CN102844416A - 具有增强的能量效率的润滑剂 - Google Patents

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Abstract

特别用于齿轮润滑的润滑油剂组合物，其边界损失系数XLG为0.6至0.8，该系数采用DIN 51354的修正方法在40至120℃的温度下测得，其中该润滑剂组合物含有基础油和任选的添加剂，其中基础油选自复合酯，所述复合酯在40℃下的运动粘度大于400且最高达50000mm2/s。

Description

具有增强的能量效率的润滑剂
技术领域
本发明涉及润滑剂，特别是工业润滑剂，包括液压油、用于发动机的润滑剂和涡轮机油，特别是用于风力涡轮机的润滑剂。
背景技术
润滑剂最重要的功能是降低摩擦和磨损。除了在内燃机、车辆和工业变速箱、压缩机、涡轮机或液压系统中的重要应用之外，还存在通常需要特制的润滑剂的很多其它应用。
齿轮润滑油对于传动十分重要。除了润滑滑动滚动接触的重要功能外，润滑油还完成冷却并去除滑动滚动接触中产生的摩擦热的任务。齿轮驱动器的摩擦与轴颈和滚动轴承的摩擦之间有很大的区别，这是由于滑动滚动接触在齿轮中的润滑条件特征与轴颈或混动轴承中不同。
变速箱广泛用于各种类型的机器中，因此许多种不同的齿轮是公知的。对于不同种类的齿轮，必须满足所使用的润滑剂的不同性质。齿轮以及相应的润滑剂的一个重要的应用领域是风力涡轮机。
风力涡轮机应用，例如那些用于风力农场或风力工厂的，作为一种替代的可再生能源，逐渐吸引了更多的关注。风-电涡轮发电机，也称作风力涡轮机，利用风中含有的能量使转子(即叶片和毂)旋转。当空气吹过风力涡轮机的转子时，转子旋转并驱动发电机的轴以产生电。
为了使用常规的风力涡轮机产生能量，变速箱通常放置在风力涡轮机的转子和发电机的转子之间。更具体地说，变速箱将低速轴与高速轴连接，低速轴通过风力涡轮机转子以约30至60转/分钟旋转，高速轴驱动发电机以使转速增加至约1200至1600rpm，其为多数发电机生产电力所需的转速。这种齿轮传动的方案能产生穿过系统的接近2百万Nm的转矩。该高转矩可将大量应力置于齿轮传动的风力涡轮机中的齿轮和轴承上。需要风力涡轮机油来延长风力涡轮机中轴承和齿轮的抗疲劳寿命。已经开发了无齿轮的直接驱动风力涡轮机，其优点在于要保持移动的部分少，但也具有它们自身的缺点，一般更重且通常是开放模式允许冷空气通过，可能造成腐蚀的风险增加，特别是在近海的装置中。无论如何，预计两种类型的风力涡轮机将共存一段时间。因此，延长齿轮传动的风力涡轮机中变速箱的轴承和齿轮的抗疲劳寿命的风力涡轮机油会增加以最有效、可靠和经济的方式使用齿轮传动方案的机会。
因此，用于这种应用的润滑剂需要起几种不同的作用。在变速箱中帮助降低温度时，它们必须在更高的操作负荷下工作。它们需要避免齿轮上与疲劳相关的损坏(例如凹陷)和损耗(粘附、磨损、磨光和刮伤)，同时还要保持装配得当(无泄漏)、不起沫、防水且对操作者无害。此外，因为在任何维修和工作的间隔之间风力涡轮机变速箱中的润滑剂经常经受长时间的使用，因此需要持久的润滑剂稳定性，以便在长的一段时间内提供出色的工作性能。最后，风力涡轮机可安置在世界各地，在山顶、近海或沿海岸线、在沙漠中：除了寿命问题，所述润滑剂还必须能经受住各种环境条件，包括极端温度和潮湿，以及能抗氧化和防止腐蚀。
此外，一直需要提高所述润滑剂的润滑性能，以降低摩擦，并使得配有该润滑剂的设备的能耗降低。
发明内容
已发现，特定选择的酯类油将满足所有上述要求。
因此，本发明的第一种实施方案是润滑剂组合物，其边界损失系数XLG为0.5至0.9，优选0.6至0.8，该系数使用根据DIN 51354的修正的方法在40至120℃的温度下测量得到，其中该润滑剂组合物含有基础油和任选的添加剂，其中基础油选自酯，所述酯在40℃下的运动粘度大于400且最高达50000mm2/s并且由a)多元醇和一元羧酸和二元羧酸的反应或者b)多元醇和一元醇和二元羧酸的反应或者c)多元醇和一元醇和一元羧酸和二元羧酸的反应得到。
