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域外来风 | 齿轮箱液体引擎



      新一代原基油已经进入许多润滑油配方实验室。无论它们是否为现有化学物的改进或是全新类型,它们正在重塑润滑油行业。这些原基油是什么?它们是否适用于工业齿轮油应用?新型化学成份从何而来?高性能原基油如何影响润滑油添加剂的使用和配方的研发?


      基础油供应商就润滑油的性能需求趋势作出回应,尤其是那些大容量工业和运输应用。某一供应商在近期两场行业盛会中表示聚二醇原基油能为工业齿轮油提供优越抗磨保护和氧化稳定性,并就这个主题分享了一些研究成果。


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市场动力

     位于北卡罗来纳州芒特霍利的Clariant Corp.的技术总监安迪˙迈克尔强调了在工业齿轮油中有关聚二醇原基油的应用效益的最新测试结果。


      5月,摩擦学者和润滑工程师学会在亚特兰大举行会议,会上他从全球市场的角度展开演讲。引用印度海得拉巴的市场调研公司IndustryARC的数据,迈克尔指出,2014年,亚太平洋地区按价值计占全球工业齿轮油需求的46%,而美国占22%,欧洲占21%,中东和非洲合共占11%。在全球范围内,这些油主要用于一般制造业(重量百分比27)、钢铁行业(21%)、采矿应用(19%),以及建筑、农业和能源应用(各自10%)。


      根据IndustryARC的研究表明,2016全球齿轮油市场总计859,000公吨,价值55.6亿美元,而2014年为891,500吨,价值53亿美元。2014年,分析人士表示传统API I类和II类矿物油用于混合607,000吨工业齿轮油(25亿美元);III类油用于混合26,000吨工业齿轮油(153百万美元);IV类聚 α 烯烃用于混合139,000吨工业齿轮油(14.5亿美元),V类 PAG用于混合71,000吨工业齿轮油(912百万美元)而酯类用于混合48,000吨工业齿轮油(307百万美元)。


      自2016年至2021年,按复合年增长率计算,工业齿轮油需求的全球产能增长为1.6%。按这个比率,2021年市场上产能将超过930,000吨,价值60亿美元。


      IndustryARC预测预期主要由优质PAO、PAG和酯类原基油制作的齿轮油将持续增加以满足应用需求。PAG根据食品级润滑油蜗轮油和极压齿轮油进行制备。


齿轮的油溶性

      许多人认为PAG仅可用于水溶性润滑油配方。迈克尔解释道,一些亲水PAG用于水性液压液和金属加工液,但油溶性PAG更加疏水且在油性配方中更加稳定。PAG可在市场上获得,ISO粘度等级介乎32至1,000之间。他提醒与会者,PAG是由不同比例的聚合环氧乙烷和氧化丙烷或其派生物制作的。控制原材料和反应条件以合成具备多种结构的聚合物,如均聚物、无规和嵌段共聚物;具备化学功能,如主链中的氧原子、丁醇或乙二醇末端基;分支;以及物理性质。


      根据迈克尔所说,“对于齿轮油而言,应对更高速度、极高负载和高温越来越重要。这些应用条件是终端用户要求不断提高生产率的必然结果。同时,终端用户期望通过缩减停工期减少维修成本,降低能源消耗并且延长换油间隔。”


      他继续道,“虽然这些趋势都是一般知识,但科学文献中关于特定原基油对齿轮油性能影响的事例和数据却很少。”


      因此,科莱恩进行了一项研究,对比矿物、酯类、PAO和PAG原基油,所有均为ISO VG 220,且通常被用于工业齿轮油。迈克尔表示,在粘度指数、防锈和耐水性方面PAG表现更出色(表1)。


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      迈克尔说道,“我们观察到,即使在没有添加剂的情况下,PAG也表现出卓越的耐磨性能。”“在润滑测试中,环氧乙烷含量越多,PAG粘度越高,抗磨性能越好。”


