GL-5重负荷车辆齿轮油换油周期研究

摘要：GL-5 重负荷车辆齿轮油目前仍是中国市场车辆用齿轮油的主要产品。目前对于GL-5重负荷车辆齿轮油，在国内没有统一适用的换油周期。文章通过对20辆载重车和16辆乘坐车进行为期2年的3000000 km行车试验, 采用油液监控特征信息采集，聚类统计分析等研究方法，确定了GL-5重负荷车辆齿轮油的换油周期为100000 km。同时，研究得出，粘度级别与车辆齿轮油的使用寿命关联性不大；油品分别应用在载重车与乘坐车上时，油品的使用寿命没有质的区别。

关键词：齿轮油；换油周期；油液监测；聚类统计分析

中图分类号：TE626.38 文献标识码：A

0 前言

GL-5重负荷车辆齿轮油目前仍是中国市场车辆用齿轮油的主要产品。GL-5重负荷车辆齿轮油主要由三个粘度级别组成，85W/90，适用于环境温度-15 ℃以上的一般地区全年通用；80W/90，适用于环境温度-30 ℃以上寒冷地区全年通用；75W/90适用于环境温度-30 ℃以下的严寒地区全年通过。随着添加剂水平的不断提高，目前重负荷车辆齿轮油的使用向着与车辆同寿命的方向发展。车辆制造商和用户对车辆齿轮油的要求是尽可能延长换油周期，甚至在车辆使用期间无维修和不更换油［1-3］。而由于摩擦学系统的显著时变性和系统依赖性，油品的更换油，不仅仅与油品的品质相关，也与车况、路况等各种环境因素关系密切。因此，正确合理确定换油周期难度较大。

油品在研制过程中的实验室模拟评定及发动机台架实验程序是油品研制必不可少的环节，但是却只能反映油品某一两方面的性能，不能全面的体现油品在实际使用过程的真实情况［4-7］。而行车实验可以真实反映油品在使用过程中的综合性能，虽然研究费用较高，却是研究换油周期不错的选择。本文对GL-5 75W/90，80W/90，85W/90三种重负荷车辆齿轮油在20辆重型载重车和16辆小轿车上进行了为期2年的3000000 km行车试验。行车实验路线涵盖中国大陆东西南北6个主要地区。

如何正确合理确定油品的换油周期，确定油品换油周期的标准是什么，一直是研究者们试图解决的难题［8-11］。由于摩擦学系统的状态具有显著的时变性和系统依赖性，所以不能用油液监测获得的状态特征信息简单地叠加来确定油品使用寿命，而需要对各项检测分析数据进行分类、组合、关联，才能给出合理的判断。因此，本文对试验油样的粘度、氧化物、污染物、磨损颗粒等指标采用红外光谱、原子发射光谱、PQ值检测、铁谱等检测方法检测，获得油液监测不同的状态信息。实验结束后，对车辆齿轮传动系统的零部件进行了表面磨损检测，整体考察了油品与车辆齿轮传动系统的适应性。最终采用聚类分析的数理统计方法对各类油品监控分析数据进行统计分析，同时，结合车辆运行的实际情况，提出了适用于GL-5重负荷车辆齿轮油75W/90、80W/90、85W/90三个粘度级别的合理换油周期。

1 试验条件

1.1 试验油品

试验所用三种重负荷车辆齿轮油GL-5 85W/90、GL-5 80W/90、GL-5 75W/90为总后勤部油料研究所生产，产品质量指标均满足GB 13895-92标准。

1.2 试验车型及行驶里程

参加试验的车型及试验里程等试验基本情况见表1。

1.3 试验检测分析方法

试验中，对试验油样分别进行了100 ℃运动粘度、水分、酸值、正戊烷不溶物、红外光谱、原子发射

2 结果与讨论

2.1 理化性能及氧化值分析

我们知道，齿轮油的使用寿命可以从两方面进行判断：一方面是油品本身氧化、劣化、变质而丧失了在摩擦副中充当介质的功能；另一方面由于油品的衰变而使摩擦表面间的磨损增大，导致系统破坏。油品在使用过程中，本身的劣化与变质情况，可以通过对在用油的理化性能分析进行监控，并辅助以红外光谱检测氧化值的变化。通常对在用油的理化性能分析包括：100 ℃运动粘度、酸值、正戊烷不溶物及水分等。其中，正戊烷不溶物及水分主要反映油品使用过程中受到污染的情况，而由于齿轮箱自身是一个密闭体系，所以受污染的程度较小。从研究数据也表明，在整个使用过程中，其指标值变化不大。因此，本文在这里不作特别的讨论。

