羥基硅酸鎂潤(rùn)滑材料的行車(chē)試驗(yàn)研究

(中國(guó)中車(chē)股份有限公司，北京 100036)

羥基硅酸鎂潤(rùn)滑材料的行車(chē)試驗(yàn)研究

安曉

(中國(guó)中車(chē)股份有限公司，北京 100036)

采用羥基硅酸鎂作為潤(rùn)滑油添加劑進(jìn)行實(shí)車(chē)試驗(yàn)，研究了添加劑對(duì)氣缸壓縮壓力、燃油消耗和尾氣排放的影響，SEM及EDX測(cè)試分析摩擦副的表面形貌及表面成分組成。結(jié)果表明，羥基硅酸鎂粉體添加至潤(rùn)滑油中，可顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，從而使汽缸壓縮壓力顯著上升，燃油消耗明顯降低，尾氣排放大幅改善。

羥基硅酸鎂，潤(rùn)滑油添加劑，行車(chē)試驗(yàn)，自修復(fù)

磨損是相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中表層材料不斷損傷的過(guò)程，它是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。磨損是機(jī)械零件失效的三大原因(磨損、腐蝕和斷裂)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全世界工業(yè)部門(mén)目前使用的能源中，大約有三分之一最終以各種形式消耗在磨損上，由摩擦造成磨損的損失是驚人的，在失效的機(jī)械零件中，大約有60%～80%是由于各種形式的磨損造成的[1-2]。

微納米減摩自修復(fù)技術(shù)[3]是一種高效、環(huán)保的表面工程領(lǐng)域新技術(shù)，可在機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)下不解體地原位修復(fù)零件磨損表面，對(duì)于解決零部件的磨損失效問(wèn)題及提高裝備的可靠性、穩(wěn)定性，延長(zhǎng)服役壽命具有重要意義，該技術(shù)也是維修與再制造領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一，應(yīng)用前景廣闊[4-9]。目前研究大多圍繞的是在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)羥基硅酸鎂礦物材料的摩擦學(xué)性能和自修復(fù)性能進(jìn)行分析。

為檢測(cè)羥基硅酸鎂礦物材料的實(shí)際應(yīng)用效果，本文以公交車(chē)為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)羥基硅酸鎂的自修復(fù)和摩擦學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)和研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)車(chē)輛

選擇青島交運(yùn)集團(tuán)巴士分公司的3輛長(zhǎng)江6850型公交車(chē)為試驗(yàn)車(chē)輛，發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為：東風(fēng)6100-Ⅱ型汽油機(jī)，功率為99kW。

1.2 試驗(yàn)方法

采用對(duì)比方法，車(chē)輛在相同工況和道路條件下運(yùn)行，測(cè)量記錄車(chē)輛在添加羥基硅酸鎂自修復(fù)材料前后的相關(guān)數(shù)據(jù)，即發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸工作壓力、尾氣排放和百公里平均耗油量。

(1)試驗(yàn)前統(tǒng)計(jì)每輛車(chē)一個(gè)月的行駛里程、實(shí)際油耗，計(jì)算出平均每百公里的耗油量；采用缸壓測(cè)試儀測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓，汽車(chē)發(fā)放分析儀測(cè)試尾氣排放。

(2)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行保養(yǎng)，更換潤(rùn)滑油，按照與潤(rùn)滑油體積比為5%的比例分別向發(fā)動(dòng)機(jī)油箱、變速器、后橋差速器添加羥基硅酸鎂礦物材料。

(3)試驗(yàn)階段，統(tǒng)計(jì)每輛車(chē)每月的行駛里程、實(shí)際油耗，計(jì)算出平均每百公里的耗油量；行駛15000公里后，采用缸壓測(cè)試儀測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)缸壓，汽車(chē)分析儀測(cè)試尾氣排放。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 功效結(jié)果分析

