船舶柴油機(jī)滑油異常變質(zhì)規(guī)律研究

黃建偉，劉學(xué)強(qiáng)

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007）

0 引言

船機(jī)故障問(wèn)題的出現(xiàn)受到多種因素的影響，主要表現(xiàn)為磨損故障、腐蝕故障以及斷裂故障等，其中磨損故障比重相對(duì)較大，是導(dǎo)致船機(jī)失效的最重要因素之一，其影響占比超過(guò)80%。大量研究結(jié)果已經(jīng)證明，在船機(jī)故障方面，85%以上的柴油機(jī)故障是受到潤(rùn)滑影響所形成的[1]。具體而言就是柴油機(jī)潤(rùn)滑油中存在一定的污染成分，并且金屬顆粒大小不合理，造成在柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，滑油所形成的油膜厚度偏低，無(wú)法滿足實(shí)際需求，潤(rùn)滑難以發(fā)揮出應(yīng)有的作用，導(dǎo)致摩擦情況嚴(yán)重，最終引發(fā)故障問(wèn)題。船舶柴油機(jī)滑油在使用過(guò)程中受冷卻水、燃油稀釋等異常污染從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑不良以致發(fā)生機(jī)械故障。因此，研究滑油的變質(zhì)規(guī)律是對(duì)滑油品質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控的首要環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)掌握油品的質(zhì)量狀況，實(shí)現(xiàn)裝備的主動(dòng)維修和按質(zhì)換油[2]。

1 滑油品質(zhì)理化指標(biāo)

評(píng)價(jià)滑油性能的理化指標(biāo)有多種，其中粘度是滑油最重要的理化指標(biāo)。粘度指標(biāo)能將油液內(nèi)形成摩擦力的量度充分表現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而確?？梢哉_判斷油液的使用性能，并得出油液流動(dòng)性方面的結(jié)果。一般情況下，在對(duì)粘度進(jìn)行分類的過(guò)程中，可以按照動(dòng)力因素、運(yùn)動(dòng)因素以及相對(duì)因素劃分為3種，其中動(dòng)力粘度能夠?qū)⒘髡承詢?nèi)摩擦力的大小充分表現(xiàn)出來(lái)，在不受到粘性劑影響的情況下，如果油液粘度大則能在使用過(guò)程中形成較厚并且強(qiáng)度大的油膜，油液的流動(dòng)性降低；如果滑油粘度相對(duì)較小，甚至超過(guò)正常范圍，則會(huì)在使用方面出現(xiàn)邊界潤(rùn)滑的情況，也可能出現(xiàn)半液體潤(rùn)滑問(wèn)題，在加速摩擦的作用下，很可能會(huì)出現(xiàn)漏油的問(wèn)題。而油液的粘度過(guò)大，必然會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性受到影響，滲透性也會(huì)逐漸變差，在滲透性不足的情況下，內(nèi)摩擦阻力會(huì)進(jìn)一步增大，導(dǎo)致在實(shí)際運(yùn)行方面消耗較大的功率。因此要對(duì)粘度進(jìn)行合理的控制，只有對(duì)粘度實(shí)施科學(xué)的管控，才能使摩擦副得到充分潤(rùn)滑[3]。

介電常數(shù)一般能夠?qū)C(jī)油絕緣能力特性系數(shù)表現(xiàn)出來(lái)，而電荷在電場(chǎng)的作用下，能以正負(fù)電荷中心不重合電極化的方式按照實(shí)際情況做出相應(yīng)的反應(yīng)。介電常數(shù)分析方法是評(píng)價(jià)滑油氧化衰變過(guò)程的一種可行的分析方法，滑油在劣化過(guò)程中的介電性能參數(shù)測(cè)定值與其質(zhì)量指標(biāo)具有較好的線性關(guān)系[4]。

2 滑油失效故障分析

根據(jù)實(shí)船輪機(jī)人員現(xiàn)場(chǎng)管理經(jīng)驗(yàn)，在柴油機(jī)中燃油向滑油泄漏的環(huán)節(jié)有多種可能，常見(jiàn)故障一般有：

1）噴油器性能發(fā)揮受到阻礙，主要是噴油器霧化功能無(wú)法正常發(fā)揮、壓力系數(shù)整體上偏低、出現(xiàn)結(jié)碳問(wèn)題或是二次噴射等引發(fā)不良影響等都能導(dǎo)致噴油器性能發(fā)揮效果相對(duì)較差。同時(shí)，由于噴油器無(wú)法正常噴霧，必然會(huì)導(dǎo)致燃燒狀態(tài)無(wú)法達(dá)到預(yù)期，因此會(huì)影響氣缸的爆發(fā)壓力，在壓力下降的情況下沒(méi)有完全燃燒的燃油會(huì)在氣缸壁上形成附著效應(yīng)，在燃油粘附并順著間隙流入曲軸箱后，會(huì)導(dǎo)致滑油被稀釋，也會(huì)影響滑油的有效應(yīng)用。

