合成齿轮油的选择

qcf · 发表于 2007-1-12 16:50:03

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当矿物齿轮油达到它们的性能极限，不再符合使用要求的时候，合成齿轮油就要发挥作用了。例如，极低温或极高温情况下、极高负荷情况下、特殊环境下，或者矿物齿轮油不能符合特殊要求情况下，如燃点。即使通过添加剂可能改善许多矿物油的性能，但是不可能无限制的改善其所有性能。特别是以下的物理性能：

1. 抗热性

2. 低温下的性能（流动性，倾点）

3. 闪点

4. 蒸发散失

合成机油有许多优点。然而，合成机油并不能在所有方面都比矿物油强，甚至还引起了一些弊端的出现。合成润滑油（依基础油而定）的优点：

1. 更理想的抗热性和抗氧化性

2. 高粘度指数（在大多数情况下）

3. 更理想的低温性能

4. 可燃性降低（在一些情况下）

5. 光滑度提高（在一些情况下）

6. 残渣形成可能性小

7. 周围介质抗性高

可能出现的弊端：

1. 价格较高

2. 与水反应（水解、腐蚀）

3. 物质兼容性问题（油漆、人造橡胶、某些金属）

4. 与矿物油可溶性小

与应用相关的优势经常是占上风的，特别是在极度操作环境下，合成齿轮润滑油的使用不断增多。常用的合成油的类型有：烃类油（SHC）、聚乙二醇类油（PAG）和酯类油（E）。

合成烃类油基润滑油

合成烃类与矿物烃类在化学结构上很相似。在与密封物质的兼容性、使用后的处理、回收再利用和与矿物基油的可混合性这些方面，两者有着极其相似的特性。主要的优点是他们卓越的低温工作性能。使用特殊的添加剂，可以制造出适用于食品制造和制药行业机器使用的润滑油。

聚乙二醇基润滑油

这些润滑油确保摩擦力特别低，这使得其适合用于高滑率的齿轮（蜗杆齿轮和准双曲面齿轮）。使用合适的添加剂，这些润滑油在钢制或者铜制蜗杆齿轮中有良好的抗磨性和抗压性。在齿轮系统中，高极性聚乙二醇基润滑油允许更强的金属齿轮表面交互作用。这样即使没有添加剂，聚乙二醇基润滑油的抗压性能也非常好。

聚乙二醇基润滑油对密封材料可能有负面影响，它可溶解一些漆类物质。当工作温度高于212华氏度（100摄氏度），只有用氟化橡胶或聚四氟乙烯制造的密封圈可以抵抗。在把PAG油投入到生产应用之前，建议检测一下其与油漆、密封圈和玻璃材料的兼容性。

聚乙二醇基润滑油和矿物油不可混合，因此要避免这样的事发生。聚乙二醇对于含铁金属和几乎所有非含铁金属都是一视同仁的。如果使用在铝制或者铝合金制的元件上（铝制旋转轴承箱）。在动态压力下（滑动摩擦和高负荷），摩擦将增大。这种情况下就有必要进行兼容性测试。如果蜗杆齿轮是用铜铝合金制造的，就不应使用聚乙二醇基润滑油，因为压力区域的反应会导致摩擦增大。

酯基润滑油

酯是酸和酒精发生水分离反应的产物。酯的种类很多，都对润滑油的化学和物理性质有影响。过去，这些润滑油主要用于航空技术，润滑飞机发动机、燃气涡轮和抽水机、启动器等的齿轮系统。

酯有很高的抗热性和良好的低温工作性能。在工业应用中，生物所能分解的酯将迅速变得十分重要，因为选择合适的酯基润滑油可以得到与聚乙二醇基润滑油同样的功效。

某些酯类的水解稳定性很差。水解是指酯在水存在的情况下裂解成酒精和酸。酯基润滑油要求有很好水解稳定性，因为他们经常处在潮湿的环境下。实际中，水解可能不像报告中所说的那么严重。酯基润滑油的水解稳定性的决定因素：

1. 所用酯的类型

2. 所用添加剂的类型

3. 酯是如何加工而成的

4. 用途

合成润滑油应用中的优点

以下是与矿物油相比，合成润滑油在应用中的优点：

1. 降低轮齿间摩擦消耗，提高效率

2. 减小摩擦和能耗，降低传动消耗

3. 在同样工作温度条件下，换油间隔期比矿物油长3~5倍

4. 在全负荷状态下，降低工作温度，延长机器部件寿命；需要使用冷却系统。

降低传动消耗，提高效率

由于分子结构特殊，聚乙烯（SHC类中的一种）和聚乙二醇确保齿间摩擦要比矿物油减小，要比使用EP添加剂的合格矿基齿轮油减小30%的摩擦力。由于合成油的摩擦系数较小，所以齿间摩擦力减小，从而提高传动效率。

如果使用合成油代替矿物油，那么高滑率齿轮的效率，例如蜗杆和准双曲面齿轮，可以增加15%。甚至在高速运转状态下，螺旋和斜角齿轮（一般传动效率较高），通过使用合成齿轮油可以提高齿轮效率1%。初看这似乎不是很多，但依据齿轮组的额定输出，这可以节约相当的成本，特别是在多个齿轮同时使用时。

