董志磊，王月行

（1. 徐工集团江苏徐州工程机械研究院，江苏 徐州 221004；2. 工程机械智能制造国家重点试验室，江苏 徐州 221004）

齿轮油作为齿轮传动的润滑介质，在减小齿轮磨损、减缓疲劳点蚀和防止齿轮擦伤方面起着重要的作用。工程机械驱动桥尤其是轮边减速机中的齿轮处于低速重载工况，在啮合区不易建立油膜，同时由于工程机械中的齿轮精度较低，表面粗糙度较大，润滑不良容易导致齿轮过早出现点蚀和齿面擦伤等问题［1］。装载机、平地机等工程机械的驱动桥普遍使用GL-5重负荷车辆齿轮油，GL-5齿轮油含有大量硫磷类极压抗磨剂，此类添加剂在高温高压下可与齿轮表面反生摩擦化学反应，生成的硫化（亚）铁、磷酸（亚）铁等保护膜可以避免金属直接接触，保护膜的剪切应力较低，容易发生塑性流动，起到减小摩擦的作用［2］。

工程机械经常处于长时间、高负荷工况，齿轮油温度较高，周围环境中的水分容易混入油中，在高温、水分以及金属材料的催化下，齿轮油极易发生氧化变质，失去润滑作用，因此抗氧化性能是齿轮油的一个重要性能指标［3］。GB 13895-1992《重负荷车辆齿轮油（GL-5）》规格是国内车辆齿轮油的最高规格，标准要求满足GL-5规格的齿轮油必须通过L-60氧化试验。此试验需要专门的齿轮箱台架，国内相关台架资源很少，不利于主机厂对油样进行日常监控。

CEC L-48-00氧化实验法广泛应用于传动系润滑油的氧化安定性评价，属于玻璃管模拟氧化实验［4］。本文参照L-60氧化试验法，通过对现有试验设备进行改进，开发出了评价GL-5齿轮油氧化安定性的企业方法，并与CEC L-48-00氧化实验法进行了对比。

1 试验部分

1.1 试验方法对比

L-60氧化试验方法是将120mL待测油加入齿轮箱中，为了模拟驱动桥内齿轮油的剧烈搅拌，在齿轮箱内装有2个啮合的直齿轮，铜片为催化剂，以1.1L/h的流量向油样中鼓泡通入干燥空气来加速油品氧化，将试验油在162.8℃±0.6℃下氧化50h。通过考察氧化前后试样的100℃粘度增长率、戊烷不溶物含量、酸值等参数考察油品的氧化安定性［5］。

新开发的试验方法是将250mL待测油加入油盒内，使用搅拌桨代替齿轮对油样的搅拌。在试验条件筛选时发现，直接用铜丝或铜片做催化剂时，齿轮油氧化产生的油泥会覆盖在催化剂表面上使其失去催化作用。有研究表明铜离子可催化基础油的氧化［6］，本文以Cu2+的水溶液作为催化剂，向体系内加水也可考察水分对齿轮油抗氧化性能的影响。以鼓泡的方式向油样中通入干燥空气，齿轮油氧化安定性评价指标包括100℃粘度变化率和酸值变化率。L-60氧化实验法、研发方法和CEC L-48-00方法的实验参数对比见表1。

表1 试验参数对比

1.2 试验内容

选用市售的6种GL-5重负荷车辆齿轮油进行氧化试验，试验油样的新油性能参数见表2，试样的100℃运动粘度均在13.5～24.0mm2/s范围内，满足标准要求。由于添加剂配方的不同，上述油品的酸值也不相同。

