某型柴油機(jī)潤(rùn)滑油磨粒定量分析實(shí)驗(yàn)研究*

孫云嶺，李 飛，田洪祥，何 偉

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)不可避免的發(fā)生磨損，流經(jīng)摩擦副表面的潤(rùn)滑油攜帶磨粒進(jìn)入潤(rùn)滑系統(tǒng)。因此，可通過(guò)油液磨粒分析獲知設(shè)備磨損信息（磨粒含量用以指示磨損階段，磨粒成分用以指示磨損位置，磨粒尺寸用以指示磨損程度，磨粒形貌用以判斷磨損機(jī)理）[1]，為評(píng)價(jià)機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)測(cè)診斷設(shè)備故障提供有力指導(dǎo)。

某型柴油機(jī)耐久性試驗(yàn)過(guò)程中，共采集了24個(gè)代表性油樣，對(duì)油樣進(jìn)行理化性能分析，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油被燃油稀釋[2]?？紤]到被稀釋的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑性能大幅下降，可能引發(fā)異常磨損，遂決定分析油樣磨粒情況。初步采用鐵量?jī)x、磁力法和油料原子發(fā)射光譜儀對(duì)上述油樣磨粒進(jìn)行定量分析，研究各磨損階段磨粒含量的變化規(guī)律。

1 監(jiān)測(cè)對(duì)象介紹

監(jiān)測(cè)對(duì)象為某型船用柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速范圍為0～750 r/min，額定功率為1 630 kW，潤(rùn)滑油牌號(hào)為昆侖DCC4008。可靠性試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，因燃油稀釋2次更換潤(rùn)滑油，因滑油消耗2次補(bǔ)油；試驗(yàn)期間共取了24個(gè)油樣，根據(jù)磨損特性曲線[3]，試驗(yàn)前期和后期磨損較快，取樣間隔較小，中期磨損緩慢，取樣間隔較長(zhǎng)。取樣時(shí)間如表1所示。

表1 油樣取樣時(shí)間

圖1 測(cè)量?jī)x器

2 某型柴油機(jī)潤(rùn)滑油磨粒定量檢測(cè)

2.1 檢測(cè)裝置及原理

測(cè)量?jī)x器包括鐵量?jī)x、磁力法裝置、油料原子發(fā)射光譜儀，分別如圖1（a）、（b）、（c）所示；輔助設(shè)備及材料有烘箱、一次性移液管、油樣管等。

鐵量?jī)x：基于電磁感應(yīng)原理，由1個(gè)初級(jí)線圈和2個(gè)相同的反向串聯(lián)次級(jí)線圈組成。當(dāng)鐵磁性磨粒進(jìn)入其中一個(gè)次級(jí)線圈時(shí)，該線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使2次級(jí)線圈間輸出與磨粒含量相關(guān)的電壓差值[4]。

磁力法裝置：基于強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)油樣鐵磁性磨粒的吸引力，用油樣置于磁場(chǎng)前后的質(zhì)量變化間接反映鐵磁性磨粒含量[5]。

油料原子發(fā)射光譜儀：基于金屬原子受高能激發(fā)輻射特征光線實(shí)現(xiàn)對(duì)各元素的定性定量分析，文獻(xiàn)[6]詳細(xì)介紹了這種設(shè)備的工作原理。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果

鐵量?jī)x操作步驟：將待測(cè)油樣放入烘箱中加熱至約65℃并保溫30 min，用手劇烈振蕩油樣至少1 min后，移取2ml待測(cè)油樣至油樣管中。讓油樣管緩緩自然落入測(cè)量池中，注意避免油樣管與測(cè)量池側(cè)壁碰撞以及周圍磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量過(guò)程產(chǎn)生的影響，記錄儀器顯示的數(shù)據(jù)。檢測(cè)待測(cè)油樣前，需要使用鐵磁性磨粒含量為0μg/g和900μg/g的標(biāo)準(zhǔn)油樣對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定檢驗(yàn)。

磁力法操作步驟：先將900μg/g的標(biāo)準(zhǔn)油樣放于塑料支架的左側(cè)，清零天平讀數(shù)，再將其放于塑料支架右側(cè)等距位置的孔中，記錄天平讀數(shù)，對(duì)0μg/g的標(biāo)準(zhǔn)油樣進(jìn)行相同操作；再將待測(cè)油樣按相同步驟測(cè)量，記錄天平讀數(shù)；最后將待測(cè)油樣的測(cè)量結(jié)果與0μg/g和900μg/g標(biāo)準(zhǔn)油樣的結(jié)果進(jìn)行比較換算，即可得到待測(cè)油樣的鐵磁性磨粒含量。

