工程机械润滑油（液）现状与发展趋势

唐兴中，粟满荣，蓝明新，经建芳，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）

0 引言

工程机械是用于工程建设的施工机械的总称，由动力装置、工作装置及底盘三部分组成;而底盘由车架和制动、传动、行走、悬挂等诸多复杂系统构成。各系统在工作过程中，不可避免因相对运动而产生摩擦与磨损;据研究，工程车辆燃料燃烧所释放的能量，约20%以上被零部件间的摩擦所消耗。因此，为了降低能耗与零部件的磨损，润滑技术是能够满足这些要求的重要措施和有效途径之一;而润滑离不开润滑材料，润滑材料质量的优劣直接关系到工程机械的动力性、经济性、制动安全性、操纵稳定性、环保性等。因此，对配套使用的润滑材料提出了更高的综合性能要求，这直接推动了国内润滑油基础研究的发展。

根据工程机械润滑材料的实际使用情况分析，我国润滑油产品质量标准已经滞后于工程机械技术的发展对润滑材料的性能要求，润滑材料的性能在国家标准中要求仍然比较低，已难以适应现代工程机械发展的需要。目前，我国已成为仅次于美国的世界第二大润滑油消费国，而润滑油的大量消耗也必然会加剧有害物质的进一步排放;给生态环境、人类健康和经济发展造成日益严重影响;对此，欧盟、美国等国家制定了更为严格的新排放法规，以限制有害物质的排放［1］。如何降低油耗与环境污染成为当前亟待解决的主要难题;这就要求在改进工程机械各个系统的结构设计及制造工艺的同时，还应加快润滑油及添加剂复配技术的发展，以促进我国工程机械润滑油产品的升级换代。

1 工程机械用发动机油

工程机械的动力装置大部分采用柴油机，因而工程机械用发动机油也主要是指柴油机油，柴油机油在柴油机运转过程中，起到润滑、冷却、密封、减振与缓冲、清洁和防锈等作用。近年来，国外柴油机油的升级换代很快，为了适应更为严格的新排放法规，欧洲与美国分别制定了ACEA 2010规格和APICJ-4规格。而我国目前所使用柴油机油标准主要是根据美国API标准进行修改后制订的GB 11122-2006柴油机标准，其包括了从CC到CI-4等6个等级，虽然基本上满足我国工程车辆发展的需要，但与国外相比，还有很大差距。此外，CF-4规格油品已取代了CD规格油品，而成为占国内柴油机油市场最大比例的规格油品;并在未来相当长一段时间内，国内柴油机油将以CF-4规格为主，但高档柴油机油CH-4、CI-4和CJ-4规格机油用量会越来越大。

受节能、环保和发动机技术进步的直接驱动，柴油机油的升级换代越来越快。然而，我国从CH-4规格开始，就已经出现了缺乏台架评价手段的问题;而发展到今天的CJ-4规格，我国几乎没有相应完整的台架评价设备。国内评定设备的建立不得不依靠引进美国的台架，才能满足柴油机油国家标准的要求［2］。由于缺乏相应的评定设备和手段，不仅致使我国柴油机油规格的制定严重滞后于市场需求，而且严重制约着我国高档柴油机油的研究与发展。因此，建立完善的评价手段是今后我国柴油机油规格发展亟需解决的一个瓶颈问题。

长期以来，柴油机油的升级换代主要是通过提高或改变添加剂的性能、品种及添加量，而基础油几乎没有什么变化的传统方式来实现的，这已难以满足现代工程机械润滑发展的需要。鉴于基础油约占油品质量的80%以上，高性能基础油的开发直接关系着柴油机油质量的提高，并在柴油机油的升级换代中起到不可估量的作用。目前大多数发达国家高档次车用润滑油已广泛应用Ⅱ类或Ⅲ类基础油，而国内应用Ⅰ类基础油调制高档次油品仍占很大比例;这不仅不能满足高档次柴油机油产品标准，而且自主开发新产品的技术也不多。此外，在一些传统配方技术中，大多配方仍使用含硫、磷以及高灰分的添加剂，致使柴油机油存在高灰分、高含硫、磷量的问题。由于柴油机油新规格对硫磷元素和灰分进行了严格的限定。因此，使用无灰无硫的抗氧防腐剂、无硫无磷的极压抗磨剂已成为今后柴油机油发展的趋势。

