周超

（福斯润滑油（中国）有限公司）

摘要：在全球聚焦能源效率提升与碳减排、碳中和的绿色经济背景下，工业领域对润滑油性能的精准评估需求变的愈发迫切。FZG试验作为评估工业润滑油承载能力的经典标准，被广泛的应用于润滑油配方筛选中，但因其测试成本高昂、耗时漫长、依赖人工操作等局限，难以满足对产品的快速、灵活、测试低成本的筛选需求。SRV线性振荡摩擦试验机凭借其高自动化、低成本、测试周期短的优势，在业内逐渐成为 FZG 试验前的筛选工具。本文整合近年来 SRV 模拟 FZG 试验的相关研究成果、技术方法、试验参数及应用案例，详细阐述 SRV 试验的工况设计、摩擦副选择、失效判定标准等关键技术要点，分析不同试验条件对结果相关性的影响，并总结该技术在润滑油研发与性能评估中的实践价值。研究表明，SRV 试验工况与 FZG 台架试验结果具有良好相关性（A20/8.3/90），且能有效区分润滑油的极压（EP）和抗磨（AW）性能，现有SRV工况在模拟FZG(A10/16.6R/90)结果时还存在一定的局限性。

关键词：SRV摩擦试验机；FZG试验；润滑油筛选；摩擦学测试；极压性能；抗磨性能

0  引言

工业旋转机械的节能优化，效率提升与低碳运行已成为全球可持续发展的核心议题，润滑油和润滑脂作为工业旋转设备“流动的血液”，其对旋转件承载能力、抗磨性能与摩擦特性的改进直接影响到机械设备的能源效率和使用寿命。所以制造商会在设备设计阶段便将润滑油性能纳入新产品评估的核心指标。作为润滑油产品的生产企业，开发并使用高效、精准的摩擦学测试方法筛选适配的润滑油产品已成为润滑油产品开发工作中必不可少的日常工作。

FZG台架试验是润滑油行业公认的严苛测试标准，比如NB/SH/T0306-2013标准，该标准主要用于对硬质钢齿轮用润滑油承载能力（齿轮胶合）的判定，是工业和传动润滑油性能验证的重要依据。它通过对齿轮副啮合的阶梯式增载流程，评估润滑油的胶合失效载荷等级。但其存在显著局限，试验需消耗2 L润滑油和一次性标准齿轮试样，每个载荷等级测试时长根据测试方法需要15 min，并且需要测试人员人工施加测试载荷并且依赖操作人员进行齿面外观检测，导致试验成本高、周期长、重复性易受人为因素影响^[1]。

SRV线性往复振荡摩擦试验机作为一种多功能实验室测试设备，可通过模块化设计来适配不同几何形状、材质的摩擦副，在自行编辑的工况下对润滑油的摩擦系数、磨损量及极压特性进行精准测量。其核心优势在于试样尺寸小、更少量的油样、自动化程度高、试验周期短，且试验结果符合ASTM D5706、ASTM D5707、ASTM D6425、ASTM D7421等国际标准的可靠性要求。ASTM D5707多被用于风电润滑脂的开发，甚至有些企业会将该测试标准苛刻化，来对自身企业生产的润滑脂进行批量释放。近年来，科研机构与企业纷纷开展SRV模拟FZG试验的技术研究，旨在建立高效的润滑油预筛选体系，减少FZG台架试验的使用频次，降低研发成本与周期。其中李小刚等人研究使用SRV®4摩擦磨损试验机研究建立模拟润滑油承载能力试验FZG( A20 /16.6R/90)的试验方法，该方法的齿轮宽度为20 mm，测试齿轮的节圆转速为16.6 m/s,并且选用反转的方式来进行测试。其对应的实际应用场景多为工业用高极压、高转速且润滑条件相对苛刻的场景。他的研究为工业用高速重载的传动系润滑油配方筛选提供了数据支撑和技术支持^[1-2]。张博等人利用四球法、SRV测试和FZG测试研究了舰用汽轮机油的摩擦学性能，并讨论了结果之间的相关性^[3]。Galary J T. 采用 SRV 试验机模拟 FZG承载能力试验，SRV 模拟方法能有效评价齿轮用油的摩擦磨损性能，为环保型齿轮润滑剂的快速筛选提供了可行方法^[4]。本文基于现有研究文献、技术手册及试验数据，系统梳理SRV模拟FZG试验的技术体系与应用进展，为相关领域的研究与实践提供参考。

1  FZG与SRV试验核心原理及技术特性

1.1    FZG台架试验原理与标准

FZG试验为功率循环式台架测试，可以对标准的C型齿轮副进行点蚀，微点蚀的测试，对A型齿轮副进行载荷等级的测试。FZG的测试装置示意图如图1所示：

图1 FZG的测试装置示意

本文重点研究基于A类型齿轮副（大轮齿与小齿轮）的载荷等级测试，A型测试用标准齿轮根据应用的场景不同，可以分为A20和A10标准测试齿轮。A20 是工业级标准测试齿轮，与用于车辆传动油的 A10 齿轮形成互补。A20齿轮的齿宽选用20 mm、A类型齿轮副的啮合传动，采用阶梯式增载方式（12个基础载荷等级，赫兹接触应力146～1841 N/mm²，可扩展至14级2170 N/mm²），每个载荷等级下齿轮副以8.3 m/s节圆线速度运行15 min，初始油温控制在90～93℃，采用油浴润滑且无冷却措施^[5-7]。FZG胶合测试的标准载荷对照表如表1所示，数据来源于NB/SH/T0306-2013[8]测试方法。