      在不添加任何添加剂的情况下,根据DIN ISO14635-1方法,科莱恩的B11 PAG(具备丁醇末端化学性能,EO/PO比率为1:1)以及其D21 PAG(具备乙二醇末端化学性能,EO/PO比率为2:1),通过了FZG齿轮油测试A/8.3/90定义的最高负载(12阶段)。与此相反,混合同一粘度的PAO在第9阶段加载失效,而矿物油混合在第7阶段加载失效。“PAG的优越润滑性能,”他强调,“在不使用添加剂的情况下可获得,而添加剂会促成发泡、腐蚀和其他不良副作用。”


PAG是完美的?

     PAG是完美的吗?或者添加剂能否提升它们的性能?


      迈克尔解释,极压添加剂组合能够提升由PAG制备的工业齿轮油。例如,他指出科莱恩的1655N。在FZG测试中,4%的添加剂提高了公司PAG B01/150、ISO VG 150原基油的负荷承载能力,可从第12加载阶段到第14加载阶段。


      在ISO VG 150的 PAG D21/150中,相同添加剂的4%混合物在四球磨损测试(DIN 51350-3)中磨痕从0.5毫米减少至0.34毫米,而在四球极压测试(DIN 51350-4)中咬合和焊接负载增加300磅。


      此外,在ISO 6247发泡测试中,PAG D21/150原基油在4%含量时降低发泡而在20%含量时防止发泡。在涡轮机油稳定性测试(Turbine Oil Stability Test,DIN EN ISO 4263-4)和内部测试中,4%添加剂在温度高达120摄氏度时可防止原基油热氧化降解。


      将含量增加至8%可将保护延长至150度。在科莱恩的内部氧化稳定性测试中——在裸露于空气的玻璃瓶中放入15克油,将铜丝和铁丝作为氧化催化剂,温度为120度——PAG变黑,但在四周后,由于分解物在油中溶解,因此其仍保持干净,没有污垢。

迈克尔就此指出,在正齿轮、锥齿轮和尤其是蜗轮的使用寿命和能源效率方面,基于PAG的配方优于矿物油配方。他总结道,无添加剂的ISO VG 220原基油的一对一比较研究清楚地显示了PAG是齿轮油性能优越的主要因素。


能效

      工业润滑油全球应用开发经理斯蒂芬˙弗莱舍尔在德国法兰克福科莱恩创新中心进行PAG和能效的进一步研究。4月,他的研究在德国斯图加特举行的UNITI 矿物油技术大会中展示。


      弗莱舍尔使用带有转矩损失仪表的改良FZG双圆盘测试装置计算负载相关的能源消耗。这些无效性是由齿轮齿之间的摩擦导致的并且受原基油类型的影响。PAG D21的摩擦系数和油温比B01和B11的都要低,所有都为ISO VG 150。


      他在一系列条件下比较了三种齿轮油(见图1)。在任何情况下,PAG产品的能耗都是最小的,其次是PAO,矿物油能耗最大。负载相关的能耗随着三种原基油的负载增加。PAG D21/150 在第5、7和9阶段的效率相比矿物原基油的效率高出约50%(转矩分别为94、183和302牛顿米)。在低速小齿轮轴和高温的情况下,PAG D21/150的能效相对于矿物和PAO原基油的能效更高。


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      弗莱舍尔也报告了能效案例的研究结论。聚合物共混物挤出机按平均发动机功率200千瓦运行(这个机器最大功率的63%),70公升LUBES’N’GREASES润滑油。当矿物油基润滑油替换为由D21 PAG配方制成的润滑油,能源消耗减少0.5%。


      据估计,每年节省1,005欧元(1,200美元)。这些节省相当于每公升14欧元的齿轮油差价。PAG基齿轮油的另一个优势是操作温度较低,从而延长使用寿命以及减少冷却需求。


作者:玛丽˙莫恩    编译:刘婷