重载车辆发动机润滑油失效机理分析及检测 韩 晓徐摘要广 张卫华 费 洋 以重载车辆发动机润滑油为研究对象，分析油液失效机理，针对常规检测方法的不足，提出用红外光谱分析技术。对某型 重载车辆发动机进行润滑油检测与故障诊断后表明，红外光谱技术适用于重载车辆发动机润滑油的快速检测。 关键词 重载车辆油液失效红外光谱 中图分类号ＴＨ１１７．２＋２ ＴＧ１１５．３＋３ 文献标识码Ｂ 重载车辆工作环境多样，水分、灰尘等污染物混入发动机润 滑油中造成污染的可能性极大。同时，发动机处于高负荷、高强 根本原因，保持油液的品质功能才是保证设备安全运行的必 要条件…。因此，实现对车辆发动机润滑油的快速检测，确保车 辆处于良好的工作状态，是当前重载车辆故障诊断与维护的 重要课题。 一度工作条件下，各零部件磨损增加，产生的磨屑混入发动机润滑 油中也会造成一定的影响，使发动机的故障率增高。 据英国机械工程协会对高速内燃机车柴油机的故障统计 表明，８０．４％的故障源于油液的衰变和污染。加拿大铁路公司 类似的统计结果也表明油液的衰变和污染是导致设备失效的 线中负责完成水 泵总成的气密性 测试工作。该装置 主要由Ｆ５２０检测 仪器、密封夹具、 标准件 被测件 、油液失效机理分析 润滑油在使用中受到温度、空气、金属催化、机械剪切、有害 介质等作用，其中的基础油会产生氧化、劣化、聚合等反应，影响 四种测试模式选择，其中堵塞测试模式是利用回压来概略测试 流量，标准压力上下限用来区分结果的好坏。需设定的参数如 下：①夹定时间；②充气时间，是设定被测件的加压时间，不可太 长（浪费时间）或太短（由于温度改变所造成的压力下降，组件内 的压力有存在不足的风险）；③稳定时间，用于平衡测试件和标 准组件之间的压力，其中接管不同和容积不同是容易造成不平 衡的两个现象；④测试时间，视设定的允收标准和测试模式而 旋转单元、汽缸及 电磁阀系统、ＰＬＣ 控制系统五部分 组成。可通过手动 和自动两种操作 测 定；⑤排气时间，预设定为０，经过几次测试后再定；⑥压力上 限／下限值；⑦测试件允收值，设定水准，低于此水准的测试 图ｌ ＡＴＥＱ Ｆ５２０检漏仪测试 工作原理 件为不合格件；⑧标准件允收值，设定水准，低于此水准的 方式完成对水泵 的气密性检测全 过程。 标准件为不合格件。 四、结束语 在发动机水泵的制造过程中，气密性测试对保证产品的质 量起着至关重要的作用，也是控制产品质量的一个重要指标，因 此，制造商要做到１ｏｏ％Ｎ试，１００％合格。 在实际生产中，经气密试漏测试及相关分析发现，不合格产 品出现泄漏的主要原因是毛坯铸造质量上存在缺陷，如局部组 织有疏松、砂眼、针孔、裂纹、裂隙、应力集中和弯折等，有时也会 （１）３ｚ动检测：放人工件一压紧一封堵１一封堵２一底缸封 堵一电机上升一Ｆ５２０仪器启动一测试完成一电机关一电机下 降一底缸退回一封堵２退一封堵１退一放松一取出工件。 （２）自动检测：将操作旋钮置于“自动”一双手按下启动按 钮一夹具开始工作（汽缸压下一侧汽缸和下汽缸封堵到位一后 封堵到位）一仪器启动一自动测试一合格后打标头自动达标，合 格指示灯亮，汽缸复位（不合格时，不合格指示灯亮，按复位按钮 汽缸才能复位）。 因加工工艺不合理、结构不合理、安装不合理等原因造成。