满足TES-439规格重负荷液力传动液的性能特点和应用

姜禹，赵治宇，高洁，樊爽，张伟光，黄东升

(中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁 大连 116031)

0 引言

随着工程机械车辆日益向更大功率和更高性能的方向发展，大功率自动变速箱得到了越来越多的应用[1]。

自动变速箱能满足车辆频繁起步、频繁加速的要求，并可以连续加速至最高车速，提高车辆起步加速性能，从而提高整体运行速度。同时由于液力变矩器的作用，自动变速箱在车辆起步阶段能增加扭矩，有利于发动机功率的充分利用[2]。

随着自动变速箱技术的发展，大功率液力变速箱越来越广泛地应用于重型非公路车辆、油田、矿山、工程机械的传递系统，如钻井机、压裂车、固井车及其他重型自卸车等设备[3]。

大型非公路机械车辆OEM(设备制造商)根据各自重负荷非公路机械车辆自动变速箱的特点，均提出了相关的重负荷液力传动油用油规格，如Caterpillar TO-4规格、Komatsu KES 07.868.1规格、Allison TES-439规格等[4]。

艾里逊公司成立于1915年，总部设立于美国印第安纳州首府印第安纳波里斯市，艾里逊变速箱公司是全球最大的商用自动变速箱和混合动力系统的领先生产商，艾里逊非公路系列变速箱主要应用于油田和矿山等能源开采的重型工程机械中，艾里逊建议：只有符合艾里逊TES-439规格的油液方才用于5000、6000、8000和9000系列非公路变速箱。

近年来，随着我国油田开发以及页岩气开采的需求加大，对油田和矿山工程机械的需求量大增，满足TES-439规格重负荷液力传动液的需求也逐年增长，根据市场的需求，中国石油大连润滑油研究开发中心研发了满足TES-439规格的KO重负荷液力传动液系列产品。本文介绍了非公路车辆、工程机械设备对重负荷液力传动液的要求及KO重负荷车辆液力传动液的性能特点，并对KO重负荷液力传动液在国内某油田压裂车的艾里逊9832系列变速箱的应用情况进行了总结。

1 KO系列重负荷液力传动液标准

艾里逊于1955年发布了“C系列”变速箱用油规格，用以区别当时其他的汽车变速箱油规格。随着1989年最新C-4(TES-228)规格的发布，艾里逊持续推出“C系列”规格用来规定变速箱油用油要求。

多年来，“C系列”规格不断改进，包括新的和改进的试验、试验方法和验收标准。这些都使得变速箱油性能不断地改善。随着艾里逊TES-439规格的发布，艾里逊停止使用“C系列”规格。符合TES-439规格的油品被指定为“TES-439认可”油品，用于艾里逊非公路(5000～9000系列)变速箱中[5]。

艾里逊TES-439规格中的黏度等级有：SAE 0W-30、SAE 0W-40、SAE 30、SAE 5W-40、SAE 10W-40、SAE 15W-40以及SAE 40共7个黏度等级，其中包含两个单级油黏度等级以及5个多级油黏度等级，本产品标准参照艾里逊TES-439规格要求、并根据国内非公路车辆、工程机械用油实际工况环境及国内外的标准试验方法而制定，主要技术指标和试验方法见表1。

表1 KO 0W-30重负荷液力传动液的技术要求及试验方法

表1(续)

2 KO重负荷液力传动液系列产品的主要性能指标

依据艾里逊TES-439规格要求对基础油和添加剂进行筛选，选择合适的基础油和添加剂，研发满足规格的KO重负荷液力传动液系列产品，产品的主要性能指标见表2。

表2 KO重负荷液力传动液的典型数据

表2(续)

艾里逊TES-439规格中对于重负荷液力传动液的热氧化安定性、极压抗磨性能以及摩擦特性这三个关键性能的要求都比较的苛刻，KO系列重负荷液力传动液在这三个方面均有较好的性能表现，具体性能表现在后面逐一描述。

2.1 优异的热氧化安定性

艾里逊TES-439规格采用ABOT铝杯氧化试验考察油品的热氧化安定性，ABOT铝杯氧化试验在高温、通入空气以及含有金属催化剂的条件考察油品的热氧化安定性，采用KO系列重负荷液力传动液进行铝杯氧化试验，试验结果以及技术指标见表3。

