长城AE液压油在土压平衡盾构机上的应用

中国石化润滑油有限公司北京研究院

本文采用中国石化长城AE46液压油在某地铁隧道项目土压平衡盾构机（新机）上开展了为期5个月的应用试验。结果表明，长城AE46液压油表现出极好的黏温性能以及黏度、黏度指数保持能力，优异的抗氧化能力和较长的氧化寿命，同时具有良好的抗磨性能和抗腐蚀性能；为盾构机提供了全方位的润滑保护，保证了设备可靠、稳定运行，完全能够满足土压平衡盾构机的润滑要求。

根据中国工程机械工业协会标准GXB/TY 0001—2011《工程机械的定义和类组划分》［1］，掘进机械主要包括全断面隧道掘进机（盾构机、硬岩掘进机、顶管机等）、水平定向钻、悬臂式巷道掘进机等产品，其主导产品是全断面隧道掘进机。

盾构机是全断面隧道掘进机中最主要的设备，它起源于19世纪的英国，后来在德国、美国和日本等国家有了较快的发展。20世纪80年代以前，我国全断面隧道掘进机市场和技术基本上被美、日等发达国家的专业公司垄断，一直到2005年以后，随着我国大规模基础设施建设的持续展开，尤其是城市地铁、饮水工程、过江隧道等工程的大量上马，国内市场对全断面隧道掘进机的需求量急剧扩大。经过短短几年的发展，在激烈的市场竞争中一批国内企业脱颖而出，我国企业已经完全掌握了全断面隧道掘进机的设计和施工技术，部分技术已领先于国际水平。到2018年底，国内企业市场份额已经占到国内市场的90%以上，几家顶尖企业的生产条件和制造能力已经超过国际知名企业，完全具备自主研发能力和自主知识产权。我国全断面四道掘进机产业规模和市场规模已居全球首位［1］。现代盾构机是集光、电、液、机、传感、信息等技术于一体, 具有开挖切削土体、土碴输送、隧道衬砌拼装、测量导向纠偏等功能于一体的超大型高度智能化的一类工程机械设备，盾构机集成了大型PLC、多种类型和型号且性能优良的液压泵以及先进的控制理念［2］。由于盾构机工作环境及工况较为特殊，导致设备对于运行的可靠性、稳定性以及适应性具有极高的要求。液压油作为盾构机液压系统的“血液”，是盾构机中用量最大的润滑产品，同时也是保证盾构机稳定可靠运行的关键。由于我国盾构技术源于国外，其润滑油品的选用一直沿用国外品牌，因此，我国制造的盾构机在选用液压油时均以国外品牌为首选。为了推进液压油产品在盾构机领域的国产化，探索中国石化长城液压油在盾构机上的应用性能，扩大长城液压油的应用范围，有必要开展长城液压油在盾构机上的应用研究。

土压平衡盾构机简介

土压平衡盾构机的开发始于20世纪70年代初。第一台土压平衡式盾构机外径为3.72 m，由日本IHI设计制造，于1974年在东京投入使用。我国于1985年第一次引进土压平衡盾构机，直径4.33 m，1987年国内首台土压平衡盾构机研制成功，直径4.35 m。经过多年的发展，根据相关数据，从2016年生产销售的盾构机的类型来看，我国复合式土压平衡盾构机占大多数，各类型全断面隧道掘进机占比见图 1［3，4］。因此，本次应用研究盾构机类型选择土压平衡盾构机。

图1 2016年各类型全断面隧道掘进机占比

土压平衡盾构机的工作原理可以概述为，刀盘旋转切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘开口进入土仓，泥土落到土仓底部后，通过螺旋输送机运到皮带输送机上，然后输送到停在轨道上的碴车上。盾构在推进油缸的推力作用下向前推进。盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护作用，承受周围土层的土压、地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。土压平衡盾构机的结构及组成见图 2［5］。

图2 土压平衡盾构机的结构及组成

应用试验

试验设备及工况

本次应用研究所采用的盾构机为土压平衡盾构机（新机），开挖直径6.43 m，试验项目为国内某地铁隧道项目，掘进共计约1 600 m，全程均采用盾构法施工，隧顶覆土约10～20.15 m，实际施工时间5个月。