图1为乘坐车和载重车的100 ℃运动粘度、酸值随行驶里程增加的变化曲线图。

从图1可以看出，随着油品的使用，行驶里程增加，粘度和酸值均表现出先降低然后再缓慢升高的趋势。尤其是对于粘度的变化，曲线中出现了低谷。分析原因，主要是由于为了有效调节油品的高低温性能，尤其是使高温粘度达到一定的要求，齿轮油配方中通常加入一定量的粘度指数改进剂和降凝剂，但是在双曲线齿轮摩擦副的苛刻剪切下，大分子的粘度指数改进剂和降凝剂通常被剪切成小分子，致使增粘作用逐渐消失，齿轮油的粘度逐渐下降，图中曲线出现低谷。过度的粘度下降不利于摩擦表面油膜的形成。而在车辆运行一定时间后，由于摩擦副之间相互作用而产生的热作用促使油品氧化，生成油泥等胶质物质使得粘度再次回升，这时的粘度回升代表着油品氧化过程已在油品氧化和剪切的平衡中占主导地位。此时，油品已经开始劣化。而酸值曲线出现先降低后回升的趋势，主要是因为齿轮油中的基础油在使用过程中由于摩擦副间的高温热作用而逐渐氧化，产生有机酸，使酸值增加；而另一方面呈酸性的含磷抗磨极压添加剂的消耗降解，使碱性增加，导致酸值减小。而酸值的总趋势取决于两者之间的平衡。因此，齿轮油在使用过程中酸值的减少与增加，较为直接的表明了车辆齿轮油配方中基础油的氧化衰变和呈酸性的含磷抗磨极压添加剂的消耗降解情况。本项研究中粘度与酸值回升的节点都在80000 km左右。回升节点至100000 km后粘度与酸值变化缓慢。

前面提到油品使用寿命的一个重要方面是油品本身性能的劣化，主要是由于摩擦副之间相互作用产生热作用而引起的油品氧化。粘度变化及酸值变化均可以体现出油品的氧化衰变。但是红外光谱油质分析却可以直接给出油品的氧化值，更直接的表达油品的氧化衰变状况。因此，本文采用ASTM E2412-04利用红外光谱法测定在用油氧化衰变情况。图2为乘坐车和载重车的氧化值随着行驶里程增加的变化曲线图。

从图2可以看出，氧化值随着油品的使用，行驶里程的增加，呈明显增加的趋势。对于乘坐车，氧化值绝对值明显小于载重车，但从数量关系上，没有质的区别。从氧化值的变化趋势来看，在整个行车过程中，氧化值较小，基本呈线性增加的趋势。当行驶里程达到100000 km时，氧化值的绝对指标值也只在0.15 A/mm，仍在较小的范围内。

而从粘度、酸值及氧化值的整体分析来看，乘坐车与载重车的变化趋势大致相同，绝对值增量也区别不大，油品各项指标值的变化与油品的粘度级别也关系不大，85W/90，80W/90，75W/90三个粘度级别的油品各项指标值变化趋势大体相同。

2.2 磨损状况分析

车辆后桥齿轮箱主要摩擦副的材质，后桥多用20CrNiMo或22CrMo，变速箱多用22CrMo或20CrMnTi，其主要化学成分是Fe元素。因此，对磨损状态的分析就以Fe元素的磨损分析为主。图3为乘坐车和载重车原子发射Fe元素浓度及PQ值随着行驶里程增加的变化曲线。