表2 试验油新油参数

2 结果与讨论

2.1 酸值变化

由图1可以看出，不同油品经过2种方法氧化后酸值变化率的相对趋势保持一致，CEC L-48-00氧化实验时间较长，各油样的酸值均有所增加。

图1 酸值变化率

齿轮油的酸值是添加剂配方中的酸性亚磷酸酯或酸性磷酸酯铵盐等硫磷类极压抗磨剂产生的。在实际使用过程中，随着极压抗磨剂的消耗，齿轮油的酸值会缓慢下降，之后随着齿轮油氧化产生的有机酸的增加，齿轮油的酸值会出现上升［7］。在使用研发方法的氧化实验中，中石油天鸿GL-5 85W/90齿轮油和长城GL-5 85W/90齿轮油氧化后酸值为正增长，可能是由于2种齿轮油中的抗氧剂和具有还原性的极压抗磨剂消耗完后，油品快速氧化造成的，天鸿的抗氧化性优于长城GL-5 85W/90。其余齿轮油的酸值表现为下降，可能是由于齿轮油中具有还原性的酸性极压抗磨剂尚未完全消耗，齿轮油的快速氧化过程尚未发生。不同齿轮油添加剂的热氧化稳定性不同，因此酸值下降幅度不同。长城GL-5 75W/90齿轮油和新日GL-5 85w/90齿轮油酸值率在80%以上，已经接近油品开始剧烈氧化的临界点。

2.2 100℃运动粘度变化

由图2可以看出，经过2种方法氧化后不同油品的粘度变化率基本相同。多级齿轮油中含有调节粘温性能的粘指剂，由于齿轮啮合对粘指剂的剪切作用，在使用初期齿轮油粘度会快速下降至稳定值，之后会随着润滑油的氧化而缓慢增长，当抗氧剂等具有还原性的添加剂消耗完后，油品会发生剧烈氧化造成粘度快速上升。在使用研发方法的氧化实验中，天鸿GL-5 85W/90齿轮油和长城GL-5 85W/90齿轮油的粘度增长率均超过20%，表明两者已经发生剧烈氧化，与两者酸值出现正增长相一致。长城GL-5 75W/90、新日GL-5 85W/90和科玛松GL-5 75W/90粘度增长率较小，说明还未发生剧烈氧化，三者添加剂配方中具有还原性的极压抗磨剂起到了抑制油品氧化的作用，极压抗磨剂的消耗造成了酸值下降，因此酸值均表现为负增长。美孚齿轮油的粘度增长较大，但是酸值下降率较小，可能是由于在试验结束时美孚齿轮油已经开始剧烈氧化，由于时间较短，酸值并未显著增加，仍低于新油酸值。

图2 粘度变化

3 结论

（1）基于L-60试验参数开发的氧化试验方法对不同质量的齿轮油具有良好的区分性，与CEC L-48-00氧化实验结果具有良好的一致性，且实验时间较短；

（2）实验表明，中石化长城GL-5 75W/90、新日GL-5 85W/90、科玛松GL-5 75W/90齿轮油的抗氧化性能较好，美孚GL-5 80W/90齿轮油次之，天鸿 85W/90齿轮油和长城GL-5 85W/90齿轮油的抗氧化性能一般。上述齿轮油的抗氧化性能优劣是基于实验室模拟氧化实验进行判定的，实际使用性能还需要通过行车实验进行验证。

［1］ 杨粟. 润滑油特征对重载传动齿轮接触疲劳强度的影响机制［D］. 北京：北京理工大学，2016.

［2］ Leslie R. Rudnick. Lubricant additives chemistry and applications［M］. Second edition. CRC press，2008.

［3］ 费逸伟，郭峰，杨宏伟，等. 润滑油热氧化安定性试验方法标准比较分析［J］. 化工时刊，2015，29（2）：37-41.

［4］ CEC L-48-00. Oxidation stability of lubricating oils used in automotive transmissions by artificial ageing［S］.

［5］ SH/T 0520-1992（2006）. 车辆齿轮油热氧化安定性评价法（L-60法）［S］.

［6］ 潘燕，王月行，朱伟伟. 铜离子对直链烯烃基础油氧化安定性的影响［J］. 润滑与密封，2016，41（8）：129-132.

［7］ 武永亮，郑小艳. 重型车车桥换油周期的研究［J］. 科学技术与工程，2017，17（2）：40-43.