由于柴油机技术本身的进步，柴油机输出功率不断提高，工况日益苛刻，涡轮增压、多点喷射、高压共轨等技术的广泛使用，以及燃料经济性、排放法规等要求愈加严格，对柴油机油的综合性能要求越来越高［3］。而高性能的基础油与高品质的添加剂作为提高国内柴油机油整体质量的关键，这就需要重视高性能基础油与高品质添加剂的研究、开发与应用。具有优异性能的合成油以及高效、无灰分、无硫、无磷的添加剂也必将成为今后柴油机油配方研究的重点之一。

2 工程机械用齿轮油

工程机械用齿轮油主要是指重负荷车辆齿轮油，即GL-5。与其他车辆齿轮油一样，其主要作用是减少变速器、驱动桥及转向器内齿轮及轴承等零部件的摩擦与磨损，带走摩擦面产生的热量，防止机件发生腐蚀和锈蚀。此外，还具有缓和齿轮振动，降低系统噪音以及密封作用。近年来，国外齿轮油复配技术和含磷添加剂的发展很快，以满足MIL-L-2015E规格的APIGL-5和MT-1成为了当今世界水平最高的车辆齿轮油。以Lubrizol公司的 Anglamo6085、LZ1045，Mobil公司的 G252等作为高性能车辆齿轮油复合剂，在齿轮油配方中得到广泛应用;此外也有文献报道了新型硼酸烷基二硫代氨基甲酸盐类、硼化植物油、胶体硼酸盐等极压抗磨剂成功应用于车辆齿轮油配方之中，并取得了良好效果［4］。

国内车辆齿轮油和添加剂虽然起步晚，但发展很快，不仅研制并生产出满足MIL-L-2015D规格的硫磷型重负荷车辆齿轮油，而且中国石油润滑油公司与一汽、二汽合作，成功开发出了长寿命超重型车辆齿轮油（即APIGL-5+），使我国车辆齿轮油基本达到国际水平;此外我国还研制出一些具有国际水平的车辆齿轮油添加剂及复合剂，如硫化异丁烯、亚磷酸二正丁酯、硫磷酸胺缩合物、酸性磷酸酯胺盐、硫化磷酸三甲酚酯、硼化硫化磷酸酯胺盐以及 T4201、T4202、T4204、T4208 等;但这些产品还不能完全满足我国工程机械齿轮油发展的需要［5］。目前，含磷添加剂已成为齿轮油研究的核心技术，鉴于国外对含磷剂合成与应用技术保密甚严，国内逐渐开始注重对硫磷型齿轮油复合添加剂及其复配技术研究，以改善齿轮油综合使用性能，降低生产成本。

当前国内工程机械齿轮油存在的不足主要有，基础理论的研究还有待于加强，重点在于围绕高性能基础油和添加剂的设计与制备、组合结构调整及其对润滑、冷却、抗磨损性能影响规律的认识;重点突出合成材料减摩特性，磨损失效机理研究，以及功能系统节能降耗作用机制的研究。

随着工程机械设计与制造的改进，环保节能法规的日趋严格，离合片式防滑差速器的广泛使用，这对工程机械传动润滑要求变得更加苛刻［6］;同时从改善齿轮油使用性能和环保节能角度出发，国内车辆齿轮油的研究应以MIL-L-2015E规格为目标，继续朝着高性能化、低黏化、通用化以及环保节能型的方向发展。然而，硫磷型车辆齿轮油的技术发展实质是含磷添加剂与添加剂复配技术的研究，积极开展含ZDDP型和无灰型第四代硫磷车辆齿轮油复合剂研究，已成为今后车辆齿轮油复合剂的主要研究方向之一。

3 工程机械用液力传动油

自动变速装置主要是由液力变矩器、行星齿轮、湿式离合器和制动器、电子液压控制系统四个部件构成。由于自动变速装置在工作轮之间没有刚性摩擦，具有减振和抗冲击作用，提高了工程机械的使用寿命;采用液力变矩器的工程机械，在复杂路面上行驶或外负荷增大时，能自动增大牵引力和降低行驶速度，有效克服增大的外负荷，提高工程机械行驶的稳定性;因而被普遍应用于工程机械中。液力传动油（亦称自动变速器油）是保证自动变速装置正常工作的重要油（液），其按用途可分为L-HA和L-HN两种，其中L-HA用于自动传动系统，L-HN用于联轴节与转换器。目前国外主要从延长自动变速装置使用寿命与环保节能等方面出发，致力于环保节能型液力传动油的研究，以实现液力传动油的升级换代。美国ASTM与API将液力传动油分为3类，即PTF-1、PTF-2、PTF-3;其各自主要规格及基本用途如表1所示［7］。