表3 铝杯氧化试验数据

由表3数据可知，此重负荷液力传动液能够满足ABOT铝杯氧化试验要求，铝杯氧化试验后，试验件铝杯以及铝杯顶部见图1和图2。

图1 铝杯

图2 铝杯顶部

由图1和图2可知，铝杯氧化试验后，没有明显的油泥以及漆膜生成，说明KO重负荷液力传动液具有优异的高温清净性能，能够满足艾里逊TES-439规格要求[5]。

2.2 优异的极压抗磨性

艾里逊TES-439规格采用FZG承载能力试验考察油品的抗磨性能，采用KO系列重负荷液力传动液进行FZG承载能力试验，试验结果以及技术指标见表4。

表4 FZG承载能力试验数据

由表4数据可知， 该重负荷液力传动液满足TES-439规格中FZG承载能力试验要求，FZG承载能力试验后，齿轮接触面见图3和图4。

图3 固定面

图4 齿轮面

由图3和图4可知，齿轮面和固定面都光亮如新，没有明显的磨痕，说明KO重负荷液力传动液具有优异的极压抗磨性能，满足艾里逊TES-439规格要求[5]。

2.3 优异的摩擦特性

艾里逊TES-439规格对于油品摩擦特性的考察采用高能摩擦试验台架，摩擦材料选用的是石墨基摩擦材料，并且对中点摩擦系数和结合时间提出了具体要求，采用KO系列重负荷液力传动液进行摩擦特性试验，试验结果以及技术指标见表5。

表5 高能摩擦试验数据

由表5数据可知，KO重负荷液力传动液满足艾里逊TES-439规格中高能摩擦试验要求，摩擦系数以及停止时间见图5和图6。

图5 停止时间

图6 摩擦系数

由图5和图6可知，KO重负荷液力传动液在高能摩擦试验过程中摩擦系数变化和停止时间保持平稳，说明KO重负荷液力传动液具有优异的摩擦性能，满足艾里逊TES-439规格要求[5]。

2.4 满足TES-439其他类型产品的性能指标

艾里逊官网上列出了满足TES-439规格并取得艾里逊TES-439认证的润滑油产品，其中主要分为两种技术路线：一是以柴油机油为技术平台的油品，这种油品既能满足柴油机油规格标准，又能满足艾里逊TES-439规格标准；二是重负荷液力传动液类型产品，这种油品是专门为了满足艾里逊TES-439规格标准而研制开发的，KO重负荷液力传动液属于第二种类型技术路线，并且KO 0W-30重负荷液力传动液取得了艾里逊TES-439规格认证。

在实际应用中，油田矿山开采以及其他非公路设备用户的艾里逊变速箱中还使用满足Allison C-4(TES-228)规格的ATF类型产品，收集了取得TES-439认证的二种不同技术路线的油品以及油田压裂车使用的ATF类型油品，其中柴油机油的黏度等级选择比较常见的SAE 15W-40，重负荷液力传动液产品黏度等级为SAE 0W-30，与KO 0W-30重负荷液力传动液进行对比，数据见表6。

表6 不同技术路线油品数据对比

3 KO重负荷液力传动液的应用

油田压裂车台上变速箱大部分采用的是艾里逊变速箱，主要是艾里逊5000系列、6000系列、8000系列和9000系列变速箱，艾里逊变速箱的具体规格见表7。

表7 艾里逊变速箱规格参数

目前，油田压裂车上大部分使用满足Allison C-4(TES-228)规格ATF类型的产品，我们利用KO重负荷液力传动液和ATF进行了对比行车试验，行车试验的变速箱为艾里逊非公路变速箱9832OFS型号。

由于行车试验的两种油品满足的技术指标以及初始的理化数据均不相同，选择油品理化性能的变化率对油品在实际行车试验过程中的性能变化进行考察，在油箱及管路清洗干净后，加入试验油品，并且开机磨合一段时间，取出一定的试验油品做为在用0 h样品，以后每隔250 h取样，分别考察每个时段每种油品的100 ℃运动黏度下降率、酸值变化以及铁元素含量变化。

3.1 100 ℃运动黏度下降率

运动黏度是润滑油重要的质量指标，运动黏度是一种条件黏度，是在一恒定温度下，测定一定体积的液体在重力下流过一个标定好的玻璃毛细管黏度计的时间[6]。非公路变速箱在正常工作时的温度均在100 ℃左右，所以非公路变速箱中使用的重负荷液力传动液主要考察100 ℃运动黏度，重负荷液力传动液的运动黏度越低，抵抗液体黏性的能量损失就越少，传动效率就越高，运动黏度如果过低则不能有效形成油膜，导致其极压抗磨性能降低，减少齿轮以及轴承等零件的保护，重负荷液力传动液在使用过程中由于受到较强的机械剪切，会导致运动黏度的下降，下降速率过快会导致变速箱内压力不稳定并加速油品氧化。行车试验的两种油品的100 ℃运动黏度下降率的见图7。

