何偉，石新發(fā)，賀石中*，馮偉，馬紅軍，唐劍武

(1.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 工業(yè)摩擦潤(rùn)滑技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，廣州 510700； 2.廣研檢測(cè)(廣州)有限公司，廣州 510530)

柴油機(jī)應(yīng)用廣泛，良好的潤(rùn)滑可有效延長(zhǎng)柴油機(jī)使用壽命，正確的油品選用十分重要。柴油機(jī)制造商會(huì)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)類型、排放水平、典型技術(shù)，以及使用溫度推薦柴油機(jī)潤(rùn)滑油的質(zhì)量等級(jí)和黏度等級(jí)[1]，GB 11122—2006《柴油機(jī)油》規(guī)定了各等級(jí)柴油機(jī)油的黏溫性能、理化性能，以及使用性能要求。但這些性能要求的對(duì)象為柴油機(jī)潤(rùn)滑油新油，油品在實(shí)際使用過(guò)程中不可避免會(huì)受到污染，會(huì)因柴油不完全燃燒生成煙炱，并隨活塞環(huán)與缸套的刮擦混入潤(rùn)滑油[2]；會(huì)因噴油泵柱塞間隙過(guò)大、噴油器性能不良、回油管漏油等原因使燃油混入潤(rùn)滑油[3]；會(huì)因冷卻液泄露、空氣或燃?xì)庵兴掷淠⑷藶橐蛩氐仍蚴顾只烊霛?rùn)滑油[4]，這些污染物的存在會(huì)影響柴油機(jī)潤(rùn)滑油的抗磨損性能。

國(guó)標(biāo)中有各等級(jí)柴油機(jī)潤(rùn)滑油需通過(guò)的臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)定，其中包含煙炱生成對(duì)油品黏度增長(zhǎng)影響及挺柱磨損的Mack T-8E、Cummins M-11等試驗(yàn)，但其結(jié)果均為范圍要求，相同質(zhì)量等級(jí)油品其具體使用過(guò)程中的性能表現(xiàn)存在差異，且忽視了燃油及水分對(duì)油品性能變化和設(shè)備磨損的影響?，F(xiàn)有研究多集中于煙炱的生成機(jī)理、煙炱混入對(duì)柴油機(jī)油磨損性能變化的影響[5-7]，以及燃油稀釋后柴油機(jī)油性能變化[8]，缺乏柴油機(jī)油受燃油、水分污染后磨損性能變化的考察。另外，污染物方面往往考慮單一物質(zhì)，2種乃至3種污染物同時(shí)存在的研究相對(duì)較少。柴油機(jī)潤(rùn)滑油實(shí)際使用過(guò)程中各種污染物均有可能存在，需全面綜合研究污染狀態(tài)下油品的磨損性能變化。為此，針對(duì)適用于船用發(fā)電柴油機(jī)、非道路用柴油機(jī)的柴油機(jī)潤(rùn)滑油，通過(guò)配制含多種不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)污染物的油樣進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油磨損性能影響最為明顯的污染物比例，為污染狀態(tài)下柴油機(jī)潤(rùn)滑油在磨損性能方面的選型提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 污染物含量的配制比例

GB/T 7607—2010《柴油機(jī)油換油指標(biāo)》中僅設(shè)定了水分的閾值(大于0.2wt%)，ASTM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)在用柴油機(jī)油的水分、燃油稀釋含量設(shè)定了閾值(分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%和大于1%～5%)，兩種標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)煙炱含量進(jìn)行規(guī)定。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)廣研檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)柴油機(jī)潤(rùn)滑油的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以某款15W-40的柴油機(jī)油為基礎(chǔ)配制3組含單一污染物的油樣進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。

A組：分別含不同燃油(0#柴油)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25%、2.5%、5%、7.5%、10%的油樣A1、A2、A3、A4、A5；

B組：分別含不同煙炱(取自發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，并烘干)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的油樣B1、B2、B3、B4、B5；

C組：分別含不同水分(蒸餾水)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%、0.09%、0.15%、0.2%、0.3%的油樣C1、C2、C3、C4、C5；新油作為空白油樣D。