为此， 对铸件供应商提出了更高的要求，同时在加工工艺和安装等过 程中采取了相应的措施，使产品不合格率不断下降，从而提高企 、Ｉ 效益 Ｗ１２．１０—２５ ＡＴＥＱ Ｆ５２０自动测试在一个循环中具体包括仪器启动、工 件充气、压力平衡、测试工件、工件排气、结束循环六个主要过 程。该气密性检测仪操作简单，无需专门培训，在设定其有关参 数以后，用户只须按运行键便可自动得到检测数据及合格、不合 格指示。 作者通联：南京东华汽车装备有限公司 南京市红山路 １２０号２１００３７ Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇｇｕｉｌｉａｎｇ６５ １２１ １＠１２６．ｃｏｍ （３）ＡＴＥＱ Ｆ５２０检漏仪测试模式及主要参数设定。该测试 仪具有泄漏测试、堵塞测试、减敏模式测试和操作者模式测试共 ［编辑王其］ ．．．．。 渣 圭 密 童～．． 设备管理与维修２０１２ Ｎｏｌ０雹 使用性能。润滑油中的添加剂在使用中也将逐渐消耗，导致性能 下降，产生对设备有害的成分，这一过程称为润滑油的劣化，意 味着润滑油在逐渐失效。 发动机润滑油失效是一个复杂的动态过程，与发动机工作 （２）红外光谱分析技术特点。①特征性高。分子的红外光谱 也称为分子的振转光谱，而分子的振转特性最能深刻地反映分 子的一系列物理和化学性质以及分子结构方面的特点。利用分 子红外光谱，就可确定组成分子的基团或键以及它们间相互结 条件、润滑油品质及外来污染物都有很大关系。归纳起来，润 滑油失效主要表现在基础油氧化、添加剂损耗、油液污染３个 方面。 合的方式，从而推定分子的构型。②所需试样少且分析时间短。 利用干涉型的傅里叶变换红外光谱仪对一个样品进行测定，时 间可以减小到３～５ｓ，而样品量可以减少到微克级。③不受试样 相态、沸点和气压的。红外光谱法与核磁共振波谱法、质谱 法相比较，核磁共振波谱法必须将试样变成溶液才能直接进行 测定，质谱法也必须将试样气化，而红外光谱法就不受上述限 （１）基础油氧化。任何润滑系统总会有水分和氧的存在，油 中的水和氧将导致油变质和金属的腐蚀。通常氧化和腐蚀联系 紧密，氧化产生酸性物质，使油变稠，黏度增加，同时产生不溶于 油的物质，最终导致油质下降和酸渣沉淀 。酸性物质使金属腐 制，可直接测定。④非破坏性分析。红外光谱法不破坏试样，也 蚀，而腐蚀产生的铁、铜等离子及磨损后的磨粒又是油液氧化的 催化剂，加速了油液的氧化。润滑油在内燃机工作过程中受到温 度、介质、金属的催化作用，逐渐衰变而产生对内燃机工作有害 的各种物质，如积炭、漆膜和油泥。 （２）添加剂损耗。经过馏分、精制、脱蜡和补充精制得到的 基础油不是成品的润滑油，为了使润滑油具有理想的性能，在 基础油中加入必要的具有特殊性能的化合物，这些化合物就是 添加剂。 发动机使用过程中，由于热和机械压力的作用，添加剂被不 断消耗，将影响油液的润滑质量，如增加发动机的磨损和腐蚀、 增加氧化生成物、缩短润滑油剩余使用寿命。因此，当油液添加 剂的关键成分下降到可接受限度之下，需要及时更换油液。 （３）油液污染。润滑油在运行中除了含有自身劣化而生成的 沉积物及不溶物外，还会被很多外来物污染，其中有发动机未燃 烧燃料和燃烧产物，如柴油、烟炱、酸、水和窜气等，其中有磨损 的磨粒，还有来自外部环境的外来物如尘土、水等 。污染是引起 发动机润滑油失效的最重要原因。