工程机械专用抗磨液压油的研制与应用

唐兴中， 粟满荣， 黄福川， 蓝明新，肖友程

（广西大学化学化工学院，广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西 南宁 530004）

随着我国机械设计及制造技术水平不断提高，液压技术得到进一步发展和日趋完善。液压传动由于具有易于实现直线运动、功率质量之比大、动态响应快、精度高、调速范围大、运动平稳、操作方便、自润滑等特点；因而被广泛应用于工程机械领域中。液压传动是利用液体作为传动介质，并利用液体压力或动能来传递能量和进行控制的传动方式。液压油作为其至关重要组成部分之一，在液压系统中不仅起到能量传动、转换与控制的作用；而且还要对其进行冷却、清洗、润滑与密封。

根据液压油的实际使用情况分析，目前我国液压油的综合性能还达不到相关液压设备的技术发展需要，液压油的性能及标准在国家标准中要求仍然比较低[1]。只要求通过Vickers104C叶片泵台架即为合格，台架的压力也只有14 MPa，而目前工程机械中所使用的高压叶片泵，其压力却高达30 MPa以上；此外还缺少高压柱塞泵的试验要求。因此，目前普通抗磨液压油只能基本满足普通工业液压设备要求，却难以满足现代工程机械液压系统的使用要求[2,3]。

工程机械液压系统发展至今已趋向高压、高速、大功率、高性能以及系统控制向更复杂、更灵活的方向发展；液压操纵、电液比例操纵和液压伺服操纵，逐步取代了工程机械传统的杠杆操纵，高新技术愈来愈多地被广泛应用于液压技术中，这都对配套使用的液压油提出了更高的综合性能要求[4]。众所周知，液压系统能否正常可靠的工作，与液压油的性能存在很大的关系。为了满足工程机械液压系统用油要求，适应日趋严格的环保节能要求，简化后勤保障，延长工程机械的使用寿命，研制专用于工程机械液压系统的抗磨液压油具有重要意义。

1 研制油的技术要求

由于工程机械的液压系统与普通工业液压系统相比，在结构设计、制造精度以及工作环境等方面存在很大的差别；普通的抗磨液压油难以满足其使用要求。为此，结合工程机械复杂多变的工况特点，所研制的工程机械专用抗磨液压油除了具有良好的粘温性能、防锈性、抗腐蚀性、抗剪切性、抗乳化性、水解安定性、生物降解性、不可压缩性、抗泡沫性以空气释放性之外；还应满足下列主要技术要求：

（1）良好的极压承载、抗磨性以及洁净度。工程机械液压系统的工作压强高，制造精密，公差配合小；为了保证液压泵（包括叶片泵和柱塞泵）在高压、高速、重载、冲击的苛刻条件下正常工作，对研制油的洁净度和极压承载、抗磨性提出了更高的要求。

（2）较高的静摩擦系数。在工程机械的转向和制动系统中，普遍采用液压操纵的湿式转向离合器和制动器技术。由于湿式转向离合器存在摩擦系数比较小，需要更大压紧力的特点，以及要求抗磨液压油具有高静摩擦系数的液力变矩器的应用，这些都要求研制油品必须具有更高的静摩擦系数。

（3）优异的热氧化安定性。由于行走系统广泛应用于工程机械中；因而液压系统被设计成结构紧凑，油箱尺寸小，液压油加注量少，使液压油循环使用频率的增加；同时，在工程机械液压系统中，没有设置专用的冷却器，导致工作时，油温极易过高，加速油品的氧化。为此要求研制油具有更好的热氧化安定性。

（4）良好的过滤性。工程机械长期处于野外作业，工况条件复杂多变，水分、尘土以及微小杂质颗粒很容易进入液压系统，会加速精密的叶片泵、柱塞泵及相关阀件的磨损，缩短其使用寿命；为此要求研制油品具有良好的分散、增溶和过滤性。

