工业齿轮油与材料兼容性评价现状及趋势

2020-06-29金吟

石油商技 2020年3期

金吟

中国石化润滑油有限公司北京研究院

工业齿轮油在工业齿轮箱中润滑齿轮及轴承，同时起到冷却、防锈、抗震、清净的作用，是齿轮箱实现传动的一个必要组成单元。随着科技的发展和技术的进步，工业齿轮箱的传动效率提升、更高的可靠性和耐久性逐渐引起关注，因此工业齿轮油、传动部件及齿轮箱内部其他材料被视为统一的整体。工业齿轮油在润滑摩擦副表面的同时，也会与齿轮箱内部的其他材料产生接触，因此工业齿轮油与材料的兼容性也应予以重视。

工业齿轮箱内部材料主要包括橡胶、涂层、密封胶。齿轮箱与橡胶件的兼容性方面已形成了较为完善的工业齿轮油与橡胶兼容性的评价体系，国外部分标准也对该问题已加以关注。文本主要探讨了工业齿轮箱与涂层、密封胶的兼容性测试方法相关情况。

涂层兼容性

工业齿轮箱中常见涂层材料类型及失效形式

涂层是涂料涂装于齿轮箱表面，减少金属表面由于外界物质及外界环境等因素带来的危害，如大气、水分、盐雾、化学品的影响，并兼具美观效果。涂层通常分为3个部分：底漆、中间漆、面漆。底漆是直接与钢铁表面接触的涂层，是整个涂层体系的重要基础。底漆应具有对钢铁表面良好的润湿性和附着力，对中间漆附着牢固，成膜物质应具有对水、氧、离子透过的屏蔽功能，填料应具有缓蚀功能和阴极保护功能[1]。中间漆的作用是较大地增加涂层的厚度，以提高整个涂层的屏蔽性能，使涂层表面平整，保持表面漆涂层的美观。同时中间漆还应具有一定的弹性，保持涂层在受到冷热变化和受力变形时具有一定的柔韧性。面漆则防止化学介质和化学烟雾及水、气等对钢铁产生腐蚀，防止紫外线对漆膜中树脂的降解破坏，延长涂层的防护使用期和使用寿命。在齿轮箱内部，通常喷涂底漆，因此润滑剂与底漆的接触面较大。但实际使用时，也存在润滑剂和齿轮箱外部接触的可能，因此也有部分国际OEM（原始设备制造商）比如风电齿轮箱制造商关注润滑剂与面漆接触时的兼容性。

本文介绍了工业齿轮油涂层、密封材料的常见类型与失效形式，工业齿轮油与涂层、密封材料兼容性的评价方法；展望了国内在工业齿轮油与材料兼容性评价体系及标准规格建立方面的发展趋势。

常用的底漆类型有环氧树脂漆、改性环氧、环氧富锌底漆等，其中环氧树脂漆及环氧富锌底漆是工业齿轮箱使用较为广泛的材料类型。

在齿轮箱运行过程中，一旦产生润滑剂与涂层的不兼容、不适应，可导致传动单元整体性能的下降，严重的会缩短齿轮传动系统的寿命：一方面，涂料的剥落会造成齿轮箱体耐腐蚀等性能变差；另一方面，涂料剥落混合在润滑油中，会加速齿轮、轴承的磨损等现象。常见的涂层与化学介质接触后产生的不良反应主要表现为剥落、裂纹、粉化、起泡、麻点、变色等导致的附着力下降。为避免上述现象的产生，工业齿轮油和涂层的兼容性测试可被视为一种有效的评价手段。

工业齿轮油与涂层的兼容性评价方法

工业齿轮油与涂层的兼容性，与润滑剂与其他材料的兼容性测试类似，是采用浸泡的方式使涂层与工业齿轮油产生接触后，评价涂层的性能。测试目前暂无国际统一的标准方法及涂层标准件，但有一些相对成熟的经验可以参考。部分国际知名齿轮箱制造商对兼容性要求较为严格，结合自身需求建立了企业规格，如西门子弗兰德（Flender）。具体操作时可根据实际的需要制定试验方法及样件，兼容性的测试手段通常采用浸泡法、划格法，涂层性能的评价可参考相关国际、国内标准。

浸泡法是将涂层样片在一定温度、一定时间下浸泡于工业齿轮油中，观察涂层外观有无出现异常。优点是操作方法简单、容易观察，是一种快速验证兼容性的手段。进行评价时，考虑到工业齿轮油及其使用环境特点，通常遵循高于齿轮箱实际运行温度、长周期浸泡的测试条件，同时亦可借鉴GB/T 1734《漆膜耐汽油性测定法》。

