风力发电机齿轮油的初步研究

范海粉，王瑞兴，徐昂

(上海禾泰特种润滑科技股份有限公司,上海 200331)

风力发电机齿轮油的初步研究

范海粉，王瑞兴，徐昂

(上海禾泰特种润滑科技股份有限公司,上海 200331)

风力发电机组用油需求量逐年提高，但国内风电厂大部分仍然使用国外品牌风电齿轮油，且其性能存在一定不足。文章重点考察了基础油和黏稠剂复配、黏稠剂配比、极压抗磨剂选择及其复配等对风电齿轮油低温和黏温性能的影响，结果表明：低黏度酯类油添加高分子黏稠剂可以制备出具有超高黏度指数和较低倾点的高黏度基础油；且对硫系和磷系极压抗磨剂都具有较好的感受性，表现出抗磨协同性；此外文章所制备齿轮油还具有优异的氧化安定性和高温清净性。

风力发电；齿轮油；黏温性能；低温性能；极压抗磨性

0 引言

随着我国风电事业的不断发展，对风力发电机组用油需求量也逐年提高，风电已成为继火电、水电之后的第三大电源。主齿轮箱是风电机组的核心部件，其基本功能就是将风力推动叶片所产生的低转速高扭矩功率，转化为发电机所需的高转速低扭矩功率，因此齿轮箱的可靠性往往直接影响风电机组的发电效率和使用寿命[1]。齿轮箱用润滑油主要是防止齿轮微点蚀和轴承损坏，进而降低齿轮箱失效几率，因此选择合适且性能好的齿轮油对保证风电机组稳定高效运行，提高发电效率有重要意义。

合适的齿轮箱润滑油需要具备长期的氧化安定性和热稳定性、清静性、较高的黏度指数、良好的低温流动性及极压抗磨性能等[2]。目前国内风电厂齿轮箱主要使用国外品牌风电齿轮油，但是在以上性能方面还存在一些差距，不能完全满足国内某些地区要求，为此本文结合国内风电机组实际运行工况，自主开发了风电设备专用齿轮油的制备工艺，重点考察了基础油及增稠剂的选择、黏稠剂复配比例、极压抗磨剂选择及其复配等对齿轮油黏温性、低温性、极压抗磨性、热氧化性、清静性等方面的影响，并初步制备出综合性能优良的风电齿轮油产品，本产品可替代国外品牌产品应用于国内风电机组中，对于加速国产风电齿轮油行业发展，具有很大的推广空间。

1 实验部分

1.1 实验原料

本文所用原材料如表1所示。

表1 原材料性能信息

1.2 主要实验方法

(1)润滑油黏度指数试验 GB/T 1995；

(2)润滑油倾点测试方法 GB/T 3535；

(3)氧化安定性试验(旋转氧弹法) SH/T 0193；

(4)润滑剂承载动力测定法(四球法) GB/T 3142；

(5)润滑剂磨斑直径和摩擦系数测试法 SH/T 0189。

2 结果与讨论

2.1 不同黏稠剂对基础油的低温和黏温性能影响

目前国内外常用的风电齿轮油基础油一般选择高黏度聚α-烯烃(PAO)，虽然具有较好的黏温和低温性能，但仍不能满足一些极端工况需求。为此，本文分别以低倾点、低黏度的PAO和饱和多元醇酯为基础油，与不同高分子黏稠剂复配组合，以期制备出低温倾点和黏温指数都符合极端工况需求的基础油配方。

在SpectraSyn 6、UNIESTER 3420中，分别添加高分子复酯类UNIESTER 4445(简称4445)、聚异丁烯PB1300和黏度指数改进剂聚甲基丙烯酸甲酯Viscoplex7-310(简称V7-310)，其黏度指数和倾点变化如表2所示。

表2 不同黏稠剂基础油的低温和黏温性能影响

注：*SpectraSyn 6和4445复酯不相容。

由表2可以看到，V7-310对两种低黏度基础油的黏度指数改善最为显著，其黏温性能明显增强；4445虽然与SpectraSyn 6不兼容，但对UNIESTER 3420的黏度和黏度指数都具有很好的改善作用；而PB1300则对油品的黏度指数和黏度影响最小。另外，UNIESTER 3420与上述黏稠剂复配后，低温倾点变化较小，而复配后的SpectraSyn 6倾点则大幅度上升。