所述用于测量边界损失系数XLG的方法在No.345研究项目的FVA信息表，2003年6月，报告No.3781的附件B和报告3416的附件C中有详细描述。
本发明的润滑剂的特征在于其在负载下的特殊性能，尤其是由于其低摩擦损失。变速箱的总能量损失PV可分为齿轮损失PVZP和PVZ0、轴承损失(PVLP和PVL0)以及附加的损失源(PVX0)如密封或泵。其也可分为取决于负载的损失和无负载损失。根据以下等式1：
Figure BPA00001624269600031
损失系数表明润滑油与参比润滑油相比的相对损失。其中最重要的是边界损失系数。该系数表示在边界润滑通常发生的条件下与参比相比的相对的取决于负载的损失。边界损失系数指示特别高粘度油的摩擦性能。因此，上述的特定边界损失系数XLG的选择标准对于实施本发明是至关重要的。例如，XLG为数字0.6是指与参比油相比，该润滑剂显示出40％的能耗增加。
如果选择上述给定边界损失系数的润滑油，在运转条件下的能耗将降低。因此，使用那些酯将提高配有这些润滑剂的设备的能量效率，所述设备优选是风力涡轮机中的齿轮。
采用的酯的运动粘度优选为800至25000mm2/s，特别是1200至10000mm2/s，更优选1300至5000mm2/s，最优选1500至3000mm2/s。令人惊奇地发现，使用这些酯使润滑剂组合物经过持久剪切后在运动粘度上的损失非常小。该性质使暴露在高剪切应力下使用润滑剂成为可能。
对于本发明教导至关重要的是，仅仅选择结构和摩擦学性质都满足上述描述的酯类油。
上述的酯原则上为本领域技术人员所知。参考本申请人的欧洲专利申请no.2027234或国际公开文本WO 05/019395，其中更详尽地描述了这些酯及其作为润滑剂的应用。
虽然在满足其它选择标准的情况下所有提及的结构将可用于降低能耗，但是特别优选的是类型a)的酯。在一种优选的实施方案中，润滑剂组合物的特征在于根据a)的反应中使用的一元羧酸是支链一元羧酸或者直链和支链一元羧酸的混合物，其中每种的碳原子数为5至40个碳原子，其中支链一元酸的含量优选大于90mol％，基于酸混合物的总量。
一元羧酸优选具有8至30个碳原子，特别优选10至18个碳原子。特别地，一元羧酸选自以下支链酸：2，2-二甲基丙酸，新庚酸，新辛酸，新壬酸，异己酸，新癸酸，2-乙基己酸，3-丙基己酸，3，5，5-三甲基己酸，异庚酸，异辛酸，异壬酸，异硬脂酸，异棕榈酸，加柏酸(Guerbet acid)C32，加柏酸C34或加柏酸C36，和异癸酸。直链酸优选选自戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、十一酸、月桂酸、十三酸、十四酸、十五酸、棕榈酸、十七酸、硬脂酸、十九酸、二十酸、山嵛酸、二十四酸、肉豆蔻酸、蜡酸、蜂花酸、二十三酸和二十五酸，2-乙基己酸、异十三酸、肉豆蔻酸、棕榈酸、油酸、反油酸、岩芹酸、亚油酸、亚麻酸、桐油酸、鳕油酸和芥酸，及其工业级混合物。优选的支链一元羧酸是异壬酸、异硬脂酸和2-乙基己酸。
优选的酯是含有多于一种酸的酯的混合物，优选地，根据本发明的酯含有二元酸，更优选两种或更多不同二元酸的混合物。
就这点而言，含有8至18个碳原子的二元酸是优选的。在本文中，另一种优选的实施方案是选择支链二元酸用于酯的合成。合适的二元酸是草酸、丙二酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、十三烷二酸、十六烷二酸和壬酸。优选的二元酸选自癸二酸、己二酸、琥珀酸、戊二酸和异硬脂酸。如上所述，基于多于一种不同酸的酯是优选的。二元羧酸的酸酐也适于本发明的反应。
酯的醇部分广泛选自一元、二元或多元醇。醇可以是直链或支链的、饱和或不饱和的、以及也可以是环状的或芳族的。