2）在噴油泵的柱塞腔與凸輪腔的連接處，柱塞腔及低壓油腔的燃油進(jìn)入到了凸輪腔的滑油中。

3）高壓油管與噴油器的螺紋結(jié)合處和活塞與氣缸套之間滲漏進(jìn)入滑油中。由于柴油機(jī)冷卻部件多，冷卻管路復(fù)雜，極易發(fā)生冷卻水泄露，影響柴油機(jī)運(yùn)行安全。冷卻系統(tǒng)漏水包括內(nèi)漏和外漏，外漏多發(fā)生在各連接處的襯墊、密封圈等部位，能直觀發(fā)現(xiàn)處理；而內(nèi)漏需要一定的維修經(jīng)驗(yàn)才能做出判斷。一般情況下，內(nèi)漏可能發(fā)生在氣缸蓋的氣門(mén)座過(guò)橋處裂紋和氣缸蓋工藝堵處、氣缸套的缸套與水密封圈處、中冷器的管路兩端焊接處。柴油機(jī)的缸套、曲軸、活塞、軸瓦等在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生相互作用的關(guān)系，出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象，在摩擦的過(guò)程中也會(huì)形成微量金屬磨粒，如果在出現(xiàn)微量金屬磨粒后無(wú)法進(jìn)行有效的潤(rùn)滑，會(huì)導(dǎo)致金屬磨粒與潤(rùn)滑油混合在一起。上述3種污染物影響粘度進(jìn)而滑油的潤(rùn)滑效果，從而引發(fā)柴油機(jī)運(yùn)行故障[5]。

3 配比試驗(yàn)

為了通過(guò)試驗(yàn)對(duì)上述3種污染物與滑油介電常數(shù)、粘度之間的關(guān)系形成正確的認(rèn)識(shí)，在對(duì)滑油質(zhì)量因素、粘度因素以及柴油機(jī)工作條件等進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合燃油性質(zhì)因素，可以分別選取2種級(jí)別的滑油SAE30、SAE40作為對(duì)比分析對(duì)象，并為了可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，將這兩種滑油設(shè)定為30#、40#滑油。在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證一定溫度條件下3種污染物與滑油介電常數(shù)、粘度之間的關(guān)系，所有試驗(yàn)條件均選擇在滑油溫度為80℃的條件下進(jìn)行，選擇80℃是為了模擬滑油的實(shí)際工作狀態(tài)。

3.1 水分含量

新滑油水分含量一般低于0.01%。水的介電常數(shù)數(shù)值偏高，一般能夠達(dá)到80，微量水分情況下由于水介電常數(shù)高的特性會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油的介電常數(shù)產(chǎn)生較為明顯的影響[6]。為了證明水分與介電常數(shù)、粘度之間存在緊密的聯(lián)系，在試驗(yàn)活動(dòng)中可以按照操作規(guī)范依次將不同質(zhì)量的蒸餾水加入到滑油中，配置成水分含量均勻遞增的5份樣品，5份樣品的水分含量情況基本為0.2%，0. 4%，0. 6%，0.8%，1.0%，對(duì)樣品進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖1 介電常數(shù)與水分的關(guān)系

圖2 粘度與水分的關(guān)系

由圖1可知，介電常數(shù)與水分之間存在正相關(guān)的關(guān)系，介電常數(shù)受到水分的影響，在水分增加的情況下介電常數(shù)也會(huì)隨之增加，當(dāng)含水量超過(guò)0.2%時(shí)，介電常數(shù)隨水分快速增加。當(dāng)水分含量較小時(shí)，由于滑油本身具有一定的吸水能力，微量的水分被吸收，當(dāng)水分含量超過(guò)滑油本身的吸水能力范圍后，水分對(duì)介電常數(shù)的影響快速增加。這是由于水是強(qiáng)極性分子，水的介電常數(shù)高達(dá) 80，而滑油的介電常數(shù)為2.0～2.3。隨著水分的增加滑油中離子活動(dòng)加劇，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，絕緣能力下降，所以滑油中水分含量將較大影響其介電常數(shù)。由圖2可知，隨著水分的增加，粘度增大。因?yàn)殡S著滑油中的水分越來(lái)越多，潤(rùn)滑油受到氧化變質(zhì)的影響也會(huì)愈加明顯，其氧化變質(zhì)速度進(jìn)一步提高，油中部分添加劑在氧化作用下會(huì)形成水解效應(yīng)，導(dǎo)致油水之間界面張力受到影響不斷增大，二者接觸面積也會(huì)隨之拓展，使乳化速率逐步提高，粘度也會(huì)相應(yīng)的增加。

