工业齿轮油Flender认证规格第16版浅析

周康

中国石油兰州润滑油研究开发中心

微点蚀又称“灰斑”、“微剥落”等，是齿轮工作过程中齿面出现微小疲劳裂纹并伴随少量材料转移的综合过程。它宏观上相对点蚀较为密集，肉眼可见片区灰斑；微观上表现为浅表凹坑(裂纹深度约为10～20 μm，长度约25～100 μm，宽度约10～20 μm)[1]。近年来，微点蚀作为一种新型的齿面疲劳磨损而受到关注，它通常发生在凸轮、齿轮和滚动轴承等受交变负荷的机械零件中，容易引起轮齿精度降低、动载荷和噪音增大，从而减少齿轮的使用寿命，导致许多大型工业传动机械和一些汽车传动机械失效，在兆瓦级风电齿轮等工业应用中显得尤为突出。

成立于1899年的德国西门子弗兰德FLENDER集团是世界领先的顶级专业动力传动设备制造商，凭借齿轮制造的悠久历史，FLENDER已成为高速齿轮领域的领导者。满足西门子弗兰德减速机润滑需求的Flender工业齿轮油认证规格（以下简称Flender认证规格）是风力发电、冶金、矿山、水泥、造纸等行业工业齿轮和减速机等传动部件最重要的OEM（原始设备制造商）认证标准，代表着工业齿轮油的发展趋势。2011年以来，Flender认证规格多次更新，于2011年2月28日 、2013年12月17日、2015年8月7日先后颁布了Rev.13、Rev.14、Rev.15要求（第13版～第15版）。笔者在2017年的研究中对这3个版本的规格进行了比较[2]。最新的版本是2018年5月颁布的Rev.16（第16版，2017年10月1日首次颁布，2017年12月6日和2018年5月24日对该版本进行了补充说明），每次更新都有一些新的变化。本文对最新的Flender认证规格第16版进行解读，与第15版规格进行对比，分析新标准带来的影响，以期为高性能工业齿轮油的开发提供思路。

风电、造船及航空等行业所用齿轮箱由于载荷大、工况复杂多变容易出现微点蚀现象，由此引发了近年来对低速重载齿轮传动中微点蚀现象的重视和深入系统的研究。由于齿轮微点蚀已成为影响其传动精度、使用寿命及运行可靠性的一个重要影响因素，越来越多的齿轮制造商要求在其设备上使用抗微点蚀工业齿轮油。西门子Flender认证规格是抗微点蚀工业齿轮油的最高标准。本文对2018年5月24日颁布的第16版Flender认证规格进行解读，比较其与第15版的差别，分析新标准带来的影响。

第15版、第16版Flender认证规格的对比

试验项目

两个规格的试验项目比较见表1。

第16版规格的试验项目在第15版的基础上，在如下方面做出了变动：

底漆材料的兼容性试验

第16版规格对与底漆材料的兼容性试验方法进行了更新，由Revision 1升级为Revision 2。具体表现在：

◇增加了底漆材料厚度的限值，将P22环氧树脂油漆干膜厚度规定为30 μm，M20-EP和EP 3152的涂层干膜厚度规定为80 μm；

◇对每种底漆试验用油量进行了修正，从第15版的每个涂层测试用量为1 L更新到2 L。

第16版规格中要求试验油通过与齿轮箱底漆材料的兼容性试验与第15版相比并未变化，一般分两个阶段进行：

◇第一阶段在130 ℃条件下浸泡168 h；

◇第二阶段分两组，一组不加水，另一组加入5%的水后，再在90 ℃条件下浸泡5 h。

两个阶段试验结束后对考察油品与油漆的相容性，通过外观、硬度测试及划痕测试结果评价。

表1 Flender认证规格第15版与第16版试验项目的比较

与面漆材料的相容性试验

第16版规格首次增加了与面漆材料的相容性试验。第16版规格中规定了五种面漆材料相容性试验，包括四种聚氨酯涂料（PU 5240、PU6340、PU5045、PU 6340 HC）和一种环氧树脂涂料（EP4251），每种涂层干膜厚度规定为μm。第16版规格中要求试验油品通过与面漆材料兼容性试验，该试验将涂有面漆的漆片放入容器中，再放置在80 ℃烘箱中浸泡168 h，然后对漆片浸油、未浸油区域的硬度（应用漆膜摆杆硬度计测量）和与油漆的相容性进行评价。要求浸油区漆膜硬度相对试验前漆膜硬度变化率绝对值不大于50%；漆膜涂层从底材上的脱离抗性不小于Gt 1级。

