陶瓷基自修復(fù)材料在某型艦用柴油機(jī)上的應(yīng)用研究

鄭遠(yuǎn)春，袁慧五

(92571部隊(duì)，海南 三亞 572021)

陶瓷基自修復(fù)材料
在某型艦用柴油機(jī)上的應(yīng)用研究

鄭遠(yuǎn)春，袁慧五

(92571部隊(duì)，海南 三亞 572021)

文章運(yùn)用多種監(jiān)測技術(shù)，綜合評價(jià)陶瓷基自修復(fù)材料應(yīng)用于某型艦用柴油機(jī)后的性能狀況，發(fā)現(xiàn)陶瓷基自修復(fù)材料能有效減緩柴油機(jī)摩擦副的磨損，改善柴油機(jī)性能，而不對柴油機(jī)潤滑油粘度產(chǎn)生不良影響。陶瓷基自修復(fù)材料在艦用柴油機(jī)上具有良好的應(yīng)用前景。

監(jiān)測技術(shù)；自修復(fù)材料；潤滑油；柴油機(jī)性能

艦用柴油機(jī)因工作時(shí)間長、強(qiáng)度大，離靠碼頭時(shí)正、倒車啟動(dòng)頻繁，極易造成缸套、活塞和活塞環(huán)等摩擦副磨損，導(dǎo)致柴油機(jī)故障頻發(fā)。解決這些磨損故障的傳統(tǒng)修理方法主要是修刮、研磨和更換摩擦副，但這些方法運(yùn)用起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，費(fèi)用較高，而且經(jīng)修理后的摩擦部件還會反復(fù)出現(xiàn)此類故障[1]。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)了一種金屬磨損自修復(fù)技術(shù)，現(xiàn)已在我國鐵路機(jī)車、空軍飛機(jī)和火箭軍的軍事裝備中廣泛應(yīng)用并取得了良好的效果，但在艦用柴油機(jī)上的應(yīng)用尚屬空白。將金屬磨損自修復(fù)材料應(yīng)用于艦用柴油機(jī)潤滑油時(shí)，能否在不影響柴油機(jī)潤滑油磨損微粒含量和理化性能指標(biāo)的前提下，減緩艦用柴油機(jī)摩擦副的磨損，從而改善柴油機(jī)性能，這是本文要探討的主要問題。

目前，國內(nèi)外研發(fā)的金屬磨損自修復(fù)材料種類繁多，其主要分為陶瓷基、金屬基和聚合物基這三大類型[2]。由于它們的性能各異，且應(yīng)用時(shí)受到不同條件的影響[3]，將它們應(yīng)用于艦用柴油機(jī)也必將產(chǎn)生不同的效果，這就需要運(yùn)用合適的技術(shù)手段對金屬磨損自修復(fù)材料的應(yīng)用效果進(jìn)行綜合評價(jià)。本文選用某公司生產(chǎn)的陶瓷基自修復(fù)材料，將其按照一定比例添加于某型艦用柴油機(jī)中，綜合采用振動(dòng)與噪聲監(jiān)測、動(dòng)力性能參數(shù)監(jiān)測和油液監(jiān)測等技術(shù)手段，對這種陶瓷基自修復(fù)材料在艦用柴油機(jī)上的應(yīng)用效果進(jìn)行系統(tǒng)研究，為減少裝備維修費(fèi)用，延長裝備使用壽命探索一條新的途徑，也進(jìn)一步拓展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測技術(shù)在艦船維修管理上的應(yīng)用范圍。

