不同润滑油对工程机械变速箱齿轮磨损特性的对比研究

工程机械于重载、高温及频繁换挡工况下作业，其齿轮系统容易出现磨损情形，设备寿命及其可靠性与润滑状态直接相关。伴随功率密度增大与环保要求趋严，选用既高性能又绿色环保的润滑油成为重点。各类基础油与添加剂的搭配，于抗磨、降低摩擦及热稳定性能方面有显著不同，研讨其在典型工况里的磨损呈现，对优化润滑方案意义非凡。

一、试验材料与方法

（一）齿轮试样及材料参数

由于其装载量及发动机传递功率较大，而且变速箱齿轮结构复杂，导致变速箱齿轮在对动力和扭矩传递的过程中会产生一定的变形、噪声和热量，尤其是变速箱齿轮在低速、大扭矩工况下及摩擦作用下产生大量的热能[1]。在本研究里，采用标准渐开线圆柱齿轮作为试样，所用材料为 20CrMnTi 合金渗碳钢，此材料在工程机械变速箱范畴应用十分广泛，展现良好综合力学性能与渗碳淬火形成的硬度，试样进行了渗碳淬火相关处理，表面的硬度抵达 HRC 58 - 62范围，心部呈现出的硬度数值为 HRC32 - 36，齿轮所采用的模数是 2.5mm ，所涉齿宽为 20mm ，齿顶的高度采用 1.25 乘以模数的结果，表面的 Ra 粗糙度，应 ⩽0.8μm ，所有试样在试验启动前，经超声波清洗加以处理，保证各试样清洁度等同。

（二）润滑油种类与理化性能

选定三种典型类别的润滑油用作对比试样，分别为：就矿物油 A 而言，基础油是 API Group II 级：典型工程机械专用的重载型齿轮油，达到 ISO VG 150的黏度等级，含有以硫 - 磷为主体的极压添加剂；合成油B（聚 ∝ 型烯类聚合体）：采用全合成技术的高性能齿轮油，三者黏度等级皆为 ISO VG 150，添加剂构建成硫 - 磷与硼复合型极压抗磨体系；生物基油 C，基础油选用由菜籽油制得的衍生物：采用源自生物的绿色原料，采用ISO VG 150 的黏度等级，选用环保型磷酸酯跟有机摩擦调节剂作为添加要素，各油样黏度指数都达到了 145以上，闪点在 220℃至 240^qC 这样一个区间，倾点低于零下 30% ，对润滑油理化性能测试，依标准操作。

（三）磨损量与性能测定方法

采用 MRC - 300 齿轮磨损试验台开展磨损测试，该装置对现实里变速箱的啮合环境加以模拟，可调控转速、载荷和温度。采用称重的手段评估磨损量，试验前后借助精密电子天平（分辨率 0.1mg ）分别测定齿轮质量的改变情况，测量前完成油膜的去除工作，实现测量精准目标。以试验台内置应变传感器达成摩擦系数的实时记录，凭借高速数据采集系统核算平均摩擦系数，借助JEOLJSM - 6510 SEM 扫描电镜对表面磨损形貌展开观察，进而借助表面轮廓仪测量磨损沟槽深度以及宽度，从旁辅助磨损机制的分析。

二、不同润滑油齿轮磨损特性对比分析

（一）磨损量对比结果

试验所获结果显示出，在 20 小时试验时间范畴内，与三类润滑油对应的齿轮质量的损失分别为：矿物油 A 对应质量损失为 7.4mg ，合成油 B 最后质量损失是 3.2mg ，生物基油 C 呈现出 5.6mg 的质量损失，因矿物油热氧化稳定性不好，处于高温时易出现沉积物，引起润滑膜稳定性降低，引起局部接触性的磨损；合成油展现出出色的黏温性能与强劲的极压抗磨本事，造就稳定的润滑薄膜，切实降低齿面金属接触现象。生物基油的性能表现居于两者中间范畴，添加剂的承载能力对其极压性能形成限制，在中高载荷情形下尚可维系润滑性能，然而长时间处在高温下易引起氧化降解问题。

