汽車變速器油液乳化原因分析

劉小辰，肖淑華，俞進(jìn)濤，韋 麗

(1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；4.南昌航空大學(xué)，南昌 330063)

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汽車變速器油液乳化原因分析

劉小辰1,2,3，肖淑華1,2,3，俞進(jìn)濤4，韋 麗4

(1.北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095；4.南昌航空大學(xué)，南昌 330063)

變速器是汽車關(guān)鍵部件，直接影響汽車的駕駛性能和行駛安全。變速器中潤滑油乳化，會(huì)使油膜變薄、金屬腐蝕、磨損嚴(yán)重，對(duì)變速器造成損害。本研究針對(duì)變速器潤滑油乳化失效，分析混入物質(zhì)的成分及含量。采用X射線熒光光譜(XRF)對(duì)新油與乳化油液的元素種類及含量進(jìn)行了測(cè)定。利用紅外光譜(FT-IR)對(duì)兩油液中主要物質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比。并且，根據(jù)pH測(cè)試與氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)結(jié)果，確定了H2O的混入導(dǎo)致變速器油液發(fā)生乳化。對(duì)兩油液中H2O含量進(jìn)行測(cè)定，新油液中H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%，乳化油液中H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.66%。

變速器；油液；乳化；水

0 引言

變速器中潤滑油需要滿足其齒輪、軸承等零件的潤滑以及同步摩擦特性的要求[1]。由于存在變速器齒輪嚙合摩擦損失、各種軸承摩擦損失、齒輪攪油損失等，變速器工作過程中將產(chǎn)生較多熱量[2]。產(chǎn)生的大部分熱量都將被潤滑油吸收，但潤滑油使用過程中常常出現(xiàn)乳化變質(zhì)現(xiàn)象。乳化是由兩種不相溶的液體經(jīng)過強(qiáng)烈地?cái)嚢韬笮纬扇橐籂畹倪^程。乳化形成的危害主要有4種：一是腐蝕金屬面，潤滑油具有適當(dāng)粘附性和粘度，潤滑油乳化將使其粘附性變差，油膜變得很薄，油對(duì)摩擦面的附著力不夠，使金屬表面的溫度急劇上升，導(dǎo)致金屬面腐蝕；二是造成潤滑油的浪費(fèi)，潤滑油一經(jīng)乳化很難恢復(fù)，也無法繼續(xù)使用，勢(shì)必造成潤滑油的浪費(fèi)；三是污染環(huán)境；四是容易造成機(jī)械事故，潤滑油乳化后造成油路運(yùn)行不暢，影響內(nèi)部零件散熱，易引發(fā)機(jī)械事故[3]。

目前國內(nèi)外為避免潤滑油乳化已開展了多方面的研究和改進(jìn)，王宏偉通過對(duì)L-TSA油品的調(diào)合過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)提高基礎(chǔ)油的白土吸附深度可提升基礎(chǔ)油的抗乳化性能，H2O含量對(duì)基礎(chǔ)油的抗乳化性能負(fù)面影響較大，H2O含量大于30 μg/g必須對(duì)基礎(chǔ)油進(jìn)行脫水處理。金屬減活劑和防銹劑濃度過高時(shí)會(huì)使油品的抗乳化性能變差[4]。國外汽車生產(chǎn)商從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，改善了在溫差作用下氣缸蓋罩內(nèi)易出現(xiàn)水凝結(jié)的現(xiàn)象。但目前所作工作多針對(duì)水的混入導(dǎo)致油液乳化的單一情況進(jìn)行研究，而汽車行駛過程中遇到的情況是復(fù)雜的，可能混入且造成潤滑油乳化的成分也是多樣的，因此就需要快速便捷的檢測(cè)方法來確定混入物質(zhì)的成分與含量，進(jìn)而確定混入物質(zhì)的來源。

某型汽車試車要求行使104 km無故障，但行使3 000 km左右時(shí)變速器發(fā)生故障，將變速器拆解檢查，發(fā)現(xiàn)變速器油液發(fā)生乳化，乳液靜置后始終保持均勻狀態(tài)，未發(fā)生分層的情況。在混入物未知的情況下，對(duì)乳化油液進(jìn)行一系列測(cè)試，最終確定潤滑油中混入物質(zhì)的成分以及含量。汽車變速器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽車變速器