表1 国内外液力传动油的主要规格及用途

我国液力传动油发展至今，不仅还尚未形成统一的国家标准，而且国产许多牌号的液力传动油的质量指标仍以企业标准Q/SH 303064-2007与Q/SYRH 2049-2001为基础而制定的。这些标准虽然基本适用于工程机械变速传动箱、液力偶合器、液力变矩器等设备的工作介质;但与迅速发展的国外OEM的技术要求相比具有较大的差距。随着我国进口和国产新型工程车辆以及采用液力传动装置的大功率工程机械不断增多，国产的8号、8D和6号液力传动油的质量与国外相比仍处于较低水平，已不能很好满足液力变矩器的摩擦特性要求，致使工程机械市场对国产高档次液力传动油的需求日益迫切。国内有关学者为此做了大量研究工作，中国石化润滑油北京研发中心以卡特皮勒公司（Caterpillar）传动液TO-4标准为参照，研制出满足Caterpillar TO-4规格的自动变速器油［8］。与此同时，中国石油设计的工程机械专用油K6A/K6E也已全面应用于新型工程机械变速箱，且标准也升级为机械行业标准。虽然这些国外同类产品的质量水平相当，具有广阔的应用前景;但还不能完全满足我国工程机械日益发展的需要。

由于工程机械结构设计要求不断完善，传动系统操纵自动化便成为了改善工程机械结构发展方向之一。同时，为了获得更佳的换挡操作性、平稳性、动力性以及获得更好的燃油经济性;自动变速装置设计、制造精度的不断提高，对液力传动油的各项性能提出了更严格的要求。因此，同时开展含ZDDP与不含ZDDP两种硫磷型配方体系的研究，将成为今后高性能液力传动油研究的重点方向。

4 工程机械用液压油

液压系统是利用液体的静压力来实现能量传递、转换与控制的系统。由于其具有体积小、质量轻、功率大、反应快、精度高、调速范围大、运动平稳、操作方便等特点，因而被广泛应用于工程机械中。液压油是保证其工作的传动介质，不仅要起到能量传递、转换与控制的作用，而且还具有防锈、润滑、密封等性能要求。长期以来，国外液压油产品及标准发展迅速，为了提高液压系统的使用可靠性和环保节能需求，不仅制定了相应的工程机械液压油专用标准，如JCMAS HK与JCMASHKB等;而且对环境友好型抗磨液压油的开发与应用取得了重要进展。

近年来，我国液压油研究方面发展很快，并于2012年6月开始施行了GB 11118.1-2011新标准。根据新标准，我国液压油主要分为L-HL抗氧防锈液压油、L-HM抗磨液压油（高压、普通）、L-HV低温液压油、L-HS超低温液压油、L-HG液压导轨油五个牌号。就目前而言，国内工程机械液压系统用油仍以矿物型HM高压抗磨液压油、HV与HS低温抗磨液压油为主［3］;并相继出现使用节能型多级液压油与可降解抗磨液压油。此外，由于液压技术的进步，OEM对液压油性能要求不断提高（见表2），高性能抗磨液压油的研究与普及在国内已受到广泛重视。

表2 我国液压技术对液压油的性能要求

工程机械液压系统发展至今已趋向高精确度、高效率、高压、大排量、小型化以及环保节能等方向发展。高新技术在液压系统的广泛应用，特别是电液比例操纵、液压操纵和液压伺服操纵，逐步取代了传统的杠杆操纵，对液压油的综合性能提出了更高的要求。为了简化后勤供给保障，适应工程机械液压技术发展以及环保节能需要，开发具有优良性能、通用性强、清洁度高、环保节能型多功能抗磨液压油，已成为今后液压油研究工作的重点之一。

5 工程机械用特种液

5．1 制动液

制动系统主要是由制动器与制动驱动机构组成的。制动驱动机构按传递能量的介质不同，可分为液压式与气压式两种。与气压式相比，液压式具有结构紧凑、体积小、制动力矩大且均匀、操作灵敏迅速、能耗低等特点，在工程机械中得到广泛的应用。制动液作为重要的工作介质，其发展至今，经历了3个品种类型阶段，即从最初的蓖麻油醇型制动液、矿物油型制动液到合成型制动液。由于蓖麻油醇型制动液与矿物油型制动液的使用性能存在诸多缺陷，已逐步被淘汰，取而代之的是普遍使用的合成型制动液。合成型制动液主要分为醇醚型、酯型与硅油型三种，而醇醚型与酯型合成制动液在今后相当长一段时间内，将占制动液市场的主导地位。

