合成齿轮油–PAO篇

合成齿轮油–PAO篇
前几篇文章中我们介绍了齿轮油的作用和性能要求，齿轮油的选择，齿轮油的粘度，齿轮的微点蚀，齿轮的润滑方式，合成齿轮油的优点以及齿轮油七大方面的性能（齿轮保护，轴承保护，抗腐蚀，抗泡及空气释放性，抗氧化及清洁性，过滤性和密封兼容性）。

今天我们开始为大家介绍一下合成齿轮油的各项性能特点，合成齿轮油有若干种，我们先从船舶领域用到最多的聚α烯烃类(PAO)合成齿轮油开始。

关键词：PAO，PAG，基础油，VI，粘温特性，高温氧化，剪切稳定性，耐水性，抗泡，空气释放性，抗腐蚀
1. 合成齿轮油的优点
合成齿轮油的七个主要优点：
1.优异的粘温特性和剪切稳定性可提供更好的耐磨保护
2.良好的低温特性改善了低温流动性和泵送性
3.良好的抗高温氧化和热稳定性，减少沉积物的形成
4.低挥发性降低了油品的消耗并延长了使用寿命
5.减少EHL条件下的内部流体摩擦来节省能耗
6.与矿物油兼容，因此不需要特殊的系统设计（PAO和酯类适用）
7.延长油品的换油周期
2. 合成齿轮油的种类
齿轮油的三种主要基础油类型：
•矿物油（MO）
•聚α烯烃（PAO）
•聚醚类（PAG）
其中PAO和PAG是应用比较普遍的合成齿轮油，此外还有POE （合成脂类）等其他类型。

基础油和添加剂对齿轮油性能的影响如下图1所示，可以看出矿物油主要靠添加剂来提升齿轮油的整体性能，而对合成油来说基础油对性能贡献比较大，特别是PAG类合成齿轮油，由于其基础油的性能非常优越，所以添加剂贡献相对就少，也就意味着添加剂含量可以更
低。

某些添加剂对某些类型的金属部件会产生化学腐蚀而不利于整体的保护。

图1：基础油和添加剂对性能的相对影响
如下图2所示，三种类型的基础油的区别：
图2：不同类型齿轮油的性能区别
3. PAO的粘温特性
出色的粘温特性（高粘度指数VI）可以有效防止磨损，如下图3所示，220号粘度等级的PAO合成齿轮油在100摄氏度时的粘度相当于320号矿物齿轮油。

图3：PAO合成齿轮油的粘温特性
如下图4所示，在高温下PAO合成齿轮油具有更厚的油膜保护，降低在极端状况下发生问题的风险。

图4：PAO的高VI指数
4. PAO的高温粘度
如下图5所示，在超负荷下的涡轮系统进行的磨损测试中，PAO 合成齿轮油对涡轮的磨损保护比传统的矿物齿轮油以及气缸油（SAE50气缸油的粘度和VG220号矿物齿轮油为同一粘度等级）具有更好的保护性能。

图5：涡轮磨损率分析
5. PAO的低温流动性
如下图6所示，良好的低温流动性意味着在冷启动时能够及时供油，降低由于缺油导致的磨损风险，并减少预热过程中由于粘度变化过大导致的搅拌损失。

图6：低温流动性
6. PAO的高温抗氧化能力
如下图7所示，100摄氏度下粘度的升高反应了油品的氧化程度，矿物油在短时间内粘度的升高超出了原有的粘度等级范围，一般油品粘度设定的上限为30%，超过警戒线时，如没有其他因素的干扰则意味着油品的过度氧化。

而PAO合成齿轮油可以在高温下长期使用而粘度仍然能保持在合理的范围内，不影响其整体性能，意味着油品的使用寿命大大延长。

图7：高温抗氧化性
7. PAO宽泛的操作温度范围
如下图8所示，相同粘度等级的普通矿物油和PAO合成齿轮油有着不同的温度使用范围，好处之一可以减少船舶上齿轮油的使用种类。

例如船舶上有用到VG150、VG220以及VG320三种粘度等级的矿物
齿轮油，这时可以考虑用VG220的PAO合成齿轮油来统一替代，从而减少船上库存并简化管理。

