工业齿轮油弗兰德泡沫性能探究

魏巧玲 石啸 张国茹中国石化润滑油有限公司

在齿轮高速运转过程中，润滑油品生成泡沫过多会造成很大安全隐患，准确检测油品抗泡性能很有必要。弗兰德泡沫试验作为一种契合齿轮实际运行工况的新型国际标准泡沫测试方法，已成为先进齿轮制造商推荐用油必须完成的试验。本文以工业闭式齿轮油为试验油样，探究了不同黏度油品弗兰德泡沫性能差异并分析其原因。试验结果表明，VG 68和VG 150 黏度的油品停机后总体积增加百分数约5%～6%，而VG 680黏度油品总体积增加百分数超过10%；研究发现造成这一现象的主要原因是高黏度油品内部气泡上升至表面破裂的速率低于低黏度油品。

供图/魏巧玲

齿轮是工业设备传动过程中不可或缺的重要装置，常采用工业齿轮油对其啮合表面进行润滑。由于工业齿轮箱非完全封闭系统，齿轮在运转过程中不可避免地会将空气搅动进来，在油品内部和表面形成气泡以及泡沫[1,2]。

润滑油内部形成的气泡只有上浮到表面才能破碎，当润滑油受到振动、搅拌等外力作用时，在油品内部产生气泡，气泡在热力学上处于不稳定状态，众多微小气泡在油品内部移动、碰撞，发生聚合，形成更大的气泡，然后在液体浮力的作用下逐渐向上移动，在气-液表面气泡膜发生液体引流，最终破裂（如图1 所示）[3]。其中描述油品内部气泡上升过程的性质被称为空气释放性，描述泡沫在油品表层破裂过程的性质被称为抗泡性，二者都是评价润滑油泡沫性能的重要指标。若油品泡沫性能不好，则很容易破坏齿轮啮合处形成的油膜，导致齿轮润滑不足、异常磨损和齿轮箱散热不畅，最终影响设备的稳定运转，从而造成安全隐患和经济损失[4～6]。基于上述情况，工业齿轮油在出厂前都必须进行泡沫试验，以确定其泡沫性能满足技术指标。

图1 泡沫破裂机制示意

工业齿轮油泡沫性能评价一般采用GB/T 12579《润滑油泡沫特性测定法》或ASTM D892《润滑油泡沫特性标准试验方法》[7,8]。近些年随着齿轮箱技术的不断发展，对工业齿轮油抗泡沫性能要求也在不断提升，一些高端齿轮箱OEM（原始设备制造商），如德国Flender 公司模拟工业齿轮箱实际工况特点设计了弗兰德泡沫试验。2012 年弗兰德泡沫试验从OEM 内部测试方法衍变为ISO 方法标准，即ISO 12152—2012《润滑油，工业用油和相关产品.正齿轮试验台上使用的工业齿轮油发泡和空气释放特性测定.弗兰德泡沫试验规程》[9]，我国在2020 年参考ISO 12152—2012 制定了石化行业标准NB/SH/T 6007—2020《工业齿轮油泡沫和空气释放特性的评定. Flender 泡沫试验法》。

目前国际上评价工业齿轮油质量规格的标准中认可度较高的有国际标准化组织（International Organization for Standardization,ISO） 发 布 的ISO 12925-1《 润滑剂、工业用油及相关产品（L级）.C 系列（齿轮）.第1 部分：闭式齿轮系统润滑剂使用规范》，以及德国标准化学会（Deutsches Institut für Normung e.V., DIN）发布的DIN 51517-3《润滑剂.润滑油.第3 部分：润滑油CLP 最低要求》等。ISO 在2018 年1 月发布 的ISO 12925-1：2018 版 本（替代ISO 12925-1：1996 版）中 新 增了ISO 12152 弗兰德泡沫试验，用于模拟实际齿轮箱中油品的泡沫性特性。DIN 在2018 年3 月发布的DIN 51517-3：2018 版本（替代DIN 51517-3：2014）中同样新增了ISO 12152 弗兰德泡沫项目用于评价齿轮油的泡沫性能。国内关于工业齿轮油质量规格的评价标准是GB 5903—2011《工业闭式齿轮油》，目前暂未对油品弗兰德泡沫性能作出要求。上述标准中关于油品泡沫性能具体要求见表1。

