润滑油分析技术实验教学的探索与实践

卢小辉, 谢小鹏

(华南理工大学 机械与汽车工程学院, 广东 广州 510641)

高等学校是工程教育的主阵地,应面向工业界培养实践能力强、社会适应能力强的工程技术人才,应增强学生的工程意识、提高其工程素质[1-2]。实践教学是高校培养工程技术人才的必要手段,是提高学生工程实践能力的重要途径,学生应在实践过程中学习观察问题、发现问题并解决问题的能力[3-4]。摩擦学是一门涉及多个学科、实践性很强的交叉学科,要解决的大多是工程问题[5]。摩擦学课程是我校机械工程、能源与动力工程等专业本科生的一门专业课,其主要内容包括润滑油的监测分析、机械设备的故障诊断和维护等。润滑油作为工业必需品,被称为是机械设备的“血液”。为了保持生产设备的顺利运行、提升企业的经济效益,需要对设备进行润滑管理[6]。润滑油分析是润滑管理的重要技术手段,广泛应用于钢铁、交通、能源、石化等产业的设备维护管理与故障诊断[7-8]。为了促进摩擦学知识与实验技能的迁移,结合润滑油监测与分析的工程实际,将润滑油分析技术实验作为摩擦学实验教学体系的基本内容[9-10]。该实验与行业需求紧密联系,使学生能够动手操作相关仪器设备,有利于激发学生的学习热情,提高机械设备故障诊断与维护的实践能力。

1 实验设计

1.1 实验内容

对同类型的3种不同品牌柴油机润滑油进行对比实验和测试,包括新油的基本理化指标测试、摩擦磨损性能测试以及柴油机台架实验前后的润滑油光谱分析。润滑油①的牌号为15W-40,润滑油②的牌号为20W-50,润滑油③的牌号为CD20W-50。通过实验,学生加深对润滑油分析技术基本概念和润滑油基本性能指标的理解,掌握润滑油分析技术的基本测试方法和相关设备的操作,学习润滑油基本性能和设备磨损状态的分析。

1.2 实验方法

1.2.1 理化性能测定

润滑油的理化性能主要包括润滑油的黏度、倾点、闪点、水分、机械杂质、酸碱值、抗乳化性以及铜片腐蚀等[11]。理化指标分析是监测机械设备油液变化最简单、最直接的方法,可测定润滑油品质以及油液在设备运行过程中的变化。根据课时的安排,本实验测定运动黏度、闪点和酸值3个理化性能指标。运动黏度是润滑油分类分级的主要指标,反映润滑油的流动性。闪点用来划分润滑油的危险等级,反映润滑油的蒸发性和易燃性。酸值是表示润滑油含有酸性物质的指标,反映润滑油的氧化变质程度。

采用DSY-105型运动黏度测定器(大连瑞高自动化有限公司)分别测量3种润滑油在40 ℃时的运动黏度。采用DSY-001A型闪点和燃点测定器(大连瑞高自动化有限公司)测量润滑油的闭口闪点。润滑油的酸值采用BF-41型石油产品酸值测定器(大连北方分析仪器有限公司)进行测量。

1.2.2 摩擦磨损性能测试

润滑油的摩擦磨损性能采用MRS-10A四球摩擦磨损试验机(济南益华)进行测试。实验钢球(东莞金铭五金公司)为G10级标准轴承钢球,直径为12.7 mm。实验载荷为392 N,转速为1450 r/min,测试环境温度为室温,测试时间为45 min。实验结束后,从油盒中取出实验钢球并清洗干净,在15J型测量显微镜下测量钢球的磨斑直径。摩擦系数μ和油盒温度T由试验机测试软件自动记录。