图8：适用的温度范围
8. PAO的低挥发性
如下图9所示，在204摄氏度下将油品放置6.5小时，测试油品的蒸发损失程度。

可以看出粘度越低蒸发损失越大，而同等粘度等级的矿物油比合成油蒸发损失大很多。

蒸发损失意味着油品的消耗，损失少意味着油品补充少，可以降低整个周期的油品总体消耗量，从而降低油品的使用成本。

图9：蒸发测试对比
9. PAO的牵引（摩擦）性能
牵引系数
•在弹性流体润滑EHL条件下，需要接触能量来剪切润滑油膜
•牵引系数是对该能量的量度
•牵引系数取决于分子形状
•一般来说合成油的牵引系数比矿物油低很多
如下图10所示，我们把齿轮啮合周期分三步，当齿轮刚开始啮合时，驱动齿轮的根部与从动齿轮的尖端啮合。

由于接触的位置在进行接触的齿轮表面之间存在相对速度差。

这意味着齿轮油将以我们在实验室测试中所见的相同方式受到剪切。

在齿轮啮合周期中到达了表面速度变得相等的点。

当接触点移动到齿轮齿上的所谓的节圆直径（PCD）时，就会发生这种情况。

当表面速度相同时，齿轮油不会受到任何剪切应力，因此牵引力为零。

在啮合周期结束时，驱动齿轮的尖端与从动齿轮的齿根接触，表面速度再次不同。

在这种情况下，与齿轮刚啮合时相反。

此时齿轮油仍然承受剪切应力。

由此在典型的齿轮啮合循环中，齿轮油将经历我们牵引力曲线的几乎所有条件。

蓝线是我们针对PAO测量的牵引曲线。

我们可以看到，在所有条件下，除了在零滑移/滚动比率为零的点上，牵引力都较低。

这意味着在几乎任何给定的时间点，我们在齿轮齿之间的牵引力都较小，因此能量损失将减少。

阴影区域表示与用PAO代替矿物油相关的损失整体减少，即提高了效率。

图10：齿轮啮合过程的节能原理分析
对普通矿物油和PAO合成油进行的节能测试中，如下图11所示，由于PAO合成齿轮油的良好牵引（摩擦）性能，相比普通矿物齿轮油的效率整体提升了2％至8.8％。

图11：节能测试对比
10. PAO合成齿轮的各项性能对比
但需要注意的时，并不是所有的合成齿轮油性能都一致。

在1999年美国商业改善局国家广告司的裁决中扩大了“合成”一词对于润滑油的含义。

合成基础油的概念可能会包括经过化学改良的各种基础油，并在润滑油调和时提供了“合成”润滑油预期的性能标准，所以二类三类以及白油也可以符合合成油的范畴。

现在“合成”一词的含义已得到扩展，不再仅仅和传统分类里的性能优越的四类（PAO）以及五类基础油相关联。

如下图12所示，Mobil SHC 630 (PAO类)与其他牌号的合成齿轮油性能对比分析结果。

图12：合成齿轮油的性能对比
10.1 不同合成油的对比测试
为此，我们设计了相应的对比测试。

测试所用的三种油均被视为合成润滑油，油的差异在于基础油分别是PAO，聚异丁烯（PIB，PIB 经常作为增稠剂使用）和三类基础油的混合物。

但油中所用的添加剂均相同。

测试台架如下图13所示，蜗轮箱中有涡轮（钢质），从动齿轮（铜锡合金）以及钢质的轴承。

图13：测试台架
如下图14的测试结果所示，从效率和齿轮油中金属含量的对比可以看出，PAO齿轮油的平均效率相比三类/PIB混合型齿轮提升了大约6％。

而与PAO齿轮油相比，含PIB的齿轮油表现出显著的粘度剪切损失。

另外油品中较高的磨损金属含量表示较高的磨损率和较短的设备寿命。

图14：测试结果对比
由于二类或三类基础油自身的粘度限制，需要“增稠剂”才能满足许多工业应用的粘度要求。

用二类或三类基础油调配的合成润滑油与仅含PAO调配的润滑油具有不同的性能。

合成润滑油的选择应着眼于产品的性能，应用要求和现场经验。

如下图15所示的不同类型的齿轮油效率的对比。

图15：效率对比
10.2 齿轮保护
防止齿轮磨损对延长设备使用寿命至关重要，一般通过FZG测试（DIN51534）来比较齿轮保护性能，FZG是测试润滑油的抗胶合（scuffing）和抗磨性能的最常用的行业标准之一。