1 陶瓷基自修復(fù)材料的作用機(jī)理

陶瓷基自修復(fù)材料的減磨作用機(jī)理與潤滑油添加劑完全不同，它不與油品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不改變油品的黏度和性質(zhì)，無毒副作用，在常溫下的化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，是一種全新的表面強(qiáng)化技術(shù)。添加陶瓷基自修復(fù)材料后，會在金屬磨損表面生成保護(hù)層，且保護(hù)層的生成速度和厚度與摩擦釋放的能量和修復(fù)顆粒的數(shù)量成正比。當(dāng)修復(fù)微粒數(shù)量充足且摩擦釋放的能量大時(shí)，保護(hù)層增長速度就快；當(dāng)摩擦間隙得到補(bǔ)償，摩擦釋放的能量降低，保護(hù)層增長速度就放緩；最終置換反應(yīng)停止，保護(hù)層停止生成。因此，修復(fù)微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成保護(hù)層是有選擇性的，它只在金屬的磨損部位發(fā)生，在非磨損部位上，修復(fù)微粒是不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的，仍然被油液攜帶著流動(dòng)。保護(hù)層不僅能夠補(bǔ)償缺陷，使零件恢復(fù)原始形狀，還可以優(yōu)化配合間隙，利于降低摩擦振動(dòng)，減小噪音，節(jié)約能源，而陶瓷基自修復(fù)材料本身不會對試驗(yàn)設(shè)備的安全性產(chǎn)生影響[4]。

2 測試方案和結(jié)果

選用2臺同型號1#、2#艦用柴油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，在相同工況下，分別測試1#、2#柴油機(jī)的整機(jī)振動(dòng)烈度、柴油機(jī)艙室噪聲、啟動(dòng)性能、動(dòng)力性能、潤滑油磨損元素含量和黏度指標(biāo)，然后將陶瓷基自修復(fù)材料按照一定的比例添加到1#柴油機(jī)潤滑油中，當(dāng)2臺機(jī)器同時(shí)運(yùn)行250 h后，在相同工況下，分別對2臺柴油機(jī)及其潤滑油進(jìn)行測試，從而對1#柴油機(jī)應(yīng)用陶瓷基自修復(fù)材料前后的機(jī)器性能進(jìn)行比較。與此同時(shí)，在相同工況下，將未添加陶瓷基自修復(fù)材料的2#柴油機(jī)與1#柴油機(jī)進(jìn)行性能比較，以此評價(jià)陶瓷基自修復(fù)材料應(yīng)用于艦用柴油機(jī)后性能狀況。為保證測試結(jié)果的可比性，試驗(yàn)選定在同一海域、相同海況下進(jìn)行，測試時(shí)柴油機(jī)穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，始終保持同一臺副機(jī)工作；柴油機(jī)啟動(dòng)性能測試選擇艦艇在碼頭停泊狀態(tài)下進(jìn)行。

2.1 振動(dòng)與噪聲測試

為了提高振動(dòng)與噪聲監(jiān)測數(shù)據(jù)的可比性，測試按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。其中柴油機(jī)振動(dòng)烈度測試采用GB/T 7184—2008《中小功率柴油機(jī)振動(dòng)測量及評價(jià)》，測試儀器采用Vibxpert綜合故障診斷儀；柴油機(jī)機(jī)艙的艙室噪聲測試采用GB/T 4595—2000《船上噪聲測量》，測試儀器用NL-22噪聲測量儀。測試結(jié)果見表1。

表1 柴油機(jī)振動(dòng)烈度與機(jī)艙艙室噪聲測試數(shù)據(jù)

對表1數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行250 h后，1#柴油機(jī)的整機(jī)振動(dòng)烈度和柴油機(jī)艙室噪聲明顯降低，未添加陶瓷基自修復(fù)材料的2#柴油機(jī)的整機(jī)振動(dòng)烈度和艙室噪聲有明顯惡化。

2.2 啟動(dòng)和運(yùn)行性能參數(shù)測試

柴油機(jī)的啟動(dòng)性能參數(shù)主要考慮冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)間、換向啟動(dòng)時(shí)間和相同氣瓶壓力下的啟動(dòng)次數(shù)，測試儀器為秒表；柴油機(jī)的運(yùn)行性能主要考慮汽缸爆炸壓力、壓縮壓力和排氣溫度。測試儀器分別為爆炸壓力表和溫度計(jì)，測試結(jié)果見表2和表3。

表2 柴油機(jī)啟動(dòng)性能參數(shù)測試數(shù)據(jù)

表3 柴油機(jī)運(yùn)行性能參數(shù)測試數(shù)據(jù)

通過對表2和表3 柴油機(jī)性能參數(shù)測試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，添加陶瓷基自修復(fù)材料并運(yùn)行250 h后，1#柴油機(jī)的啟動(dòng)和換向時(shí)間均減少，相同氣瓶壓力下的啟動(dòng)次數(shù)增加，爆炸壓力和壓縮壓力都有明顯的增加，未添加陶瓷基自修復(fù)材料的2#柴油機(jī)的相同性能指標(biāo)均沒有改善，甚至有所惡化，說明這種陶瓷基自修復(fù)材料對改善柴油機(jī)性能具有一定的效果。