主要的油液污染包括水分污 染、燃料稀释、冷却液污染和杂质污染。 二、检测方法 １．常规检测方法 常规检测方法是通过一些常规分析技术对润滑油理化性能 进行检测，表征在用润滑油的状态。目前，常规理化分析是广泛 应用的检测方法，主要是采用物理化学化验方法对润滑油的各 类理化指标进行测定，分析的项目包括黏度、水分、闪点、酸值和 机械杂质等。常规理化分析方法对理化指标的测定较为成熟，而 且国内外均有适当的换油评价标准，如ＧＢ／Ｔ ８０２８—１９９４、ＧＢｆｆ ７６０７—２００２。通过对指标的测定，能够有效反映油液的润滑性能 状态。但是常规方法存在几点不足：（１）不能直接测量这些指标 参数，多采用间接测量方法，往往难以根据理化指标判断在用油 衰变的真正原因。（２）实验操作时人为或未知因素的干扰会导致 测量的偏差，有时难以真实反映在用油性能的变化。（３）操作费 时费力，存在有毒物质，有一定的危险性。 ２．红外光谱分析技术及特点 （１）红外光谱分析技术。红外光谱分析主要通过检测润滑 油氧化后的醇、醛、酮、酸等，含氧有机化合物及含氮硝化物等 官能团的量，得知润滑油的衰变程度。理化指标只是反映了油 液性能变化的宏观表现，没有涉及油液内不同分子结构物质的 变化内因。 ●国冒 设备管理与维值－ ２０１２№１０ 不改变试样的组成，测完后可以回收保存或供其他测定和研究 使用。 （３）红外定量分析计算。红外光谱的定量分析有峰高法和峰 面积法两种，使用峰面积法进行定量计算会比使用吸收峰峰高更 准确，这是由于测量峰面积 利用了吸收峰的全部信息， 且峰面积受仪器的影响比较 小，所以其准确性、重现『生都 较好。ＡＳＴＭ—Ｅ１６８ 提供了３ 种计算峰面积的方法，分别 为未经基线校正的峰面积、 螫 经一点基线校正的峰面积和 经两点基线校正的峰面积。 为配合ＡＳＴＭ—Ｅ２４１２￣４］标准 体系，采用经两点基线校正 的峰面积计算方法。 图Ｉ中所有阴影面积 图１经两点基线校正的 即未经基线校正的峰面积 峰而积 ，０，由式（１）计算。 ｎＤ—Ｊ ，０＝∑ １△ （１） Ｊ：ｏ Ａｒｅａ（２）阴影面积即经两点基线校正的峰面积，１，由式（２） 计算。 ，１＝，０—１∑Ａ ＋ ＝ ± ］△ （２） Ｗ３－－Ｗ２ ｊ 公式（１）、（２）中矗一未经基线校正的峰面积 ，广经两点基线校正的峰面积 △——光谱波数间隔 Ａ厂＿～波数 处的吸光度 ， 广一两校正基点的波数 ——波数１１） 和＂ｔＯ５之间的数据点数，ｎｐ＝（ｗ 一Ｗ ）／△ 在红外光谱油液检测中需要捕捉油液性能衰变信息的表征 参量常有：油液的氧化深度、硝化深度、硫酸盐浓度、抗磨剂损失、 抗氧剂损失、燃料稀释、水污染、乙二醇污染、积炭污染８项。这些 参数分别从润滑油的衰变和污染方面来表征润滑油的质量。 针对润滑油的质量检测问题，美国ＡＳＴＭ制订了Ｅ２４１２方 法，该方法在国外已被广泛用于油液检测体系，可为润滑油换油 以及设备故障诊断提供参考。表１给出了ＡＳＴＭ—Ｅ２４１２制订的 竭．遗＝互盈麴 表１ 润滑油状态检测规范表 指标 水分 行积分可得到各表征参数的结果，见 报告值 测量值 计算区域／ｅｍ ３５００￣３ １５０ 基线起点／ｅｍ 基线终点／ｅｍ 表２。 ４０００～３６８０的最低点 ２２００～１９００的最低点 发动机的部分柴油由于雾化不良 而未燃烧，会流到润滑油中稀释润滑 积炭 氧化 ２０００处吸光度 １８００－１６７０ 无 无 吸光度￣１００ 油，参与生成油泥及破坏添加剂，使设 ２２００～１９００的最低点 ６５０～５５０的最低点 测量值 硝化 抗磨剂 柴油 硫化物 １６５０－１６００ １０２５－９６０ ８１５－８０５ １１８０￣１１２０ 备磨损增加，产生故障。以润滑油燃油 稀释为例，对该发动机润滑油的红外监 ８３５～８２５的最低点 ８０５～７９５的最低点 （测量值＋２）×１００ 测量值 检数据进行分析，图３给出了柴油水平 变化趋势图。 由图３可以看出，在车辆运行过程 ２２００～１９００的最低点 ６５０～５５０的最低点 乙二醇 １ １００￣１０３０ １１３０～１１００的最低点 １０３０～１０１０的最低点 中，发动机润滑油中所含柴油随里程的 增加而增加，这也导致了润滑油的黏 在评价积炭水平时，也可以通过计算１９８０ｅｍ 和３８００ｃｍ 之间的吸光度的差值来评价 度、闪点不断下降。尤其是在行驶里程 柴油机油表征参数以及红外光谱中定量分析的计算区域。 三、实例分析 达到２５００～３０００ｋｍ时，柴油水平出现了明显的增幅，判断当时 极有可能出现了严重的燃油稀释现象。 ０．４２ —以某型重载车辆为研究对象，试验车辆采用德国道依茨发 动机，车辆的磨合期为１０００ｋｍ，跟踪采样车辆已行驶２２００ｋｍ， 在试验开始时该车已更换新油，车辆行驶里程从Ｏｋｍ开始记 录。抽取的油样为跟踪车辆所用的ＣＤ一１５Ｗ／４０柴油机油。所有 ０．４ｏ ｏ．３８ ０３６ ４ ４ ３ ３ ２ ２，ｌ Ｏ Ｏ 试验油样均为热车取样，取样周期为５００ｋｍ（精度在＋２０ｋｍ），采 用专业取样器从油标尺入口处插入，从油底壳中部取得油样，共 采集８个油样。 球薹ｏ３４ ０ ３２ Ｏ３Ｏ 舯 舯 舯 舳∞∞如 使用傅里ｎｉ－￣ｂ光谱仪，对收集的油样进行红外光谱分析，如 图２所示。 禽 ｇ 禽 －＿禽 ｔ＂ｑ 禽 禽 ０＂３ ｎ 禽 甘 禽 寸 根据 ＡＳＴＭ — ２．５ ・ｏ 行驶里程／ｋｍ Ｅ２４１２标 准的规定 集的红外 光谱的特 图３柴油水平变化趋势图 通过常规理化方法检测得到上述油品的黏度（１００￣Ｃ）、闪 点，如图４、５所示。 并结合采篓１．５ １．０ 点，确定了在用润滑 ０．５ 。＿。 ３５ｏ０ ３０００ ２５００ ２０００ １５００ ｌ０００ ５００ 量 宣 油表征参 数的计算 区域，对计 波数／ｅｍ—ｌ 德 算区域进 图２在用润滑油红外光谱 表２ 监控油样红外数据表 （ ／ｃｍ） 禽 堇 盆 至 昌 聋 禽 蓉 禽 誊 是 荨 譬 行驶里程／ｋｉｎ 行驶里 氧化 硝化 抗磨剂 水 柴油 积碳 乙二醇 程／ｋｍ 深度 深度 硫化值 水平 水平 水平 水平 水平 １０００ ６．６２１ ４．２３９ １３．８３９ １５．６８５ １２．６３７ ０．３２０ ７．７３９ １．０５２ １５００ ８．４５０ ５．２０７ １４．２０７ １５．９２９ １３．Ｏ８１ ０．３２７ ８．５３７ １．１０４ ２ｏｏＯ ８．５６７ ５．６２０ １４．６４４ １６．４２３ １３．９９８ ０．３３５ ９．４０３ １１７０ 图４ 黏度变化趋势图 由图４、图５可以看出，润滑油的黏度和闪点随着行驶里程 的增加逐渐下降，当行驶里程达到２５００～３０００ｋｍ时，润滑油的 ２５００ ８．７５８ ６．