使用专门用于促进胶合故障的标准化齿轮组来测试抗胶合性能和抗磨性能。

负载以15分钟为间隔逐级增加。

在每个负载阶段之后，检查齿轮是否磨损。

如下图16所示，四种齿轮油的FZG等级区分。

（颜色同图12一致，并和本文后续图表颜色一致）
图16：FZG测试结果
10.3 氧化稳定性
齿轮油受到热应力作用时，氧化稳定性是延长其使用寿命的关键因素。

一般根据以下测试方法来比较油品的氧化稳定性：
•透平油稳定性测试（TOST，ASTMD943）--在高温下，在氧气、水、铜和铁存在的情况下评估油的氧化稳定性。

在水和铁铜催化剂的存在下，将样品与氧气在95°C下接触。

测试一直持续到油的总酸值TAN达到2.0mg KOH / g或更高。

•TOST油泥测试（ASTMD4310）-- 使用与TOST 寿命测试相同的设置。

进行了1000小时的运行，并测量累积的油泥量。

•旋转氧弹测试（RPVOT，ASTM2722）--快速确定抗氧化性。

将测试油，水和铜催化剂放入钢制压力容器中，加热至150°C，并用氧气加压至90psi。

达到25psi压降的时间（以分钟为单位）作为测试的终点。

•美孚专利氧化试验（M334）-- 评估油品的抗氧化能力。

在空气和金属催化剂（无水）存在下，将测试油加热至指定温度。

测量粘度和总酸值TAN的增加。

如下图17所示，不同测试方法的结果区别，一般以时间为结果的是时间越长越好，而以粘度变化、油泥量则数值越小越好。

图17：抗氧化测试结果区别
10.4 粘度特性和剪切稳定性
粘度特性是合成润滑油的主要优点之一，对于高温和低温下的性能至关重要。

而剪切稳定性对于油在使用中保持其粘度至关重要。

根据以下结果比较粘度特性和剪切稳定性：
•粘度指数VI（ASTMD2270）-- 测试油品抵抗粘度随温度变化的能力。

比较ASTMD445在40°C和100°C下的运动粘度值。

高VI 表示温度变化时相对稳定的粘度。

•Brookfield粘度测试（ASTMD5133）--在低温下测量油的表观粘度（厘泊）。

在将样品从-5°C缓慢冷却至-40°C的同时，向其提供恒定的剪切力。

表观粘度与机器启动条件特别相关。

•倾点（ASTM D97）-- 油品在规定的测试条件下能够流动的最低温度。

油的低温性能最广泛使用的测试。

初步加热后，样品以3°C 的增量冷却。

倾点是当样品容器倾斜时样品显示移动的最低温度。

•剪切稳定性（CEC L-45-T93）-- 在工作于100°C的圆锥滚子轴承中运行100小时后，测量永久剪切损失。

如下图18所示，不同测试方法的粘度特性和抗剪切能力区别，粘度指数越高越好，抗剪切测试中粘度损失越小越好，Brookfield测试中同等温度下粘度越小越好，倾点越低越好。

