及有效地工作,必须加入合适的车辆齿轮油,以减轻齿轮的摩擦与磨损,传送摩擦表面产生的热量,防止发生腐蚀和锈蚀。车辆齿轮油的性能特点主要在于具有较小的运动黏度、优良的极压抗磨性、良好的低温性能、优异的黏温性能及节能、环保性能。

一般设备可选GL-5级别。黏度级别根据负荷和环境温度可选80W-90、85W-90、85W-140。

冷却系统润滑要求

柴油在发动机气缸中燃烧时,温度可达2 200 ℃,天然气发动机油温度更高。必须采用冷却的方式使气缸壁的温度不高于205～260 ℃。柴油机冷却系统有风冷和水冷2种,大多数采用水冷式,需要的工作介质就是冷却液。

工程机械用冷却液为重负荷机动车发动机冷却液,乙二醇型冷却液因价格较低而被大量使用。冷却液在降低发动机气缸壁温度的同时,还要防止其在冬季停车时结冰而胀裂散热器,以及冻坏发动机气缸体和缸盖。因此,一般要求冷却液冰点比该地区最低温度低10 ℃左右。冷却液其他性能要求为高沸点、防腐蚀性、消泡性、空气释放性,以及对循环铝泵不发生气穴腐蚀、无特殊气味、防止水垢生成等。同时,还要考虑冷却系统中的非金属材料,如橡胶、塑料的溶解、鼓胀、老化等。

制动系统及制动液

制动系统主要由制动器和制动操纵机构组成。制动器是产生阻碍车辆运动和运动趋势的制动部件,有油鼓式制动器和盘式制动器2种结构形式。制动操纵机构包括功能装置、控制装置、传动装置、制动力调节以及报警装置、压力保护等附加装置。

制动液又叫刹车油,用于汽车液压制动系统中传递压力,使车轮制动器实现制动作用。目前工程机械的制动系统主要采用HZY3、HZY4型制动液。一般工况下,推荐HZY3醇醚型合成制动液,性能较为稳定,成本不高,但其平衡回流沸点不太高,吸湿性强,低温性能差,而且在湿热气候条件下使用时,制动器部件易锈蚀。较高要求情况下,推荐HZY4醇醚硼酸酯型合成制动液,其性能比HZY3有了很大改善,但成本也大幅上升。

各类轴承及润滑脂

工程机械的轴承多用润滑脂润滑。工程机械多在野外作业,工作中负荷较大,常有冲击振动。工程机械用润滑脂在一般车用润滑脂的基础上,还应具有极压、耐水和减震密封等性能。一般常选择通用锂基润滑脂,较高要求可选N型极压锂基润滑脂。稠度号一般北方地区为2号,南方为3号。

特殊工程机械用油

挖掘机

国产品牌挖掘机对润滑油没有特殊要求,一般常规润滑油就能够满足使用要求,即使是用油相对苛刻的液压系统,使用HM 高压液压油一般就能满足使用要求。对于大型液压系统用油,可以推荐使用液压传动刹车通用油,其基础油更好,添加剂加剂量也更高,完全能够满足国外品牌挖掘机的使用要求。国外品牌挖掘机对除液压系统以外的其他系统用油液,如发动机油、齿轮油、冷却液等,没有特殊要求。

运矿车

运矿车广泛用于钢铁、水泥、煤炭等行业的矿石运输,其特点是机械设备体型大,运量大,100 t、200 t是常见规格。因此给人的一个错误印象是运矿车工况条件非常苛刻。运矿车最让人担心的是发动机的润滑。与其他工程机械由发动机直接提供动力不同,运矿车的发动机主要用来发电,电机通过液压系统控制驱动运矿车行走,一台运矿车可以有多台发动机,因此工况条件并不是想象的那么苛刻,常规的CH-4、CI-4柴油机油等均可满足使用要求。运矿车其他润滑系统所用的润滑油如液压油、齿轮油、润滑脂等也并不特殊。由此可见,运矿车对油品性能没有特殊要求,常规的润滑油品种即可满足使用要求。

混凝土机械

混凝土机械的用油特殊性在于混凝土中的水容易进入液压系统,污染液压油,腐蚀铜等部件,因此一般推荐使用分水性和对铜保护性更好的无灰液压油产品。但是目前含锌液压油,如HM 高压液压油,随着添加剂技术不断进步,在抗水以及对铜的保护方面也越来越好,目前同样能够满足混凝土机械的使用要求。

压路机

振动压路机有1个或2个振动轮,即单钢轮压路机和双钢轮压路机。因此振动压路机润滑系统在一般工程机械的基础上,还要考虑振动轮的润滑。

压路机在正常工作时,振动轮的齿轮转数一般为2 000 r/min或4 000 r/min,轴承温度一般在90 ℃以上,最高可达120 ℃,对齿轮油的高温性能要求较高。普通矿物型工业齿轮油不能满足压路机振动轮的使用要求,合成工业齿轮油具有更好的高温性能,广泛用于压路机振动轮的润滑。GL-5车辆齿轮油在小型压路机振动轮上也有大量应用。压路机对所用的其他润滑油,如发动机油、液压油等,则没有特殊要求。

盾构机

盾构机,全名叫盾构隧道掘进机,是一种隧道掘进的专用工程机械,现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体,具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能,且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造,可靠性要求极高。

盾构掘进过程中,管片是静止不动的,盾体是连续移动的,因此盾尾和已装管片间存在相对滑动,为了防止外部污水和泥砂等进人盾构内,必须对盾尾和管片间进行密封处理。盾尾密封一方面靠装在盾尾内壁的四道钢丝刷密封,另一方面是靠充满整个油脂腔的油脂,即盾尾密封脂建立起压力进行密封;同时,注入到油脂腔内的油脂也可以起到润滑和保护钢丝刷、延长其使用寿命的作用。盾尾密封脂是一种以油脂为主剂,加入纤维、改性剂、填充剂等添加剂而制得的膏状物,主要起到密封、防水、润滑、防腐蚀作用。

盾构机对所用的其他润滑油脂,如液压油、齿轮油、普通润滑脂等,则没有特殊要求。

工程机械用油发展趋势

工程机械产量巨大,新技术的使用推广均非常迅速,润滑油的发展紧跟工程机械行业的发展,从大的方向来说,主要是定制化及长换油周期的需求更为迫切。

随着工程机械个性化、定制化产品越来越多,对润滑油的需求也越来越精细。OEM与润滑油生产商从设备开发开始,就对润滑油性能提出了相应的技术要求,双方共同设计、共同开发产品的趋势越来越明显。例如,某起重机生产商将蜗轮蜗杆的钢铜摩擦副改进到钢钢摩擦副,原来的蜗轮蜗杆油就不再适用,为此某品牌专门研发的专用的合成齿轮油就很好地满足了设备的使用要求。未来这种定制化、精细化的油品将会越来越多地出现在市场上。

工程机械对润滑油的另一主要要求就是换油周期不断延长。发动机油换油期由原来的500 h增加到1 000 h甚至更长;液压油由原来的1 000 h以上普遍延长到5 000 h左右,住友机械甚至延长到10 000 h。其他油品同样有长换油期要求。

因此,润滑油生产商需要及时跟进以上需求,积极参与工程机械设备的研发,拿出满足客户需求的产品,才能跟上工程机械行业和润滑油行业未来的发展步伐。