在一种优选的实施方案中，烷基醇可以选自直链或支链的、饱和或不饱和的具有1至31个碳原子的烷基一元醇，具有2至25个碳原子的二元醇，或多元醇。直链一元醇例如是甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇、壬醇、癸醇、十一醇、十二醇、十三醇、十四醇、十五醇、十六醇、十七醇、十八醇、十九醇、二十醇、二十一醇、二十二醇、二十三醇、二十四醇、二十五醇、二十六醇、二十七醇、二十八醇、二十九醇、三十醇或三十一醇。在这些醇中，OH官能团在“1”位上，但其所有的异构体也适合。这同样适用于上述醇的各种支链异构体。优选的支链醇是所谓的加柏醇。不饱和的一元醇为例如油醇、亚油醇、9Z-和9E-十八碳-9-烯-1-醇、(9Z，12Z，15Z)-十八碳-9，12，15-三烯-1-醇、(9Z)-二十碳-9-烯-1-醇或13E-或13Z-二十二碳烯-1-醇。此外，二元醇，优选甘醇，包括它们的低聚物或聚合物，是适合制备根据本发明的酯的醇。乙二醇或二乙二醇，或它们的低聚物以及丙烷二醇和丁烷二醇是优选的。多元醇也是合适的醇组分。优选的例子是甘油、低聚甘油或聚甘油、三羟甲基丙烷和季戊四醇，以及它们的低聚物或聚合物。最优选的醇是季戊四醇和三羟甲基丙烷及其混合物，以及这些醇的低聚物。
本发明优选多元醇酯及其混合物，其具有空间受阻多元醇与直链和/或支链烷醇的作为主要成份的酯，被称作“复合酯”。
向复合酯反应产物的转化通过本身已知的用于制备酯的合成路线进行。酯的制备也可以根据本发明通过已知方法进行，使得游离羧基基团和/或游离羟基基团以受控的方式存在，并且这些具有游离羧基和/或游离羟基基团的产物用于润滑剂组合物中。根据本发明，存在的游离羧基可进一步与胺反应得到酰胺，并且产生的化合物可以以本发明意义上的复合酯的形式存在于润滑剂组合物中。
根据本发明的教导的润滑剂含有基础油和一种或多种添加剂。根据以上描述，基础油含有最高达100％的酯。一般地，基于润滑剂的重量和润滑剂组合物的总重量(包括其它所有组分)，复合酯应当大量存在。
然而，也可使用某些其它已知的基础油材料。优选地，基于基础油的总重量，基础油含有10至98wt％、优选50至95wt％的来自于前面描述的酯类油。基于润滑剂的总重量，复合酯优选的存在量为1至99.9wt％，优选10至80wt％，最优选50至75wt％。
在本发明的上下文中，存在于润滑剂组合物中的基础油应被理解为是指这样一种油：该油也选自矿物油、高精制的矿物油、烷基化矿物油、聚α-烯烃、聚亚烷基二醇、磷酸酯、硅油、酯，也可以是溶剂中性(Solvent Neutral)分类中的矿物油和XHVI、VHVI、II类和III类以及GTL基础油(气-液基础油)的矿物油。聚α-烯烃可优选由C6至C18的α-烯烃及其混合物形成。特别优选聚α-癸烯。
除了提到的其它组分，本发明的润滑剂组合物可含有其它添加剂，其选自聚合物稠化剂、溶剂、粘度指数(VI)改进剂、抗氧剂、腐蚀抑制剂、清洁剂、分散剂、破乳剂、消泡剂、染料、磨损保护添加剂、EP(极压)和AW(抗磨)添加剂和摩擦改进剂。这些添加剂的存在量可以为0.001至15wt％，基于润滑剂的总重量。优选范围是0.01至5wt％。
在其它优选的实施方案中，本发明的润滑剂组合物可包含0.5至30重量％的浓度的极性聚合物作为其它组分，该浓度基于润滑剂组合物的总量。优选1至18重量％的浓度，更优选2至12重量％。根据本发明使用的极性聚合物优选选自延胡索酸烷基酯-α-烯烃共聚物，马来酸烷基酯-α-烯烃共聚物，聚甲基丙烯酸烷基酯，环氧丙烷聚合物，环氧乙烷-环氧丙烷共聚物和甲基丙烯酸烷基酯-α-烯烃共聚物。
本发明的一种实施方案是这样的一种润滑油：作为附加的油，它含有基于润滑剂的总重量1至60wt％、优选5至45wt％的不同于权利要求1所述的酯类油、聚α-烯烃、矿物油、聚合物、聚亚烷基二醇或它们的任何混合物。