（二）齿轮表面形貌分析

经 SEM 图像可知，在采用矿物油润滑的情况下，齿轮啮合区出现明显的黏着磨损和疲劳剥落，齿面呈现出明显的划痕及微裂纹；合成油起到润滑作用后，样品表面光滑无糙感，磨痕既浅又分布均匀，呈现典型的轻度磨料磨损之态；生物基油样品齿面呈现轻度划痕，出现小范围磨粒磨损现象，未见显著剥落及塑性变形现象，合成油于齿面构建完整润滑膜且维持出色剪切稳定性，乃其实现优异抗磨性能的核心要素 [2]。

（三）摩擦学性能比较

在整个测试的时长阶段内，合成油平均摩擦系数达 0.087，生物基油的平均摩擦系数为 0.105 这一数值，矿物油的平均摩擦系数达 0.122，合成油拥有硼系极压添加剂，该极性基团能跟金属表面形成低剪切能特性的润滑膜，极大降低摩擦力；而矿物油中传统硫 - 磷极压剂，高温时易丧失其效能，引发边界润滑膜崩裂，造成摩擦系数上扬，生物基油所应用的绿色摩擦调节剂能短时间内有效造就润滑膜，只是其耐热性能依旧比不上合成油，略显不足。

（四）润滑油添加剂作用机制分析

三种润滑油的抗磨特性，很大程度依赖于所采用的添加剂配方。矿物油采用的是 ZDDP 类传统型的极压剂，在金属表面形成玻璃态的防护层，然而高温条件下膜层稳定性欠佳；合成油借助复合极压体系，硼 - 磷 - 硫相互协作极大提升膜层承载水平；生物基油挑选有机磷酸酯与摩擦改进剂加以协同组合，既保障环保性又提升润滑表现。

三、实际应用前景与优化建议

（一）润滑油选型建议

针对负载繁重、工作条件苛刻的工程机械设备，诸如液压挖掘机、装载机之类，建议针对其变速箱采用 PAO 合成基础油型润滑油，其高温剪切稳定的特性与极压性能，更贴合连续重载运行模式。就中等负荷以及工况相对温和的设备而言，不妨采用高品质矿物油来降低成本支出，就要求绿色环保、在环境敏感区域（如林业、水利建设施工）使用的设备而言，生物基润滑油是值得去推广的一个不错选择。

（二）生物基润滑油应用前景

生物基润滑油凭借其可再利用性、生物可分解性与低毒特性，逐步得到工程机械制造商以及环保部门留意[3]。就目前而言，其主要的挑战是热氧化稳定性不好、使用寿命不长且成本偏高，未来要进一步深化在添加剂配方优化、生物油改性技术上的研究，增强其承载性能与长期运行稳定性，使其实质应用时可实现对矿物基润滑油的替代。

总结：借助对三种不同类型润滑油的对比研究得出，合成润滑油在抗磨损、摩擦稳定性和高温环境下的性能表现堪称最优；生物基润滑油既有一定润滑效能，又具良好环保潜力；齿轮磨损特性的表现，由润滑油基础油类型及添加剂配方决定性影响，研究所得为工程机械在多样不同工况时的润滑油选定给出了实验凭据与技术后盾。

参考文献

[1] 李敬杰 . 重卡变速箱齿轮润滑效果影响因素及两级飞溅润滑分析 [J]. 机械管理开发 ,2021,36(09):59-60+103.

[2] 周秋兵 . 重载机车齿轮箱内压力场特性及其对齿根裂纹扩展影响研究[D]. 西南交通大学 ,2023.002273.

[3] 田会 . 高线速圆柱齿轮传动润滑仿真研究 [D]. 重庆大学 ,2022.003372.

作者信息：李江（1996—）男，陕西咸阳人，本科研究方向：机械结构；程乐（1995—）男，陕西商洛人，本科，助理工程师，研究方向：新能源电驱动总成