1.2.3 光谱分析

利用MOAII型多元素油液分析发射光谱仪(美国BAIRD公司)对柴油机台架实验前后的润滑油进行光谱分析,可直接测定油样中20种元素的含量,包括设备摩擦副表面产生的磨粒元素、润滑油添加剂元素和进入润滑油的外界污染物元素等。通过对磨粒金属元素的成分和含量进行分析,可以了解设备摩擦副磨损状态；对添加剂元素的含量进行分析,可以判断润滑油中添加剂的损耗；对污染物元素的含量进行分析,可以判断润滑油受污染的情况[12]。

2 结果与讨论

2.1 理化性能分析

表1所示为润滑油理化性能指标测试结果。由表1可知,润滑油②和润滑油③较润滑油①的运动黏度低,具有更好的流动性能,有利于设备零部件摩擦表面的散热。润滑油②的闪点较低,说明其更容易蒸发和易燃,安全性相对较低。润滑油②的酸值也较低,说明其氧化变质的程度较轻。

表1 理化指标测定结果

2.2 摩擦性能分析

图1所示为所测润滑油摩擦系数随时间变化的关系曲线。由图1可知,润滑油②的摩擦系数较大,在实验过程中波动也较大。润滑油①和润滑油③的摩擦系数较小,随时间变化的曲线基本相同,曲线整体比较稳定,并且有下降的趋势,说明它们有较显著的减摩效果,能够较好地润滑零部件摩擦副表面,达到降低摩擦的目的。

图1 润滑油摩擦系数随时间变化

图2所示为润滑油在摩擦磨损实验过程中,油温随时间变化的曲线,反映了润滑油的温升情况。由图2可知,实验开始阶段,3种润滑油的油温变化基本相同。随着实验的进行,润滑油②的油温变化最为显著,在25 min之后出现非常明显的升高,整个实验过程温升达到56.1 ℃；而润滑油①和润滑油③的油温变化较平缓,在实验后段基本保持在某一温度下,整个实验过程温升分别为20 ℃和13.9 ℃。由此可知,润滑油①和润滑油③在润滑过程中,温升情况基本一致,都能够有效避免摩擦副因摩擦产生高温破坏润滑表面。

图2 润滑油温度随时间变化

表2所示为摩擦磨损实验后,钢球磨斑直径的测量结果。由表2可知,润滑油①和润滑油③的磨斑直径较为接近,均明显小于润滑油②的磨斑直径。由此可知,润滑油①和润滑油③的抗磨性能较好,表现也基本相同,都能够有效保护润滑表面、减少摩擦副的磨损和延长零部件的寿命。

表2 钢球磨斑直径结果

2.3 光谱分析

表3所示为润滑油在柴油机台架实验前后光谱分析测试结果。由表3可知,3种润滑油均含有大量的Ba元素、P元素和Zn元素,分别来源于润滑油添加剂中的防锈剂、极压抗磨剂和抗氧防腐剂。此外,润滑油③含有大量的Mg元素,来源于添加剂中的清净分散剂；润滑油②含有少量的Gu元素,来源于抗磨添加剂；润滑油①和润滑油③相对于润滑油②含有较高含量的Mo元素,来源于极压添加剂。3种润滑油在台架实验后,润滑油①和润滑油②的Fe元素含量的增长率明显较润滑油③的显著,表明润滑油③相比于其他两种润滑油具有较好的抗磨特性,能够起到降低柴油机摩擦副磨损的作用。

表3 润滑油光谱分析测试结果 ppm

表3(续)

3 结论

润滑油分析技术实验作为摩擦学课程的重要内容,与机械设备润滑管理的行业需求紧密联系,具有较强的工程应用背景。学生通过完成实验内容,既能掌握润滑油分析的基本实验测试技术,又能通过对比进一步理解润滑油的技术指标与机械设备维护管理的关系,建立润滑管理的工程意识,实现教学向工程实际的转化。实验的开展以工程教育为纽带,调动学生的学习积极性,促进学生积累机械设备故障诊断的经验,提高学生的工程实践能力,从而培养机械润滑工程师和设备管理人才。