基于相關系數的柴油機潤滑油監(jiān)測研究*

田洪祥，李 婧，孫云嶺，吳向君

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

裝備在用潤滑油的監(jiān)測是視情維修的重要技術手段之一,可以提高裝備的可用性，降低裝備的運行成本和維修費用[1]。在ASTM D6224關于電站輔助裝備在用潤滑油監(jiān)測中[2]，柴油機潤滑油優(yōu)先監(jiān)測的參數指標是100 ℃下的運動粘度、水分、堿值和元素濃度分析，可選的是40 ℃下的運動粘度、閃點、不溶物、醇含量、燃油稀釋、磨粒濃度和微生物污染(該項目僅僅適用于潤滑油工作溫度小于50 ℃的低、中速柴油機，或者長久不用的備用柴油機)，根據需要進行的是泡沫特性和磨粒濃度分析。國內柴油機換油標準是GB/T7607—2010[3]，在該標準中，柴油機換油涉及的參數和指標有：100 ℃下的潤滑油運動粘度變化百分率、閃點下降、堿值下降率、酸值增加、正戊烷不溶物質量分數、水分含量以及基于光譜分析的鐵、銅、鋁和硅元素濃度。實際工程應用中，受制于分析所需的人員、設備、時間或環(huán)境的制約，無法對標準中所列項目進行全面的分析，這就需要從部分分析數據中僅可能多地挖掘可靠、有用信息，從而科學和經濟地管理設備的運行和維修。研究和實踐表明：柴油機潤滑油常受到冷卻液和柴油的污染，冷卻液的污染可用快速水分儀監(jiān)測[4]，柴油污染導致潤滑油粘度下降[5]。柴油機摩擦副易于磨損的摩擦副有缸套—活塞組件、曲軸—軸承和氣缸蓋組件等[6]，潤滑油中攜帶有摩擦副的磨損信息，可通過原子發(fā)射光譜、分析式鐵譜、鐵量儀等進行分析[7]。原子發(fā)射光譜技術因為分析速度快、重復性好和數字化表達等優(yōu)點而獲得了廣泛地應用[8]，然而，無論是轉盤電極還是等離子耦合，對于油樣中大于10 μm的金屬顆粒檢測效率低[9-10]；分析式鐵譜可以有效獲得油樣中鐵磁性磨粒的尺寸、形貌和密度等信息，然而分析時間長和對人員要求高的特點限制了該技術的應用范圍[11]；鐵量儀可以快速分析油樣中鐵磁性磨粒的總量[12]，但是如果油樣中有大尺寸的非鐵磁性磨粒，對鐵磁性讀數有減少的影響[13]。

本文將對某船舶連續(xù)工作1 900 h以上的4臺柴油機潤滑油樣進行分析，并利用相關系數方法分析有關數據的有效關聯(lián)性。

1 日常油樣和分析儀器

1.1 日常油樣

某船舶4臺用作主機的柴油機，自2016年4月15日開始取第一個油樣，至2016年10月6日最后取樣，第1臺主機工作了2 480 h，取樣9個；第2臺工作了2 635 h；取樣9個；第3臺工作了1 920 h；取樣9個；第4臺工作了1 920 h；取樣9個；獲得油樣共計36個。

1.2 分析儀器

本研究利用爆裂法快速水分儀監(jiān)測油樣中的水分含量是否超過國標規(guī)定值；使用基于Hele-Shaw原理的油液粘度計，測量油樣在40 ℃下的運動粘度；利用美國超譜公司的SPECTRO M型轉盤電極油料發(fā)射光譜儀測量油樣中21個常見元素的濃度；借助于鐵量儀測量油樣中的鐵磁性磨?？偭浚煌瑫r還使用磁力方法的裝置測量油樣中的鐵磁性磨?？偭?。

2 相關系數的數學模型

相關系數用于定量描述變量之間的相關程度。利用Matlab軟件計算得到相關系數R，其語句為R=corrcoef(X)，X是一矩陣，其列表示與油樣分析有關的參數，包括油料發(fā)射光譜數據，油樣的粘度、鐵量儀讀數、磁力法的讀數、水分含量和潤滑油使用時間等，其行表示各個油樣。

R與X的協(xié)方差(矩)陣C=cov(X)有關，其數學表達式如下:

(1)