试验油品

按照本次应用研究盾构机液压系统的用油要求，试验油品选用中国石化长城AE46液压油（简称AE46液压油），典型数据见表1。

表1 中国石化长城AE46液压油典型数据

装油及取样

本次试验所用盾构机为新设计制造的盾构机，所验证油品自盾构机厂内试机开始应用，先后经历新油在厂内开封，将新液压油抽出（经过过滤小车）并加入盾构机开展厂内试运行（妥善保留抽出油品后的的空桶待用），试运行完毕后，将盾构机中的液压油品再次抽出至保留的空桶内并封盖，拆解盾构机运送至施工现场，在现场进行组装，并再次加注液压油品至盾构机液压系统，整个盾构机液压系统装入液压油约8 000 L。装油完毕开展现场试运行，试运行完毕后取样作为0个月的油样，考虑到设备施工稳定性和连续性，后续每月定时取样1次，直至本工段掘进任务完成。

监测指标的选择及确定

本次应用研究旨在探索AE46液压油在土压平衡盾构机上的应用可行性，同时探究在应用过程中液压油性能变化情况。因此，对于液压油的性能监测一方面参照盾构机用液压油换油关键指标，如40 ℃运动黏度变化、色度增加、酸值增加、正戊烷不溶物、铜片腐蚀，具体要求见表2［6］；另一方面，为了更加全面地探究AE46液压油与盾构机液压系统的匹配性以及在使用过程中关键性能的变化情况，对其他液压油品的关键性能也进行了监测，如黏度指数变化、抗乳化性、氧化安定性（旋转氧弹）、元素含量（铜、铁）。

结果及讨论

色度

润滑油的颜色与所有物质一样，都具有相对固定的颜色，它与基础油的精制程度及所加的添加剂有关。随着润滑油品的老化，润滑油品的颜色会逐渐加深，通过新、旧润滑油品色度的对比，在一定程度上可以相对直观地反映油品在盾构机液压系统中运行的老化程度。应用试验过程中油品色度变化情况见图3。

由图3可以看出，整个应用过程中AE46液压油的色度呈现规律性变化，并且变化幅度较小，始终保持在不大于1号的范围内，未达到参考换油指标色度增加2号的要求，在一定程度上反映了油品老化程度较小。

表2 液压油换油关键指标技术要求及试验方法（NB/SH/T 0599—2013）

运动黏度

润滑油品的运动黏度是反映其油膜强度、流动性的重要指标，适当黏度的抗磨液压油是保证盾构机液压系统正常润滑和密封的一个重要因素。黏度太大，会使运行系统压力和功率损失增加，甚至在寒冷气候下难以启动；黏度太小，泵的内泄漏增大，容积效率降低，甚至会使系统压力下降，油温升高，磨损增加，造成系统控制失灵。在不考虑外界污染、混油的情况下，液压油在正常工作状态下，黏度的下降通常是由于在工作过程中液压油中所含有的高分子聚合物被造成永久性剪切所致，而其黏度的增长通常是由于液压油品的氧化所致。应用试验过程中油品运动黏度变化情况见图4。

由图4可以看出，整个应用过程中AE46液压油的40 ℃运动黏度变化不大，在第二个月后黏度变化趋稳，且一直保持在较好水平，远未达到换油指标的要求。这说明AE46液压油在应用过程中具有较好的黏度保持能力。

图3 应用试验过程中AE46液压油色度变化情况

图4 应用试验过程中AE46液压油运动黏度（40 ℃）变化情况

黏度指数

黏度指数是衡量润滑油品的黏度随温度变化而变化的重要指标，通常黏度指数较高的润滑油品，在温度变化时其黏度随温度变化的趋势较小，反之变化趋势较大。因此，较高黏度指数的液压油在温度变化时具有更好的黏度保持能力，为盾构机液压系统提供良好的润滑和密封，保证高效的能量传递。应用试验过程中油品运动黏度指数变化情况见图5。

图5 应用试验过程中AE46液压油黏度指数变化情况

由图5可以看出，整个应用过程中AE46液压油的黏度指数未发生大的变化，说明AE46液压油具有较好的黏度指数保持能力，可以保证在温度变化时，为盾构机提供更好的润滑保护，同时保证更加有效的能量传递。

酸值

酸值是表征润滑油中所含酸性物质的质量指标，通常液压油的酸值在正常使用过程中呈现先降低后增长的趋势，原因是由于润滑油品中呈现酸性的极压抗磨剂的消耗导致酸值降低，随后会因为液压油氧化产生的酸性物质再次导致其酸值升高。因此，酸值的变化在一定程度上可以反映液压油的老化程度。应用试验过程中油品酸值增加变化情况见图6。

由图6可以看出，整个应用过程中AE46液压油的酸值呈现规律性变化，变化幅度较小，并且未达到参考换油指标酸值增加0.3的要求，在一定程度上反映了油品老化程度较小，酸值未呈现明显的县变小后增大的趋势，据此可推测，油品中的极压抗磨剂尚未出现大量消耗，在油品结束时油品仍应具有较好的极压抗磨性。

