四球法区分舰船汽轮机油抗磨性研究

王建华，张 博

(海军研究院特种勤务研究所，北京 100072)

汽轮机油担负给汽轮主机、汽轮辅机提供润滑、冷却、防护等任务[1]。与工业汽轮机油不同，舰船汽轮机油不仅用作汽轮机组轴承的润滑，而且还用作舰船减速齿轮箱的润滑，以及通用在液压设备上作为液压油使用[2]。随着我国装备制造技术的不断提高，大型舰船的动力汽轮机组在向大功率、高载荷发展，而减速齿轮箱体积在减小，从而齿轮减速器所产生的传动比变得越来越大，对汽轮机油的承载能力提出了更高的要求；同时，舰船液压系统的工作压力不断提高，对液压油承载能力的提升提出了要求[3]。装备性能提升和油品通用性发展对舰船汽轮机油的抗磨性提出了越来越高的要求[4-5]。评价润滑油抗磨性的常用方法有四球法、FZG齿轮试验机法以及SRV试验机法等。其中，以四球法最为常用，并被西方军事强国作为评定润滑油抗磨性的一种方法编入舰船汽轮机油产品规范中[6-7]。我国现用的舰船汽轮机油(因多数产品符合GJB1601A—1998标准要求)[8]，对抗磨性没有明确指标要求，现用油品能否适应新装备，评价油品抗磨性和如何区分抗磨性则显得尤为重要。

本研究以世界主流舰船汽轮机油作为试验油，在对比研究美国、俄罗斯军用汽轮机油产品规范中利用四球试验机法评定润滑油抗磨性的基础上，研究《润滑油抗磨性测定方法(四球机法)(SHT 0189—1992)》和《润滑剂承载能力测定法(四球法)(GBT 3142—1982)》对舰船汽轮机油抗磨性的内在规律及其区分性，并以FZG试验结果作为抗磨性评定依据，分析四球法与FZG试验法的相关性。为遴选区分舰船汽轮机油抗磨性能与极压性能的简化替代评价方法提供数据支撑。

1 实 验

1.1 实验装置

试验主要装置：济南产MM-10W多功能摩擦磨损试验机、CL-100齿轮试验机。试验所用Ⅱ级轴承钢球，直径为12.7 mm，GCr 15钢制造，硬度为HRC 62～66，符合GB 308标准的要求。

1.2 实验材料

试验油选用世界主流舰船汽轮机油，分别为我军原用的舰用防锈汽轮机油和现用的舰用汽轮机油，美军所用的蒸汽轮机与齿轮润滑油和俄军所用的汽轮机油，共4类(中国(新)、中国(原)、美国和俄罗斯)、6个产品(A，B，C，D，E，F)，实验用油的产品规范见表1。

1.3 试验方法

1.3.1抗磨损性能①美国的舰船汽轮机油产品按照《汽轮机和齿轮润滑油性能规范(MIL-PRF-17331)》的要求采用美国材料与试验协会标准《润滑液防磨损特性的试验方法(四球法)(ASTM D4172)》进行抗磨性能评定[9]。本研究按标准ASTM D4172所述的试验条件进行试验。②俄罗斯舰船汽轮机油产品规范中没有明确汽轮机油抗磨性的评定方法，但在汽轮机油综合鉴定法中规定抗磨性能的评定方法为俄罗斯联邦等国国家间标准《液体和塑性润滑剂在四球机上的摩擦特性测定法(四球试验机法)(ГОСТ 9490)》[10]。本研究按标准ГОСТ 9490所述的试验条件进行试验。③我国原用的舰船汽轮机油产品按照《舰用防锈汽轮机油规范(GJB 1601A)》，对汽轮机油的抗磨性没有提出要求，最新执行的新规范《舰用汽轮机油规范(GJB 1601B—2015)》则要求采用《润滑油抗磨性测定方法(四球机法)(SHT 0189—1992)》评价汽轮机油的抗磨性[11]。SHT 0189—1992是利用四球机评价润滑油抗磨性能的主要实验方法之一，该方法简单、经济、高效、与油品抗磨性相关性好。并且，该方法还用于评价C220H舰艇通用齿轮油抗磨性，对于舰船汽轮机油用于齿轮减速箱的齿轮润滑起到有价值的参考作用。本研究按标准SHT 0189—1992所述的试验条件进行试验，并增加了评价C220H舰艇通用齿轮油抗磨性的摩擦条件。ASTM D4172，ГОСТ 9490，SHT 0189—1992利用四球试验机评价舰船汽轮机油抗磨性的试验条件见表2。从表2可以看出：①3种方法的试验条件不完全相同，SHT 0189—1992所采用的载荷(392 N)及转速(1 800 rmin)数值最大；②ASTM D4172所采用的时间最长(120 min)；③3种方法对试验温度的要求基本相当。另外，ASTM D4172对磨损指标提出的磨斑直径最小，我国SHT 0189—1992标准没有相应明确的磨斑直径指标。