本发明还提供了本发明的润滑剂组合物(特别是在优选实施方案中)作为车辆传动油、轴用油、工业传动油、压缩机油、涡轮机油或发动机油的用途。本润滑剂优选用于这样的应用中：其中机械力通过机器或齿轮的金属部件的直接接触传递。特别优选的是用作轴用油、离合器油或工业以及特别是在齿轮油应用中。
但是最优选的是将该润滑剂用作风力涡轮机油，特别是作为风力涡轮机中齿轮的润滑剂。
具体实施方式
实施例
经测试表明根据本教导的该润滑剂的能量效率增加。在这方面，根据DIN51354，在修正的背对背齿轮测试索具(参见图1)中测量了柱面齿轮的摩擦损失。测试齿轮上的测试小齿轮和测试齿轮安装在两个平行的轴上，轴与从动齿轮段相连。在从动齿轮段中，安装有与测试齿轮相同的两个齿轮，以使等同两段在能量循环中接近。小齿轮轴由两个分离的部分组成，其通过负载离合器连接。通过在负载杠杆上施加规定重量而扭曲负载离合器，施加限定的静态扭矩。电力发动机仅需要补偿能量循环中的摩擦损失。为测量扭矩损失，将扭矩计轴安装在电机和从动齿轮箱之间。用靠近主离合器的负载扭矩计轴测量施加的负载。在测试中使用不同的操作条件，圆周速度为0.5至20m/s，负载为从无负载至1720N/mm2的赫兹应力，温度为40至120℃。测试方法采用浸渍润滑。
在前述的测试设备中，测试了两种不同的润滑剂。润滑剂1是商购的PAO产品且用作对比，润滑剂2是根据本发明的酯，含有季戊四醇作为醇，以及癸二酸和异硬脂酸的混合物。
在根据DIN 51354的测试方法中使用的参比油含有4％的硫磷添加剂(Anglamol
Figure BPA00001624269600071
99)并基于矿物油。
从图2和图3可以看出，根据负载下的损失系数和在40至120℃宽温度范围内的边界损失系数，本发明的酯类油组合物总是表现出更好的性能。

Claims (12)

1.润滑剂组合物，其具有0.6至0.8的边界损失系数XLG，该系数采用DIN51354的修正方法在40至120℃的温度下测得，其中该润滑剂组合物含有基础油和任选的添加剂，其中基础油选自酯，所述酯在40℃下的运动粘度大于400且最高达50 000mm2/s并由：
a)多元醇和一元羧酸和二元羧酸，或者
b)多元醇和一元醇和二元羧酸，或者
c)多元醇和一元醇和一元羧酸和二元羧酸的反应得到。
2.根据权利要求1的润滑剂，其特征在于该酯选自根据权利要求1描述的a)类型。
3.根据权利要求1-2至少一项的润滑剂，其特征在于该酯的酸部分选自至少两种不同的二元酸的混合物。
4.根据权利要求1-3至少一项的润滑剂，其特征在于该酯的酸部分选自二元酸的混合物，其中二元酸含有8至18个碳原子。
5.根据权利要求1-4至少一项的润滑剂，其特征在于该酯的酸部分选自至少一种支链二元酸。
6.根据权利要求1-5至少一项的润滑剂，其特征在于该酯的酸部分包含癸二酸、己二酸、琥珀酸、戊二酸或异硬脂酸或它们的混合物。
7.根据权利要求1-6至少一项的润滑剂，其特征在于该酯的醇部分选自甘油、新戊二醇、低聚甘油或聚甘油、三羟甲基丙烷、季戊四醇，以及所述醇的任何混合物。
8.根据权利要求1-7至少一项的润滑剂，其特征在于该酯的醇部分选自季戊四醇或三羟甲基丙烷或其任何混合物。
9.根据权利要求1-8至少一项的润滑剂，其特征在于其含有0.01至5wt％的添加剂，基于润滑剂的总重量。
10.根据权利要求1-9至少一项的润滑剂，其特征在于其含有的复合酯的量为1至99.9wt％，优选10至80wt％，最优选50至75wt％，基于润滑剂的总重量。
11.根据权利要求1-10至少一项的润滑剂，其特征在于，作为附加的油，其含有基于润滑剂的总重量1至60wt％，优选5至45wt％的不同于权利要求1所述的酯类油、聚α-烯烃、矿物油、聚合物、聚亚烷基二醇或它们的任何混合物。
12.权利要求1的组合物作为用于齿轮润滑的能量效率润滑油的用途，所述齿轮优选为风力涡轮机的齿轮。
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