Ｉ１６ １５．０６４ ｌ６．８９２ １５．９３８ ０．３４２ １０．１１２ １＿３３ｌ ３０００ ８．９１７ ６．５５９ １５．４７２ １７．３０４ １７．３０９ ０．３７１ １０．８１１ １．４４０ ３５００ ９．０９５ ７．０６７ １５．８６５ １７．７２７ １８．３５７ ０．３８７ １１．５６１ １．５３１ 黏度和闪点出现了明显的骤降过程，黏度由１３．５ｍｍＺ／ｓ下降到 １２．３４ｍｍ２／ｓ，闪点由２３２￣Ｃ下降到２２８￣Ｃ，表明这段时间内发动机 出现了明显的串油现象，燃油稀释较为严重，红外光谱检测的判 断结果是可信的。 四、结论 ４０００ ９．２９４ ７．１４２ １５．９３０ １７．８８５ １９．００４ ０．３９７ １１．５５０ １．５８９ ４５００ ９．５０５ ７．４６３ １６．１１６ １８．２６０ １９．６８０ ０．３９６ １２２１３ １．６３２ ．红外光谱分析技术作为一种新兴的检测技术，能及时检测 — 域塑 设苗管理与维值２０１２ Ｎｏｌ０ ｌ圈 高速线材生产线辊道轴承应用油气润滑技术 飞摘要关键词８ ６ ４ ２ ０ ８ ６ ４ ２ ０ 程相文 对全长１１０ｍ高速线材生产线风冷辊道实施油气润滑改造，油气润滑系统的主要技术参数设计公式。改造后，轴承及链 油气润滑风冷辊道线材生产线 Ｂ 条平均使用寿命１２个月，有的达到１８个月，年节省费用１０万元 中图分类号ＴＧ３３５．６３ 文献标识码一、应用背景 油气润滑方式的原理和优点，对辊道轴承及链轮、链条润滑进行 改造，将油脂润滑改为油气润滑。 二、油气润滑系统的组成 高线风冷辊道全长１１０ｍ，采用分段集中驱动方式，共２６ 组，各组由一台直流电机及链子驱动，安装辊子５４６只。辊子两 端各用一带座轴承支撑。根据产品规格、急冷缓冷等控冷方式的 需要，辊道运行的速度可以在０．０５～１．３ｍ／ｓ进行调整。辊道辊子 高线风冷辊道的油气系统采用单线多卫星式油气润滑系 统，主要由１个油气主站、９个油气卫星站、若干油气分流块、 ＰＬＣ电控箱和中间连接管路组成。单线多卫星式油气润滑系统 主要应用于润滑点多（可达数千个）、分布范围广、环境恶劣的场 合。高线风冷辊道润滑点有１６００多个，工作环境恶劣，非常适合 应用单线多卫星式油气润滑系统。 主站负责向各卫星站供油，主要由油箱装置、油泵装置（一 用一备）、过滤器（带差压控制器）、压力控制器、流量计、安全阀 的轴承原采用干油集中润滑的方式。 在缓慢型冷却方式下，风冷线的辊道速度非常低，辊道在传 送高温线圈和非常低的速度情况下，造成设备环境温度较高，平 均在７００￣Ｃ以上，辊道容易变形，润滑脂在高温下容易老化变 质，也极容易导致干油融化流失或在管路内焦结。在实际使用 中，为了防止因润滑不良造成的轴承卡死、链条断裂等设备故 障，不得不缩短给油周期，因此，每年消耗大量高温油脂。 另外，由于区域环境粉尘大，尤其是细碎的氧化铁皮多，大 量氧化铁皮极易进入或粘附在辊道轴承内部或链条、链轮上，加 快了轴承及链条、链轮的磨损，造成轴承卡死、辊颈磨损断裂以 及链条断裂等故障。链条、链轮快速老化造成的故障也时有发 以及各种阀门、管路附件和压力检测仪表、ＰＬＣ控制及显示装置 等组成。系统正常工作时，工作油泵一台工作，当系统出现故障 油量不足时，备用油泵也投入工作，当工作油泵出现故障不能工 作时，由备用泵代替工作泵工作，二台油泵也可以交替使用。