节能型润滑油对减速器效率的影响的实验测试研究

Experimental Testing and Investigation on the Effect of Energy-Saving Lubricating Oil on the Efficiency of Reducers

摘要: 节能型润滑油对核心设备的性能有着正面的影响，而黏度是润滑油的主要性能指标之一，会极大地影响润滑油性能，从而影响设备的性能。如何明确节能型润滑油对核心设备效率的实际影响，以及如何精准确认最适合核心设备的润滑油黏度，从而使核心设备性能最大化，实现节能减排，是一直以来的行业难题之一。本文以斜齿轮减速器为载体，以实验测试的方式，验证节能型润滑油的黏度对核心设备效率的影响幅度以及确定最佳黏度。经实验验证，节能型润滑油的黏度对本文使用的减速器的性能有着显著的影响，并确定使用的润滑油黏度为240 mm²/s时，减速器能源转化效率提升了7.6%。

Abstract: Energy saving lubricants have a positive impact on the performance of core equipment. Viscosity is one of the main performance indicators of lubricating oil, which greatly affects the performance of lubricating oil and thus affects the performance of equipment. How to clarify the actual impact of energy-saving lubricating oil on the efficiency of core equipment, and how to accurately confirm the most suitable viscosity of lubricating oil for core equipment, so as to maximize the performance of core equipment and achieve energy conservation and emission reduction, has always been one of the industry challenges. A helical gear reducer is used as a carrier to experimental verify the impact of viscosity of energy-saving lubricating oil on the efficiency of core equipment and determine the optimal viscosity in this research. Through experimental verification, the viscosity of energy-saving lubricating oil has a significant impact on the performance of the reducer used in this research. When the lubricating oil with a viscosity of 240 mm²/s is used, the energy conversion efficiency of the reducer is increased by 7.6%.

1. 引言

润滑油应用在运动部件表面，是一种不可或缺的油性液体，主要用于减少运动部件表面间的摩擦，并且可以根据运动部件的不同需求，起到防腐、防锈、绝缘、密封、冷却、传输功率、清洗杂质等作用[1] [2] [3]。

润滑油与宏观经济息息相关，下游产业涵盖工业、汽车、工程机械、船舶、军工制造等[4]。在环境问题和能源危机的双重压力下，世界各国都开始制定能源发展战略。节能型润滑油对于下游产业的核心设备，特别是减速器的性能的提升，能有效促进我国达成“双碳”目标[5]。到目前为止，还没有国内企业或团队在润滑油领域开展过碳足迹标准及相关计算模型的研究，也未制定过润滑油产品碳足迹评价的相关办法。碳足迹的评价维度包括原材料生产和运输、产品生产制造、分销、使用阶段、处置和回收等5个维度。就使用阶段而言，因为使用节能型润滑油的设备的类型、型号、状况各不相同，最难检测和评定。

黏度是润滑油的主要性能指标之一，会极大的影响润滑油性能，从而影响设备的性能[6] [7] [8]。王秀文等通过分析润滑油与黏温性能的关系，验证了少环长侧链环烷烃润滑油的理想结构[9]。胡松伟等指出异构烷烃与正构烷烃质量分数差值越大，油品的黏度指数越小，黏温性越差[10]。Kioupis等[11]研究了润滑油结构对黏度动态特性的影响，验证了结构对黏度值有着显著的影响。

润滑油黏度测定方法有落球法、毛吸管法、荧光探针等，这些方法各有不同，各有优劣[12]。然而，对于核心设备而言，润滑油黏度只是一个参考指标，当润滑油黏度过大或者过小，都会影响其性能，关键在于如何明确节能型润滑油对核心设备效率的实际影响，以及如何确认最适合核心设备的润滑油黏度，从而使核心设备性能最大化，实现节能增效[13]。

因此，本文以R27斜齿轮减速器为载体，以实验测试的方式，验证节能型润滑油的黏度对核心设备效率的影响幅度以及确定最佳黏度，并尝试通过本文的测试和研究，为节能型润滑油的碳足迹的使用阶段的核算，提供一个新的思路及方法。

