通用型可降解工程机械油的研制

Study of the Universal Biodegradable Engineering M achinery OilHuang Fuchuan Tang Xingzhong Su Manrong Lan Mingxin Xiao Youcheng(Institute of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China)Abstract：A universal biodegradable engineering machinery oil was developed.Combining with the actual working con-dition of engineering machinery，the compound base oil of poly- -olefin(PAO)and dioctyl sebacate was adopted，which hasa beter biodegradation.The multiple functional additives were screened and predicted with the artificial neural network al-gorithm，the genetic algorithm was adopted to optimize the formula.The developed universal oil can satisfy the performancerequirement of the related systems of engineering machinery in the field test。

Keywords：Engineering machinery；universal oil；compound additives；artifcial neural network algorithm；geneticalgorithm工程机械在城镇、交通、矿山、海洋工程、水利建设中起着十分重要作用，是国民经济建设不可缺少的重要的技术装备。柴油机由于结构紧凑、轻便、热效率高、启动性好、功率和转速范围大等优点，被广泛应用于工程机械中，作为其主要的动力装置。柴油发动机油是保证柴油机正常运作的必备条件之-，主要起冷却、润滑、密封、减磨、分散等作用。然而柴油发动机油的性能又和基础油、添加剂的性能密切相关。随着节能和排放控制要求的提高，对发动机的技术要求越来越高，因而对发动机油的要求也越来越高。发动机油规格发展的动力 ，来源于对发动机持续完善的排放性、经济性、动力性能的法规要求。工程机械装配的柴油发动机正向着小型化、轻量化、提高压缩比、提高单位体积输出功率的方向发展。由于采用涡轮增压技术、高压共轨电喷技术、时间控制电喷技术、双凸轮轴多气门等技术来提高柴油发动机综合性能；同时，为了提高发动机功率密度，减少发动机油油箱体积，减少润滑油填装总量，使发动机油循环收稿日期：2013-03-14作者简介：黄福川 (1963-)，男，博士，教授，研究方向为化工机械的润滑及摩擦材料.E-mail：huangfuchuan###gxu.edu.cn。

次数增加，导致发动机油长时间处于高温、高剪切的工作条件，这对发动机油的高温氧化性和清净分散能力、减少沉积物生成的能力、抗磨损和重负荷承载能力等都提出了更高要求。

液压传动是工程机械设备中主要传动装置，是利用液体作传动介质、利用液体的压力或动能来传递能量的系统。液压传动系统具有体积孝质量轻、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。与工业液压系统相比，工程机械中的液压系统在工作环境、单位体积功率传输、制造精度以及对环境保护要求方面，存在很大的差别 ，普通的矿物油型的抗磨液压油已不能满足其性能要求。主要原因是 ： (1)工程机械液压油除了用于液压系统外，还要用于诸多其他元件，特别是用于需要油液具有高静摩擦因数的液力变矩器。由于普通抗磨液压油的静摩擦因数很低，使用后会造成勾臂动作滞后、无力；(2)工程机械的液压系统工作压力大，制造精度高，公差配合小，为保证液压泵 (含叶片泵和柱塞泵)正常工作，对油品的清洁度和极压抗磨性能提出了更高要求； (3)工程机械如挖掘机和推土机等机械都会带有行走系统，因此其液压系统被设计得结构很紧凑，油箱体积小，液压油加注量少，使液压2013年第 9期 黄福川等：通用型可降解工程机械油的研制 81油循环频率增加；同时无液压系统专用的冷却器，导致工作油温长期过高，加速了油品的氧化，这就要求油品具有更好 的热氧化安定性和抗剪切性 ； (4)工程机械长期处于野外作业，保养维护不完善，工作条件恶劣，气候变化剧烈，粉尘、水分、盐雾和其他固体颗粒很容易进入液压系统，加速精密的柱塞泵和叶片泵磨损，而缩短其使用寿命。为此，要求油品具有良好的过滤性、抗乳化性和空气释放性。实际调查表明，工程机械液压系统使用普通抗磨液压油会出现许多故障，如液压泵磨损严重，密封件极易损坏，液压系统工作无力、振动和噪声加大；同时，液压油产生大量气泡，油温过高，加速液压油变质。

液力传动系统是以液力传动液为工作介质，通过其动量矩的变化来传递能量的系统。液力传动液质量的好坏也直接影响液力传动系统的工作效率和使用寿命。因此，液力传动系统要求液力传动液具有良好的抗氧化性、抗剪切性、抗泡沫性、防锈性、低温流动性、合适的动静摩擦性，以及在苛刻工况下，对变速器有特殊润滑、冷却、清洗、密封、保护作用 。

为了保证工程机械中的齿轮系统在野外使用工况 (高速、低速、重载、高扭矩、高振动或冲击负荷下)的正常使用，对齿轮油的极压抗磨性、高剪切稳定性、防锈性以及能保持足够油膜厚度等提出了更高的要求 。