图1 测试过程示意

划格法是在浸泡法的基础上在涂层表面用标准尺划出规定间距的方格，采用黏取划格处涂层的方式测试黏附性能，测试过程见图1。

划格法是一种评价涂层表面在润滑剂中浸泡后黏附性能保持能力的手段，可参考涂层的评价方法如ISO 2409《色漆和清漆交叉切割试验》（Paints and varnishes Crosscut test）。值得注意的是，在使用该方法时需要采用标准尺，且对划格间距、深度都有规定，建议在具备评价能力且有一定操作经验的实验室进行测试。

密封材料兼容性

工业齿轮箱中常见密封材料类型及失效形式

齿轮箱中的密封材料主要有橡胶、平面密封胶、螺纹紧固胶等，起到连接部位的密封作用。平面密封胶主要用于齿轮箱壳体的密封，螺纹紧固胶则用于紧固件的密封，常见的化学结构主要有聚硅氧烷类、丙烯酸酯类等。与橡胶类似，在齿轮箱的实际运行中，如润滑剂与密封材料如产生不兼容的情况，会增大因密封性能下降导致的漏油、润滑效果下降等风险，应予以关注。

工业齿轮油与密封胶的兼容性评价方法

与涂料的兼容性测试类似，工业齿轮油与密封胶的兼容性测试，目前暂无标准方法及材料标准件。一些对于兼容性要求较为严格的国际齿轮箱制造商结合自身材料特点建立了企业规格，如西门子弗兰德（Flender）。在实际操作中，可以参考其测试方法，也可根据自身实际需要设定测试方式。

密封胶的种类多样，分类方式也有很多种。根据润滑油使用及测试经验，可将密封胶材料按使用环境及种类的不同分为有氧型和厌氧型。因其化学特性的不同，兼容性的测试方法也存在差异。

有氧型的胶黏剂如平面密封胶可独立制成样片并具有一定弹性，其兼容性测试方法与橡胶兼容性类似。兼容性测试方法可基于DIN ISO1817橡胶兼容性测试方法建立，将样片裁剪成规定尺寸的哑铃型，采用浸泡的方式，在规定时间规定温度后，对密封材料的拉伸强度变化率、拉断伸长率进行评价。用此方法评估工业齿轮油与平面密封胶的兼容性。平面密封胶测试过程如图2所示。

厌氧型的胶黏剂如螺纹紧固胶可以借助螺栓和螺母进行测试。将胶黏剂涂抹于螺栓与螺母之间，依据材质的需要在规定条件下完成固化。将固化完成的样件在规定时间、规定温度下浸泡于工业齿轮油中，浸泡完成后通过测试其破坏扭矩及平均拆卸扭矩、剪切力等，评估工业齿轮油与螺纹紧固胶的兼容性。螺纹紧固胶测试过程如图3所示。

值得注意的是，工业齿轮油与密封材料的兼容性的测试需要用到专业仪器及设备，如拉力器、数字旋转黏度计、扭力扳手等。如需进行兼容性测试，建议在具有资质及一定测试经验的实验室进行评价。密封材料的兼容测试方法也并不唯一，具有研发实力和评价手段的相关机构可以自行设计试验方法。

我国对工业齿轮油与材料兼容性的关注情况

在工业齿轮油与材料兼容性评价体系建设方面，少数国内的大型专业油公司如中国石化长城润滑油及少数第三方测试机构已与国际接轨，基本具备测试条件并在逐步研究和发展中。

大型国际齿轮箱制造商在中国生产和使用的齿轮箱产品在用油要求上执行其企业规格，对油品的要求相对较高。相对而言，国内齿轮箱制造商尤其是国内龙头企业已开始对材料兼容性方面予以关注，相对于国际一流制造商虽然尚存在一定差距，但随着国内制造商逐渐予以重视，将来在该领域的差距将有明显的缩小。尤其是国内知名的风电齿轮箱制造商、整机制造商均在逐渐完善兼容性评价系统和相关企业规格，部分中国制造商已结合自身齿轮箱及密封特点建立OEM测试方法，为选油用油提供更多判断依据，也提升了齿轮箱整体的可靠性和耐久性。将来将风电领域的相关经验推广应用于更大范围的工业齿轮箱中具有广阔的前景，可达到最大程度上规范油品及齿轮箱内部材料的使用，减少由于兼容性问题带来的产品性能下降及安全隐患的目的。