齿轮箱是风电机组传动系统的核心部件，往往安装在距地面几十米甚至100多米高的狭小机舱内，容易受到酷暑严寒和极端温差的影响，特别对于地处海边的风机，还会受到水汽和盐雾的侵蚀，极易受到腐蚀。齿轮箱的外部保护就显得尤为重要， 油漆涂装就是一种很有效的保护[3]。风机齿轮箱设备在出厂前一般会进行刷漆(包括底漆、面漆)，其对涂层的底漆和面漆的材料选用和涂装工序要求非常严格。底漆是直接与钢铁表面接触的涂层，要求油漆能够牢固地附着在齿轮箱内外表面。若所用油品与油漆不兼容，造成脱落会直接润滑油性能下降，加速齿轮和轴承的磨损， 严重时会缩短齿轮传动系统的寿命。面漆中含有较高比例的耐腐蚀树脂，是防腐蚀涂层配套体系中最外的一层漆。它的主要作用是防止润滑油及水、气等对钢铁产生腐蚀，延长涂层的防护使用期，保持齿轮箱内外表面的清洁。齿轮油在使用过程中要与油漆接触，因此需要测定设备涂层材料与润滑油的相容性，防止油品对设备涂层的侵蚀。

Flender抗泡试验

第16版规格在Flender抗泡试验中将所用的PG合成油试验所用混用测试油Tribol 1390/220更名为Castrol Optigear Synthetic 1390/220。这主要是由于Castrol油品公司将原先产品进行更名造成的。

第16版规格中Flender泡沫性试验方法为ISO12152，试验条件：针对矿物型、PAO与合成酯类测试油品需要3次测试，一次是单独的试验油，另外2次是试验油分别混入2%（质量分数）和4%（质量分数）的Castrol Alpha SP220S测试油。3次试验通过的要求均一样，即为停机1 min后油气混合物体积增量不超过15%，停机5 min后油气混合物体积增量不超过10%。针对PAG型测试油品也需要3次测试，除去单独一次试验油外，另外2次是试验油分别混2%（质量分数）和4%（质量分数）的Castrol Optigear Synthetic 1390/220测试油，试验的通过要求同前。

动态橡胶兼容性测试

第16版规格在合成型油品的动态橡胶兼容性测试中减少了一种测试条件。第16版规格中，合成型油品测试涉及到一种丁腈橡胶72 NBR 902及两种氟橡胶75 FKM 585、75 FKM260466。这几种橡胶均要进行硬度变化、体积变化、拉伸强度变化、断裂伸长率变化的检测，均要满足相关指标的要求。

试验规则的设定

第16版规格中，除一些试验条件发生变化外，在试验规则的设定上也发生了一些变化。以PAO与合成酯为基础油的合成油为例，要获得VG150到VG680的产品认证，需要遵守的测试项目与之前发生了明显变化，具体见表2。

根据第15版规格，VG220需通过除了抗泡和过滤试验之外的所有试验，VG680需通过Flender认证中泡沫试验，VG320需通过Flender过滤试验，这样才能从VG220覆盖到VG680牌号；针对低黏度VG150油品需要单独进行所有认证试验。要获得VG150到VG680的产品认证，共需要测试不同黏度级别的油品为18个。

第16版规格规定，针对低黏度VG150，需要进行FZG擦伤试验、FE-8 轴承磨损试验、FZG 微点蚀试验；针对VG680，需要进行Flender 抗泡沫性试验；与底漆材料的兼容性试验、与面漆材料的兼容性试验、Flender过滤试验、液体密封材料的相容性试验、静态轴封橡胶兼容性试验和动态轴封橡胶兼容性试验这6项试验则选择VG320、VG460两个黏度级别展开。要获得VG150到VG680的产品认证，共需要测试不同黏度级别的油品为16个。

表2 Flender规格第15版与16版中不同黏度油品所做测试项目的比较

主要技术指标解读

油品的极压抗磨性

Flender认证规格中抗磨性能包含FZG擦伤试验和FZG 微点蚀试验：

◇FZG擦伤试验是衡量油品承载能力的一个重要指标。FZG擦伤试验方法为DIN ISO 14635，试验条件为：A/8.3/90，表示A型试验齿轮，小齿轮的节圆速度是8.3 m/s，齿轮箱的试验温度90 ℃。Flender认证规格中要求油品的承载失效“大于12级”。

