車用潤(rùn)滑油性能檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

王利明，方英松，萬(wàn)楊陽(yáng)，潘晶晶，錢緒政

（黃山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院， 安徽 黃山 245041）

0 引 言

據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，2021年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.95億輛，其中汽車為3.02億輛，汽車在我們?nèi)粘Ｉ钪械陌缪葜匾慕巧?，而車用?rùn)滑油作為汽車正常行駛的前提保障，其需求量也不斷上升。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)[1]，2013～2018年全球潤(rùn)滑油消耗量由3960萬(wàn)噸增長(zhǎng)為近4660萬(wàn)噸，年均增長(zhǎng)率到達(dá)3.53%。潤(rùn)滑油需求量中，車用潤(rùn)滑油的消耗占整個(gè)潤(rùn)滑油總量的50%以上。目前常用的換油周期方法是5000 km或者6個(gè)月（里程數(shù)不足5000 km），但頻繁的更換機(jī)油反而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)一些不利影響[2]， 使得換油周期難以確定[3-5]。因此，本文通過(guò)對(duì)車用潤(rùn)滑油性能檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜述，對(duì)于科學(xué)地回答潤(rùn)滑油換油周期問(wèn)題以及規(guī)范我國(guó)汽車潤(rùn)滑油的使用具有重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

1 潤(rùn)滑油性能檢測(cè)方法

1.1 理化性能檢測(cè)法

理化性能檢測(cè)主要包含：總酸值，含水量黏度以及黏度指數(shù)等指標(biāo)。車用潤(rùn)滑油在使用過(guò)程中，不可避免發(fā)生高溫?zé)嵫趸?、硝化等反?yīng)，從而導(dǎo)致其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。當(dāng)生成一些極性的含氧化合物時(shí)，總酸值上升；當(dāng)潤(rùn)滑油小分子結(jié)構(gòu)通過(guò)高溫氧化發(fā)生自由基碰撞和脫水縮合反應(yīng)時(shí)，生成大分子的聚合產(chǎn)物和水，導(dǎo)致潤(rùn)滑油黏度和含水量上升。因此，潤(rùn)滑油的理化性能指標(biāo)直接與潤(rùn)滑油的性能衰變相關(guān)聯(lián)。

1.2 潤(rùn)滑油中固體污染顆粒檢測(cè)法

1.2.1 顆粒計(jì)數(shù)法

顆粒計(jì)數(shù)法是研究不同階段潤(rùn)滑油體系中固體顆粒的數(shù)量以及粒徑，通過(guò)顆粒的變化速率對(duì)設(shè)備的磨損情況進(jìn)行評(píng)判。目前已經(jīng)研究出了自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器，這種裝置可以在顆粒與油液不分離的情況下，自動(dòng)進(jìn)行顆粒的分類及計(jì)數(shù)[6]。該方法根據(jù)對(duì)顆粒的計(jì)數(shù)方式不同可分為顯微鏡計(jì)數(shù)法[7]、遮光型顆粒計(jì)數(shù)法[8]、光散射型顆粒計(jì)數(shù)法[9]。目前國(guó)際上用顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行顆粒污染物分析的方法有ISO 11500:1997 (Hydraulic fluidpower -Detemination of particulate contamination by automatic counting using the ertinction principle)等，國(guó)內(nèi)有DL/T 432-2007《電力用油中顆粒污染度測(cè)量方法》等。

1.2.2 鐵譜分析法

20 世紀(jì) 70 年代，鐵譜分析技術(shù)是美國(guó)麻省理工學(xué)院機(jī)械系的W.W.Seifert和美國(guó)Foxboro公司的V.C.Westcott共同研究和命名的，該技術(shù)是利用重力梯度和磁力梯度將磨屑和碎屑從潤(rùn)滑油中分離出來(lái)，并根據(jù)粒度的大小將其沉淀在顯微鏡的基片上，制成鐵譜片。通過(guò)掃描電子顯微鏡獲得磨粒的形狀、大小、顏色、成分等相關(guān)信息[10]，從而掌握和了解發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況。該技術(shù)可在不停機(jī)的情況下通過(guò)分析油液中的顆粒，從而檢測(cè)出機(jī)器的運(yùn)行磨損狀況。但該技術(shù)容易受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的影響，難以做到定量檢測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

