潤(rùn)滑油分析技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

盧小輝, 謝小鵬

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院, 廣東 廣州 510641)

高等學(xué)校是工程教育的主陣地,應(yīng)面向工業(yè)界培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、社會(huì)適應(yīng)能力強(qiáng)的工程技術(shù)人才,應(yīng)增強(qiáng)學(xué)生的工程意識(shí)、提高其工程素質(zhì)[1-2]。實(shí)踐教學(xué)是高校培養(yǎng)工程技術(shù)人才的必要手段,是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的重要途徑,學(xué)生應(yīng)在實(shí)踐過(guò)程中學(xué)習(xí)觀察問(wèn)題、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力[3-4]。摩擦學(xué)是一門(mén)涉及多個(gè)學(xué)科、實(shí)踐性很強(qiáng)的交叉學(xué)科,要解決的大多是工程問(wèn)題[5]。摩擦學(xué)課程是我校機(jī)械工程、能源與動(dòng)力工程等專業(yè)本科生的一門(mén)專業(yè)課,其主要內(nèi)容包括潤(rùn)滑油的監(jiān)測(cè)分析、機(jī)械設(shè)備的故障診斷和維護(hù)等。潤(rùn)滑油作為工業(yè)必需品,被稱為是機(jī)械設(shè)備的“血液”。為了保持生產(chǎn)設(shè)備的順利運(yùn)行、提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益,需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行潤(rùn)滑管理[6]。潤(rùn)滑油分析是潤(rùn)滑管理的重要技術(shù)手段,廣泛應(yīng)用于鋼鐵、交通、能源、石化等產(chǎn)業(yè)的設(shè)備維護(hù)管理與故障診斷[7-8]。為了促進(jìn)摩擦學(xué)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)技能的遷移,結(jié)合潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)與分析的工程實(shí)際,將潤(rùn)滑油分析技術(shù)實(shí)驗(yàn)作為摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的基本內(nèi)容[9-10]。該實(shí)驗(yàn)與行業(yè)需求緊密聯(lián)系,使學(xué)生能夠動(dòng)手操作相關(guān)儀器設(shè)備,有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,提高機(jī)械設(shè)備故障診斷與維護(hù)的實(shí)踐能力。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)同類(lèi)型的3種不同品牌柴油機(jī)潤(rùn)滑油進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)和測(cè)試,包括新油的基本理化指標(biāo)測(cè)試、摩擦磨損性能測(cè)試以及柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)前后的潤(rùn)滑油光譜分析。潤(rùn)滑油①的牌號(hào)為15W-40,潤(rùn)滑油②的牌號(hào)為20W-50,潤(rùn)滑油③的牌號(hào)為CD20W-50。通過(guò)實(shí)驗(yàn),學(xué)生加深對(duì)潤(rùn)滑油分析技術(shù)基本概念和潤(rùn)滑油基本性能指標(biāo)的理解,掌握潤(rùn)滑油分析技術(shù)的基本測(cè)試方法和相關(guān)設(shè)備的操作,學(xué)習(xí)潤(rùn)滑油基本性能和設(shè)備磨損狀態(tài)的分析。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 理化性能測(cè)定

潤(rùn)滑油的理化性能主要包括潤(rùn)滑油的黏度、傾點(diǎn)、閃點(diǎn)、水分、機(jī)械雜質(zhì)、酸堿值、抗乳化性以及銅片腐蝕等[11]。理化指標(biāo)分析是監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備油液變化最簡(jiǎn)單、最直接的方法,可測(cè)定潤(rùn)滑油品質(zhì)以及油液在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的變化。根據(jù)課時(shí)的安排,本實(shí)驗(yàn)測(cè)定運(yùn)動(dòng)黏度、閃點(diǎn)和酸值3個(gè)理化性能指標(biāo)。運(yùn)動(dòng)黏度是潤(rùn)滑油分類(lèi)分級(jí)的主要指標(biāo),反映潤(rùn)滑油的流動(dòng)性。閃點(diǎn)用來(lái)劃分潤(rùn)滑油的危險(xiǎn)等級(jí),反映潤(rùn)滑油的蒸發(fā)性和易燃性。酸值是表示潤(rùn)滑油含有酸性物質(zhì)的指標(biāo),反映潤(rùn)滑油的氧化變質(zhì)程度。

采用DSY-105型運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定器(大連瑞高自動(dòng)化有限公司)分別測(cè)量3種潤(rùn)滑油在40 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度。采用DSY-001A型閃點(diǎn)和燃點(diǎn)測(cè)定器(大連瑞高自動(dòng)化有限公司)測(cè)量潤(rùn)滑油的閉口閃點(diǎn)。潤(rùn)滑油的酸值采用BF-41型石油產(chǎn)品酸值測(cè)定器(大連北方分析儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)量。

1.2.2 摩擦磨損性能測(cè)試

潤(rùn)滑油的摩擦磨損性能采用MRS-10A四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南益華)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)鋼球(東莞金銘五金公司)為G10級(jí)標(biāo)準(zhǔn)軸承鋼球,直徑為12.7 mm。實(shí)驗(yàn)載荷為392 N,轉(zhuǎn)速為1450 r/min,測(cè)試環(huán)境溫度為室溫,測(cè)試時(shí)間為45 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,從油盒中取出實(shí)驗(yàn)鋼球并清洗干凈,在15J型測(cè)量顯微鏡下測(cè)量鋼球的磨斑直徑。摩擦系數(shù)μ和油盒溫度T由試驗(yàn)機(jī)測(cè)試軟件自動(dòng)記錄。

