聚醚合成工业齿轮油的研制

于 海，张遂心，周 康，蒲辰光

(中国石油兰州润滑油研究开发中心，兰州 730060)

聚醚(PAG，又称聚亚烷基二醇)是一种高性能合成基础油，因其具有极其优异的黏温性能、低温性能、润滑性能、耐高温清净性能而在工业润滑油产品中得到广泛应用。特别是聚醚合成工业齿轮油，因为可以提供极低的摩擦因数，防止设备的热积累，有效降低设备的运行温度，而且可以有效地降低设备的动力消耗，达到节能的目的。因而特别适合用于高滑动的齿轮，可使在最苛刻条件下运行的锥形齿轮、螺旋齿轮、斜齿轮、行星齿轮等几乎所有的齿轮减速机和蜗轮蜗杆传动装置获得前所未有的表现性能[1]。

目前我国聚醚合成工业齿轮油市场以国外产品为主，厂商主要包括美孚、壳牌、BP等，国内品牌仅有少量份额。鉴于聚醚合成工业齿轮油优异的使用性能和广泛的应用领域，未来将具有很大的市场潜力，据《PAG应用及规划》中数据显示：目前我国聚醚合成工业齿轮油需求量约3 600 t，到2020年国内的需求可以达到4 500 t。因此，开发聚醚合成工业齿轮油为我国高端装备润滑技术的配套与升级，具有重要意义。

1 聚醚合成工业齿轮油的研制

1.1 基础油的选择

聚醚是以环氧乙烷(EO)、环氧丙烷(PO)、环氧丁烷(BO)或四氢吠喃(THF)等为原料，开环均聚或共聚成线型聚合物[2]。相比于传统的石油基基础油(如矿物油、合成烃、酯类油等)，聚醚具有许多优良性能，其中包括良好的润滑性能，高的闪点和高的黏度指数，低挥发度和低倾点；高温下使用，生成的氧化产物能够完全溶解在聚醚液体中或者挥发掉，设备中不留下沉积物。

表1为聚醚与矿物油、合成烃、酯类油一些特性的对比[1]。

表1 聚醚与矿物油、合成烃、酯类油的特性对比

注：++代表很好；+代表好；--代表差；0代表一般，以下同。

从表1可以看出，聚醚相比于其他3种基础油在黏温特性、抗老化、抗磨损和减摩性能上较为出色，但由于其分子结构中含有大量的烷氧基官能团，在长的碳链末端还存在有极性较强的羟基。这些官能团的存在，使得聚醚基础油与其他类型基础油的相容性以及对添加剂的适应性均较差，为配方研究带来较大难度[3]。

聚醚基础油又分为3种类型：油溶性聚醚OSP、水溶性聚醚WSP和水不溶性聚醚WIP。不同类型的聚醚在黏温性能、密度、减摩性能等方面有较大差异，如表2所示[4]。

表2 不同类型聚醚的特性对比

从表2可以看出，水溶性聚醚WSP相较于其他两个类型聚醚，在润滑性、黏温性、减摩性能方面均是最优的。原因在于，随着聚醚中环氧乙烷(EO)单元含量的增加，油品的黏温性能和黏压特性会提升[2，5]。一般来说，水溶性聚醚的EO单元质量分数通常大于50%，而水不溶聚醚的EO单元质量分数则不大于25%，油溶性聚醚选用的是更长链的环氧烷烃和长链的羧酸封端，在润滑性、黏温性、减摩性能方面的表现是3个聚醚类型中最差的。此外，鉴于目前国内外同类产品大多采用水溶性聚醚，故本研究采用市售的南京威尔公司生产的WSP基础油A(40 ℃运动黏度为100 mm2/s)和WSP基础油B(40 ℃运动黏度为1 000 mm2/s)作为基础油组分。

1.2 抗磨剂的选择

由于聚醚基础油的分子结构中含有大量的烷氧基团，使得常用的抗磨添加剂在聚醚基础油中与在石油基基础油(如矿物油、合成烃以及酯类油)中的适应性存在较大的差异，部分添加剂不能直接用于聚醚的润滑油配方中。因此，试验首先对几种抗磨剂以一定量[添加量(w小于1%)]添加到基础油中时与WSP基础油A和B的调合基础油[m(A)∶m(B)为4∶1]的相溶性进行考察，结果见表3。