1.3.2承载能力①四球法。在评价舰船汽轮机油抗磨性的基础上，选用《润滑剂承载能力测定法(GBT 3142—1982)》测定油样的最大无卡咬负荷(PB)、烧结负荷(PD)以及综合磨损值(ZMZ)判断油品抗磨性和承载能力的区分性[12]。②FZG齿轮试验机法。FZG齿轮试验法是通过评判磨损程度和失效等级来评价润滑油在硬化钢齿轮上的擦伤承载能力。FZG齿轮试验机法是美军标准MIL-PRF-17331J(SH)—2007中采用的一项评价汽轮机油抗磨性的指标，该方法能够模拟齿轮工作环境，准确地评估用于齿轮润滑油品的抗磨性能，以等级形式表征油品的抗磨性，区分性明显。选用标准《润滑剂承载能力测定法(CL-100齿轮机法)(SHT 0306—1992)》测定油样的FZG失效等级[13]。

2 结果与讨论

2.1 抗磨性能分析

采用3种标准方法对A，B，C，D，E，F油样的抗磨性能进行考察，利用试验所得钢球磨斑直径区分油样抗磨性的优劣，每个钢球的磨斑直径选取横纵两个方向进行测量，3个钢球测得6个值，以平均值作为评价指标，不同试验方法相同油样试验钢球磨斑直径对比见图1。

图1 不同试验方法相同油样试验钢球磨斑直径对比■—ASTM D4172； ■—ГОСТ 9490； ■—SHT 0189—1992(147 N)； ■—SHT 0189—1992(392 N)； ■—SHT 0189—1992(196 N)

依据图1结果，6个油样抗磨性能优劣排序结果见表3。根据6个汽轮机油所符合的产品规范分析，油样A，B，C的抗磨性相近，油样D，E，F的抗磨性相近，并且油样A，B，C的抗磨性优于油样D，E，F的抗磨性。磨斑直径由小到大排序的结果，验证了6个油样抗磨性优劣程度，在不同试验条件下，部分油样优劣排序先后发生细微变化，但整体性能优劣排序没有变化。

综上所述，5种试验条件均能判断出舰船汽轮机油抗磨性的优劣程度，转速对于评价结果的影响大于载荷，如何确定最佳的载荷与转速还要结合与其它摩擦试验结果的相关性进行分析以及油品具体使用部位的摩擦润滑情况而定。

2.2 承载能力分析

图2 6种油样承载能力的对比

2.3 四球试验机法与FZG试验机法之间的相关性

试验所用油样的FZG失效等级见表4。从表4可以看出：①符合MIL-PRF-17331标准的美军汽轮机油(C油)失效等级达到10级；②符合GJB 1601B—2015标准的A油、B油失效等级达到了10级，且达到了美军在标准MIL-PRF-17331中的要求(9级以上)；③符合GJB 1601A标准的E油、F油失效等级最高为8级，比美军标准低1～2个失效等级；④俄罗斯汽轮机油(C油)的失效等级为6级。失效等级由高到低的顺序为：A=C=B>F>E>D。

四球试验机法与FZG试验机法在评价润滑油抗磨性能时，所用的表征参数不同(四球试验用WSD，PB，PD，ZMZ；FZG试验用失效等级)，参数含义与单位无法统一，所以在分析两种方法的相关性时，不能用同一参数进行衡量。然而，在四球试验机法中，试验所用的舰船汽轮机油测得的PB与FZG试验机法所得的通过等级在油品抗磨性区分方面表现出相同的结果，可见PB在表征承载能力方面的重要性。以试验油的抗磨性能优劣顺序作为连接两种评价方法的表征参数，定性分析两种方法在评价汽轮机油抗磨性方面的相关性。FZG试验机法与四球试验机法(SHT 0189—1992，147 N，1 200 rmin)具有明显的相关性。

3 结 论

(1)结合美国、俄罗斯和我国的四球标准试验方法评价舰船汽轮机油的抗磨性，发现在试验条件选取方面，载荷越大，转速越低，摩擦环境越苛刻，磨损更大，更有利于区分不同油品的抗磨性能。转速低比转速高磨损更大，转速对于评价结果的影响大于载荷。

(2)用四球法评价舰船汽轮机油承载能力时，PB对舰船汽轮机油的抗磨性和承载能力具有明显的区分性，能够表征油品的抗磨性能。

(3)以FZG试验结果作为抗磨性评定基础，通过四球法与FZG试验法评价舰船汽轮机油抗磨性的相关性分析，结合PB和PD的对比结果，确定评价舰船汽轮机油抗磨性的四球法最佳摩擦试验条件为载荷147 N、转速1 200 rmin。

(4)利用四球法评定舰船汽轮机油抗磨性时，可采用标准SHT 0189—1992(147 N，1 200 rmin)所述方法，并联合润滑剂承载能力测定法GBT 3142—1982中PB，可以合理评价舰船汽轮机油的抗磨性。