2 基础油的筛选

由于占润滑油 80%以上的基础油是影响润滑油整体性能的决定性因素；因此选取具有良好特性的基础油成为研制油的关键之一。经过实际调研分析可知：以单一种类的动植物油、矿物油或合成油作为基础油的抗磨液压油，应用于工程机械的液压系统中，很容易出现如液压泵磨损，油温过高，阀件、密封件损坏严重以及液压系统动作无力、行动迟缓、发热、产生噪音等故障。为此，针对工程机械液压系统发展趋势要求和使用工况特点，提出采用两种或多种基础油复合使用，以充分利用各自的优点，并弥补各自的不足。在充分考虑润滑油品经济性的同时，改善油品的其他相关性能，通过人工神经网络算法，有针对性的对多种基础油进行筛选和预测；最终选择具有较好极压抗磨、抗高温氧化、添加剂溶解性能的烷基萘、蓖麻基癸二酸二辛酯与高粘度指数聚α-烯烃复合的合成油作为基础油，经综合理化指标测试与台架模拟证明，是完全可行性的。

选择蓖麻基癸二酸二辛酯作为工程机械专用抗磨液压油的基础油组分之一，是因为其具有倾点低、粘度指数高、使用温度范围宽、蒸发损失小、结焦少；具有良好的高低温性能、润滑性能以及添加剂感受性，优异的热氧化安定性能和抗剪切能力，出色的防腐蚀性能以及抗乳化性能。此外，癸二酸二辛酯是由蓖麻经过一系列加工、反应而得到的产物，其原料来源广泛，制备工艺简单，成本相对低廉，并具有很好的可降解性和油溶性[5]。其典型理化指标见表1。

表1 癸二酸二辛酯的典型理化指标Table 1 The typical physical and chemical properties of dioctyl sebacate

烷基萘主要是由线性α-烯烃与萘，在特定催化剂作用下合成得到，属于API的V类基础油，其核心萘环上的烷基键长度与烷基基团的数目直接影响化合物的理化性能，包括倾点、挥发性等物理特性[6]。同时，由于其自身的芳香环框架结构和烷基基团，赋予了其作为液体润滑剂兼备了很多优良性质。比如：①良好的氧化安定性，由于烷基萘中含有可以吸收氧的富电子萘环，可有效阻止了氧化的发生；②优异的热稳定性，烷基萘仅由C-C和C-H共价键构成，需要很高的离解能；③良好的溶解性和分散性，对非极性烃类油和极性基础油或添加剂具有较高的溶解分散能力以及可使沉积物溶解分散在油相中；④突出的水解安定性，其不存在易受水分子攻击的官能团；⑤优异的抗磨承载性能、沉积物控制能力以及抗密封件溶胀性。其典型理化性能见表2。

所采用的高粘度指数聚α-烯烃有别于常规的聚α-烯烃，其除了具有常规聚α-烯烃的诸多特性之外；还有许多更优异的性质，特别是粘度指数极高，极高的粘度指数使其在低温下具有较好的流动性；在高温下容易获得具有较高弹性流体的润滑油膜厚度；特别适用于对抗磨性要求较高的工程机械液压系统中。高粘度指数聚α-烯烃的典型理化性 能见表2。

表2 烷基萘(AN)与高粘度指数聚α-烯烃(PAO)的典型理化指标Table 2 The typical physical and chemical properties of alkyl naphthalene (AN)and high viscosity index of thepoly-alpha-olefin (PAO)

经过多次实验研究发现，采用烷基萘与蓖麻基癸二酸二辛酯复合的合成油作为基础油，虽然改进了基础油的抗磨性能以及承载能力，以及了基础油对添加剂的溶解能力，但还存在某些不足。为了提高基础油的综合性能，将高粘度指数聚α-烯烃复合到基础油中，可获得较高性价比的基础油；高粘度指数聚α-烯烃的使用，一方面弥补了癸二酸二辛酯存在丁腈橡胶发胀变硬的不足；另一方面提高了基础油的粘度指数，使研制油在更宽温度范围内保持有效粘度，从而起到节能效果[7]。同时，烷基萘、蓖麻基癸二酸二辛酯与高粘度指数聚α-烯烃复合，可充当良好密封件膨胀剂，对阀件、密封件有很好的相容性，有利于工程机械液压系统的密封，以避免液压系统油的油液跑、冒、滴、漏。