目前欧洲主要以使用DOT4、超级DOT4制动液为主，德国几乎100%是使用DOT4、超级DOT4或DOT5.1制动液。日本、美国与欧洲相比，虽然还相对较低，但也以 DOT3、DOT4制动液为主，并且DOT4以上级别制动液在市场上的比例也将逐渐增加［9］。然而，国内很多工程车辆制造商对制动液本身的技术内涵和产品标准的认识不足或不够重视，尚有较多的工程机械车在整车出厂时，初装的制动液质量还达不到DOT3标准要求，这种现象在国内的制造厂商中较为普遍，这很容易给工程机械使用安全留下隐患。

我国制动液近年来取得了较大的发展，但与发达国家相比，仍存在许多不足。特别是普遍存在运动黏度、高温抗气阻性、pH值等不合格问题。而作为今后我国制动液研究重点的硼酸酯型合成制动液，其耐水性与水解稳定性都是重要的指标。国内很多产品却侧重于耐水性研究，却对水解稳定性没有给予足够的重视。国外已有研究发现，硼酸酯的水解稳定性直接关系到合成制动液的pH值，进而影响其腐蚀性等其他相关性能［10］，所以硼酸酯型制动液的水解稳定性问题是今后发展亟需解决的一个技术难题。

随着我国工程机械技术发展水平与国外的差距逐渐缩小;同时进口大功率工程机械在国内市场仍占有相当大比例，国内OEM对高性能制动液的需求日益迫切，这将有力的促进制动液新产品的开发与推广应用。国内外工程车辆制动液的基本发展趋势是:以DOT3、SAE J1703醇醚型合成制动液为主的中低级产品的使用量所占比例将越来越小，并逐步退出市场;取而代之的是中高级醇醚硼酸酯型DOT4、硼酸酯型DOT5.1合成制动液;由于具有良好的相容性及性价比，将会得到更大的发展;硅油型DOT5制动液受其生产成本的限制，同时与醇醚型、醇醚硼酸酯型合成制动液不相容的制约，发展前景有一定局限性。因此短时间内在国内将难以得到发展;硅酯型制动液在赛车中得到广泛使用，但要将其应用于普通工程机械中，仍要需一段时间。

5．2 减震器油

工程车辆悬挂系统是由弹簧和减震器两大部件构成的，弹簧主要起支撑作用，而减震器则是减少弹簧的振动，确保工程车辆平稳行驶。减震器油（实质上属于液压系统用油，与低温液压油HV类似）是减震器重要的工作介质，其作用是将振动能转换为热能，起到减摩、减振或阻尼的效果［3］。目前，国内外减震器油尚无统一规格和标准，减震器油主要有:矿物油型和硅油型两种。在工程车辆减震器用油上，国内趋向使用减震器专用油（但也有部分减震器使用自动传动液，如哈飞出产的车用减震器全部都选用“昆仑牌”自动传动液），而国外有的OEM则主张使用自动传动液。

当前我国减震器油调制的合成基础油主要有:聚α-烯烃、烷基苯、硅油。硅油具有较好的黏温性能，可配制具有很高黏度指数和较高热氧化安定性的油品，是部分减震器油生产厂家的首选;然而硅油与其他合成基础油大多不相容，且在边界润滑条件下，润滑性差、承载能力低;但在今后相当长一段时间内，硅油型减震器油在市场上仍占重要地位。烷基苯虽然具有优异的低温性能，蒸发损失小，能与矿物油混溶，不含硫、氮等潜在污染源等;但对某些橡胶有溶胀作用，国内原料来源少，受其生产成本制约，发展前景受到一定限制。聚α-烯烃具有较好的黏温性能、较高闪点和较低挥发性，同时具有较低牵引系数，可有效节约减震器的工作动力;其会使某些橡胶轻微收缩变硬，可通过与酯类油调制，改善了对橡胶的膨胀性能，因而将会在减震器油市场上得到广泛的应用。未来我国工程机械减震器油品，也主要朝着通用化、合成型、环保节能型的方向发展。