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

送檢油液外觀形貌見圖2所示。可見，1#新油液呈亮紅色，油液清澈不混濁，2#為從變速箱中取出的油液，呈灰粉色、乳液狀，油液混濁，確定變速箱中油液發(fā)生了乳化。

1.2 X射線熒光光譜分析

為對(duì)比新油液與乳化油液元素種類及含量的異同，采用X射線熒光光譜對(duì)新油液與乳化油液分別進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀器為Panalytical AXIOS Petro波長色散X射線熒光光譜儀，配端窗銠靶X射線管。液體樣品盒(37 mm，6 μm Mylar樣品支持膜)。光管功率：2.4 kW，75 μm超薄鉑窗，最大工作電壓60 kV，最大工作電流100 mA。

圖2 送檢油液外觀

測(cè)試結(jié)果見表1，兩油液元素種類及含量基本相同，僅乳化油液中多出微量的Fe、Zn，分析與使用過程中的磨損有關(guān)[5-6]。

1.3 紅外分析

對(duì)新油液、乳化油液分別進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，以確定潤滑油中混入物質(zhì)的主要成分。采用Bruker公司的TENSOR 27型紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜分析，測(cè)試參數(shù)分別為：光譜分辨率4 cm-1，樣品掃描次數(shù)設(shè)置為32，光譜掃描范圍為4 000～400 cm-1。油液紅外曲線見圖3。

對(duì)比兩油液紅外結(jié)果發(fā)現(xiàn)，乳化油液在3 398 cm-1位置存在—OH吸收峰，而新油液曲線上未見—OH峰[7]。其余吸收峰位置基本相同，分析油液中可能含有水、醇類或羧酸類等含有羥基的成分。圖3a中圈出位置出現(xiàn)了向上的吸收峰，分析與測(cè)試過程中空氣背景的干擾或制樣過程中研磨的均勻程度有關(guān)。

表1 油液中元素含量 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

圖3 油液紅外譜圖

1.4 油液pH測(cè)試

為確定混入的是否為酸類物質(zhì)，對(duì)兩種油液pH值進(jìn)行測(cè)試，pH試紙顏色相同，均呈中性，判斷油液中沒有羧酸類物質(zhì)，混入物質(zhì)可能為水或醇類。

1.5 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析

為確定是否存在醇類物質(zhì)混入，將新油液與乳化油液在300 ℃汽化，氣相色譜結(jié)果見圖4所示。由于H2O易汽化，且進(jìn)樣時(shí)會(huì)混入較高比例的CO2，二者形成的色譜峰較大，會(huì)對(duì)其他成分造成干擾，因此兩曲線已截去水與CO2峰，保留了分子量大于44即分子量大于CO2的成分的色譜峰。對(duì)比兩曲線出峰位置、吸收峰個(gè)數(shù)基本均相同。用峰面積歸一化法測(cè)量了各個(gè)峰的相對(duì)百分含量，核對(duì)質(zhì)譜標(biāo)準(zhǔn)庫[8]，再對(duì)比兩油液的質(zhì)譜檢索結(jié)果，兩油液成分基本相同，無明顯差別。結(jié)果中沒有檢索到C2H5OH(分子量46)、(CH2OH)2(分子量62)這兩種常見小分子醇，以及其他長鏈醇。

1.6 含H2O量測(cè)試

根據(jù)GB/T 7600—2014[9]采用微庫倫分析儀對(duì)兩油液中水分含量進(jìn)行測(cè)定，新油液中H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.08%，乳化油液中H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.66%，可見乳化油液中H2O含量遠(yuǎn)高于新油液。

圖4 兩種油液氣相色譜圖

1.7 加熱除水試驗(yàn)

為驗(yàn)證水的混入導(dǎo)致油液發(fā)生乳化，將乳化油液加熱攪拌去除水分后油液變?yōu)榍辶恋募t棕色液體，不再呈乳液狀態(tài)，其形貌見圖5所示。

圖5 乳化油液加熱除去水分后形貌

新油液加熱前后與乳化油液加熱前后形貌分別見圖6所示?？梢娦掠鸵杭訜岢伾宰兩钔?，無明顯變化。而乳化油液變澄清，表明與油液不相容的水分已揮發(fā)。乳化油液加熱后顏色，較新油液加熱后深。

