中国石化长城AE 68液压油（高清）在盾构机上的应用研究

张静如

中国石化润滑油有限公司北京研究院

掘进机械是工程机械行业中的一类重要设备，根据《工程机械定义及类组划分》的分类[1]，掘进机械主要分为悬臂式巷道掘进机、全断面隧道掘进机等。盾构机是全断面隧道掘进机的一种，其使用盾构施工法，主机结构见图1[2]。盾构机起源于英国，在20世纪上半叶盾构技术得到了迅猛的发展，并在德国、美国、日本以及欧洲等发达国家得到了较快的发展。目前，盾构机经过长时间的不断改进，其作为一种高效的隧道施工设备，被广泛应用于各种隧道施工中，如地铁建设、输油管道等，并扩展到多个领域，得到了广泛的认可[3]。我国的盾构技术起步较晚，在21世纪初，美国、日本和欧洲等国家的盾构机相关公司垄断了我国盾构机市场和技术。国际知名的盾构机制造商包括德国的海瑞克公司、维尔特公司，日本的小松公司和川崎重工，美国的罗宾斯公司以及法国的NFM公司等[4]。

图1 盾构机主机结构

近年来，随着我国经济持续快速发展与城市化水平的提高，我国隧道及地下空间开发得到迅猛发展[5]。我国的盾构技术经过多年的发展，已形成一套全面的技术体系，通过对国外先进技术的引进与吸收，我国研制出一系列具有完全自主知识产权、性能优良的盾构设备，实现了中国盾构从有到优的发展，结束了我国盾构长期依赖国外品牌的历史。我国进入了具备盾构自主设计、制造和施工技术的盾构大国行列，同时我国也涌现出了多家实力雄厚的盾构机制造公司。如中国中铁工程装备集团有限公司、中国铁建重工集团有限公司、中交天和机械设备制造有限公司等。

盾构设备作为机械化开挖的工程装备，已在铁路隧道、公路隧道、城市地铁、综合管廊、地下通道、煤矿巷道和饮水隧洞等隧道及地下空间开发工程中得到了广泛的应用[6]。并随着城市地下交通以及地下管廊等规划的进一步实施，盾构机的需求量将进一步扩大。为了适应不同工程对盾构施工技术的需求，盾构施工技术还需要进一步的发展和完善[7]。

根据出渣方法以及工作方式的不同，目前国内盾构机主要分为土压平衡盾构机、泥水盾构机及岩石掘进机等。这几类盾构机工况普遍具有负荷较大、工作温度高、连续作业、多粉尘以及自动化程度高等特点，因此，对设备用油具有较高的要求，需要具备优异的极压抗磨性、防锈性、耐高温性及抗氧化性等性能。由于我国盾构技术源于国外，其润滑油品的选用一直沿用国外品牌。为了探索长城液压油在盾构机及其他工程机械上的应用性能，扩大长城液压油的应用范围，本文开展了长城AE 68液压油（高清）产品在某电力隧道项目某型号盾构机上的应用试验，为盾构机等工程机械用油的国产化替代提供支持。

应用试验

试验设备基本情况

本次应用研究选用的设备为土压平衡盾构机，共涉及两台盾构机，分别记为1号盾构机和2号盾构机。两台设备参数相同，主要参数如表1所示，开挖直径均为4 350 mm。1号盾构机掘进里程约2 840 m，2号盾构机掘进里程约2 900 m。

表1 土压平衡盾构机主要参数

试验油品信息

试验使用的长城AE 68液压油（高清）产品典型数据见表2。

表2 长城AE 68液压油（高清）典型数据

取样

本次应用研究所使用的长城AE 68液压油（高清）自盾构机厂内试机开始注入液压系统内，试机结束后，将盾构机液压油系统内液压油抽取干净，重新注满长城AE 68液压油（高清）新油。装油完毕后，开展盾构机现场试运行。将试运行结束后第一次抽取的液压油油样作为0个月的油样，此后，根据现场施工情况及设备运行情况每月定期取样，直至本次应用研究任务结束。1号盾构机共计取样13次，2号盾构机共计取样12次。本次行车试验所取油样外观照片如图2所示。

