通用型林木联合采伐机润滑剂的研制

肖友程，李 胜，经建芳，李康春，黄福川

通用型林木联合采伐机润滑剂的研制

肖友程，李 胜，经建芳，李康春，黄福川

（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）

本文结合林木联合采伐机发动机、液压系统、齿轮传动系统的工作特点和工作环境，通过对润滑剂基础油以及其他添加剂的考察和筛选，确定了一种通用型林木联合采伐机润滑剂的配方。通过对润滑剂理化性质的实验研究和在采伐机上成功试用表明，通用型林木联合采伐机润滑剂不仅具有良好的剪切安定性、抗高温氧化性、抗水、防锈、抗腐蚀性能，达到一油通用，而且它具有高性价比，对环境友好，不会造成林地的污染和破坏。

联合采伐机；通用油；环境友好

林木联合采伐机是一种多功能、高自动化、高效率的林木采伐机械[1]。林木联合采伐机需要润滑的系统主要有动力系统、液压系统、齿轮传动系统。林木联合采伐发动机转速高、功率密度大、机油箱小、排放要求高，再加上其特殊的工况、负荷等特点，因此，要求润滑油具有抗高温氧化性能、良好的清净分散性及对环境友好[2]。林木联合采伐机液压系统各液压缸上的力不断的变化，导致了液压系统的外负载变化很大，另外其自身带有行走系统，因此，液压系统通常被设计的很紧凑，油箱体积小，液压油加注量少，使液压油循环次数增加，液压油长期处于高热负荷下[3]。因此，林木联合采伐机液压系统所使用的液压油应具有高抗剪切稳定性、抗磨损性、抗泡性、抗乳化性、减震性、降噪性等。对于林木联合采伐机中使用的齿轮，大多在野外山林和露天工作，常年在高温、寒冷、风雨等恶劣的自然条件下工作，齿轮的工作条件极端苛刻，因此，齿轮对润滑油质量要求较高，具体表现在具有优良的抗磨、减摩和高的承载能力，同时要求齿轮油具有良好的热氧化稳定性、良好的粘温性能和低温启动性能等。

1 研制油的功能和要求

研制的通用型林木联合采伐机润滑剂，要求其在恶劣条件下仍可保持优良的润滑性能；具有较为完善抗高温、抗潮湿造成材料腐蚀的综合性能。研制润滑剂的主要目的是一油多用，适用于林木联合采伐机的动力、液压、齿轮传动等系统。在林木联合采伐机的运动部件上，可形成一层极薄材油膜，降低摩擦系数，具有抗磨、减摩作用，减少动力、齿轮传动、液压等系统的磨损；由于使用的特殊环境要求，除了满足通常各系统的高强度使用的要求外，还能适应于野外苛刻环境条件下长时间使用，并具有良好的清净分散性、抗氧防腐、防锈、抗磨、承载能力，确保林木联合采伐机正常工作。

然而，林木联合采伐机的动力、液压、齿轮传动系统的机械部件因自身的结构、功能、使用条件等不同，对润滑剂的使用要求也有差别。要研制通用型润滑剂，对基础油和添加剂配方还存在许多未知的因素，需要进行深入的理论和试验探究。

2 基础油的确定

聚α-烯烃是由α-烯烃在催化剂的作用下聚合而获得的一类长链烷烃，是一类性能比较全面、优异的油品。表1为低粘度聚α-烯烃和部分矿物油典型理化指标。

表1 聚α-烯烃和矿物油典型理化指标对比Tab.1 The comparison of physical and chemical index of PAO and mineral oil

通过PAO和几种矿物油理化性质的对比可看出，PAO在-40℃环境下也具有很低的低温粘度，而矿物油在-40℃一般为固体状态；PAO的倾点小于-50℃，这就保证了油品即使是在寒区甚至严寒区冬季野外作业的联合采伐机具有良好的泵送性和低温启动性。此外，PAO的蒸发损失较矿物油来说比较低，这可保证油品不会因为轻组分挥发而使其稠化加剧，可以在高温的环境下使用。同时，PAO还有一个优异的高温性能指标就是具有较高的闪点及燃点，保证油品不易在林区燃烧，引起森林火灾。

然而聚α-烯烃也存在一定的缺点，如使橡胶材料的密封件收缩变硬、与极性添加剂溶解性差等。经试验研究，在聚α-烯烃合成油中加入葵二酸二辛酯能有效地改善这种不足。葵二酸二辛酯由蓖麻油为原料制成，属于线性结构双酯。它不仅是一种良好的橡胶膨胀剂，对联合采伐机的动力、液压、齿轮系统等机械部件的橡胶密封件起到良好的保护作用，而且它本身具有很强的极性，弥补非极性的聚α-烯烃与极性添加剂相容性的缺点。此外，葵二酸二辛酯还具有优异的抗剪切性能、热氧化安定性、抗乳化能力、低蒸发损失、高生物降解率等，完全适用于联合采伐机在野外苛刻的工作环境和各系统一油多用的要求。