3 添加剂

目前，由于工程机械液压系统技术水平的提高，对其所用的抗磨液压油性能要求越来越高，仅仅依靠基础油所具有的特性，已难以满足工程机械液压系统在日益苛刻的条件下使用；因此，通过对添加剂的筛选，并考察了添加剂的感受性和协同性，采用多种功能添加剂进行复合，以赋予抗磨液压油某些特殊功能和提高油品的极压抗磨性、热氧化安定性、防腐蚀性、抗泡沫性以及抗乳化能力等性能[8,9]；以满足工程机械液压系统的技术要求。

3.1 抗氧剂的选择

由于工程机械液压系统要长时间处于高温、高速、粉尘、潮湿以及气候多变的工况条件下运行；液压油循环频率高，很容易与外界的水气、杂质接触发生氧化，形成聚合物，而促使油品变质。液压油氧化生成的酸性物质，会造成液压系统中金属的严重腐蚀；液压油容易乳化和随带气泡会造成液压系统动作迟缓、发热、振动、产生噪音，生成的油泥与积炭也会堵塞过滤器和液压系统中其他间隙，进而导致油温进一步升高，易使密封失效。为了延缓研制油的氧化速度，提高研制油的热氧化安定性；实验室采用旋转氧弹实验方法对抗氧剂进行了考察，并综合平衡了各因素，最终确定采用烷基二苯胺与2,6-二叔丁基酚复合作为抗氧剂。

3.2 极压抗磨剂的选择

随着液压系统趋向高压、高速、大功率、小体积以及高性能方向发展，对研制油的极压抗磨性能提出了更高要求。为了保证液压元件得到良好润滑，减少部件之间的摩擦与磨损，提高系统工作效率，延长液压元件使用寿命。因此，研制油需要添加极压抗磨剂以提高其抗磨、极压性能。鉴于液压系统大量使用有色金属合金元件，限制了ZDDP的使用；因而采用芳基磷酸酯与硫化异丁烯复合作为极压抗磨剂。通过四球试验机及齿轮试验机对复配效果进行了试验，其试验结果见表3所示。

表3 极压抗磨剂的复配效果Table 3 The synergistic effect of extreme pressure anti-wear agent

3.3 清净分散剂的选择

液压油在工作过程中，由于尘土与自身氧化或水解产生的酸性物质混合在一起，就会逐渐产生油泥、漆膜、积炭等物质；从而导致油品变质，腐蚀加重，使柱塞环粘结，油路、阀件和过滤器堵塞等。为了保证研制油具有良好的过滤性、流动性以及洁净度，采用高碱值合成磺酸钙与高碱值烷基水杨酸钙复合作为清净剂。经实验研究发现，该复合清净剂对提高研制油的水解安定性和热稳定性也有较好的效果。另外，采用高分子丁二酰亚胺（低氮）与单丁二酰亚胺（高氮）复合作为分散剂，以使油泥、积炭等物质溶解在油相中便于过滤去除，提高了研制油的使用寿命，降低了液压系统的磨损。

3.4 防锈剂的选择

液压系统的元件在野外施工过程中，极易与空气、水分以及腐蚀介质接触而发生锈蚀；致使液压元件精度下降，锈蚀颗粒也会进一步造成部件的腐蚀磨损。这就要求研制油具有较强的防锈抗蚀能力。因此，在研制油中，采用烯基丁二酸半酯与苯并三氮唑复合作为防锈剂，以抑制锈蚀现象的产生。同时，采用GB/T11143锈蚀试验方法和GB/T5095铜片试验方法对防锈剂的协合效应进行了试验，其试验结果见表4。

表4 防锈剂协合效应的试验结果Table 4 The test results of synergistic effect of corrosion inhibitor