一般在含有聚合物的润滑油中，高温下，溶解度好的聚合物分子链可充分伸展，高分子间相互吸引，内摩擦增大，进而对润滑油起到良好增稠作用，而低温下，溶解度差的聚合物分子大部分处于蜷曲状态，对内摩擦影响不大，降低了对润滑油增稠作用。因此聚合物对润滑油黏度指数的提高程度，取决于聚合物分子在润滑油中的溶解度随温度变化的幅度大小，聚合物溶解度随温度变化越大，对润滑油的黏度指数改进越好。V7-310是一种专用的聚甲基丙烯酸酯黏度指数改进剂，其显著的黏度指数改善作用可能归因于其在常规润滑油中溶解度随温度变化较大。4445本身是酯类聚合物，与饱和多元醇酯UNIESTER 3420结构相似，互溶性好，其分子链可以得到充分的溶解和舒展，对UNIESTER 3420表现出较强的增稠作用，但良好的互溶性使得4445溶解度变化受温度影响小，所以对UNIESTER 3420黏度指数改进幅度稍低。PB1300对油品的增黏最弱可能因为其在UNIESTER 3420中溶解度弱，且自身分子链短(分子量仅为1300)，产生内摩擦力低，此外其在UNIESTER 3420中整体较弱的溶解度也限制了溶解度随温度变化的幅度，从而降低了对黏温性能的提升作用。

有机化合物低温性能主要受主链的内旋转自由度的影响。分子中主链内旋转所受的阻力越小，其分子链的柔顺性越好，流动活化能也较低，在外力的影响下越容易向周围的自由空间跃迁，即表现出较低的倾点和低温流动性[3]。SpectraSyn 6为线性直链分子，其各分子的原子与所加入的增黏剂分子链原子间互相吸引机会较多，致使分子间引力大大增强，分子间主链内旋转所受阻力增大，因而低温流动性变差，倾点增高。UNIESTER 3420为饱和季戊四醇酯，分子为所占空间较大的体型立体结构，与所加入增黏剂分子链间吸引机会相对较小，分子间主链内旋转所受阻力增加不大[3]，因而低温流动性较好，倾点降低。

2.2 不同黏稠剂复配对基础油低温和黏温性能的影响

根据2.1结论，本文以UNIESTER 3420为基础油，复配不同比例的4445和V7-310，以充分利用它们显著的增稠作用和黏度指数改进作用，制备出兼具有优异黏温性能和低温性能基础油组合，其黏度指数和倾点数据见表3。

表3 不同黏稠剂复配对基础油低温和黏温性能的影响

由表3可看到，油品的黏度随着4445和V7-310复配添加比例尤其是4445增加而呈现出较大的增加趋势；油品的黏度指数主要随着V7-310的添加比例增加而增加，但增加幅度有限，且基本不受4445添加比例影响。

由于4445和V7-310都是高分子链结构，其分子链间的缠结、分子链的舒展都会增加UNIESTER 3420的流动阻力，使其黏度大幅度增加；而油品黏度指数主要取决于聚合物分子在润滑油中的溶解度随温度变化幅度大小，且V7-310在UNIESTER 3420酯类油中的溶解度随温度变化幅度大于4445，可能复配黏稠剂在酯类油中整体溶解度随温度变化幅度大小主要取决于变化幅度较大的V7-310，因而油品主要表现出V7-310的黏温性能。当V7-310加入比例逐渐增高时，其高分子链在基础油中的溶解逐渐接近饱和，溶解度随温度变化幅度大小接近稳定，所以油品的黏度指数没有出现显著的增加趋势。