Ⅲ类基础油是用全氢工艺加工的基础油。它具有优异的粘温性质、蒸发损失小、饱和烃含量接近100%，是性能最接近聚α-烯烃的矿物油。然而Ⅲ类基础油成本只是聚α-烯烃的三分之一。另外，由于它与聚α-烯烃一样属于烃类基础油，因此，与聚α-烯烃有良好的相容性。

综上，采用聚α-烯烃（PAO）、Ⅲ类基础油与葵二酸二辛酯复合作为研制润滑剂的基础油，具有优异的综合性能、较高的性价比、对环境友好。

3 复合添加剂的确定

3.1 复合清净剂的确定

林木联合采伐机发动机连续工作时间长，柴油在燃烧室中燃烧易产生炭粒，润滑油易氧化生成积炭和油泥。集结在一起的炭粒、积炭、油泥等会在活塞、活塞环、气缸壁和排气口处沉积、结焦或堵塞滤清器和油孔，是发动机磨损增加、散热不良、排气不畅、供油不足而造成润滑不良、油耗增大、功率下降[5]。采用低碱值合成磺酸钙、高碱值合成石油磺酸钙与硫化烷基酚钙复合作为清净剂，可控制发动机沉积物和保持发动机稳定、高效的工作。另外，齿轮在运转过程中，由于复合添加剂的作用，在有水和氧的共同作用下易使齿面发生腐蚀、生锈。复合金属清净剂中的石油磺酸钙还具有良好的防锈能力，可充当防锈剂使用，保护齿轮表面。为了确定复合清净剂各成分的最佳配比，以低碱值合成磺酸钙、高碱值合成石油磺酸钙与硫化烷基酚钙为3个因子，每个因子分别取1%、2%、3%的剂量水平，按L9（33）正交表安排实验，分别与调配好的基础油均匀混合，得到9个样品，测试每个样品的灰分含量和碱值的大小，得到的数据见表2。

从表2可以看出，样品5的灰分低，碱值较高，因此选用样品5的配方（低碱值合成磺酸钙：高碱值合成石油磺酸钙：硫化烷基酚钙=2∶2∶3）作为复合清净剂。

表2 各样品灰分和碱值的测量数据Tab.2 Measurement of each oil sample ash and base number

3.2 复合抗氧剂的确定

发动机油和液压油在高温下容易发生氧化，生成胶质、油泥和对金属腐蚀作用的酸性物质。这些物质不仅会造成发动机拉缸、黏环，还会使液压元件腐蚀，影响液压系统正常工作。所研制的润滑剂的基础油是由聚α-烯烃、Ⅲ类基础油和葵二酸二辛酯复合而成。其中聚α-烯烃和葵二酸二辛酯都具有良好的氧化安定性，而Ⅲ类基础油由于在加氢处理过程中，某些芳烃和含硫芳烃等天然抗氧剂被消除，如果不加抗氧剂，它的抗氧化能力甚至比溶剂精制基础油还差。采用2,6-二叔丁基混合酚和苯三唑衍生物复合作为抗氧剂，能有效地改善研制油的氧化安定性。为了筛选出复合抗氧剂的最佳配方，将其组分按照不同的质量比分别加入基础油调配成11组试样油，复合抗氧剂的加入量为0.5%。试样油中复合抗氧剂的组成见表3。

表3 各试样油的组成Tab.3 The composition of the sample oil

对各试样油进行旋转氧弹试验，试验方法按照ASTMD2272执行，重复试验3次，取平均值作为最终结果，见图1。

图1 各试样油旋转氧弹试验数据对比Fig.1 The comparison of the rotating bomb test data

从图1中可以看出，配方8是所有试验的抗氧剂中效果最好的。所以，确定配方8为研制润滑剂的复合抗氧剂。

3.3 其他添加剂的选择

磨损会机械效率下降、零部件使用寿命降低。采用磷酸三甲酯和硫化异丁烯复合作为抗磨剂，能在发动机曲轴主轴承、连杆轴承、活塞销轴承、凸轮挺杆间间隙处；液压系统的液压部件；齿轮等金属表面形成化学反应膜，防止金属部件磨损、硬性刮伤、皱裂等。采用磷酸酯作为油性剂，其具有很强的吸附能力，在金属摩擦表面形成牢固的吸附膜，减少摩擦与腐蚀。联合采伐机工作时，机械部件常伴有剧烈的抖动。发动机油和液压油与空气一起受到这种抖动，容易产生气泡。气泡的产生不仅会导致供油不足，还会导致液压系统的压力降低、能力传递不稳定、产生噪音、液压泵发生汽蚀等。采用二甲基硅油作为抗泡剂，使润滑剂具有良好的抗泡性和空气释放性，减少气泡的产生。采用聚异丁烯丁二酰亚胺作为分散剂。聚异丁烯丁二酰亚胺具有优异的分散和中和作用，不但可以油泥、积炭等清洗下来并分散在油中，还可以中和因柴油燃烧生成的酸性物质。此外，其不含金属，不引起因其自身残留灰分过多而引起发动机部件磨损。防锈剂选择质量比40%～50%的石油磺酸钙与60%～50%的烯基丁二酸半酯复合。