我们知道车辆后桥齿轮箱摩擦学系统是一个封闭系统，它的磨损元素及磨粒浓度是一个不断累加的数值。目前检测金属磨粒浓度主要有多金属元素光谱法（原子发射光谱），磨粒浓度值检测（PQ值检测）等方法。但是对于金属磨粒而言，原子发射光谱主要用于对磨损颗粒直径小于5~10 μm的磨粒进行检测，即适用于对小磨粒的检测，对大磨粒的元素含量则有测不准的缺陷。而PQ值的检测主要用于监测油液中的铁磁性磨粒，适用于对小磨粒和大磨粒总磨粒浓度的监测。因此，PQ值检测可以补充原子发射光谱法仅能检测小磨粒金属元素含量和高浓度磨损含量不准确的数据缺陷，是对原子发射光谱法检测金属元素的良好补充。

从图3可以看出，随着油品的使用，行驶里程的增加，Fe含量逐渐增加，行驶至100000 km时，磨损含量仍是在缓慢增加，没有出现剧烈增长的现象。同时，相对于乘坐车、载重车的Fe磨损含量绝对值大得多。分析原因，主要是由于载重车负荷较大所至，尤其是对于使用85W/90的几辆载重车，由于明显载重量大，所以表现出的磨损Fe含量值也较大。对于PQ值的分析，也有相似的结果，载重车的总体磨粒含量要远大于乘坐车的。而油品粘度级别对此影响不大。

铁谱分析主要用于通过观察较大磨粒的形状、尺寸、颜色等性状来判别油液中存在磨粒的主要来源和磨损类型。通过对行驶里程最长的油液进行铁谱分析，可以间接通过分析油液中是否有特殊磨损磨粒存在，得出此时齿轮摩擦副磨损状态，是否已有点蚀或剥落等疲劳磨损现象存在。从本文中的铁谱分析得到，油液中的磨粒均属于正常磨粒，大部分为片状磨粒，属疲劳磨损造成的磨粒居多，没有发现球状点蚀磨粒。而且乘坐车的磨粒要比载重车的磨粒小。典型的铁谱图片如图4所示。

2.3 零部件拆检分析

车辆后桥齿轮箱摩擦学系统就好像是一个黑箱，有输入有输出。采用的油液监测特征信息提取，通过对油液的检测分析判别油品的使用情况和齿轮摩擦副的磨损状态，采用的方法是间接方法。事实上，齿轮箱内到底发生了什么，我们只是通过各种方法所做的一个合理判断与推测。因此，为了补充获得的二次信息，对部分车辆进行了试验后的后桥拆检，打开齿轮箱，直接观察分析齿轮摩擦副的磨损状况。

通过对齿轮箱的抽样拆检可以看出，车辆行驶至100000 km以上时，齿面磨损仍在正常磨损状态下，齿面光亮，有轻微划痕，无点蚀坑，无锈蚀，齿顶部加工刀痕仍可见。典型的齿轮拆检图片如图5所示。

2.4 聚类统计分析

从上面的监控数据分析表明，齿轮油在使用过程中，衰变与磨损主要分为两个阶段：一是正常运行阶段；二是齿轮油衰变即将加速和磨损即将加剧阶段。磨损加剧始于哪里对于确定换油周期具有重要作用。基于此，本项研究采用多元统计的聚类分析对上述两个阶段进行计算验证，确认齿轮油衰变及磨损即将加剧的分界点。

几个典型的聚类分析图如图6所示。

聚类统计分析的数据显示，齿轮油在使用过程中被分为两个阶段：第一阶段的里程最大值可以作为齿轮油衰变和磨损加剧初始点的下限值；而第二个阶段里程最小值可以作为齿轮油衰变和磨损加剧初始点的上限值。因此，综合所有聚类统计分析的数据，可以初步推断三种齿轮油在使用过程中，在用油衰变和磨损加剧的分界点大约在80000 km左右。但是这并不能说明，油品在衰变和磨损加剧的分界点时就失去了实际使用的意义。因为，分界点的出现只能说明油品的老化现象加剧了，但是从油品的理化分析来看，仍处在良好的使用性能范围内。而行车试验的拆检分析也表明，行驶至100000 km时，齿轮箱内齿轮处于正常磨损状态下，无异常磨损现象发生。

2.5 添加剂降解分析

本研究采用色谱柱层析方法对典型车辆进行了添加剂降解分析。研究数据表明，行驶至100000 km时，齿轮油中的有效P含量仍旧有70%~80%的剩余量，说明此时的齿轮油仍旧有继续使用下去的能力。