2.3 潤滑油金屬磨損元素含量和粘度指標(biāo)測試

對2#柴油機(jī)和添加了陶瓷基自修復(fù)材料的1#柴油機(jī)運(yùn)行250 h前后的潤滑油取樣分析，用超譜M型原子發(fā)射光譜儀檢測潤滑油中磨損金屬元素含量，檢測數(shù)據(jù)見表4；用S-FLOW850型自動(dòng)黏度計(jì)檢測潤滑油100 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度。

表4 柴油機(jī)潤滑油光譜分析數(shù)據(jù) μg/g

通過對表4中的柴油機(jī)潤滑油光譜數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，1#柴油機(jī)添加陶瓷基自修復(fù)材料運(yùn)行250 h時(shí)前后，鐵、鉻、鉛、銅、鋁、錫和鎳等磨損金屬元素含量沒有明顯增加，而未添加陶瓷基自修復(fù)材料的2#柴油機(jī)運(yùn)行250 h后，潤滑油中的鉛、銅含量含量增加明顯，尤其是銅元素含量增大有15倍之多，說明陶瓷基自修復(fù)材料能有效地減緩柴油機(jī)摩擦副的磨損，改善柴油機(jī)性能。

對添加陶瓷基自修復(fù)材料的1#柴油機(jī)運(yùn)行250 h前、后潤滑油的黏度指標(biāo)進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)其100 ℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度為13.84 mm2/s和13.55 mm2/s，幾乎沒有變化，說明陶瓷基自修復(fù)材料不會對潤滑油的黏度產(chǎn)生不良影響。

3 結(jié)束語

通過對艦用柴油機(jī)添加陶瓷基自修復(fù)材料前后采用振動(dòng)與噪聲監(jiān)測、啟動(dòng)和運(yùn)行參數(shù)測試、潤滑油磨損金屬元素光譜分析和黏度指標(biāo)測試，可以得出如下結(jié)論。

1)添加陶瓷基自修復(fù)材料后，艦用柴油機(jī)整機(jī)振動(dòng)烈度明顯減小，艙室噪聲明顯降低，啟動(dòng)性能和運(yùn)行性能明顯改善。

2)陶瓷基自修復(fù)材料能夠有效地減緩柴油機(jī)摩擦副的磨損，改善柴油機(jī)性能，對潤滑油不會產(chǎn)生不良影響。

3)在艦用柴油機(jī)上應(yīng)用陶瓷基金屬磨損自修復(fù)材料，將會產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)軍事效益。

[1]段樹林,于洪亮, 魏海軍,等. SKL8NVD-36A柴油機(jī)應(yīng)用金屬磨損自修復(fù)劑的試驗(yàn)研究[J]. 潤滑與密封，2007, 32(5): 137-139.

[2]戴樂陽, 孟榮剛, 陳景鋒,等. 金屬磨損自修復(fù)納米顆粒的研究進(jìn)展[J].中國修船, 2012, 25(4): 33-36.

[3]王磊, 周新聰. 不同工況對金屬磨損自修復(fù)層形成的影響[J]. 潤滑與密封, 2009, 34(2): 63-65.

[4]秦傳江, 洪奕. 金屬磨損自修復(fù)技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)維修中的應(yīng)用[J]. 表面技術(shù), 2009, 38(4): 80-82.

The performance of a kind of ceramic-based auto-restoration material was evaluated systematically through various comprehensive monitoring techniques,when it was applied on a marine diesel engine.It was found that the application of the ceramic-based auto-restoration material could slow down the wear of friction pairs and improve the performance of the marine diesel enging without any bad effect on lubricating oil viscosity.The ceramic-based auto-restoration material will have a good application prospect in marine diesel engine.

monitoring technique;auto-restoration material;lubrication oil;performance of diesel engine

U672.2

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.014

鄭遠(yuǎn)春(1967-)，男，湖北松滋人，高級工程師，碩士，主要從事艦船裝備監(jiān)測診斷與維修管理工作。

2017-07-31