目前，柴油机所使用的柴油机油和液压系统所使用的抗磨液压油主要以矿物型为主，由于矿物油生物降解性差，因而泄漏造成的自然环境污染 日益严重，同时其抗高温氧化性和其他性能也不足。随着人们对环境保护越来越重视，环壁能型润滑剂的研究已成为人们关注的热点 。因此，结合工程机械使用工况条件，综合考虑工程机械中的柴油机、齿轮系统、液压系统、液力传动系统及其他部件用油的性能要求，以及适应严格的节能、减排、环保法规要求，同时为简化后勤保障和提高可靠性，避免用错油、液，开发- 种通用型可降解工程机械油是十分必要和紧迫的。

1 研制油的作用及性能要求研制通用型可降解工程机械油的主要目的是-油多用，即既要满足柴油发动机使用要求，又要满足液压系统、齿轮系统、液力传动系统的使用要求。归纳起来主要有 ：应具有低黏度及 良好的低温流动性、冷却性、密封性、低挥发性；具有低牵引系数、高黏度指数、高抗剪切稳定性能；具有良好的润滑性能和高 、低温沉积物的控制性能，良好的抗泡沫性能、抗乳化性能、抗凝胶性能、过滤性能、橡胶相容性、酸中和性能；可降低金属表面的动、静摩擦因数，节能性好；热氧化安定性好、油膜厚度大、承载能力高，减震性、降噪性、抗磨损性、抗腐蚀性能好；添加剂溶解性好，换油周期长，生物降解性好等。

通常，工程机械这些系统用油都各自有自己的特征，要达到-油通用，对整个添加剂配方及基础油而言，还存在许多未确定的因素，需要进行深入研究。

2 基础油的选择综合考虑工程机械中的柴油机、齿轮系统、液力传动系统、液压系统及其元件的使用工况条件，通用型可降解工程机械油不仅要满足柴油机的曲轴与主轴瓦、活塞环与缸套、连杆与连杆轴瓦等长期处在高温、高速、重负荷条件下连续工作 ，而且也必须满足液压系统的高温、高压、高剪切、高转速的工况，包括叶片泵、柱塞泵的不同工作压强，齿轮系统的高剪切、高承载能力、抗磨性、低摩擦因数，以及液力传动系统中的动、静摩擦因数与抗磨性的关系。同时，基础油作为润滑油的主要成分，决定着润滑油的主要性质。经过综合考察分析，采用单-种类的合成油比较难于满足上述工况条件。因此，通用油的研制，将采用复合的合成油作为基础油。通过人工神经网络算法对基础油进行筛淹预测，并采用遗传算法选取最优化配方，结果表明，聚 仅-烯烃 (PAO)与癸二酸二辛酯复合作为通用型可降解工程机械油的基础油，经过理化指标测试、台架模拟、路试证明是完全可行的 -"。

2.1 聚 0-烯烃 (PAO)聚0.烯烃油 (PAO)是由高支链、全饱和、无环状烃组成，经过聚合、催化剂分离、蒸馏和加氢等过程得到的。其良好的黏温性能，保证了工程机械在寒冷冬季具有良好的低温启动性和泵送性；低的蒸发损失性能，保证了油品在较高温度下使用；良好的高温热氧化安定性，可减少油品的氧化变质以及对金属的腐蚀；优异的水解安定性，保证了油品不会因水解产生酸性物质而腐蚀金属。聚 仪-烯烃 (PAO)的典型理化指标见表1 。

润滑与密封 第 38卷表 1 聚 仅-烯烃 (PAO)的典型理化指标Table 1 The typical physical and chemical properties of poly- -olefin (PAO)2.2 癸二酸二辛酯 (蓖麻基)癸二酸二辛酯 (以蓖麻油为原料制成)是属于线性结构双酯，其具有如下特点； (1)倾点低、黏度指数高，突出的高低温性能，残炭少、挥发性低、闪点和自燃点较高，工作温度范围宽； (2)良好的热氧化安定性、抗剪切性能、空气释放值以及抗乳化能力，可有效抑制乳化现象的发生； (3)生物降解性好。癸二酸酯类油的典型理化指标见表2。

表2 癸二酸酯类油 (蓖麻基)的典型理化指标Table 2 The typical physical and chemical propertiesof sebacate class oil(castor base)项目 癸二酸二辛酯 癸二酸二异辛酯运动黏度 ∥(mm ·s )4O℃100℃黏度指数倾点 ∥℃密度(20℃)p/(g·cm )色泽(APHA)闪点 (开口)c/℃酸度c/(mg KOH·g )纯度 w/%加热后减量 (125%/2 h)w/%外观 透明、无杂质油状液体癸二酸二辛酯的分子结构中含有较高极性的酯基基团，易于吸附在金属表面，形成-层牢固而强度较大的润滑油膜，具有较好的润滑性能，可降低金属表面的摩擦因数。同时，癸二酸二辛酯有极强的极性，弥补了由于聚仅-烯烃为非极性物质而存在的与添加NFt溶性差的问题。相同条件下，癸二酸二辛酯的蒸发损失不仅远较相同黏度的矿物油及醚类油小，而且其承载能力也远高于相同黏度的矿物油及醚类油 。

因此，癸二酸二辛酯适用于工程机械-油多用苛刻的工况条件。

采用聚仪-烯烃 (PAO)与癸二酸二辛酯复合得到的可生物降解的复合基础油，具有较高的性价比，并可获得较高的综合性能，不仅改善了复合基础油的水解安定性、极性添加剂的溶解性、黏温性能、清净分散性能以及油品的高温氧化安定性，而