1.2.3 磁塞與磁探檢測(cè)法

該方法是利用特殊的方式獲得的潤(rùn)滑油中的金屬磨粒，利用金屬的磁性原理，對(duì)其數(shù)量、形狀和大小進(jìn)行分析，以此來(lái)確定發(fā)動(dòng)機(jī)磨損狀態(tài)的一種方法[11]。該方法主要測(cè)量油品中100～1000μm尺寸較大的金屬磨粒的形貌和數(shù)量。當(dāng)金屬磨粒的尺寸小于100μm時(shí)， 檢測(cè)結(jié)果欠佳。

1.2.4 超聲波檢測(cè)法

超聲波檢測(cè)法是根據(jù)不同形狀、大小的顆粒超聲波輻射回波特征不同來(lái)確定被檢測(cè)潤(rùn)滑油中顆粒的大小和分布。該方法快速、高效，且無(wú)需油液預(yù)處理即可實(shí)現(xiàn)在線油液檢測(cè)[12]。然而，超聲波檢測(cè)只能針對(duì)潤(rùn)滑油中的小顆粒（粒徑小于100 μm），且無(wú)法區(qū)分顆粒是金屬還是非金屬，因此無(wú)法準(zhǔn)確提供故障和磨損位置等信息。同時(shí)，超聲波輻射回波特征信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)時(shí)，在振動(dòng)條件下靈敏度不夠高[13]。

1.2.5 電阻檢測(cè)法

潤(rùn)滑油中含有不同材質(zhì)類型、尺寸的磨粒時(shí)，其各自的電阻率不同，利用電阻傳感器測(cè)量金屬顆粒電阻變化值變化，判斷金屬顆粒的類型、數(shù)量和大小，該方法適用于金屬顆粒數(shù)量相對(duì)較多的情況。然而，該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)受磁場(chǎng)、電場(chǎng)、振動(dòng)等因數(shù)的影響，且不同材質(zhì)不同尺寸的金屬顆粒有電阻率重合區(qū)的存在，從而導(dǎo)致該項(xiàng)技術(shù)的可靠性較低[14]。

1.2.6 電容檢測(cè)法

潤(rùn)滑油中磨粒、水和污染物含量的變化會(huì)導(dǎo)致其介電常數(shù)的改變。通過(guò)測(cè)量潤(rùn)滑油不同狀態(tài)條件下電容數(shù)值的變化，可以定性定量地分析金屬顆粒的數(shù)量和尺寸的動(dòng)態(tài)變化。因此，可以通過(guò)測(cè)量電容常數(shù)的變化來(lái)反映潤(rùn)滑油的性能衰變程度[15]。

1.3 光譜分析法

光譜分析法是根據(jù)潤(rùn)滑油中每種物質(zhì)光譜的吸收、散射或發(fā)射特征譜線不同，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行識(shí)別，并且對(duì)潤(rùn)滑油中金屬顆粒的其他化學(xué)成分的類型、濃度和相對(duì)含量進(jìn)行分析的一種方法。光譜分析法包括原子發(fā)射光譜法[16]、X 射線光譜法[17]、紅外光譜法[18]。

原子發(fā)射光譜法[16]是由于潤(rùn)滑油中所含元素的離子或原子在外能激發(fā)后，當(dāng)外層電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，會(huì)發(fā)出特征光譜。通過(guò)測(cè)量特征光譜，可以定性和定量地分析潤(rùn)滑油的成分。原子發(fā)射光譜具有效率高、速度快、測(cè)量準(zhǔn)確、原位測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。X射線熒光光譜法[17]是利用X射線照射潤(rùn)滑油試樣，根據(jù)潤(rùn)滑油中不同的成分X射線吸收亦不同的特點(diǎn)，確定潤(rùn)滑油的成分。

紅外光譜法[18]是根據(jù)潤(rùn)滑油分子基團(tuán)在紅外光譜區(qū)的特征，可以在線檢測(cè)潤(rùn)滑油分子微結(jié)構(gòu)的變化。利用新峰出現(xiàn)的位置和峰強(qiáng)，定性和半定量地確定潤(rùn)滑油的分子結(jié)構(gòu)的變化，從而快速分析潤(rùn)滑油的硝化程度、污染程度、氧化程度、稀釋程度等性能的變化。