對(duì)車(chē)輛在添加羥基硅酸鎂礦物材料前后進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 添加礦物材料前后相關(guān)數(shù)據(jù)匯總表Table 1 Summary of relevant data before and after adding mineral materials

表1測(cè)量數(shù)據(jù)表明，添加羥基硅酸鎂礦物材料后，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸工作壓力明顯增加，缸壓提高約4.02%，說(shuō)明摩擦表面發(fā)生了物質(zhì)和體積的增長(zhǎng)，從而縮小了活塞環(huán)與缸套之間的縫隙，提高了密封性，證明添加劑具有自修復(fù)效果。

而百公里耗油量下降是因?yàn)樾迯?fù)層的存在提高了密閉性，使燃油燃燒更加充分，同樣的油耗會(huì)生產(chǎn)更大的功率，即相當(dāng)于降低了單位油耗。同時(shí)，尾氣排放有明顯改善，CO排放量降低39.53%，CH排放量下降29.5%，這是因?yàn)榧尤胩砑觿┖?，接觸表面形成金屬陶瓷保護(hù)層，密封性增強(qiáng)，氣缸內(nèi)氧氣量相應(yīng)增加，有機(jī)物燃燒更加充分。

2.2 表面分析

圖1所示為添加潤(rùn)滑油添加劑的摩擦副表面形貌的SEM照片。可以看出，表面非常光滑平整；局部磨痕區(qū)域有修復(fù)的痕跡如圖1(c)、(d)中虛線圈所示。修復(fù)區(qū)域內(nèi)表面平整，存有少量的點(diǎn)坑。為進(jìn)一步分析，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行元素考察。

圖2為不同區(qū)域元素的分布情況，表2所示為不同區(qū)域元素含量對(duì)比?？梢钥闯?，修復(fù)區(qū)域表面元素分布與相鄰區(qū)域比較，除Fe元素以外，C元素含量大幅升高，還含有較多的Al元素，少量的Mg、Si元素等，O元素有所升高；點(diǎn)狀物中除特征Si、Al元素外，其它元素如C、Fe含量并沒(méi)有減少，因此可能不是單一的化合物。說(shuō)明表面已經(jīng)初步形成修復(fù)層。

圖1 摩擦副表面形貌SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM image of the surface of friction pairs

圖2 不同區(qū)域表面元素分布：(a)區(qū)域1；(b)區(qū)域2；(c)點(diǎn)狀物(1)；(d)點(diǎn)狀物(2)Fig.2 Surface element distribution in different regions：(a)Region 1；(b)Region 2；(c) Point(1)；(d)Point(2)

表2 表面及點(diǎn)狀物各元素質(zhì)量百分含量(%)Table 2 Element percentage in different regions

3 結(jié)論

(1)通過(guò)實(shí)車(chē)考核對(duì)羥基硅酸鎂礦物材料的減摩修復(fù)效果、節(jié)能效果和環(huán)保效果進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，通過(guò)添加羥基硅酸鎂礦物材料，降低了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，減少了尾氣排放，表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合效益。

(2)表面分析結(jié)果表明，在零部件表面形成了高硬度的光滑修復(fù)層，降低了摩擦系數(shù)；同時(shí)修復(fù)層的存在使缸套和曲軸的間隙減小從而提高了缸壓，降低油耗，減少尾氣排放。

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TheFieldTestofMagnesiumSilicateHydroxideasLubricatingOilAdditive

AN Xiao

(China Railing Rolling Stock Corporation Limited，Beijing 100036，China)

The field test was carried out on three buses to research the friction-reducing and self-repair behaviors of the magnesium silicate hydroxide as lubricating oil additive. The morphologies and element distributions of the worn surface were investigated by means of scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive Xray spectrometry (EDX). Application test showed that the protecting layer of the self-reconditioning material on metals increases markedly the compression pressure of steam cylinder and reduces greatly the exhausts emission of CO，HC and poison matter.

magnesium silicate hydroxide，lubricating oil additive，field test，self-repairing

TB 383.1