1.2.3 光譜分析

利用MOAII型多元素油液分析發(fā)射光譜儀(美國(guó)BAIRD公司)對(duì)柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)前后的潤(rùn)滑油進(jìn)行光譜分析,可直接測(cè)定油樣中20種元素的含量,包括設(shè)備摩擦副表面產(chǎn)生的磨粒元素、潤(rùn)滑油添加劑元素和進(jìn)入潤(rùn)滑油的外界污染物元素等。通過(guò)對(duì)磨粒金屬元素的成分和含量進(jìn)行分析,可以了解設(shè)備摩擦副磨損狀態(tài)；對(duì)添加劑元素的含量進(jìn)行分析,可以判斷潤(rùn)滑油中添加劑的損耗；對(duì)污染物元素的含量進(jìn)行分析,可以判斷潤(rùn)滑油受污染的情況[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 理化性能分析

表1所示為潤(rùn)滑油理化性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果。由表1可知,潤(rùn)滑油②和潤(rùn)滑油③較潤(rùn)滑油①的運(yùn)動(dòng)黏度低,具有更好的流動(dòng)性能,有利于設(shè)備零部件摩擦表面的散熱。潤(rùn)滑油②的閃點(diǎn)較低,說(shuō)明其更容易蒸發(fā)和易燃,安全性相對(duì)較低。潤(rùn)滑油②的酸值也較低,說(shuō)明其氧化變質(zhì)的程度較輕。

表1 理化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

2.2 摩擦性能分析

圖1所示為所測(cè)潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。由圖1可知,潤(rùn)滑油②的摩擦系數(shù)較大,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中波動(dòng)也較大。潤(rùn)滑油①和潤(rùn)滑油③的摩擦系數(shù)較小,隨時(shí)間變化的曲線基本相同,曲線整體比較穩(wěn)定,并且有下降的趨勢(shì),說(shuō)明它們有較顯著的減摩效果,能夠較好地潤(rùn)滑零部件摩擦副表面,達(dá)到降低摩擦的目的。

圖1 潤(rùn)滑油摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化

圖2所示為潤(rùn)滑油在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,油溫隨時(shí)間變化的曲線,反映了潤(rùn)滑油的溫升情況。由圖2可知,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段,3種潤(rùn)滑油的油溫變化基本相同。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,潤(rùn)滑油②的油溫變化最為顯著,在25 min之后出現(xiàn)非常明顯的升高,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程溫升達(dá)到56.1 ℃；而潤(rùn)滑油①和潤(rùn)滑油③的油溫變化較平緩,在實(shí)驗(yàn)后段基本保持在某一溫度下,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程溫升分別為20 ℃和13.9 ℃。由此可知,潤(rùn)滑油①和潤(rùn)滑油③在潤(rùn)滑過(guò)程中,溫升情況基本一致,都能夠有效避免摩擦副因摩擦產(chǎn)生高溫破壞潤(rùn)滑表面。

圖2 潤(rùn)滑油溫度隨時(shí)間變化

表2所示為摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后,鋼球磨斑直徑的測(cè)量結(jié)果。由表2可知,潤(rùn)滑油①和潤(rùn)滑油③的磨斑直徑較為接近,均明顯小于潤(rùn)滑油②的磨斑直徑。由此可知,潤(rùn)滑油①和潤(rùn)滑油③的抗磨性能較好,表現(xiàn)也基本相同,都能夠有效保護(hù)潤(rùn)滑表面、減少摩擦副的磨損和延長(zhǎng)零部件的壽命。

表2 鋼球磨斑直徑結(jié)果

2.3 光譜分析

表3所示為潤(rùn)滑油在柴油機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)前后光譜分析測(cè)試結(jié)果。由表3可知,3種潤(rùn)滑油均含有大量的Ba元素、P元素和Zn元素,分別來(lái)源于潤(rùn)滑油添加劑中的防銹劑、極壓抗磨劑和抗氧防腐劑。此外,潤(rùn)滑油③含有大量的Mg元素,來(lái)源于添加劑中的清凈分散劑；潤(rùn)滑油②含有少量的Gu元素,來(lái)源于抗磨添加劑；潤(rùn)滑油①和潤(rùn)滑油③相對(duì)于潤(rùn)滑油②含有較高含量的Mo元素,來(lái)源于極壓添加劑。3種潤(rùn)滑油在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)后,潤(rùn)滑油①和潤(rùn)滑油②的Fe元素含量的增長(zhǎng)率明顯較潤(rùn)滑油③的顯著,表明潤(rùn)滑油③相比于其他兩種潤(rùn)滑油具有較好的抗磨特性,能夠起到降低柴油機(jī)摩擦副磨損的作用。

表3 潤(rùn)滑油光譜分析測(cè)試結(jié)果 ppm

表3(續(xù))

3 結(jié)論

潤(rùn)滑油分析技術(shù)實(shí)驗(yàn)作為摩擦學(xué)課程的重要內(nèi)容,與機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑管理的行業(yè)需求緊密聯(lián)系,具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用背景。學(xué)生通過(guò)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,既能掌握潤(rùn)滑油分析的基本實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù),又能通過(guò)對(duì)比進(jìn)一步理解潤(rùn)滑油的技術(shù)指標(biāo)與機(jī)械設(shè)備維護(hù)管理的關(guān)系,建立潤(rùn)滑管理的工程意識(shí),實(shí)現(xiàn)教學(xué)向工程實(shí)際的轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展以工程教育為紐帶,調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,促進(jìn)學(xué)生積累機(jī)械設(shè)備故障診斷的經(jīng)驗(yàn),提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力,從而培養(yǎng)機(jī)械潤(rùn)滑工程師和設(shè)備管理人才。