压 力检测仪表用于显示供油油压，一个数字显示的压力控制开关 用于显示系统油压和控制泵的启动和停止。 部件的检测中。 注：文中波数为波长 的倒数，即ｌｃｍ中所含波的个数，波数ｃｍ～＝ ｌｉｂ＝１０００００００／ｈｎｍ－－１００００／ｈｌｘｍ。光谱图上的点如（３０００，１．５）的意思是 生，事故时造成停放在辊道上的线卷产生废品。针对问题，结合 《 星 波数３０００ｃｍ 处的吸光度为１．５Ａ。Ａ／ｃｍ即ＡＸｃｍ～，吸光度乘以波数，是 光谱图上峰面积的相应单位，由ＡＳＴＭ—Ｅ２４１２标准的计算方法决定。 参考文献 １杨俊杰．油液监测技术［ＭＩ．北京：石油工业出版社，２００９ 重 量 晷 量 菪 量 重 量 －＿ ｎ ｎ 寸 寸 行驶里程／ｋｉｎ ２毛美娟，朱子新，王峰．机械装备油液监控技术与应用［Ｍ］．北京：ｌ 防 工业出版社，２００６ ３ ＡＳＴＭ．Ｅ１６８—０６．Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ ｆｏｒ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ Ｉｎｆｒａ— 图５ 闪点变化趋势图 ｒｅｄ Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｓ］．Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ：ＡＳＴＭ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ，２００６ ４ ＡＳＴＭ．Ｅ２４１２—０４，Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ Ｕｓｅｄ 重载车辆的动力系统主要零部件的磨损状态及油液污染情况， 评价发动机与油液状态、预报和诊断发动机故障，并为维修决策 提供依据。 以某型重载车辆发动机润滑油为例，通过该润滑油燃油稀 释的实例分析，红外光谱检测技术与常规理化方法的判断结果 一Ｌｕｂｒｉｃａｎｔｓ ｂｙ Ｔｒｅｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｕｓｉｎｇ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｆｒａｎｓｆｏｒｍｌｎｆｒａｒｅｄ（ＦＴ— ＩＲ）Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ［Ｓ］．Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ：ＡＳＴＭ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ，２００４ Ｗ１２．１０－２６ 作者通联：航天３院８３５７所海军代表室 天津市空港经济 区保税路３５７号３００３０８ ［编辑利文］ Ｅ－ｍａｉｌ：１８１８９７８４８＠ｑｑ．ｃｏｒｎ 致，表明在重载车辆发动机润滑油失效检测中，应用红外光谱 技术是可信的。红外光谱检测技术亦可推广到对其余设备机械 圉 设备管理与维修２０１２ Ｎｏｌ０ ．．．。 塑．煎蛊墨．赶