4445和V7-310复配后，油品的倾点较2.1节出现一定幅度的上升，可能因为复配一定比例的4445和V7-310后，UNIESTER 3420分子同时受到4445分子链中的酯基和V7-310分子链中的丙烯酸酯基的双重吸引，增加了分子主链内旋转所受阻力，低温性变差。另外随着4445和V7-310添加比例的增大，油品ν 40 ℃幅度增加较大，但倾点基本在-42 ℃上下变动，变动幅度小，这可能因为一方面复配增黏剂在上述油品中的添加比例都较高，与UNIESTER 3420分子接触机会基本都接近饱和，对其分子主链内旋转产生的阻力变动不大，另一方面上述油品都具有极高的黏度指数，黏温性能十分优异，低温下复配增黏剂高分子链主要处于蜷曲线团状态，高分子链间缠结小，内摩擦小，对油品流动阻碍作用不大[4]，综上使得以上油品在低温下表现出相似的低温流动性。

2.3 不同极压抗磨剂对基础油极压抗磨性能的考察

极压抗磨剂不仅决定着齿轮油的极压抗磨润滑性能，而且对齿轮油的氧化安定性及抗微点蚀性也具有重大影响。本文选择在UNIESTER 3420中同时添加25%的4445和25%的V7-310、兼具优异黏温和低温性能的基础油组合配方，然后分别添加极压抗磨剂硫化脂肪酸Smart Base 2518(简称2518)、硫化异丁烯T321、烷氧基磷酸盐P120、芳香磷酸胺Vanlube692，此外还添加了金属钝化剂T551，以减小高活性极压抗磨剂对有色金属的腐蚀，其四球和铜片腐蚀试验数据见表4。

表4 不同极压抗磨剂对基础油极压抗磨性能的影响

从表4可以看到，添加比例为1%时，硫系极压抗磨剂表现出较高的烧结负荷，极压性能突出，磷系极压抗磨剂也呈现出超高的最大无卡咬负荷，抗磨性能显著，其中T321所调制油品PD值最高，Vanlube 692调制油品PB值最大，P120调制油品除具有相对较高的PB值外，还具有优异的烧结负荷PD值。另外表4所有油品都表现出优异的耐金属腐蚀性，也说明本文所选基础油配方对以上硫磷极压抗磨剂具有很好的感受性。

在摩擦过程中，摩擦生热使含硫剂中的C-S键断裂，释放出S，游离出来的S在高温条件下与Fe化合物反应，在相接触的金属表面生成一层刚硬的硫化物保护膜，增加油品抗烧结能力。T321含硫量高，更容易释放活性S，因而具有更好的极压润滑性[5]，2518是控制活性硫释放，可能生成硫化物速率相对慢些，极压抗磨偏弱。磷系极压抗磨剂作用机理是：摩擦过程中与Fe反应生成亚磷酸铁，亚磷酸铁与Fe形成共融合金，熔化后流入试件表面的凹坑，使表面变得更光滑，增大接触面积，降低了接触应力；Vanlube 692是磷酸二丁酯与4-四亚丙基苯胺的化合物，因同时含有活性磷和活性氮，除能生成亚磷酸铁外，其氮元素由于原子半径小，电负性高，还很容易使分子之间形成氢键，增强摩擦表面横向力，提高了油膜强度，有利于抗磨性能PB值提高；而P120为烷氧基磷酸盐，不仅含有少量的氮元素，而且分子体积相对较小，相同容积内分子数目增多，在金属表面可形成细密的物理吸附膜和化学反应膜，承载能力PD值相应提高[6]。

从表4还可看出，P120分别与T321和2518按照0.5%加入量复配时，所制备油品PB值都高于1%P120加入量的，Vanlube 692与2518复配时PB值达238 kg，远高于Vanlube 692在1%添加量时的191 kg，以上都表现出了优异的抗磨协同性；此外P120和Vanlube 692的加入，使T321的极压性降低，而2518的极压性能则有增加趋势，可能因为本文所用酯类油具有很强的极性，在摩擦表面有很强的吸附，尤其是4445高分子复酯，会在摩擦表面形成附着力很强的有机薄膜，它与磷硫单独存在时形成的吸附膜都具有很好的配伍性，但当硫磷吸附膜同时存在时，三者之间就会存在竞争作用，使酯类有机膜更倾向和磷化合物吸附膜作用，限制了硫化合物反应膜的生成和发挥，复配后2518极压性能的增强可能归因于其控制硫释放能力降低了吸附竞争的影响[7-8]。