表1 国内外质量标准中对工业齿轮油泡沫性能的要求

本文拟对不同黏度等级的工业闭式齿轮油进行常规泡沫试验和弗兰德泡沫试验，探究工业齿轮油弗兰德泡沫性能与常规泡沫性能的差异，为工业齿轮油泡沫性能深入研究奠定基础。

试验部分

试验油品

本文根据工业齿轮油不同黏度级别基础油组分同源特点和跨黏度级别通读规则[10]，结合工业齿轮油常用黏度级别范围（VG 68～VG 680）， 选 择VG 68、VG 150 和VG 680 三个由低到高的黏度级别，调配了两种不同质量规格（分别以Ⅰ、Ⅱ表示，II 规格高于I 规格）的6 个油品，油品配方见表2，基本理化性能见表3。

表2 VG 68、VG 150和VG 680油品配方

表3 VG 68、VG 150和VG 680油品理化性能

常规泡沫试验

本文利用润滑油双浴泡沫特性测试仪（美国Koehler 公司K43093 型，Visaya 公 司 金 属 扩散 头， 型 号 为AYA-10-88606）进行油样常规泡沫试验，试验装置如图2 所示。具体步骤参考GB/T 12579[11]， 简 要 概 述 如下：①在24 ℃条件下向190 mL油样中通入恒定流速的干燥空气，以气体扩散头出现第一个气泡起计时，通气5 min，记录吹气结束时的泡沫体积和静置10 min 后的泡沫体积；②在93.5 ℃条件下对第二份油样（180 mL）重复第①步操作；③待第二份油样泡沫消散后，降温至24 ℃，再次重复第①步操作。

图2 常规泡沫试验装置

弗兰德泡沫试验

本文基于石化行业标准NB/SH/T 6007[12]进行弗兰德泡沫试验，利用德国Strama 公司弗兰德泡沫试验仪模拟待测齿轮油在实际工况下的起泡过程。试验装置如图3（a）所示。在室温下以恒定转速（1 450 r/min ± 50 r/min）的电机驱动齿轮搅拌油样5 min，观察并记录停机后90 min 内固定时刻试样总体积增加百分数、油-气混合物体积增加百分数和表层泡沫体积增加百分数，如图3（b）所示。

图3 弗兰德泡沫试验

为保证设备稳定工作和避免对润滑表面造成气蚀，弗兰德泡沫试验要求停机1 min 后油样总体积增加百分数不超过15%，并且停机5 min 后油-气混合物体积增加百分数不超过10%，否则即认定为油品泡沫性能测试不通过。

结果与讨论

泡沫试验结果

不同黏度级别和质量规格的工业闭式齿轮油的常规泡沫试验结果见表4。

常规泡沫试验测试对象为油品表层泡沫，试验结果用两个数字表示，分别为吹气结束后油品表层泡沫体积和静置10 min后的泡沫体积。从表4 结果中可以看出，6 个工业闭式齿轮油在常规泡沫试验中均有良好的抗泡性能，且满足GB 5903质量指标要求。

表4 油品常规泡沫试验结果

采用弗兰德泡沫试验机进一步测试工业齿轮油的泡沫性能，测试结果见表5。

弗兰德泡沫试验测试对象为油品内部气泡和表层泡沫，可同时表征润滑油的空气释放性和抗泡性。从表5 中可以看出，6 种工业闭式齿轮油泡沫性能均满足弗兰德泡沫试验的指标要求。

表5 油品弗兰德泡沫试验结果

根据弗兰德泡沫评价指标要求，分别作不同黏度等级齿轮油总体积增加百分数和油-气混合物体积增加百分数随时间变化的折线图，如图4 所示。

从图4（a）可以看出，两种质量规格下的VG 680 黏度油品经齿轮搅拌之后总体积增加百分数（表征油品总体泡沫性能）远高于相应的VG 68 黏度和VG 150 黏度的油品。从图4（b）中可以看出，两种质量规格下的齿轮油，VG 680 黏度的油品在齿轮搅拌结束之后油-气混合物体积增加百分数（表征油液内部气泡状态）同样高于较低黏度的油品，且随停机时间延长，油-气混合物体积增加百分数持续维持在10%左右，直至试验结束。