試驗(yàn)在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，根據(jù)柴油機(jī)內(nèi)主要摩擦副材質(zhì)及運(yùn)動(dòng)形式選擇鋼-鋼止推盤作為試件，結(jié)合柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況及四球機(jī)法制訂運(yùn)行參數(shù)：負(fù)載為500 N，溫度為75 ℃，運(yùn)行時(shí)間為10 h。

對(duì)試驗(yàn)完成后的油樣進(jìn)行油液檢測(cè)，摩擦磨損試驗(yàn)及油液檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 單一污染物油樣試驗(yàn)后檢測(cè)數(shù)據(jù)

分析檢測(cè)結(jié)果可知：

1)3種污染中，煙炱對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油磨損性能影響最大，試驗(yàn)后油樣Fe元素含量變化最為明顯，且摩擦系數(shù)整體高于其他兩種污染物。

2)對(duì)于燃油而言，隨著含量增加，黏度有所下降(新油100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為14.90 mm2/s,油樣B5黏度下降16.9%)，但并未對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油磨損性能造成顯著影響，分析原因可能是負(fù)載量還不足以破壞因燃油稀釋造成厚度變小的油膜。因A1、A2試驗(yàn)結(jié)果接近，取平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.875%作為后續(xù)正交試驗(yàn)的水平量，燃油含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%時(shí)已達(dá)到換油標(biāo)準(zhǔn)，故舍去A5。

3)當(dāng)煙炱含質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%時(shí)，磨損量未有變化，且在一定范圍內(nèi)增加時(shí)磨損量下降，原因可能是當(dāng)煙炱含量較低時(shí)，其可作為助磨劑輔助潤(rùn)滑；當(dāng)煙炱含量進(jìn)一步增加后，磨損量隨之增加，煙炱質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)發(fā)生異常磨損(如圖1所示，產(chǎn)生了大尺寸片狀疲勞磨粒，)。綜合分析，舍去B2、B5。

圖1 油樣C5的異常磨損顆粒

4)磨損量會(huì)隨著水分含量增加而增大，但影響幅度較小，且并未對(duì)理化指標(biāo)造成明顯影響。在用柴油機(jī)潤(rùn)滑油水分含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)下限即為0.03%，且C1、C2試驗(yàn)結(jié)果相近，舍去C1；油樣C5中的水分含量已達(dá)到換油標(biāo)準(zhǔn)，且未產(chǎn)生明顯磨損，舍去。

1.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)含單一污染物油樣的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各污染物含量比例進(jìn)行重組，采用三因素三水平L9(34)進(jìn)行正交試驗(yàn)，以單一污染物試驗(yàn)時(shí)相同的參數(shù)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)油樣100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度、油樣中Fe元素含量、摩擦系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)(因單一污染物試驗(yàn)時(shí)堿值未有明顯變化，不予考慮)，分析燃油、煙炱和水分進(jìn)入柴油機(jī)潤(rùn)滑油中后對(duì)油品抗磨損性能的影響，分析對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油磨損性能影響最大的條件，因素水平選擇見表2。

表2 因素水平表

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以油樣100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化值、油樣中Fe元素含量及摩擦系數(shù)作為主要表征參數(shù)，因試驗(yàn)受多種因素影響、含多種評(píng)價(jià)參數(shù)，故通過(guò)模糊評(píng)價(jià)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析。使用隸屬度δ作為指標(biāo)衡量各表征參數(shù)綜合評(píng)價(jià)柴油機(jī)潤(rùn)滑油抗磨損性能，根據(jù)隸屬函數(shù)[9]：

(1)

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

利用極差分析可直觀排列出影響因素的主次，由表3中的結(jié)果可知，煙炱含量對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油抗磨損性能影響最大，其次為水分含量，燃油含量的影響最小，與單一污染物油樣試驗(yàn)結(jié)果一致。各污染物因素對(duì)油品抗磨損性能變化綜合分的直觀分析見圖2。