再進(jìn)行紅外光譜分析，對(duì)比新油液、乳化油液和乳化油液加熱后組分紅外曲線，結(jié)果見圖7所示。可見乳化油液加熱后羥基吸收峰消失，其余吸收峰位置不變，且乳化油液加熱后紅外曲線與新油液基本相同。表明除去水后，乳化油液與新油液成分基本相同。

圖6 油液加熱前后形貌對(duì)比

圖7 新油液、乳化油液和乳化油液加熱后液體紅外對(duì)比圖

2 分析與討論

本研究首先通過外觀檢查確定了變速箱中油液已發(fā)生乳化，再利用X射線熒光光譜分析，對(duì)比了乳化油液與新油液元素種類及含量，發(fā)現(xiàn)乳化油液中含有磨損引入的微量Fe、Zn，其他元素種類及含量與新油液基本相同。紅外光譜對(duì)比結(jié)果顯示，乳化油液中混入物質(zhì)含有羥基，可能為水、醇或酸類物質(zhì)。pH值測(cè)試結(jié)果顯示乳化油液呈中性，排除了乳化油液中含有羧酸的可能性。再根據(jù)氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析的結(jié)果判斷乳化油液中不含有醇類物質(zhì)。因此確定乳化油液中混入物質(zhì)應(yīng)為H2O。H2O含量測(cè)定結(jié)果也顯示，乳化油液中H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.66%，而新油液中H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.08%[10]。

將乳化油液加熱去除H2O，得到清亮的紅棕色油液，不再呈乳液狀態(tài)。對(duì)加熱后的乳化油液進(jìn)行紅外光譜分析，發(fā)現(xiàn)羥基峰消失，紅外曲線與新油液相同，進(jìn)一步證明了水的混入導(dǎo)致了變速箱油液發(fā)生乳化。

潤滑油形成乳液狀必須具有3個(gè)必要條件：一是必須有互不相溶的兩種液體；二是混合液中存在乳化劑即能降低界面張力的表面活性劑；三是要有形成乳化液的能量，如強(qiáng)烈的攪拌、循環(huán)、流動(dòng)等。當(dāng)水分進(jìn)入變速器潤滑油中后，形成了兩種不相容的液體。潤滑油本身的添加劑如抗氧化劑、防銹劑等，大多是具有表面活性的化合物或混合物，這些物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)中，一端是具有親油性的非極性基團(tuán)，另一端是親水性的極性基團(tuán)。當(dāng)汽車行駛時(shí)，潤滑油在變速器內(nèi)部流動(dòng)、循環(huán)同時(shí)伴有振動(dòng)，促使表面活性物質(zhì)將混入的水包裹成小液滴均勻的分散于潤滑油中，最終導(dǎo)致乳液的形成。

3 結(jié)論

變速器油液發(fā)生乳化是由于H2O的混入導(dǎo)致，乳化油液中H2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.66%，超出新油液水含量3倍多。

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Reason Analysis of Emulsification of Machine Oil for Car Transmission

LIU Xiao-chen1,2,3，XIAO Shu-hua1,2,3，YU Jin-tao4，WEI Li4

(1.BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China;2.BeijingKeyLaboratoryofAeronauticalMaterialsTestingandEvaluation,Beijing100095,China;3.AVICFailureAnalysisCenter,Beijing100095,China;4.NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

Transmission is the key unit of cars. It directly influences driving performance and safety. The emulsification of oil in transmission would cause oil film to get thinner, and thus metal would be corroded and wear would become more serious. In order to find out the cause of the emulsification failure of oil in transmission, the ingredient content of the oil was analyzed. The elements and their content in new oil and emulsified oil were tested by using X-ray fluorescence spectroscopy (XRF). The main constituent parts in the two kinds of oil were compared by infrared spectroscopy (FT-IR). And based on the results of pH test and pyrolysis gas chromatography combined with mass spectrum (PGC-MS) test, it is found that the entering of water is the main cause for emulsification of oil. Finally, water content in the two kinds of oil was tested, and it is found that the mass faction of water in new oil was 0.08% and that in emulsified oil was 2.66%.

transmission; machine oil; emulsification; water

2016年5月30日

2016年7月3日

劉小辰(1987年-)，男，碩士，工程師，主要從事非金屬失效分析等方面的研究。

U473.74

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.005

1673-6214(2016)04-0223-04