1.4 斑點(diǎn)試驗(yàn)法

國(guó)內(nèi)學(xué)者葛郢漢[19]提出“濾紙斑點(diǎn)圖譜法”對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行檢測(cè)。該方法主要根據(jù)濾紙上形成的不同顏色的環(huán)形斑痕，粗略地估算潤(rùn)滑油的污染和衰變程度，這種方法簡(jiǎn)便、高效、且費(fèi)用低。樊建春等[20]提出了潤(rùn)滑油斑點(diǎn)擴(kuò)散定量檢測(cè)方法，建立石油擴(kuò)散點(diǎn)圖像特征以及灰色圖像直方圖與平均污染水平、污染嚴(yán)重程度、擴(kuò)散環(huán)水平、污染指數(shù)、相對(duì)污染程度和污染率之間的關(guān)聯(lián)，以評(píng)估運(yùn)行中潤(rùn)滑油的污染和衰變程度。

1.5 循環(huán)伏安法

美國(guó)學(xué)者R.E.Kauffrnan[21]利用循環(huán)伏安法測(cè)定潤(rùn)滑油中抗氧劑含量隨時(shí)間的消耗量，來(lái)判斷潤(rùn)滑油添加劑的消耗程度。將油樣與溶劑、固體基板和電解質(zhì)混合，再將分析樣品放入電解池中施加足夠的電壓，使抗氧劑和其他電化學(xué)活性物質(zhì)在玻碳工作電極表面進(jìn)行氧化反應(yīng)放出電子，電解池中的電流強(qiáng)度與溶液中的抗氧劑濃度呈線性關(guān)系，從而判定潤(rùn)滑油的剩余壽命。

1.6 溫度法

美國(guó)學(xué)者Sawatari[22]等將發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的衰變程度定義為油溫和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，建立連續(xù)輸出的油溫和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)與潤(rùn)滑油的剩余使用壽命的關(guān)聯(lián)。Schwartz[23]等通過(guò)監(jiān)測(cè)油溫來(lái)確定機(jī)油更換時(shí)間，而不管發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載和工作狀態(tài)如何，因?yàn)檫@些因素不會(huì)改變機(jī)油溫度。然而，發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油在較高的溫度下發(fā)生氧化和硝化，其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的黏稠和酸化，降低其防銹和防腐能力。

1.7 差示掃描量熱法（DSC）

潤(rùn)滑油樣品在DSC量熱儀的樣品盤中受熱氧化，根據(jù)樣品的吸放熱情況，從程序開始到樣品氧化和放熱開始的時(shí)間為氧化開始時(shí)間。找出氧化開始時(shí)間與氧化程度之間的線性關(guān)系，并根據(jù)氧化開始時(shí)間的長(zhǎng)短估算潤(rùn)滑油高溫抗氧化性能。浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司[24]用DSC差示掃描量熱議測(cè)試潤(rùn)滑油起始氧化時(shí)間的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)比高壓氧氣環(huán)境和常壓空氣環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1.8 比色法

比色法是測(cè)定潤(rùn)滑油樣中抗氧化劑分解過(guò)氧化氫的能力[25]。比色法是基于雙-4-二甲基氨二硫代聯(lián)苯酰鎳復(fù)合物(BND)和抗氧劑與老化四氫呋喃(THF)的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。當(dāng)BND反應(yīng)時(shí),溶液逐漸變成無(wú)色。因此，可以通過(guò)BND的反應(yīng)速率可以通過(guò)其變色速率來(lái)衡量。在存在抗氧化劑的情況下，變色速率取決于抗氧化劑阻止BDN和THF之間反應(yīng)的能力。因此該方法中潤(rùn)滑劑的剩余抗氧化劑量由BND變色速率決定。

2 結(jié) 論

本文對(duì)車用潤(rùn)滑油性能檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，展示了各種檢測(cè)技術(shù)的測(cè)試范圍以及能夠獲得的測(cè)試結(jié)果，從而為車用潤(rùn)滑油快速、準(zhǔn)確選用相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)，以確定合理的換油周期提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。