原子發(fā)射光譜儀操作步驟：將待測(cè)油樣放入烘箱中加熱至65℃左右并保溫30 min，用手劇烈振蕩油樣至少1 min后，將樣品皿中注滿待測(cè)油樣；安裝盤電極和棒電極；將注滿油樣的樣品皿放置在儀器激發(fā)室的樣品臺(tái)上；調(diào)整樣品臺(tái)位置，開(kāi)始檢測(cè)。

分別按照上述方法步驟分析油樣。其中，每個(gè)油樣用磁力法測(cè)量10次，用鐵量?jī)x測(cè)量20次（鐵量?jī)x易受環(huán)境因素干擾且儀器操作方便，故增加測(cè)量次數(shù)），剔除粗大測(cè)量誤差，分別計(jì)算均值，結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 鐵量?jī)x與磁力法檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖3 主要元素光譜數(shù)據(jù)

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

分析圖2和圖3可知：

（1）鐵量?jī)x和磁力法監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，數(shù)據(jù)差異原因在于兩者工作原理不同，鐵量?jī)x測(cè)得的是油樣中鐵磁性和非鐵磁性磨粒綜合作用的結(jié)果，而磁力法測(cè)得的只是鐵磁性磨粒作用的結(jié)果[7]；前23個(gè)油樣，磨粒含量在-10μg/g～0μg/g內(nèi)波動(dòng)，說(shuō)明油液鐵磁性磨粒含量低；第24個(gè)油樣磨粒含量劇烈增至60μg/g以上，再結(jié)合光譜數(shù)據(jù)可知柴油機(jī)發(fā)生異常磨損，需進(jìn)一步分析。

（2）發(fā)射光譜相關(guān)元素含量數(shù)據(jù)亦有類似2.3（1）中的變化趨勢(shì)，證明上述鐵量?jī)x和磁力法比較可靠。

（3）1-23號(hào)油樣鐵量?jī)x與磁力法監(jiān)測(cè)結(jié)果為負(fù)值，與光譜數(shù)據(jù)偏差較大，原因在于這兩種方法易受非鐵磁性磨粒干擾，對(duì)微量鐵磁性磨粒檢測(cè)效果不好；而24號(hào)油樣光譜儀Fe元素含量值比鐵量?jī)x及磁力法的測(cè)量值小很多，原因在于原子發(fā)射光譜儀對(duì)大磨粒不敏感[8]。

（4）由箱形圖法[9]計(jì)算可得各元素異常濃度閾值為：Fe4.3μg/g、Cu1.9μg/g、Pb0.9μg/g、Al1.9μg/g，根據(jù)光譜數(shù)據(jù)，1-20號(hào)油樣各元素濃度正常；21號(hào)油樣Al元素含量超過(guò)異常值；22號(hào)油樣Pb元素含量超過(guò)異常值；23號(hào)油樣，F(xiàn)e、Cu元素含量稍有增加接近異常值，出現(xiàn)了異常磨損趨勢(shì)，需引起注意；24號(hào)油樣各元素濃度劇烈增加，說(shuō)明發(fā)生了嚴(yán)重異常磨損，根據(jù)柴油機(jī)主要摩擦副表面材料[10]，考慮磨損可能發(fā)生在軸瓦及襯套等部件表面，需拆機(jī)檢修進(jìn)行驗(yàn)證。

3 拆機(jī)檢修

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析判斷，柴油機(jī)已出現(xiàn)了明顯的異常磨損，對(duì)柴油機(jī)拆機(jī)檢修，發(fā)現(xiàn)各缸連桿大端軸承的上軸瓦表面嚴(yán)重磨損，伴有露銅跡象，第五缸鋁合金活塞裙部已有擦傷，進(jìn)一步證實(shí)了上述分析結(jié)果。軸瓦表面磨損情況如圖4所示。

圖4 軸瓦表面磨損情況

4 結(jié)論

鐵量?jī)x、磁力法裝置、油料原子發(fā)射光譜儀適用于鐵磁性磨粒的定量分析研究，可初步診斷設(shè)備磨損狀況；其中，光譜儀還可有效監(jiān)測(cè)非鐵磁性磨粒，彌補(bǔ)了鐵量?jī)x與磁力法裝置的不足。

鐵量?jī)x與磁力法裝置操作簡(jiǎn)單，方便快捷，適于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，但存在一定的測(cè)量誤差。原子發(fā)射光譜儀可監(jiān)測(cè)多種金屬磨損元素，但對(duì)大尺寸磨粒不敏感。對(duì)實(shí)裝柴油機(jī)磨粒監(jiān)測(cè)時(shí)，建議先用鐵量?jī)x和磁力法裝置現(xiàn)場(chǎng)快速定量分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常磨損趨勢(shì)時(shí)，再用原子發(fā)射光譜儀等實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)一步定性分析，綜合多種方法全面評(píng)估設(shè)備磨損狀態(tài)。