表3 几种抗磨剂与聚醚的相溶性

注：○表示相溶性良好；×表示相溶性差，出现不溶或浑浊现象。

从表3可以看出，T306、磷酸酯链胺盐和中性磷酸酯对聚醚的感受性良好，而T406和磷酸酯芳胺盐对聚醚的感受性则不佳。

将相溶性良好的3种抗磨剂以一定量[添加量(w)小于1%]按不同组合加入到WSP基础油A和B的调合基础油[m(A)∶m(B)为4∶1]中，考察各油样在四球机中各条件下的摩擦学性能，结果见表4。

表4 抗磨剂四球摩擦性能考察结果

从表4可以看出，采用T306与磷酸酯链胺盐和与杂环/亚磷酸酯胺盐的复配方案相较于其他抗磨剂组合对于油品的最大无卡咬负荷PB和烧结负荷PD提升最大。但从磨斑直径来看，与杂环/亚磷酸酯胺盐的复配方案测得的磨斑直径较大，略差于其他抗磨剂组合，故本研究确定抗磨剂方案为T306与磷酸酯链胺盐。

1.3 防锈剂的选择

在石油基基础油中，一般防锈剂仅需要很低的剂量就能有效地抑制锈蚀，而在极性基础油中尤其是WSP聚醚基础油中，同样的防锈剂在更高的剂量下，往往都不能发挥作用[6]。因此，需要对防锈剂性能按照国家标准GB/T 11143A方法筛选考察，结果见表5。从表5可以看出，采用酰肌氨酸和磷酸酯胺盐的复配方案相比较其他防锈组合，具有很好的防锈效果，故试验优选酰肌氨酸和磷酸酯胺盐的复配方案。

表5 几种防锈剂的性能考察

1.4 抗氧剂的选择

聚醚基础油虽然在高温下能抑制油泥的生成，但其本身的抗氧化性能较差，试验对多种抗氧剂组合进行了考察，结果见表6。从表6可以看出，采用酚胺组合的抗氧体系可有效提高油品的抗氧化性能，故试验优选T501和胺类抗氧剂的组合方案。

表6 抗氧剂性能考察

2 聚醚合成工业齿轮油综合性能考察

通过对抗磨剂、防锈剂、抗氧剂等添加剂的筛选，并对配方中各添加剂之间的配比进行了平衡，形成了KGW聚醚合成工业齿轮油配方技术，并对调合油品的各项性能进行了考察，结果见表7。从表7可以看出，研制的KGW聚醚合成工业齿轮油各牌号产品具有良好的黏温性能、低温性能、防锈性能、抗氧化性能以及极压抗磨性能。

表7 KGW150，KGW220，KGW320，KGW460聚醚合成工业齿轮油的典型性质

1)在1 200 r/min，392 N，60 min，75 ℃条件下测得。

对各牌号研制油与国外同类产品进行了各项物理化学性能的对比试验，以黏度牌号为220号和320号为例的结果见表8。从表8可以看出，研制的KGW 220、KGW320聚醚合成工业齿轮油产品与国外同类产品相比，具有更优的黏温性能、低温性能、抗氧化性能以及极压性能，达到国外同类产品质量水平。

除常规物理化学性能分析以外，摩擦因数也是聚醚合成工业齿轮油产品的重要指标之一。其中，低的摩擦因数可以带来齿轮箱减速器传动效率的提升、工作温度的下降，并减少功率输出和能源消耗[7]。故本研究利用MTM2微牵引力试验机，通过测定油品牵引系数在恒定负荷、温度和传动比下随时间的变化情况，分别对研制油KGW220，KGW320，KGW460与国外同类产品进行对比考察，结果见图1～图3。从图1～图3可以看出，与国外同类产品相比，研制油KGW220，KGW320，KGW460的MTM牵引系数更低，对应实际工况，可以更好地降低油温，提高传动效率。

1)在1 200 r/min，392 N，60 min，75 ℃条件下测得。

图1 KGW220与国外产品220的牵引系数对比——KGW220； ——国外产品220

图2 KGW320与国外产品320的牵引系数对比——KGW320; ——国外产品320

图3 KGW460与国外产品460的牵引系数对比——KGW460; ——国外产品460

3 结 论

以聚醚为基础油辅以抗磨剂、抗氧剂、防锈剂等多种添加剂研制而成的KGW聚醚合成工业齿轮油具有优异的黏温性能和低温性能、优异的极压抗磨性和极优的减摩性能，可满足高负荷、强冲击等苛刻条件下各类齿轮传动装置的润滑要求。该系列产品达到了国外同类产品质量水平。