2. 实验详解

2.1. 减速器性能实验及监测平台搭建

减速器中的齿轮在高负荷和高速运转的情况下，需要有效的润滑来减少摩擦和磨损，降低能量损耗。本平台以润滑材料的能源转化效率为导向，选用节能型润滑油作为测试目标，以典型的齿轮应用场景“减速器”作为载体，搭建性能实验及监测平台，测试不同黏度的节能型润滑油对斜齿轮减速器的能源转化效率的影响。

Figure 1. Working principle of the reducer performance experimental platform

图1. 减速器性能实验平台原理图

实验及监测平台中主要设备有上位机、永磁伺服同步电机、数字扭矩传感器、磁滞制动器、电子负载仪、蓄电池、高精度电子功率计、数据采集卡等。采用永磁同步电机来模拟的减速器的工作状况，采用扭矩传感器来测量减速器工作时的扭矩、转速等数据，风力发电机与扭矩传感器相连接作为负载设备，配合风力发电控制器对蓄电池进行充电。实验平台的原理如图1所示。实验及监测平台实物图如图2所示。

数据采集卡采用了美国国家仪器公司(NI)的USB DAQ，上位机相应采用了NI研发的Labview图形化编程语言来编写上位机程序。Labview可以方便地和数据采集卡通讯，以完成转速转矩数据采集以及发送转速指令信号至伺服电机驱动器。同时，Labview也可以快速创建程序的用户界面，为数据记录、图表显示和用户操作带来方便。

2.2. 节能型润滑油选型

黏度是润滑油最重要的性能之一，黏度越高，油膜厚度越高，可以更有利于减轻齿轮接触部分的磨损，然而黏度的增加也使运转阻力更大，增加了额外动力消耗；润滑油黏度过小又不利于形成油膜，无法更好地保护金属表面磨损，影响安全。防锈性能反映了润滑油保护金属表面不变质生锈的能力，润滑油一般含有防腐添加剂阻止空气和水分与金属表面的接触，润滑油中酸性物质增多则会增加金属腐蚀。

本文中所采用的工业齿轮油有三款，分别为CKD-150、CKD-220、CKD-320。以这三款油为基油，调配出其他参数一致，仅黏度有所区分的特调油，以黏度作为单一差异化变量进行对比测试。以CKD-150为基油，调配出其他参数不变，黏度变为130、140、160及170的4款特调油；以CKD-220为基油，调配出其他参数不变，黏度变为200、210、230及240的4款特调油；以CKD-320为基油，调配出其他参数不变，黏度变为300、310、330及340的4款特调油。具体黏度如表1所示：

Figure 2. Experimental and monitoring platform

图2. 实验及监测平台实物图

Table 1. Lubricating oil model viscosity

表1. 润滑油型号黏度表

型号	黏度(mm^2/s)	型号	黏度(mm^2/s)	型号	黏度(mm^2/s)
CKD-150	130 140 150 160 170	CKD-220	200 210 220 230 240	CKD-320	300 310 320 330 340

三款工业齿轮油的其他参数如表2所示：

Table 2. Lubricating oil model parameters

表2. 润滑油型号参数表

型号	黏度指数	闪点(˚C)	倾点(˚C)	密度(kg/m^3)	机械杂质(%)	腐蚀试验(100˚C，3 h/级)
CKD-150 CKD-220 CKD-320	94 94 92	254 259 262	−12 −12 −15	888.5 888.8 889.5	0 0 0	1b 1b 1b

2.3. 实验方案设计

在实验准备阶段，将伺服电机、扭矩传感器、转速传感器、温度传感器、减速器、永磁发电机、蓄电池按顺序进行连接，将伺服电机、发电机连接到高精度数字功率计上，将蓄电池连接负载仪上，连接相关传感器至采集系统中，并调试电脑采集软件。设定伺服驱动电机参数，固定为额定转速的75% (2200 rpm)。采用发电机作为负载，配合控制器对蓄电池进行充电，设定电子负载仪的负载为300 W。准备完成后，实验测试按以下步骤进行(实验流程如图3所示)：