5．3 冷却液

冷却液（亦称防冻液）是发动机冷却系统重要的工作介质，主要起到冷却、防垢、防冻、防腐等作用。随着我国汽车及工程车辆行业的发展，冷却液已成为仅次于内燃机油的第二大汽车养护用品。国内在发动机冷却液的基础研究及标准建设方面已逐步形成，但由于起步较晚，并受其他行业发展制约，与国外相比还存在很大的差距。目前，发动机冷却液按防冻剂基础组分可以分为乙二醇型、丙二醇型以及其他多元醇型;按防腐剂的种类，分为以无机盐为主的常规发动机冷却液和以有机酸为主的有机酸型发动机冷却液;按发动机负荷可分为重负荷发动机冷却液与轻负荷发动机冷却液［11］。

随着工程机械结构设计及制造技术的不断发展，工程机械机构紧凑，发动机体积变小，使得冷却液装入量减少，循环次数增加，运转条件也变得更加苛刻，对冷却液的综合性能要求不断提高。为此，国外不少学者提出了全寿命无拆卸养护的概念，即希望在封闭的发动机冷却系统中能够使用长时间不更换的冷却液。由于有机酸型添加剂具有消耗缓慢的特点，引起了国外OEM的广泛关注，全有机型冷却液不仅普遍被要求用于重负荷发动机装车用冷却液，而且还能满足进口工程车辆要求不含硅、硼的要求;因而有机酸型冷却液的研究也得到一定的发展［12］。然而，受冷却液生产成本的制约，国内很少单纯使用有机酸型冷却液，用于整车加注的更少。

目前我国最常用是乙二醇型发动机冷却液，而构成冷却液主体的乙二醇由于具有较大的毒性且难生物降解，带来日益突出的环保问题。为了替代乙二醇，欧美国家普遍采用丙二醇作为冷却液调配基液，且使用量越来越大;而丙二醇环保型冷却液的研究在国内才刚刚起步不久，由于其在抗气蚀、毒性及生物降解方面则有着乙二醇无法比拟的优势，因而具有广阔的市场前景。另外，常规硅酸盐配方技术正逐步被淘汰，有机酸型冷却液逐步取代常规硅酸盐配方已成为趋势。由于技术的发展，解决了纳米冷却液稳定性问题，以及相关检测手段得到完善后，纳米冷却液在不久的将来，一定能够从实验室步入市场，为汽车及工程机械的环保节能注入新的活力。随着发动机向高负荷、高技术发展以及人们对环境、安全和健康的更加重视;冷却液也必将朝着对环境无毒、易于生物降解、长寿命和高传热性等方向发展。

6 结语

由于受工程机械结构设计及制造技术不断发展的强力推动，我国已开发出一系列工程机械润滑材料，基本上满足了国内工程机械的使用要求，但与发达国家相比，不论是在复合添加剂品种以及相关复配技术等基础研究，还是标准建设方面还存在着不小差距。然而随着我国工程机械行业和润滑技术的进一步发展，产品标准逐步与国际接轨;基础理论研究与标准建设的不断完善，必将促进新产品及新技术的更新换代。就工程机械发展的趋势及润滑材料的发展方向而言，多功能化、通用化、环保化、节能化、长寿命等将是未来工程机械润滑材料发展的主要方向。

［1］杨俊杰，高辉.中国润滑油现状及发展趋势［J］.润滑油，2009，24（1）:1-10.

［2］徐小红，谢惊春.从API柴油机油规格看我国柴油机油规格发展［J］.石油商技，2006，24（3）:26-28.

［3］石俊峰.汽车润滑解码［M］.北京:中国石化出版社，2012.

［4］Brajendra K Sharma，Kenneth M Doll，Glenn L Heise，et al.Antiwear Additive Derived from Soybean Oil and Boron Utilized in a Gear Oil Formulation ［J］.Industrial&Engineering Chemistry Research，2012（51）:11941-11945.

［5］张滨友.汽车燃料与润滑剂［M］.北京:北京理工大学出版社，2003.

［6］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.

［7］朱国强.国内外的液力传动油简述［J］.工程机械与维修，2009（7）:178-180.

［8］汤涛，陈惠卿，申宝武.TO-4重负荷车辆自动传动液的性能特点和应用［J］.石油商技，2012，30（5）:90-93.

［9］王军，刘文彬，史爱峨.汽车用制动液、传动液及添加剂［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［10］Kao M J，Tien D C，Chen C T ，et a1.Hydrophilic Characterization of Automotive Brake Fluid［J］.Journal of Testing and Evaluation，2006，34（5）:400-404.

［11］周建军，李庆年，冷观俊，等.汽车冷却液［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［12］陶佃彬，童秀凤，曹云龙.汽车防冻冷却液的研究进展［J］.材料保护，2007，40（6）:50-51.