表1. 使用合成齿轮油代替矿基齿轮油，传动消耗的潜在降低和工作效率的提高

齿轮类型                               总消耗降低率          效率提高率       工作温度降低率（稳定状态）
蜗杆齿轮和准双曲面齿轮                      ≥30%                ≥15%             ≥68 oF（20 oC）
高速运转螺旋齿轮、斜角齿轮（非偏移轴）    ≥20%                可达1%             可达54 oF （12 oC）

表1.显示了合成机油的可降低齿轮消耗的幅度，特别是高消耗的齿轮系统。

减小摩擦的合成齿轮油的优点：

1. 增加齿轮效率

l    小齿轮可以全部传递小发动机的动力输出

l    在同样的功率输入情况下，可以得到更高的能量输出。

2. 降低油液温度

* 延长氧化寿命（在某些情况下，是矿物油的5倍）

* 延长零件寿命（减小摩擦）

* 可不再使用冷却系统

3. 降低能量消耗

* 由于降低了齿轮箱内总的能量损失，也就减少了电和燃料的消耗。蜗杆齿轮可减少30%之多的能量消耗

* 根据报告，电能的消耗可能达到10%。

使用合成油，提高效率，降低摩擦

测试表明，合成油要比矿物油使齿轮效率更高。研究表明，使用二醇类合成油可达到最高的工作效率：比高性能矿基齿轮油工作效率高18%。SHC齿轮油也可以提高测试齿轮效率8%~9%，甚至更高。作为食品级润滑油，它的性能与USDA-H1保持一致。这也是一个突出的优点。食品级润滑油常常要比标准润滑油差点，这种观点是不对的。

合成油有极好的抗磨损性能，并且通过使用恰当的抗磨损添加剂增强了抗磨损性能。当使用PAG齿轮油时，摩擦尤其小。

使用合成油，延长换油间隔期

与矿机油相比，合成油有更好的抗老化性和耐高温性。根据基础油（SHC or PAG）不同，在相同的工作温度下，换油周期可能比矿物油长3~5倍。

在工作温度为176°F (80°C)情况下，齿轮油的换油周期大约为：

矿物油： 5,000 个工作时
SHC油： 15,000个工作时
PAG 油： 25,000个工作时
在变速箱内，合成油的摩擦系数要比矿物油要低，而且粘度温度关系良好。这通常允许使用低粘度级机油，而且在运转过程中保持油温较低。在同样的油温下，合成油的换油周期要比上面所说的要长。下面通过测试结果的比较来说明这个优点。三种润滑油在蜗杆齿轮测试台进行测试：

300个工作时后，机油箱温度测试结果如下：

矿物油：230°F (110°C)

SHC油：194°F (90°C)
PAG油：167°F (75°C)

合成油和矿物油使用寿命比较：

矿物油 = 1
SHC油 = 9.5 倍或更长

PAG油 = 31 倍或更长

合成油有助于节约维护和处理成本

与矿物油相比，在同样的温度下，合成油的换油间隔期可能是它的5倍长。尽管合成油的购价和处理成本要比矿物油高，但是当把延长的齿轮寿命考虑在内，那么延长的换油间隔期就能与之抵消。相比之下，合成油可以节约维护成本，提高设备可靠性。由于润滑油的废弃率低，减小环境影响也是一个优点。

齿轮油类型的选择

为了选择适合的齿轮油，你必须了解齿轮箱的工作模式。以应用因素来确定用油的类型和用量。

粘度是润滑油最重要的物理性质。因为粘度随温度变化，粘度指数（VI）是一个衡量粘度变化率的重要性能指标。大多数的矿物齿轮油的粘度指数是95。粘度指数较低表示随着温度的改变润滑油的粘度变化程度很大。相反，粘度指数较高表示随着温度的改变粘度指数的变化程度较小。高粘度指数油的优点是，在低温下油的粘度将不会像低粘度指数油那样增加那么多。在齿轮的工作范围内，润滑油保持较小粘度变化的能力可以给齿轮更坚固的润滑膜。

粘度选择

如前所述，正确的粘度指数是合理选择齿轮油的一个重要参数。变速箱或齿轮系统的制造商一般都提供一个建议粘度，这些建议粘度在大多数情况下需要遵守。如果齿轮组的原始生产商没有给出建议粘度，并且粘度还没有根据润滑理论计算出来的时候，这时就要根据各种工作表和曲线图来选择。与矿物油相比，合成油的不同粘温关系和粘压关系也应当被考虑进去。

不同的齿轮必须选择不同粘度的润滑油，多级齿轮就需要折中考虑。根据润滑油的预期工作温度，如变速箱温度或注射润滑油的温度，来选择正确的粘度级。这个温度是在确定齿轮的热能节约和考虑摩擦损失，或者是在齿轮已经安装的情况下，通过测量机油箱的温度，计算出来的。一般要求选择选择一种粘度级较低的润滑油，以确保在低温启动或环境温度低的情况下的供机油能力。在一些个案中，在存在启动温度情况下，检测油液粘度是必要的，尤其是在油液循环系统中。

工作表法是在考虑加速度情况下确定高速运转齿轮驱动和蜗杆齿轮驱动用油粘度的一个典型方法。因为不同的润滑油的粘度温度（VI）性能不同，同样的KLUBER粘度值所选择的ISO粘度级不同

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