A. 填充润滑油：选择目标黏度润滑油，打开减速器排油螺塞，将旧润滑油放出，排尽后用新润滑油进行冲洗，用压缩空气吹干，关闭排油螺塞，打开加油螺塞，注入新的润滑油直到规定的液位，完成润滑油更换。

B. 运行测试平台：设定实验时长为2小时，每组实验参数保持不变，在实验过程中，室温恒定在25℃。

C. 平台降温：以风冷的方式对测试减速器进行物理降温直至减速器和润滑油的温度降至室温。

D. 重复实验：重复步骤B及步骤C5次，共进行5次重复实验并记录数据。

E. 停止测试平台：停止设备和导出数据。

F. 更换润滑油：更换目标黏度润滑油，重复步骤A-E，直至15组不同黏度的润滑油全部测试完成。

G. 结束实验。

Figure 3. Experimental flowchart

图3. 实验流程图

2.4. 计算

在本文中，主要以能量转化效率，η，作为评价标准，以公式(1)计算得出：

$\eta =\frac{P_{out}}{P_{in}}$ , (1)

其中，P_out为输出功率，是测试平台发电机的发电功率，由电子功率计直接测量得出；P_in为输入功率，是测试平台发电机的耗电量，由电表直接测量得出。

3. 实验结果及分析

本文分别对CKD-150、CKD-220、CKD-320三款节能型润滑油及其相应的特调油的耗电量、发电量以及能量转化率进行测试，具体情况如图4所示：

Figure 4. Energy conversion efficiency of (a) CKD-150 and its special oil; (b) CKD-220 and its special oil; (c) CKD-320 and its special oil

图4. (a) CKD-150及其特调油的能源转换效率；(b) CKD-220及其特调油的能源转换效率；(c) CKD-320及其特调油的能源转换效率

由图4可见，在CKD-150特调油的130~180 mm²/s黏度区间之内，以及CKD-220特调油的200~240 mm²/s黏度区间之内，系统的能量转化率随着黏度的提升而明显提升。黏度过小时，在减速器高温工作时不容易形成足够厚度的油膜，且油膜承载能力不足，容易遭到破坏而流失，使减速器得不到正常的润滑，从而使减速器的能源转化效率降低。在CKD-320特调油的300~340 mm²/s黏度区间之内，能量转换效率呈现明显的下降趋势。随着黏度的持续增大，油膜会持续增厚，使润滑油出现黏滞，增加摩擦阻力，从而使减速器的能源转化效率降低。于此同时，本文也综合了15组不同黏度的结果，如图5所示。

由图5可见，在黏度130~220 mm²/s之间，系统的能量转化率随着黏度的提升而呈线性提升，而后提升幅度逐步放缓；在实验测试的15组不同黏度的润滑油中，当黏度为240 mm²/s时，能量转化率达到最大；当黏度大于300 mm²/s时，能量转化率逐步下降。相对于130 mm²/s时，240 mm²/s时的能量转化率提升了7.6%。由此可见，节能型润滑油的黏度对于减速器的性能有着较大的影响。

Figure 5. The influence of viscosity on energy conversion rate

图5. 黏度对能源转化率的影响

4. 结论

在本文中，设计及搭建了减速器性能实验及监测平台。以减速器为载体，调配了15款黏度各不相同的节能型润滑油。以实验测试的方式，验证润滑油的黏度对核心设备效率的影响幅度以及确定最佳黏度。

由实验结果可见，节能型润滑油的黏度对于设备的性能有着显著的影响。。黏度过小时，在减速器高温工作时不容易形成足够厚度的油膜，且油膜承载能力不足，容易遭到破坏而流失，使减速器得不到正常的润滑，从而使减速器的能源转化效率降低；黏度过大时，油膜会持续增厚，使润滑油出现黏滞，增加摩擦阻力，同样会使减速器的能源转化效率降低。针对本文所使用的R27斜齿轮减速器而言，润滑油黏度为240 mm²/s时能源转化效率最高，提高了约7.6%。

在未来的研究中，可更换不同的设备作为载体，研究节能型润滑油对不同设备性能的实际影响；可通过调配，调制出黏度一致，其他参数不同的节能型润滑油特调油，研究不同的参数对设备性能的实际影响。

基金项目

广州市黄埔区国际科技合作项目(2022GH04)。

NOTES

^*通讯作者。