4 研制润滑剂的理化指标

4.1 研制润滑剂的调配

采用聚α-烯烃（PAO）、Ⅲ类基础油与葵二酸二辛酯复合作为研制润滑剂的基础油，通过实验室条件下对各种添加剂反复的配方试验，并对最优化配方进行选取。根据筛选的最优配方对研制润滑剂进行调配，具体步骤为：将82%的基础油（质量比40%聚α-烯烃（PAO）、30%Ⅲ类基础油与30%葵二酸二辛酯复合）加入调合罐，加热并不停搅拌至70℃，然后加入6%的复合清净剂、0.5%的复合抗氧剂、5.5%油性剂、0.005%抗泡剂、5.895%分散剂、0.1%防锈剂，对混合的基础油和添加剂继续搅拌45min，待冷却后，制备成所需要的通用型林木联合采伐机润滑剂。

4.2 研制润滑剂的理化性能

研制润滑剂的典型理化性能见表4。

表4 研制润滑剂的理化性能Tab.4 The physicochemical properties of the developed lubricant

5 结论

以聚α-烯烃（PAO）、Ⅲ类基础油与葵二酸二辛酯复合作为基础油，并添加清净剂、分散剂、抗磨剂、油性剂、抗泡性、抗氧性等添加剂，研制出了一种通用型林木联合采伐机润滑剂。经理化性能评定，其各项理化指标可满足联合采伐机发动机、液压系统、齿轮传动系统的使用要求。一种通用型林木联合采伐机润滑剂专利已申请。

［1］吕光辉，王乃康，魏占国，等.林木联合采伐机底盘的研究现状与发展趋势［J］.林业机械与木工设备,2010,38（10）:11-14.

［2］翟月奎，孙翔兰.轻负荷柴油发动机润滑特点及其润滑油规格发展［J］.润滑油,2008,23（3）:7-10．

［3］唐兴中，粟满荣，黄福川，等.工程机械专用抗磨液压油的研制与应用［J］.当代化工，2013，（6）:51-53．

［4］夏延冬，王凯，顾磊，等.林业机械中的齿轮润滑［J］.内蒙古林业调查设计,2008,31（2）:111-112．

［5］刘新，伏喜胜，潘元青，等.齿轮润滑技术新进展［J］.润滑油, 2012,27（3）:10-13．

［6］肖友程，黄福川，等.林木联合采伐机通用润滑剂［P］.CN：2013 10559941.4，2013-11-12.

［7］黄福川，张亚辉，王海涛，等.通用型可降解重负荷液力传动液的研制［J］.润滑与密封，2008，33（12）:83-85．

［8］李春山.合成润滑油的生产与发展［J］.化工科技，2000，8（4）：76 -80．

［9］孙志强.硫、磷复合极压抗磨添加剂在绿色润滑剂基础油中的摩擦学性能研究［D］.长安大学，2006年.

［10］唐兴中，粟满荣，黄福川，等.环境友好型重负荷工程机械专用脂的研制［J］.化学工程师，2013，（8）:51-53.

Stuady of the universal forest multifunctional harvester lubricant

XIAO You-cheng，LI Sheng，JING Jian-fang，LI Kang-chun HUANG Fu-chuan
（Key Laboratory of Guangxi Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

Combining with the work characteristic and environment of the engine,the hydraulic system and the gear transmission system of forest combined harvesters,a new formula of lubricant was determined by studying and selecting the base oil and compound additives.The physical and chemical characteristics of lubricant have been tested more than one year in the laboratory and the lubricant has been successfully applied in a forest combined harvesters.It is found that the developed lubricant not only has good shear stability,excellent oxidation stability,anti-wear,anti-rust and strong corrosion resistance to be a universal lubricant,but also has highly cost-effective.The developed lubricant is environment-friendly,which could not cause pollution and the destruction of forest land.

forest multifunctional harvester；universal oil；environment-friendly

TE626.4

A

1002-1124（2014）08-0067-04

2014-04-21

肖友程（1989-），男，在读硕士研究生，研究方向：化工机械润滑。

黄福川（1963-），男，教授，2005年毕业于西南石油大学，工学博士，主要从事润滑及摩擦材料方面的研究工作。