圖2 綜合分敏感性因素分析

綜合分隨燃油含量增加而增大；煙炱質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%時(shí)綜合分達(dá)到峰值，磨損量不會(huì)因煙炱含量繼續(xù)增加而增大(當(dāng)煙炱含量繼續(xù)增加，會(huì)積聚沉淀，無(wú)法進(jìn)入摩擦副中，對(duì)磨損造成影響)；綜合分隨水分含量增加而減少，到達(dá)拐點(diǎn)時(shí)開始增加，可以推測(cè)當(dāng)油中含水量達(dá)到換油標(biāo)準(zhǔn)時(shí)對(duì)磨損影響最大，但非本次試驗(yàn)考慮范圍。綜合分析，對(duì)油品抗磨損性能影響最大的試驗(yàn)組合條件為：燃油含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%，煙炱含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%。

利用試驗(yàn)油樣鐵譜分析結(jié)果對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，鐵譜分析可直觀分析油樣中磨損顆粒的濃度、尺寸及形狀，見圖3。

圖3 正交試驗(yàn)油樣鐵譜圖

序號(hào)5和8的油樣譜片上鐵磁性磨粒分布及含量最多，但序號(hào)8油樣譜片上有大尺寸磨粒及切削磨粒，存在異常磨損，表明該組試驗(yàn)參數(shù)導(dǎo)致柴油機(jī)潤(rùn)滑油的抗磨損性能下降最為明顯，與正交試驗(yàn)結(jié)果吻合，為最優(yōu)因素組合。

3 不同潤(rùn)滑油抗磨損性能

幾款常用的15W-40柴油機(jī)潤(rùn)滑油S、M、KL的新油檢測(cè)結(jié)果見表4，幾款油表觀指標(biāo)接近，若通過(guò)這些數(shù)據(jù)很難選擇出更適合現(xiàn)場(chǎng)使用的油品，故通過(guò)模擬污染狀態(tài)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。

表4 不同柴油機(jī)潤(rùn)滑油黏溫性能及理化指標(biāo)對(duì)比

應(yīng)用正交試驗(yàn)中得出的最優(yōu)因素組合(即對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油抗磨損性能影響最大的污染物參數(shù)組合)對(duì)幾款常用的柴油機(jī)潤(rùn)滑油(S油、M油、KL油)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表5。分析結(jié)果可知，S油運(yùn)動(dòng)黏度下降最大，但磨損量及摩擦系數(shù)均最小，即在污染狀態(tài)下，雖黏度有所下降，仍能提供有效的抗磨損保護(hù)能力；KL油磨損量及摩擦系數(shù)最大，已無(wú)法提供有效的潤(rùn)滑保護(hù)；M油的磨損量和摩擦系數(shù)也已處于異常范圍。

表5 不同柴油機(jī)潤(rùn)滑油磨損試驗(yàn)后檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)得到油樣鐵譜圖見圖4，3款油品均有較多的磨損顆粒，S油譜片上多為細(xì)小磨粒聚集而成，M油譜片上有切削狀磨粒和尺寸較大的疲勞磨粒，KL油譜片上視窗內(nèi)布滿了磨損顆粒。

圖4 不同柴油機(jī)潤(rùn)滑油磨損試驗(yàn)鐵譜圖

磨損試件表面形貌見圖5，S油摩擦表面較為平整，M油摩擦表面已有明顯犁溝，并伴有高溫回火色，表明試驗(yàn)過(guò)程中存在短時(shí)破膜情況，KL油摩擦表面犁溝最為明顯，且有黏著磨損特征，犁溝上均有回火色，表明試驗(yàn)過(guò)程中兩摩擦副之間建立起邊界潤(rùn)滑油膜，油品抗磨性能下降。

圖5 磨損試件表面形貌

綜合分析，S油在相同污染狀態(tài)下，抗磨性能更優(yōu)，對(duì)摩擦副保護(hù)能力更強(qiáng)，可選擇該油應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

4 結(jié)論

1)在試驗(yàn)工況下，燃油含量變化未對(duì)磨損產(chǎn)生影響；煙炱處于較高濃度時(shí)，與磨損量具有正相關(guān)性；磨損量會(huì)隨著水分含量增加而增大，但受影響幅度較小。

2)正交試驗(yàn)結(jié)果表明，煙炱是影響柴油機(jī)潤(rùn)滑油抗磨損性能的主要因素。

3)應(yīng)用最優(yōu)因素組合，分析不同油品性能，可選出污染狀態(tài)下抗磨損性能最優(yōu)的油品以應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。