图2 行车试验油样照片

油样监测

为监测长城AE 68液压油（高清）在1号和2号盾构机上的性能变化，本次应用研究参照液压油换油标准NB/SH/T 0599的指标要求，并结合盾构机工况要求，对能够表征盾构机用液压油性能变化的关键指标进行了分析。

参照换油标准NB/SH/T 0599的要求，本次应用研究选取的分析项目包括：色度增加、40 ℃运动黏度变化率、酸值增加、戊烷不溶物以及铜片腐蚀性能，详细要求见表3。因人工取样过程中，油品清洁度和含水量受外界因素影响较大，故本次应用研究未进行清洁度和抗乳化性能分析。同时，根据盾构机用油主要性能要求（抗氧化性能、抗磨性能、耐高温性能），并参照企标Q/SH 3031 0550《AE液压油》新油技术要求，对油品黏度指数变化、旋转氧弹变化以及磨损金属含量（铁和铜）进行监测。

表3 选取的液压油关键换油指标技术要求及试验方法

结果及讨论

经过总里程约5 800 m的行车试验，试验油品长城AE 68液压油（高清）在1号和2号盾构机上运行良好。具体分析结果如下：

色度

润滑油的颜色可以反映其精制程度和稳定性，同时，也与油品中加入的添加剂有关。对于在用油，通过新、旧油品色度的对比，可以大致估量油品的氧化、变质和受污染的情况。应用试验过程中，油品色度变化情况如图3所示。

图3 应用试验过程中长城AE 68液压油（高清）色度变化情况

由图3可以看出，1号盾构机运行2 840 m的油样及2号盾构机运行2 400 m的油样色度较大，原因是取样时油品被污染，致使油样浑浊，色度变大。除此之外，整个应用试验过程中长城AE 68液压油（高清）的色度呈现规律性变化，并且变化幅度较小，色度增长始终保持在不大于2 号的范围内，在一定程度上反映了油品老化程度较小。

运动黏度

运动黏度是评价润滑油品流动性的重要指标。黏度过大，润滑油流动性差，不易启动，增加液压系统压力和功率的损失；黏度过小，不易形成流体润滑，增加液压泵零部件磨损，同时导致液压系统密封性变差，导致容积效率降低。因此，液压油需保持一个适当的黏度，用来保证盾构机液压系统的正常润滑和密封。在不考虑外界污染、混油的情况下，液压油在正常工作状态下，黏度变化通常是由氧化所致。应用试验过程中，油品运动黏度变化情况如图4所示。

图4 应用试验过程中长城AE 68液压油（高清）40 ℃运动黏度变化情况

由图4可以看出，长城AE 68液压油（高清）的40 ℃运动黏度未有较大变化，且黏度变化曲线一直保持在较好水平。这说明长城AE 68液压油（高清）在应用过程中具有较好的黏度保持能力。

黏度指数

黏度指数反映液压油黏度随温度变化的保持能力。一般来说，温度升高导致液压油黏度变小，温度下降和压力增加导致液压油黏度变大。盾构机使用工况较为苛刻，外部环境温度变化较大。因此，盾构机用液压油需要有较高的黏度指数，为盾构机液压系统提供良好的润滑和密封，保证高效的能量传递。应用试验过程中，油品黏度指数变化情况如图5所示。

图5 应用试验过程中长城AE 68液压油（高清）黏度指数变化情况

由图5可以看出，长城AE 68液压油（高清）的黏度指数未发生大的变化，说明长城AE 68液压油（高清）具有较好的黏度指数保持能力，可以保证在温度变化时，为盾构机提供更好的润滑保护，同时保证更加有效的能量传递。

酸值

酸值是润滑油中含有酸性物质的一种指标。一般认为，酸值的下降与油品使用初期酸性添加剂（如极压抗磨剂）的消耗有关，而随着油品使用时间增加，油品氧化产生的酸性物质会再次导致酸值升高，在正常使用过程中液压油酸值呈现先下降后上升的规律。因此，酸值的变化在一定程度上可以反映液压油的老化程度。应用试验过程中，油品酸值变化情况如图6所示。