3.2 燃油含量

為了能對(duì)滑油介電常數(shù)與粘度、燃油含量之間的關(guān)系形成客觀的認(rèn)識(shí)，在試驗(yàn)活動(dòng)中分別將燃油加入到滑油中的方法制備試樣。針對(duì)30#、40#滑油，采用微量滴定管依次將不同質(zhì)量的燃油加入到12份、各100 g的滑油中，完成對(duì)試樣的制備。在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后能夠看出介電常數(shù)和粘度、總酸增值之間存在一定的聯(lián)系，具體關(guān)系如圖3和圖4所示。

圖3 介電常數(shù)與燃油的關(guān)系

圖4 粘度與燃油的關(guān)系

圖3為介電常數(shù)隨燃油含量的變化關(guān)系。由于燃油和滑油屬于同一類別化合物，兩者可以互溶，因此介電常數(shù)不受滑油中燃油含量的影響，基本保持不變。由圖4可知，滑油粘度受到燃油含量的影響，在燃油含量增加的情況下粘度會(huì)降低。這主要是受到滑油與燃油微觀結(jié)構(gòu)的影響所形成的，在燃油與滑油混合后，分子間引力作用和動(dòng)量發(fā)生變化，逐漸減小，而粘度是分子間的引力作用和動(dòng)量的綜合表現(xiàn)。因此燃油含量的增加導(dǎo)致粘度下降。

3.3 金屬顆粒含量

柴油機(jī)正常工作磨損所產(chǎn)生的金屬顆粒一般為0.5 μm～15.0 μm，小于5.0 μm的顆粒對(duì)滑油的性能基本無(wú)影響，出現(xiàn)大于12.0 μm的顆粒時(shí)，屬于較嚴(yán)重的摩擦[7]。在試驗(yàn)中考慮異常磨損工作狀態(tài)，選取直徑為12.0 μm～15.0 μm的鐵粉顆粒，將不同質(zhì)量的鐵粉依次加入到100 g的滑油中，配制得到充分混合的鐵磨粒含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為均勻遞增的潤(rùn)滑油試樣。然后進(jìn)行測(cè)試，得到介電常數(shù)和粘度與鐵磨粒含量的關(guān)系如圖5和圖6所示。

圖5 介電常數(shù)與金屬顆粒的關(guān)系

圖6 粘度與金屬顆粒的關(guān)系

由圖5可知，當(dāng)鐵粉顆粒濃度沒(méi)有達(dá)到1.5%時(shí)，二者之間的關(guān)系表現(xiàn)出近似線性關(guān)特征，在一定成都上可以看出介電常數(shù)受到鐵磨粒含量的影響，并且隨著含量的增大逐步增大。但由于金屬磨粒自身具有良好的擴(kuò)散性能并且附著力較之于水更低，因此其對(duì)介電常數(shù)的影響較??；當(dāng)鐵粉含量超過(guò)1.5%后，在鐵粉含量逐步增加的情況下介電常數(shù)會(huì)隨之增加，并且增加的趨勢(shì)逐漸變快。由圖6可以看出，黏度隨著鐵顆粒含量的增加而增加。這是由于隨著金屬顆粒在滑油中的含量增加，顆粒在液相中的流動(dòng)阻力隨之增大。流動(dòng)阻力增加，導(dǎo)致粘度增大[8]。

4 結(jié)論

1）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，隨著滑油中水分含量、鐵顆粒含量的增加，介電常數(shù)不斷增大，燃油含量對(duì)介電常數(shù)基本不影響。

2）水分含量和鐵顆粒含量的增加，粘度增大，而燃油含量與此相反。

3）對(duì)滑油介電常數(shù)變化影響最大的是水分含量。

4）滑油水分含量、燃油含量、鐵顆粒含量異常變化是引起潤(rùn)滑油失效的原因，而且水分含量、燃油含量、鐵顆粒含量與介電常數(shù)和粘度的變化具有一定的規(guī)律，可以為評(píng)價(jià)滑油衰變程度的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)在理論上提供參考。