2.6 确定换油周期

目前，对于确定重负荷车辆齿轮油换油周期最关键的问题之一就是没有判断标准和依据，也就是说，车辆齿轮油衰变到什么程度，对齿轮摩擦学系统的磨损损伤到什么程度是齿轮油的寿命终结，目前没有这样的具体判断标准和依据。因此，如何正确合理地确定车辆齿轮油的换油周期一直是困扰着研究者们的难题。

而事实上，由于摩擦学系统的显著系统依赖性和时间依赖性，使得获得的油液监测数据同样具有显著的系统依赖性和时间依赖性，因此，油液监测获得的状态特征信息常常不能用简单的叠加方法，而需要对各项检测分析数据进行分类、组合、关联，并与已有的监测诊断经验（或知识）相联系，进行推理和匹配，才能给出摩擦学状态判别的合理结论。所以这就导致即使同一辆车在用于不同的环境时，其诊断标准也会有一定差别。虽然如此，但要研究一套融合各种油液监测技术的信息特征，使之能够适用于不同车辆在不同环境下运行的油液监测的综合方法，作为油品使用寿命的判断标准和依据是可能的，也是可行的。

所以本文采用了如下确定换油周期的判断方法：

① 各项监控指标项目随行驶里程的总体趋势变化特征，是衡量齿轮油整体使用状况的标尺。

② 正常运行阶段与齿轮油衰变和磨损加剧阶段分界点的确认。齿轮油衰变和磨损加剧阶段的出现意味着齿轮油劣化的突跃。

③ 试验后齿轮油中有效添加剂量的保有量分析。

④ 试验最后油样的铁谱分析结果。

⑤ 行车试验后车辆后桥拆检的磨损状况分析。

通过对上述5点的实验研究分析表明，GL-5 85W/90，GL-5 80W/90，GL-5 75W/90重负荷车辆齿轮油在乘坐车及载重车上行驶至100000 km时，齿轮摩擦副的磨损状态正常，车辆工作性能稳定，油品仍具有良好的使用性能。因此，综合本文的研究分析结果，将GL-5 85W/90，GL-5 80W/90，GL-5 75W/90的换油周期确定为100000 km是合理的。

3 结论

本文采用油液特征信息监控分析的方法，对GL-5 85W/90，GL-5 80W/90，GL-5 75W/90三个粘度级别的重负荷车辆齿轮油的氧化性能及使用过程中的磨损状态进行了分析，研究表明，齿轮油在使用过程中，乘坐车与载重车没有质的差别，但载重量与油品使用寿命关系较大。而粘度级别与油品的使用寿命关系不大。聚类统计分析确定的油品衰变及磨损加剧的起始点与油液特征信息的趋势分析有一定的对应性。添加剂的降解分析表明油品使用至100000 km时，添加剂P保有量仍在70%左右。对试验后的油样进行铁谱分析及试验后的车辆拆检表明，油品行驶至100000 km时，磨损仍属正常磨损。因此，综合本文的研究分析结果，将GL-5 85W/90，GL-5 80W/90，GL-5 75W/90的换油周期确定为100000 km是合理的。

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RESEARCH ON DRAIN INTERVALS OF GL-5 HEAVY-DUTY AUTOMOBILE GEAR OILS

ZHAO Wei1, SU Bin1, ZHOU Xin-cong2, CHEN De-you1

(1.POL Research Institute of General Logistics Department, Beijing 102300，China;2.Reliability Engineering Institute, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063，China)

Abstract:At present, GL-5 heavy-duty automobile gear oils are still the main products in China market. For GL-5 heavy-duty automobile gear oil, there has no consistent drain interval in China. In this paper, three GL-5 gear oils, including 75W/90, 80W/90 and 85W/90 viscosity classes, were evaluated in the transmission systems of 20 trucks and 16 cars in a 3000,000 km field test over 2 years. The drain intervals of three GL-5 gear lubricants were determined by means of monitor data trend analysis and cluster statistical analysis etc. The results indicated that the drain interval of GL-5 automobile gear oil in China is extended as 100,000 km; And also viscosity class has no relationship with the oil service life and there has no qualitative difference for oil life when the GL-5 heavy-duty automobile gear oil is used in cars or trucks.

Key Words:gear oil; drain interval; oil monitoring; cluster analysis