◇FVA微点蚀试验是评价油品抗微点蚀性能的重要手段。Flender认证规格中抗微点蚀试验方法为FVA 54 VII，其试验条件见表3。评定一个样品需要的运行时间为577 h，包括两个阶段的测试：承载级要求9级试验后的齿廓偏差ffG小于7.5 μm、微点蚀面积GF为小于15%；耐久级要求10级测试至少做2次，同时满足 (ffGtotal -fGafter LS8)/z10 ≤2 μm、(GFtotal -GFafterLS8 )/z10≤5%（即试验结束后总齿廓偏差ffG total减去8级后的齿廓偏差fGafter LS8除以10级耐久级次数z10不大于2μm、试验结束后总微点蚀面积GF total减去8级后的微点蚀面积GFafter LS8除以10级耐久级的次数z10不大于5%）。

油品的轴承保护性能

以风电行业为例，轴承是齿轮箱中最为重要的零件，国内外的实践表明，轴承失效常会引起齿轮箱灾难性的破坏。一般来说，风电齿轮箱输入轴的转速在10～20 r/min，由于转速较低，导致输入轴轴承也就是行星架支撑轴承的油膜形成往往比较难。油膜的作用是在轴承运转时分开两个金属接触面，避免金属与金属直接发生接触。良好的润滑可以减少轴承的磨损，延长其使用寿命。

第16版Flender认证规格中FE-8轴承磨损试验方法为DIN 51819-3，试验条件为D-7.5/80-80，表示试验轴承D，转速是7.5 r/min，轴向力为80 kN，温度是80 ℃。Flender认证规格中要求油品的滚柱磨损不大于30 mg，保持架磨损值为报告值。

表3 FVA 54 VII抗微点蚀试验条件

在第16版中， FZG擦伤试验、FVA 微点蚀试验和FE-8 轴承磨损试验都在低黏度VG150中进行，对油品是一个巨大的考验。这是由于低黏度的油品在重载情况下，齿面啮合过程中不容易维持足够的油膜强度，从而造成齿面或轴承磨损。

油品的抗泡沫性能

针对VG680需要进行Flender抗泡沫性试验也是一件具有挑战性的工作，这是由于油品黏度太大时，虽不易形成气泡，但一旦形成气泡，很难浮到表面。此外，温度和黏度这两个因素是互相关联的，对大黏度油品来说，当温度升高时，黏度下降到适于生成气泡的范围，反而会增大成泡倾向。

油品的其他性能

第16版Flender认证规格中，选择VG320而不是VG150或VG680，开展面漆材料的兼容性试验、Flender过滤试验、液体密封材料的相容性试验、静态轴封橡胶兼容性试验和动态轴封橡胶兼容性等六个项目试验是一种使用性能的现实考量。这是由于VG320黏度级别的油品在工业齿轮油市场中占比是最大的，理应得到更多的关注，材料相容性试验（静态/动态、液体密封、底漆/面漆）本身也是Flender认证项目的难点，将其放在市场用量最大的黏度VG320上也是本版本规格的一大特色。

新认证规格带来的影响

结合对Flender认证第16版规格的梳理发现，随着认证规格版本的升级，对油品的核心要求没有大的变化，但突出的特点是更加强调油品的实际使用性能。不管是从试验方法角度首次增加了与面漆材料的相容性试验，还是从认证规则上采用低黏度油品开展抗磨性能测试，高黏度油品开展材料兼容性测试，都体现了认证油品与实际应用的高度结合。这是由于FZG 擦伤试验、FVA抗微点蚀试验和FE-8 轴承磨损试验强调的是油品本质的使用性能，即保护齿轮和轴承；Flender抗泡沫性试验，涂层材料、液体密封材料和轴封橡胶的相容性试验和Flender过滤试验强调的是油品延伸的客户感受性能，即延长油品使用周期和设备使用寿命。

结束语

西门子的Flender规格是全球公认的抗点蚀工业齿轮油最高规格，也是最具代表性的齿轮油OEM规格。通过对第16版Flender认证规格的分析可以发现，如果说FZG 擦伤试验、FVA抗微点蚀试验和FE-8轴承磨损试验关注的是油品可靠性，那么Flender 抗泡沫性试验，涂层材料、液体密封材料和轴封橡胶的相容性试验和Flender过滤试验则强调油品耐久性。可靠性和耐久性将是未来高性能工业齿轮油的发展方向。