图7 100 ℃运动黏度下降率

由图7可知，KO重负荷液力传动液的100 ℃运动黏度下降率低于ATF自动传动液，并且在500 h后就达到稳定，其主要原因是因为KO重负荷液力传动液对于其中添加的黏指剂的种类和加量控制的比较严苛，在使用过程中，变速箱工作中压力波动会更小一些，KO重负荷液力传动液的抗剪切性能要优于ATF自动传动液。

3.2 酸值变化

酸值是中和1 g油品中酸性物质所需要氢氧化钾的毫克数，它是石油以及石油产品中一项重要的指标，主要用来反映石油以及石油产品在开采、运输、加工以及使用过程中对金属的腐蚀性以及油品的变质程度[7]，很多种类的润滑油油品均采用酸值的增加值作为换油的一项考核指标，当酸值的增加值达到一定数值的时候，就说明该油品已经完全氧化从而更换新的油品确保对设备的保护。行车试验的两种油品酸值增加值见图8。

图8 酸值增加值

油品新油的酸值是由油品中添加剂的化学性质决定的，油品在使用过程中，添加剂的有效成分被不断地耗解，在用油品的酸值会出现下降状态，随着添加剂有效成分的不断耗解以及油品被氧化产品的酸性物质的不断增加，在用油品的酸值会在下降到某个数值后逐渐增加，当酸值增加到一定的数值，整个油品将不适合继续使用，对于重负荷液力传动液，酸值的增加值一般不能超过2.5 mgKOH/g。

由图8可知，KO重负荷液力传动液和ATF自动传动液的酸值增加值均为负值，KO重负荷液力传动液在整个行车试验过程中酸值下降值在0.6mgKOH/g到0.7mgKOH/g之间，中间略有波动，可能是由试验误差导致，并且KO重负荷液力传动液的酸值还有下降的趋势，ATF自动传动液的酸值的增加值在750 h后略有回升，但是酸值的增加值还是负值，整体说明两种油品的抗氧化性能均比较好。

3.3 铁元素含量变化

通过分析润滑油中铁元素含量，可以看出润滑油在金属表面保持油膜的能力，良好的润滑性能能够保证工作部件的可靠润滑，避免工作部件的磨损。变速箱在工作中，影响液力传动液抗磨性能的重要因素是其在金属表面的油膜保持能力，当变速箱的负荷增大时，如果液力传动液的润滑性能不足，油膜被破坏，容易导致干摩擦，导致工作部件表面的擦伤和磨损，甚至出现烧结现象[8]，行车试验的两种油品的铁元素含量增加值见图9。

图9 铁元素增加量

由图9可知，KO重负荷液力传动液和ATF自动传动液在500 h之前，铁元素含量的增加速率都是相对平缓的，到500～750 h之间，KO重负荷液力传动液的铁元素含量的增加速率略有提升，而ATF自动传动液的铁元素含量增加速率大幅提升，其主要原因可能是这个时间段的工况比较苛刻，变速箱的负荷较大，导致工作部件表面的擦伤和磨损增大，到了750～1000 h，工况缓和之后，两种油品的铁元素含量的增加速率都有所下降，整个行车试验过程中KO重负荷液力传动液的铁元素增加量均低于ATF自动传动液的铁元素增加值，并且面对比较苛刻的工况条件下，能够为变速箱提供更好保护，说明KO重负荷液力传动液的极压抗磨性能优于ATF自动传动液产品。

4 结论

随着艾里逊非公路变速箱的不断发展，变速箱的总功率和总扭矩不断增加，艾里逊非公路变相用油规格标准也随之不断升级，相对于对于艾里逊 C-4(TES-228)规格，艾里逊TES-439规格中对于性能标准进行细化升级，例如，艾里逊TES-439中对极压抗磨性能的考察进行了提升，根据行车试验数据可以发现，满足艾里逊TES-439规格的KO重负荷液力传动液在使用过程中，铁元素含量的增加量要明显低于ATF类型产品行车试验中的铁元素增加量，说明满足TES-439规格油品的极压抗磨性能要高于满足艾里逊C-4规格油品。满足TES-439规格的KO重负荷液力传动液在艾里逊非公路系列变速箱中将有着广阔的应用前景。