計算得到的P值是基于測試參數之間是隨機無關的假設，如果P(i,j)小于某一值(最為常用的為0.05或0.01)，就認為相關系數R(i,j)具有顯著性。

Cov(i,j)=E{[i-E(i)][j-E(j)}

(2)

式中:E(i)—油樣分析數據中的第i列的平均值,其余與此有關的表達，可類推。

分析參數中，包括11個發(fā)射光譜元素濃度，其單位是μg/g；潤滑油工作時間，單位是h；還有潤滑油粘度，單位是40 ℃下的運動粘度cSt。需要對參數進行歸一化處理，以消除量綱和數量級對分析結果的影響，以利于后續(xù)的統(tǒng)計分析。

本研究對所分析的原始數據采用了標準化變換，標準化變化的公式如下：

設p維向量X=(X1，X2，……，Xp)的觀測值矩陣為：

(3)

標準化變換后的觀測值矩陣為：

(4)

其中：

(5)

(6)

(7)

經過標準化變換后，矩陣X*的各列的均值都是0，標準差都是1。

3 實驗及結果分析

元素濃度是油料發(fā)射光譜分析所得，鐵磁性磨粒由鐵量儀和磁力方法分別得到共計2個測量值，水分含量由快速水分儀定性半定量測得，運動粘度由快速粘度計測得。

1號柴油機9個油樣的檢測參數如表1所示。

表1 1號柴油機9個油樣的測量參數

續(xù)表1

油料發(fā)射光譜共獲得23個元素的濃度，但是許多元素濃度對監(jiān)測潤滑油是無意義或者意義不大，故略去，例如：C、H元素濃度作為儀器參考通道之用；Sn、Ni、Ag、B、Mo、Ti、V、Mn和Cd元素濃度很小，一方面是機器零部件中沒有相關元素的材料或者潤滑油中沒有該元素，很少的讀數常常是儀器的本底噪音讀數(作為測量儀器，是被允許的)，故略去。

若油樣中有鐵磁性磨粒，則鐵量儀的讀數為正值；純潤滑油沒有使用時，鐵磁性讀數是負值。鐵量儀對鐵磁性大顆粒敏感，對于柴油機而言，讀數大于30 μg/g時，引起注意；讀數大于60 μg/g時，報警。鐵量儀讀數和磁力方法讀數具有較好的相關性[14]，油樣鐵量儀讀數和磁力方法的讀數均在正常范圍之內，不再做深入研究。

本研究利用上述所介紹的歸一化對表1中的11個元素濃度、潤滑油工作時間和粘度進行處理，并計算相關性，如表2所示。

表2中第一行表示元素(元素符號和元素名稱在表3中有一一對應)、柴油機工作時間T和潤滑油40 ℃下的運動粘度η。表2中數據為各參數之間的相關系數(未考慮置信概率)。

表2中潤滑油中典型元素的來源如表3所示[15]。

表2 1號柴油機典型元素和潤滑油粘度及工作時間之間的相關系數

表3 潤滑油中典型元素的來源

在99%置信概率條件下具有顯著性相關的相關系數如表4所示。

表4 1號柴油機油液監(jiān)測參數有顯著性的相關系數

表4中第一行表示金屬元素鉻/Cr、銅/Cu、硅/Si、鈉/Na、鎂/Mg和柴油機工作時間/T；表4中第一列表示金屬元素鐵/Fe、鉻/Cr、銅/Cu、潤滑油40 ℃運動粘度/η。為簡化表達，表4僅僅列出了具有顯著相關的數據。

在置信概率99%時，具有顯著相關性的參數及其相關系數如表4所示。

從表4中可以看出：鐵元素與鉻、銅、鈉和鎂元素具有高的相關系數，根據元素的來源結合柴油機的工作原理，可以解釋為：活塞環(huán)中含有鉻，氣缸套為鑄鐵機件，活塞環(huán)與氣缸套的磨損同步；曲軸中含有鐵，主軸承、推力軸承含有銅，工作時同步磨損；鈉和鎂一方面是添加劑元素，另外一方面冷卻水中含有鈉，海水中還有鈉和鎂，二者同步增加時，一般認為海水了；即推理認為該柴油機在工作中進了少量海水，雖然沒有超過0.2%質量比例的報警濃度，但是明顯增加了含鐵機件的磨損。