图18：粘度特性和抗剪切测试结果对比
10.5 抗泡和空气释放性
从油品里和油/气界面（泡沫）释放空气对于油品性能至关重要。

油品中因大量夹带空气将无法提供适当的润滑，并可能导致泵中发生气蚀现象。

根据以下结果评估抗泡和空气释放特性：
•抗泡特性（ASTM D892 I，II和III）-- 评估润滑油产生泡沫的趋势及其产生后的稳定性。

完整测试包括三个阶段或顺序。

在每个顺序中，将空气在指定温度下以恒定速率吹入润滑油5分钟。

在停止空气后（趋势）立即记录泡沫的体积，在将样品放置10分钟后（稳定性）再次记录泡沫的体积。

•美孚专利抗泡测试 -- 在指定时间段后评估泡沫稳定性。

使用高速搅拌将空气搅入测试油中，并测量由于泡沫引起的油位增加。

•空气释放特性（ASTM D3427）-- 表示油品释放夹带空气的能力。

温度为50°C的压缩空气流入油中。

停止空气流动后，将油中夹带的空气体积减小到0.2％所需的时间记录为气泡分离时间。

如下图19所示，不同测试的结果对比，对于绿色的产品来说是个突出的例子，其中一个领域的良好表现被另一个领域相对较差的表现所抵消。

图19：空气释放性和抗泡性测试对比
10.6 耐水性
耐水性是暴露于水的油品的重要性能特征。

耐水性差的齿轮油可能会由于在湿润环境下形成乳胶/油泥或油分解而导致润滑失效。

根据以下测试结果评估油品的耐水性特征
•TOST寿命和TOST油泥（参考前文）
•破乳化性（ASTM D1401）-- 测量油品快速分水的能力。

等量的油和水在1500rpm的搅拌速度下混合。

关闭混合器后，记录水和油分离的时间。

此测试针对VG 220在82°C进行，并记录了37 毫升的水分离时间。

•美孚专利轴承台架测试（BRT）-- 在造纸干燥机最坏的操作环境下（存在高温和水污染，并且在油品流量最小情况下），测试油品抵抗分解和沉积物形成的能力。

使用特殊的双列球面轴承。

在测试结束时对轴承进行油泥和漆膜的评级。

耐水性的轴承台架测试如下图20所示，油泥和漆膜的照片对比，评级越高说明耐水性越好。

图20：耐水性测试结果对比
10.7 可过滤性
可过滤性是油品的重要性能特征。

过滤性差的油品可能需要频繁
更换过滤器，或者可能导致整个过滤器的高压降，最终导致过滤器旁路。

根据以下测试结果评估可过滤性
•工业油的沉淀和可过滤性（干式）（M1082）
•美孚专利测试确定悬浮在油中的不溶性污染物（沉积物）并测量油的可过滤性，样品用溶剂稀释并通过精细的实验室过滤器过滤。

保留下来的沉淀物的量取决于过滤器重量的增加。

通过测量过滤时间来确定过滤性。

如下图21所示，过滤时间越短说明可过滤性越好。

图21：过滤性测试
10.8 抗锈蚀
防锈是油品的重要特征。

防锈性能差的油在有水的情况下可能无法充分保护金属部件免于生锈。

根据以下结果评估防锈性能：
•ASTM锈蚀测试（D665）-- ASTMD665锈蚀测试是评估油品的防锈性能最广泛接受的测试。

在A部分中使用蒸馏水，在B部分中使用合成海水。

B部分使用更具腐蚀性的合成海水，可以更好地区分油品的防锈性能。

根据需要，将测试油与10％水的混合在60°C（140°F）下通过浸入其中的抛光圆柱形钢棒的搅拌。

24小时后观察钢棒的生锈情况。

•Bethlehem钢锈测试（M1384）-- 严格的防锈测试包括三个部分。

在A部分中，将圆柱形钢棒在60°C下完全浸入测试油和蒸馏水的混合物中24小时。

取出样品，检查是否生锈，然后沥干。

然后在B部分中，将相同的样品在搅拌下置于装有60°C蒸馏水的烧杯中放置24
小时。

取出样品，检查是否生锈，然后将其放回烧杯中。

在C部分中，在60℃下不搅拌继续进行测试72小时，并进行了最终的锈蚀检查。

照片是在C部分之后拍摄的。

如下图22所示，在不同的水污染下油品的防锈蚀性能对比，需要注意的是，一旦有锈迹产品即被判为不合格，无论锈迹多少。

图22：防锈蚀测试结果对比
11. 结束语
今天我们主要介绍了PAO合成齿轮油的一些特点，好的合成齿轮油可以有效延长换油周期，减少油品的总体消耗，在降低设备故障率的前提下提高效率从而帮助用户降低运行和维护成本。

下篇我们讲讲PAG类型的合成齿轮油的一些特点。