3.5 抗泡剂与抗乳化剂的选择

在液压系统中，液压油主要起到传递能量的作用。因此，抗泡沫性与空气释放性是液压油重要的使用性能指标之一。由于水分、空气的混入，添加剂的存在，在高压、高速流动的液压油很容易产生泡沫，导致油品的润滑条件恶化，系统工作效率下降，传动反应慢，动作无力，甚至可能产生异常的噪声、振动、气穴腐蚀现象。为此，在研制油中采用聚丙烯酸酯作为抗泡剂(注意了含硅抗泡剂对空气释放值的影响)，以抑制抗磨液压油的起泡性。

由于工程机械的特殊的工况特点，液压油在使用过程中，大气中的水分很容易渗入油相中，形成稳定乳化液；从而加速了油品的变质，降低了油品润滑性能，加剧了液压元件的腐蚀磨损。因此，在油品的研制过程中，采用胺与环氧化合物缩合物和聚醚类高分子化合物复合作为抗乳化剂，以提高液压油的抗乳化性能。

4 研制油理化性能评定与实际使用

采用烷基萘、蓖麻基癸二酸二辛酯与高粘度指数聚α-烯烃复合的合成油作为基础油，并添加多种功能添加剂（不含ZDDP），研制出一种工程机械专用抗磨液压油。经过多次台架试验和现场模拟试验，研制油能很好地满足工程机械液压系统的使用。其典型理化指标见表5。

4.1 水解安定性评定

研制油与普通矿物型抗磨液压油存在很大差别，是由于研制油中含有线性结构的癸二酸二辛酯，其在高温潮湿的工况条件下，会发生水解反应产生游离脂肪酸，从而导致油品酸值上升，性能下降。在油品研制过程中，采用 SH/T0301方法对研制油水解安定性能进行了测试，其测试结果见表5。

表5 研制油的典型理化指标Table 5 The typical physical and chemical properties of the developed oil

4.2 研制油的实际使用

为了更好的了解研制油在实际使用效果，将所研制油品应用于某公司的3台TY320型推土机和3台SY335C-8型挖掘机上进行共计1200h的实际使用试验。经过一个周期的使用试验后，其结果显示，不仅液压元件均未产生锈蚀现象，液压缸体表面光洁、无磨痕；而且液压系统工作平稳、动作准确、无明显抖动以及过热情况发生，很好的满足了工程机械液压系统的使用要求。

5 结 论

（1）采用烷基萘、蓖麻基癸二酸二辛酯与高粘度指数聚α-烯烃复合的合成油作为基础油，添加多种功能添加剂（不含ZDDP），研制出一种工程机械专用抗磨液压油。经过润滑油各项模拟评定和台架试验，其各项性能指标均满足使用要求，并可达Denison HF-0质量标准。

（2）研制油的各项性能优异，具有明显的节能效果，不仅提高了工程机械液压系统工作效率，延长了其使用寿命和换油期；而且还可以适用于矿山机械和其他机械的液压系统。

［1］胡纪根.我国液压油标准的现状及发展设想[J]. 合成润滑材料, 2011,38(2): 19-20.

［2］鱼鲲，李云鹏.高压抗磨液压油的研制[J]. 润滑与密封, 2010, 35(2):90-93.

［3］吴福丽，杨明，于军，等. L-HV46/D高压抗磨液压油的使用性能研究[J]. 润滑油, 2011, 26(1): 10-14.

［4］关子杰，钟光飞，张洪源，等. 建筑工程机械液压系统液压油的选用[J]. 石油商技, 2007, 25(6): 30-32.

［5］李普庆，关子杰，耿英杰，等.合成润滑剂及其应用[M]. 北京:中国石化出版社, 2006:55.

［6］杨士钊，胡建强，郭力，等. 高性能烷基萘基础油[J]. 合成润滑材料, 2012, 39(2): 24-26.

［7］杨明，熊春华.工程机械液压系统节能的另一途径——使用高粘度指数液压油[J]. 液压气动与密封, 2013, 33(2): 21-24.

［8］黄文轩.润滑剂添加剂应用指南[M]. 北京:中国石化出版社,2003:504-509.

［9］王九，方建华，童玲.石油产品添加剂基础知识[M]. 北京：中国石化出版社.2009:70-95.