图6 应用试验过程中长城AE 68液压油（高清）酸值增加变化情况

由图6可以看出，整个应用过程长城AE 68液压油（高清）的酸值变化幅度较小，说明油品的老化程度较小。且酸值整体稍有下降，但未呈现上升趋势，推测油品中的极压抗磨剂有少量消耗，尚未出现大量消耗。

戊烷不溶物

戊烷不溶物指的是使用过的油品在溶于戊烷后所分离出的物质，一般包括油品的氧化产物、添加剂的分解产物、灰尘、积炭、金属粉末等。可以用于判断油品在使用过程中的受污染程度和老化程度。应用试验过程中，油品戊烷不溶物变化情况如图7所示。

图7 应用试验过程中长城AE 68液压油（高清）戊烷不溶物变化情况

由图7可以看出，整个应用过程中长城AE 68液压油（高清）的戊烷不溶物始终保持在较低的范围内，戊烷不溶物质量分数最大不超过0.04%，说明长城AE 68液压油（高清）在应用过程中氧化变质的程度较小，在一定程度上反映了油品具有较长的氧化寿命。

铜片腐蚀

润滑油品中的活性硫化物对金属有较强的腐蚀作用，直接影响设备的工作寿命。同时，润滑油品使用一段时间后，会产生具有腐蚀性的氧化物。盾构机液压元器件中含有铜等活泼金属元素，因此，盾构机用液压油需具有优异的抗腐蚀能力，以达到对液压元器件的保护作用。应用试验过程中，油品铜片腐蚀性能变化情况如图8所示。

图8 应用试验过程中长城AE 68液压油（高清）铜片腐蚀变化情况

由图8可以看出，两台盾构机装填的长城AE 68液压油（高清）的铜片腐蚀测试结果均为1b级别，未达到NB/SH/T 0599液压油换油标准中铜片腐蚀指标要求（＞2a）。表明油品在整个应用试验过程中始终具有良好的铜腐蚀防护性能。

旋转氧弹

旋转氧弹可用来测试润滑油品抗氧化能力。通常情况下矿物型润滑油抗氧化能力越好，旋转氧弹数值越大。因盾构机通常为地下作业，润滑油品更换较为不便。因此，盾构机所用液压油更加需要具有优异的抗氧化能力，用来保证盾构机的更长周期的可靠运行。应用试验过程中，油品旋转氧弹变化情况如图9所示。

图9 应用试验过程中长城AE 68液压油（高清）旋转氧弹变化情况

由图9可以看出，对于1号盾构机，整个应用过程中长城AE 68液压油（高清）的旋转氧弹变化幅度较小，说明在整个应用过程中长城AE 68 液压油均保持优异的抗氧化性能。对于2号盾构机，前期长城AE 68液压油（高清）旋转氧弹变化一直较为平稳，在设备运行后期时，旋转氧弹数值稍有降低，但此时油品依然具有较好的抗氧化能力。

元素含量

液压油中铜、铁元素含量的变化情况可以表征液压系统液压元器件的磨损情况，也代表了液压油对液压元器件接触界面的保护情况。应用试验过程中，油品元素含量变化情况见表4和表5，试验方法为GB/T 17476。

表4 应用试验过程中1号盾构机长城AE 68液压油（高清）铜、铁元素变化情况

表5 应用试验过程中2号盾构机长城AE 68液压油（高清）铜、铁元素变化情况

由表4和表5可以看出，长城AE 68液压油（高清）中铜、铁金属元素含量一直处于较低水平，均维持在10 mg/kg以下。说明长城AE 68液压油（高清）在整个应用过程中对设备起到了良好的抗磨保护。

结论

本次应用研究采用中国石化长城AE 68液压油（高清）在两台直径为4 350 mm的土压平衡盾构机上开展了全标段行车试验和效果追踪，每台盾构机施工标段均约为2 900 m，本次行车试验项目掘进总长度约5 800 m。结果表明中国石化长城AE 68液压油（高清）具有良好的抗氧化性、抗腐蚀性、抗磨性、耐久性等综合性能，保证了盾构机的可靠、稳定运行，为设备提供了全方位的润滑，可以满足该盾构机的润滑要求。