2.4 研制风电齿轮油性能评价

在2.3节中极压抗磨性相对优异的P120配方和2518与Vanlube 692复配配方中，再分别添加常规抗氧剂、防锈剂等，调制出两组齿轮油，以对其基本性能进一步考察，如表5所示。

表5 风电齿轮油的性能

注：*将少量油品平铺分散在表面皿中，然后放在250℃中烘烤3h。

由表5可以看到，两种配方都可制备出综合性能优异的齿轮油，可以看到本文调制油品的黏温性能、低温性能和极压抗磨性能都远高于国外同类品牌。

此外2518与Vanlube 692复配配方尤其是P120配方都表现出优异的氧化安定性，这可能是因为其较低的硫磷元素含量，特别是P120配方不含有活性硫元素，都大大减轻了对油品的催化氧化作用；而其偏低的摩擦系数和磨斑直径可能归因于酯类基础油在摩擦表面形成的极性很强的有机保护膜。

图1是本文调制油品和国外同类品牌的高温清静性试验。由图1可以看到，虽然添加了高分子聚合物V7-310和4445，但是本文油品高温结焦性仍优于国外的聚α-烯烃调制的油品，这可能是因为两种聚合物大分子在热氧化过程中相互影响，主要进行降解反应并生成低分子聚合体，而聚α-烯烃则主要进行缩聚反应产生分子量更大的高聚物，增加了结焦量。

(a)P120配方

(b)2518和Vanlube 692组合配方

(c)国外油

3 结论

通过考察基础油和黏稠剂复配、黏稠剂复配比例、极压抗磨剂选择及其复配等因素，得出以下结论：

(1)聚甲基丙烯酸甲酯V7-310对低黏度基础油的黏温性能增强最显著，而聚异丁烯PB1300最弱；高黏度复酯4445仅对酯类油的黏度和黏温性能具有改善作用。此外增稠后的UNIESTER 3420仍具有较低的低温倾点，而SpectraSyn 6则明显上升。

(2) UNIESTER 3420酯类油黏度受4445和V7-310复配添加比例影响明显；油品的黏度指数主要随着V7-310的添加比例增加而增加，且基本不受4445添加比例影响。

(3) 所调制复配酯类油对硫系和磷系极压抗磨剂都具有较好的感受性；并可使复配硫磷添加剂表现出抗磨协同性；但P120和Vanlube 692的加入，使T321极压性降低，而2518的极压性能则有增加趋势。

(4)相对于国外同类PAO类型风电齿轮油品牌，本文所调制风电齿轮油品还具有超强的氧化安定性和高温清静性，综合性能优异，完全满足风电齿轮箱要求，具有较好的应用前景。

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Study on the Wind Turbine Gear Oils

FAN Hai-fen, WANG Rui-xing, XU Ang

(Shanghai Hitecrun Specialty Lubricants Technology Co., Ltd, Shanghai 200331, China)

The demand of wind turbine oil is increasing annually, but domestic wind power plants mainly use foreign wind power gear oil with some deficiencies in performance. In this paper, the influence of complex formulation of base oil and thickeners, compound proportion of thickeners, selection and compounding of EP anti-wear agent on the low temperature and viscosity-temperature performances of wind power gear oil was studied. Result shows that the high viscosity base oil with high viscosity index and low pour point could be prepared by adding polymer thickener into low viscosity ester oil; the base oil has a good sensitivity to sulfur and phosphorus EP anti-wear agents, and in which the sulfur agent can exhibit synergistic effect with phosphorus-based additives; In addition, the gear oil prepared by them has excellent oxidation stability and high temperature cleanliness.

wind power; gear oil; viscosity-temperature performance; low temperature performance; EP anti-wear property

2017-03-24。

王锋,工程师,1994年毕业于华东理工大学化学工程系有机化工专业,主要从事特种油产品的市场开发与销售管理工作,发表论文2篇。E-mail:wangfeng_rhy@petrochina.com.cn

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.03.003

1002-3119(2017)03-0015-06

TE626.3

A