图4 不同黏度等级的工业齿轮油总体积、油-气混合物体积增加百分数随时间变化的折线图

对于常规泡沫试验和弗兰德泡沫试验，试验过程中的泡沫照片见图5。

图5 VG 680-Ⅰ在泡沫试验过程中的泡沫

根据行标NB/SH/T 6007 要求，同一油样在同一仪器上两次测得的停机1 min 后总体积增加百分数差值不超过5%，才可满足试验结果的重复性要求。对6 个试验油样进行复测，其试验结果重复性见表6。

由表6 可以看出，所有试验油品的测试结果均满足NB/SH/T 6007重复性要求，试验结果可靠。

表6 油品弗兰德泡沫试验结果重复性

两种泡沫试验结果差异讨论

常规泡沫试验和弗兰德泡沫试验表明，本文所用6 种工业齿轮油泡沫性能均满足国标和行标相关规格要求。在两种泡沫试验中，不同质量规格油品在同一黏度下的泡沫性能没有明显差异，这是因为两种质量规格油品虽使用不同加剂量的复合添加剂，但该添加剂在油品中所占质量分数较小，对油品泡沫性能影响很小。然而对比两种泡沫试验结果可以发现，不同黏度等级油品在两种泡沫试验中泡沫性能差异很大，常规泡沫试验中不同黏度油品均表现出良好的泡沫性能，弗兰德泡沫试验中低黏度级别（VG 68、VG 150）油品相比高黏度级别（VG 680）的泡沫性能表现更为优异。

如图5 所示，观察常规泡沫试验和弗兰德泡沫试验的测试过程发现，造成两种泡沫试验下油品性能差异的主要原因是两种试验方法中起泡方式和测试对象不同。在常规泡沫试验中，仅测试油品表层泡沫变化情况，试验过程中通过向油品中通入空气来形成气泡，所得到的气泡直径大且数量少；在弗兰德泡沫试验中，同时测试油品内部气泡和表层泡沫变化情况，对润滑油的空气释放性和抗泡性均有表征，试验中通过齿轮搅拌将空气混入油品内部形成气泡，所得到的气泡直径小且数量多。

Stokes 公式[13]给出了气泡在流体环境中上浮时的速度：

其中ρ2表示气泡密度，ρ1和η分别表示液体密度和黏度，R表示气泡半径，g为重力加速度。

由公式（1）可知，在油液黏度（η）和密度（ρ1）同时增大的情况下，油品内部气泡上浮的速率会减慢。另外，气泡直径越小，其上升速率越慢，在油品内部滞留的时间越长。

在弗兰德泡沫试验中，由于形成的气泡直径较小，故气泡上浮速度慢，停留在油品内部气泡较多，停机初始各黏度等级油品的油-气混合物体积增加百分数（表征油液内部气泡状态）都较大。另外，由表3 中关于试验油样理化性质的测试结果可知，油品黏度越大，其密度也越大。所以在弗兰德泡沫试验中，随着油品黏度增大，内部气泡上浮至表面的速率减慢，造成高黏度油品在测试时间内油-气混合物体积增加百分数较大，从而使高黏度油品所表现出的空气释放性和整体泡沫性能不及低黏度油品优异。

结论

本文采用常规泡沫试验和弗兰德泡沫试验分析了不同质量规格、不同黏度等级工业闭式齿轮油的泡沫性能。得出以下结论：

☆两种质量规格工业闭式齿轮油在同一黏度下的常规泡沫性能和弗兰德泡沫性能均没有明显差异。

☆两种质量规格工业闭式齿轮油弗兰德泡沫性能均满足ISO 12925-1—2018 质量标准要求；但不同黏度油品弗兰德泡沫性能表现差异较大，高黏度油品性能不及低黏度油品优异。

☆弗兰德泡沫试验中产生的气泡密而多，气泡相对不容易上浮到液体表面，造成气泡更多地存在于油品内部，依据Stokes 公式，由于黏度和密度的影响，造成高黏度级别油品中这一现象更为明显。

☆由于弗兰德泡沫试验同时监测油品表面泡沫和内部气泡状态，建议除常规泡沫试验外，同时将弗兰德泡沫试验作为工业齿轮油性能测试手段之一，从而更加全面地考察油品泡沫性能，为高性能齿轮油的研发提供支持。