鉻元素除了與鐵元素相關外，還與銅、鈉元素相關，連桿襯套為銅合金，活塞銷表層含鉻，這一對摩擦副在工作中同步磨損，且占比比較大；同時鉻元素受海水影響。

銅元素除了與鐵、鉻元素相關外，還與硅和鎂元素相關，硅元素一般來源與灰塵、砂礫，還有肯呢個來自鑄鐵機件，可以推論潤滑油中進了一定的灰塵，或者鐵元素來自鑄鐵，鑄鐵中的硅與銅增加，同時銅元素受海水影響。

潤滑油工作時間與潤滑油粘度存在負相關，即隨著潤滑油工作時間的增加，潤滑油的粘度呈現(xiàn)下降趨勢，是由于潤滑油中進柴油引起的。具體原因可能是：回油管的油通過氣缸蓋表面的搖臂機構隨同潤滑油一起流入曲柄箱；或者燃燒室燃油霧化不良或沒有燃燒，燃油順著汽缸壁流入曲柄箱。

將4臺柴油機36個油樣進行歸一化處理和相關系數分析，并在99%置信概率下具有顯著相關的參數，如表5所示。

表5 4臺柴油機油液監(jiān)測參數有顯著性的相關系數

4臺柴油機具有顯著性的相關系數與1號柴油機相比，除了相關系數的具體值稍有差異外，揭示的相關性更加豐富，增加的有4個部分：

(1)硅元素與鐵、鉻元素相關，這可解釋硅元素來源與鑄鐵機件，且鐵元素來自鑄鐵機件，因為鐵與鉻高度相關，硅也與鉻相關；

(2)鋁元素與潤滑油工作時間成正比，結合柴油機零部件的組成，鋁元素來自連桿大端軸瓦和活塞，預示軸瓦正常工作，反映了隨工作時間增加，鋁元素濃度增加；

(3)鈉和鎂元素相關，說明了潤滑油中有少量進海水的情況，但是含水量沒有超過0.2%的報警值；

(4)鋅與鎂、鈣、磷元素有相關性，且鋅與鎂、鈣正相關，鋅與磷負相關。潤滑油中的鈣、鎂鹽主要來源于清凈分散劑，如磺酸鈣鹽或磺酸鎂鹽；鋅鹽主要來自氧化抑制劑，如二烷基二硫待磷酸鋅，也稱為鋅鹽ZDDP；磷元素還存在于極壓抗磨添加劑，如三甲苯基磷酸酯、有機磷酸酯等。

通過具體的元素濃度值，可以看出：當潤滑油剛加入時，磷元素濃度最高，隨著工作時間的增加，磷元素濃度呈下降趨勢，而鎂、鈣和鋅呈現(xiàn)穩(wěn)定或稍有增加的趨勢，可解釋為作為含磷的潤滑油極壓添加劑，使用過程中是耗損的。

4 結束語

本文對船舶柴油機的潤滑油進行了取樣和分析，測量數據表明：所有油樣的水分都沒有超過0.2%的換油門閾值；鐵量儀和磁力方法的讀數沒有異常，說明油樣中沒有異常的鐵磁性磨粒，磨損處于正常狀態(tài)。

筆者借助于相關系數方法分析了油樣的發(fā)射光譜數據中典型的元素濃度、粘度和工作時間之間的相關系數，在99%置信概率下，潤滑油的運動粘度與潤滑油使用時間成負相關；鈉和鎂元素正相關，可推斷潤滑油中受到較少量的海水的污染，但是其含量沒有超過0.2%的換油指標值；鐵與鉻、銅、硅、鈉、鎂等元素正相關，表明即使少量的海水污染也顯著增加了含鐵元素機件(如氣缸套、曲軸等)的磨損，氣缸套、曲軸和活塞環(huán)同步磨損且占主要部分，含銅機件如連桿襯套、推力軸承等與含鐵機件的磨損同步；活塞或連桿大端軸瓦的磨損與潤滑油的工作時間正相關；添加劑元素中，鋅與鈣和鎂元素正相關，鋅與磷元素負相關，結合具體濃度值的變化，在潤滑油剛剛加入時，磷元素濃度最高，使用中，其濃度值逐步下降，可解釋為含磷的潤滑油極壓添加劑，使用過程中是耗損的。