HXN3 型铁路机车齿轮箱油的研制

廖丰斌 张建荣 华秀菱 伏喜胜 陈志忠 黄芸琪

1 中国石油润滑油公司产品设计中心

2 中国石油润滑油公司

随着我国铁路运输事业的飞速发展，引进国外先进机车产品的步伐也在不断加大。近年来，中国中车大连机车车辆有限公司与美国EMD 公司合作生产了HXN3型铁路机车[1，2]。该型机车是在SD70MAC、SD90MAC 型机车基础上，根据中国铁路技术规范改进设计而成的6 000 马力（4 410 kW）交流传动干线货运铁路机车[3～5]。机车轴重25 t，采用一系列先进技术，可在平直线路上单机牵引5 000 t 货运列车，最高运行速度为120 km[6～8]。其工况为典型的高速重载工况，对传动系统齿轮箱油的极压抗磨性能、热氧化安定性能提出了更高的要求，相比于普通齿轮油，在抗氧化性能、抗磨性能以及防腐蚀性能等方面具有更为优异的表现。本文通过对HXN3 型铁路机车运行工况开展调研，并对HXN3型铁路机车在用国外专用油品进行分析，结合HXN3 型铁路机车运行工况和竞品性能特点，通过实验室大量的考察，最终成功研制出满足HXN3 型铁路机车润滑需求的齿轮油产品，产品性能与国外油品相当。

国外油品性能考察及分析

对HXN3 型铁路机车在用国外专用油品进行了全面的理化分析和性能评价，分析评价结果详见表1。

表1 国外油品分析数据

从表1 数据可以看出，国外油品黏度指数达到182，倾点为-45 ℃，表明油品具有卓越的黏温性能和低温性能，常规的PAO合成油无法满足性能需求。铜片腐蚀（121 ℃，24 h）结果为1b，该项目标准试验时间为3 h，表明油品具有突出的防腐蚀性能。氧化寿命试验（ASTM D943）可以测试油品长周期条件下的抗氧化性能，而旋转氧弹试验温度为150 ℃，可以测试油品高温下的抗氧化性能，国外油品氧化寿命达到10 000 h 以上，旋转氧弹达到2 200 min，表明油品具有优异的抗氧化性能。国外油品比较侧重于抗氧化性能和防腐蚀性能。

供图/廖丰斌

试验部分

基础油选择

根据国外油品黏度指数和倾点数据，判断其为全合成油品，从40 ℃运动黏度数据可以看出国外油品为460 黏度级别。因此，HXN3型铁路机车齿轮箱油基础油选用具有较高黏度指数的PAO 合成基础油，该基础油与传统PAO 相比，具有更高的黏度指数、更好的剪切稳定性能以及低温性能，可以为润滑油成品提供更为出色的性能表现。同时，也引入了一部分酯类基础油，以增加对部分添加剂的溶解性。HXN3 型铁路机车齿轮箱油基础油性质见表2。

表2 HXN3型铁路机车齿轮箱油基础油性质

从表2 可以看出，基础油的黏度、黏度指数和倾点与国外油品相当，可以满足要求。因此确定采用高黏度指数PAO 加酯类油为HXN3型铁路机车齿轮箱油的基础油方案。

添加剂选择

国外专用油品具有卓越的抗高温/抗氧化性能、沉积控制以及抗化学降解能力，以适应长周期运行工况。经评价分析，其氧化寿命试验达到10 000 h 以上，旋转氧弹试验结果达到2 200 min。首先对现有添加剂配方体系进行了关键性能考察，调合方案和分析数据见表3。

表3 现有配方体系考察

从表3 数据可以看出，GO-1、GO-2 旋转氧弹试验结果分别为805 min 和152 min，氧化寿命试验分别为小于1 000 h 和小于500 h，远低于国外油品。因此，现有添加剂配方体系均不能满足国外油品的抗氧化性能要求。

抗氧剂的选择

从某种意义上讲，一种油品各方面性能的变化，使用过程中质量的变差，皆由油品的氧化所引起。因此，需要在配方中引入抗氧剂增强油品的抗氧化性能。本研究通过在基础油中以0.5%（质量分数）的加剂量引入不同类型抗氧剂，对其抗氧化性能（旋转氧弹，NB/SH/T 0193）进行考察。试验结果见表4。

表4 抗氧剂的选择和性能考察

从表4 可以看出，相比于其他几种抗氧剂，硫化烷基酚在配方中的旋转氧弹时间最长，抗氧化性能较好。

极压抗磨剂的选择

齿轮油中极压抗磨剂为主要添加剂，并且种类较多。而极压抗磨剂又都是化学活性相对较高的化合物，容易被金属表面（齿面）吸附，产生化学或物理反应膜，从而起到防止金属摩擦或咬合的作用[9]。高活性的含磷极压抗磨剂是导致齿轮油生成油泥的主要原因，从而降低油品的抗氧化性能。国外油品兼具优异的抗氧化性能和极压抗磨性能，因此需要选择活性适宜的极压抗磨剂，从而保证油品极压抗磨性能的同时确保油品具有优异的抗氧化性能。在上文确定的基础油中加入0.5%（质量分数）的硫化烷基酚后，选用几种不同类型的极压抗磨剂以1.0%（质量分数）加剂量引入其中，采用旋转氧弹试验（NB/SH/T 0193）和四球机试验（GB/T 3142、NB/SH/T 0189）对油品抗氧化性能和极压抗磨性能进行考察，试验结果见表5。