试验过程中，从第4级载荷开始油温从初始温度90～93℃自然上升，每个等级结束后需人工检查齿面胶合痕迹，当小齿轮所有16个齿面的磨损宽度之和大于或等于单个齿面宽度时，判定为失效，对应的载荷等级即为失效载荷等级，等级越高表明润滑油承载能力与抗磨性能越好。

而对于评价高极压润滑油的抗胶合能力，需要采用CEC L-84-02[9]等标准^[10]，试验工况为A10/16.6R/90，线速度为16.6 m/s，初始油温为90～93℃，可以根据实际情况进行油温的调整（调整至120℃）。

1.2    SRV®5线性往复振荡摩擦试验机工作原理与设备特性

SRV®5线性往复振荡摩擦试验机通过电机产生1～500 Hz频率、0.01 mm～5 mm冲程的周期性往复运动，模拟摩擦副的相对滑动。设备可实时采集并记录载荷、温度、频率、冲程及摩擦系数（CoF）等核心参数，支持往复振荡与旋转两种测试模式，适配多种摩擦副几何结构。常用的SRV®5试验机载荷量程为3～2500 N，温度控制范围为-40 ～350 ℃并且配备专业的操作软件，可实现试验流程自动化控制与数据精准分析^[11-13]。SRV®5试验机测试核心组件及本文提到的摩擦副的接触方式如图2所示：

图2 SRV^®5试验机测试核心组件及本文提到的摩擦副的接触方式

与FZG试验相比，SRV试验具有显著技术优势：

1）时间效率：单个载荷等级测试时长仅217 s（不足FZG试验的1/4），测试样件的安装和拆卸时间也远远小于FZG的安装拆卸时间，并且FZG在第四级开始，每级都需要打开测试齿轮箱进行外观评估。所以，SRV的整体试验时长对比FZG的测试时长将有效缩短；

2）成本控制：试样尺寸小（如圆盘试样φ24×7.9 mm，圆柱试样φ6×8 mm），油样需求量少，无需消耗昂贵的测试齿轮；

3）自动化程度：无需人工外观检测，试验流程全程自动化，减少人为误差；

4）多功能性的实验设计：可同时评估极压性能与抗磨性能。

2   SRV 模拟 FZG 试验的关键技术设计

2.1    试验工况参数匹配

为确保 SRV 试验与 FZG 试验结果的相关性，我们就需基于 FZG 的核心工况参数对SRV的测试工况进行针对性设计，通过温度、频率、载荷梯度等参数的精准匹配，模拟齿轮副啮合的实际摩擦学环境，经多组工况优化试验验证，与设备供应商沟通确定关键试验参数如表2所示。

2.2    摩擦副的选择与设计

摩擦副的几何结构与材质直接影响接触应力分布与磨损特性，需模拟 FZG 齿轮副的啮合接触状态，参考相关研究成果，本文选用柱和盘摩擦副为核心测试结构，具体参数为：下试样选用材质为AISI 52100/100Cr6的轴承钢，尺寸为φ24×7.9 mm圆盘；上试选用尺寸为φ6×8 mm圆柱，材质同样为100Cr6，表面抛光处理，纵轴与运动方向呈10°夹角； 

该摩擦副的优势为：相比球和盘摩擦副，能更好保持初始接触压力，且工装上10°斜角设计可确保接触区域充分浸润润滑油，避免局部润滑不足，且接触应力分布更接近齿轮啮合状态。

2.3    失效判定标准与评价体系

SRV 试验的失效判定以摩擦系数曲线特征为核心，结合卡咬与微卡咬现象，参考 FZG 胶合失效判定原则并借鉴同类研究的判定体系，定义三种失效载荷等级判定情况^[14]：

1）情况1（明确卡咬）：摩擦系数曲线出现突然且显著的峰值（持续至少数秒），触发停机值（摩擦系数≥0.3或冲程偏差≥50%），试验终止，对应载荷等级即为失效等级；

2）情况2（无失效完成试验）：全程无卡咬或微卡咬现象，摩擦系数曲线呈平滑线性下降趋势，判定为超过SRV 14级载荷（与FZG 14级载荷具有可比性）；

3）情况3（频繁微卡咬）：试验后期出现多次微卡咬峰值（低于卡咬峰值），摩擦系数曲线波动增大，失效等级判定为微卡咬开始并持续的载荷等级，需结合磨损分析验证；

该评价体系既保证了与FZG胶合失效判定的一致性，又充分考虑了SRV试验的信号特征，提高了结果解读的科学性与准确性。

2.4    极压（EP）与抗磨（AW）双维度测试流程

为全面评估润滑油性能，SRV模拟试验通常采用EP与AW组合测试流程：

1）EP阶梯载荷试验：采用50 Hz频率、2～4 mm冲程、98℃温度，按预设载荷梯度递增测试，直至检测到卡咬现象，记录许用载荷（未发生卡咬的最高载荷等级），作为AW试验的载荷依据；