图6 应用试验过程中AE46液压油酸值增加变化情况

正戊烷不溶物

正戊烷不溶物包括润滑油品氧化产物、添加剂分解产物、磨损的金属粉末、灰尘和积炭的总和，主要反映油品的氧化变质的程度，在一定程度上反映了油品氧化寿命。应用试验过程中油品正戊烷不溶物变化情况见图7。

由图7可以看出，整个应用过程中AE46液压油的正戊烷不溶物始终保持在较低的范围内，远未达到参考换油指标正戊烷不溶物大于0.1%的要求，说明AE46液压油在应用过程中氧化变质的程度较小，在一定程度上反映了油品具有较长的氧化寿命。

图7 应用试验过程中AE46液压油正戊烷不溶物变化情况

铜片腐蚀

通常润滑油品中含有的活性硫物质会对铜等活泼金属产生腐蚀，润滑油产品在经过一定时间的使用后也会由于氧化产生具有腐蚀性的物质。铜片腐蚀试验反映了润滑油品抵抗腐蚀的能力，数值越低，表明其抗腐蚀能力越好，对盾构机液压元件的保护越好。应用试验过程中油品铜片腐蚀变化情况见图8。

由图8可以看出，整个应用过程中AE46液压油的铜片腐蚀试验情况从0小时开始始终保持较好的水平，连续5个月时间始终保持了1 b的水平，说明AE46液压油具有出色的抗铜片腐蚀保持能力。

旋转氧弹

润滑油品抵抗大气（或氧气）的作用而保持其性质不发生永久性变化的能力叫氧化安定性，旋转氧弹是表征润滑油品氧化安定性的一个指标。其数值越大，表明其抗氧化能力越好，其抗老化能力越强。液压油的老化一方面会增加油品的黏度，产生的酸性物质会对液压元件产生腐蚀，另一方面会降低液压油品的使用寿命，为了保证盾构机的长期可靠运行，盾构机用液压油需要具有良好的抗氧化能力。应用试验过程中油品旋转氧弹变化情况见图9。

由图9可以看出，整个应用过程中AE46液压油的旋转氧弹呈现规律性变化，并且变化幅度较小，旋转氧弹下降率控制在10%左右，说明在整个应用过程中AE46液压油一直保持优异的抗氧化性能，并且在应用结束时油品依然具有非常好的抗氧化能力，进而证明AE46液压油具有优异的抗氧化性能及较长的氧化寿命。

图8 应用试验过程中AE46液压油铜片腐蚀变化情况

图9 应用试验过程中AE46液压油旋转氧弹变化情况

抗乳化性

抗乳化性表征润滑油品油水分离的能力。液压油中混入水后，在运行过程中液压油会与水形成乳化液，加速液压元件的腐蚀，降低润滑性能，加剧磨损。因此，盾构机用液压油在使用过程中需要始终保持良好的抗乳化性能。应用试验过程中油品抗乳化性变化见图10。

由图10可以看出，整个应用过程中AE46液压油表现出了较好的抗乳化性能，经过5个月的使用，油品依然具有优异的抗乳化能力。

图10 应用试验过程中AE46液压油抗乳化性变化情况

铜、铁金属元素含量

在盾构机液压系统中，高压液压泵和大功率马达被广泛采用，这些部件在启动和停车时，往往可能处于边界润滑状态，此时需要液压油品为零部件提供良好的极压、抗磨保护。铜、铁元素含量的变化，在一定程度上可以反映盾构机液压元件的磨损程度。应用试验过程中油品铜、铁金属元素含量变化情况见图11、图12。

图11 应用试验过程中AE46液压油中铜元素变化情况

图12 应用试验过程中AE46液压油中铁元素变化情况

由图11和图12可以看出，整个应用过程中AE46液压油中铜、铁金属元素含量一直处于较低水平，铜元素含量一直维持在13 mg/kg以下，铁元素含量一直维持在10 mg/kg以下，说明AE46液压油在整个应用过程中对设备起到了良好的抗磨保护。

结论

本次应用研究采用中国石化长城AE46液压油在土压平衡盾构机上开展了为期5个月的应用和效果跟踪，该盾构机开挖直径6.43 m，掘进共计约1 600 m。结果表明，长城AE46液压油保证了盾构机的可靠、稳定运行，为设备提供了全方位的润滑保护，可以满足该盾构机的用油要求，并且表现出了极好的黏温性能以及黏度、黏度指数保持能力，优异的抗氧化能力和较长的氧化寿命，同时表现出良好的抗磨性能和抗腐蚀性能；中国石化长城AE46液压油完全能够满足土压平衡盾构机的润滑要求。