表5 极压抗磨剂的选择和性能考察

从表5 数据可以看出，相比与其他两种极压抗磨剂，在配方中引入二烷基二硫化物在保证油品极压抗磨性能的基础上，有效提高油品的抗氧化性能。

防锈剂的选择

极压抗磨剂与金属表面产生的反应膜是对金属的一种腐蚀或锈蚀。因此，有必要引入防锈剂使表面活性物质与极压抗磨剂之间在金属表面产生一种竞争吸附，使之达到某种平衡状态，既有一定的极压抗磨性，又不致于产生过度腐蚀或锈蚀。本研究在上文确定的基础油中加入0.5%（质量分数）的硫化烷基酚和1.0%（质量分数）的二烷基二硫化物基础上，通过引入两种同类型不同结构的防锈剂，以0.1%（质量分数）的总剂量在不同比例下对油品的防锈性能[GB/T 11143（B 法）]和抗氧化性能（旋转氧弹，NB/SH/T 0193）进行了考察。试验结果见表6。

表6 防锈剂的选择和防锈性能考察

从表6 可以看出，辛基苯骈三氮唑可以有效提升油品的防锈性能，但对抗氧化性能不利，甲基苯骈三氮唑对抗氧化性能影响较小，但防锈性能不好。在两者质量比为7：3时，兼具优异的防锈性能和抗氧化性能，与国外油品相当。

HXN3 型铁路机车齿轮箱油综合性能考察

通过对抗氧剂、极压抗磨剂、防锈剂等添加剂的筛选，以及配方中各添加剂之间的配比进行考察，形成了HXN3 型铁路机车齿轮箱油配方技术，并对调合的油品与国外油品进行全面分析评价，结果见表7。

表7 HXN3型铁路机车齿轮箱油与国外油品的典型性质

从表7 可以看出， 研制的HXN3 型铁路机车齿轮箱油具有优异的抗氧化性能、极压抗磨性能、黏温性能、低温性能、抗泡性能等。与国外油品相比，具有更为优异的极压抗磨性能、油膜强度。在保证优异的抗氧化性能的同时，保持了出色的极压抗磨性能。其余各项理化性能和国外油品基本相当。

HXN3 型铁路机车齿轮箱油与国外油品的性能评价

为了更好地评价研制油在实际使用过程中的性能，通过四球摩擦系数试验、EHD2 油膜厚度测定试验等模拟试验对研制油和国外油品进行对比分析。

试验方法

摩擦系数测定试验：采用四球磨损试验机，按SH/T 0762《润滑油摩擦系数测定法（四球法）》测定油品的摩擦系数，试验条件为：试验油温75 ℃，负荷98.1 N（10 kgf）条件下，以转速600 r/min 运行10 min， 每10 min 增加负荷98.1 N（10 kgf），每10 min 记录一次摩擦系数。

EHD2 油膜厚度测定试验：采用英国PCS 公司生产的EHD2 油膜厚度测定仪，测试油品在80 ℃和120 ℃，载荷25 N 条件下的油膜厚度。

摩擦系数测定试验

摩擦系数测定试验主要用于评价润滑油的摩擦特性。研制油和国外油品的摩擦系数测定试验曲线如图1 所示。

图1 摩擦系数测定试验曲线

从图1 可以看出，研制油的摩擦系数随着试验负荷的增加始终保持平稳，在试验负荷达到588 N 之后略低于国外油品，表明两者均具有良好的摩擦特性。对应实际工况，可以降低油温，提高齿轮箱传动效率，有效提升燃油经济性。

EHD2 油膜厚度测定试验

成膜能力的评价是对油品在苛刻工况下减摩特性的考察，成膜能力强，在极端工况下，能够有效对摩擦副起到润滑保护作用，减少摩擦磨损，从而起到减摩作用。研制油和国外油品的油膜厚度曲线图如图2、图3 所示。

图2 油膜厚度（80 ℃）曲线

图3 油膜厚度（120 ℃）曲线

从图2、图3 可以看出，研制油在80 ℃条件下，随着转速的升高，平均油膜厚度保持平稳增大，且平均油膜厚度大于国外油品；在120 ℃条件下，平均油膜厚度与国外油品相当。这表明研制油相比国外油品具有更为优异的成膜能力，对应实际工况可以对齿轮和轴承起到润滑保护作用，减少摩擦磨损。

结论

☆通过对HXN3 型铁路机车使用工况开展调研，并对国外油品进行分析，结合油品使用工况和竞品性能特点，通过对基础油、添加剂的筛选，成功研制出HXN3 型铁路机车齿轮箱油产品。

☆研制油在极压抗磨性能、油膜强度方面优于国外油品。

☆通过模拟试验对比，研制油相比国外油品具有更好的摩擦特性以及成膜能力。