2）AW恒定载荷试验：依据DIN 51834-4标准[15]，采用50 Hz频率、2 mm冲程、90℃温度，在EP试验许用载荷的下一等级持续测试120 min，若顺利完成试验则判定为该等级合格，若发生失效则降低载荷等级重试。同时通过显微镜来测量磨损磨痕尺寸，结合摩擦系数均值综合评估抗磨性能。

3    试验结果相关性分析

3.1    设备供应商油品的测试结果

为验证 SRV 对 FZG 结果的预测能力，选取 3 种已知 FZG 结果的油品（样品1：7 级；样品2：14 级；样品3：14 级）进行 SRV 测试，结果显示 SRV（EP/AW）载荷等级与 FZG 失效等级呈现明显的正相关：已知油品中，FZG 等级为7级的样品1对应 SRV EP 9 级、AW8 级，FZG等级为14级样品2和样品3对应 SRV EP为13/14 级、AW12/14 级。

3.2    试验室油品的验证结果

为提高测试效率，试验室样品只进行极压（EP）进行测试，选取A样品和B样品来进行A20标准测试齿轮的FZG测试。A20 齿轮模数通常为4.5，齿数组合为 16/24，模拟工业设备重载、中速的运行工况。其8.3 m/s的节圆线速度与 90～93℃ 初始油温，能精准还原冶金、矿山、风电等场景的严苛润滑需求，所以经常被用于减速机、工业齿轮箱、风电齿轮箱用油的开发筛选工作中。该两款样品的FZG（A20/8.3/90）结果均为12级未失效，进行SRV极压（EP）等级测试时结果分别为12级和11级。

选取C样品、D样品、E样品来进行A10标准测试齿轮的FZG测试。A10 齿轮的齿轮模数也是4.5，齿数组合是16/24，其FZG具体工况线速度为16.6 m/s。凭借其高滑动、高应力、高转速和高温的组合特性高度还原了汽车变速箱、驱动桥等关键部位的运行工况，成为 FZG 测试中模拟车辆传动严苛工况的唯一标准齿轮，是评价车辆齿轮油抗胶合性能的核心工具。这三款FZG（A10/16.6R/90）测试结果分别为6级、7级和7级， SRV极压（EP）等级测试时结果分别为12级、13级和12级。

3.3    结果推理：SRV 与 FZG 测试的相关性

多组油品的测试数据验证了 SRV 与 FZG 测试结果的核心相关性，进一步验证了中 SRV（EP）等级可作为 FZG 失效等级快速预测指标的结论：

1）已知 FZG 结果的油品中，FZG 失效等级越高，对应的 SRV（EP/AW）等级也越高，且 SRV EP 等级与 FZG 失效等级的数值接近（如 FZG 7级对应 SRV EP 9级、FZG 14级对应 SRV EP 13/14级），说明 SRV EP 测试能有效模拟 FZG 的抗胶合承载能力。

2）内部试验室选取了5款样品对SRV模拟FZG测试，进一步验证了 SRV 作为模拟FZG润滑油测试前快速筛选方法的可行性；但是由于A10测试工况更为严苛，主要用于区分高极压油品，试验室样品FZG A10测试的6级、7级对应的SRV EP结果为12、13级，已达到现有SRV EP工况的上限，若FZG A10的结果级别更高时，现有的SRV EP模拟工况无法有效模拟FZG A10的测试。 

4  结论与应用建议

通过对 SRV 模拟 FZG 的工况设计、多组油品的测试数据及结果推理，可得出以下核心结论，并针对工业应用提出具体建议：

1）SRV 与 FZG 测试结果，标准A20型齿轮的具有条件性正相关，当 SRV 采用 217 s载荷持续时间、50 Hz、2～4 mm冲程、90/98 ℃下部试样温度的 EP 测试工况时，其结果与FZG失效等级匹配度最高能够模拟 FZG 的测试工况。

2）SRV（EP）等级可作为 FZG 失效等级的快速预测指标，在油品研发、质量检测的初筛阶段，可通过 SRV 测试快速筛选出高性能样品，再通过 FZG 测试进行精准验证，大幅提升测试效率。

3）FZG A10/16.6R/90测试齿轮宽度为10 mm,测试时其赫兹接触应力更大，所以其工况更加严苛，现有的SRV模拟FZG A20/8.3/90工况的试验条件还无法覆盖模拟FZG A10/16.6R/90测试工况，需进一步探索更合适的测试工况。对选用A10测试的高极压性能的产品在使用SRV进行FZG测试的预筛选效果不是很理想。 

4)润滑油样品的极压剂、抗磨剂、基础油粘度等因素都会影响FZG的测试结果，现有SRV模拟FZG实验室样品量有限，后续需扩大样品量才可更有效的验证SRV和FZG测试结果的对应关系。

参考文献

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