红外光谱法测定轴承润滑油脂中润滑脂

邸瑞欣，包婷

(联合汽车电子有限公司，上海 200000)

润滑脂由基础油和增稠剂组成，是一种稠厚的油脂状半固体，具有抗蚀、防锈、磨损保护、耐水、抗氧化和老化等性能[1]。在电机轴承中，润滑脂用于机械的摩擦部分，起到润滑和密封作用。电机轴承润滑脂具有极佳的减摩性和氧化稳定性，是电机运转不可或缺的一部分。

正常情况下，减速箱中的润滑油和电机中的润滑脂靠轴封隔绝，但随着电桥耐久试验的进行，轴封密封性降低，润滑油更容易进入电机轴承。当润滑油的泄露量变大时，进入电机轴承内的润滑油会洗去电机中的润滑脂，导致电机轴承不能正常运转，从而失效。轴承失效原因有很多，如润滑剂老化、轴承材料强度不够、轴承安装错误等[1]。

定量分析电机轴承上混合油脂中的润滑脂含量，有助于明确电机轴承失效的原因，可确认轴承失效是否为润滑脂中引入过多的润滑油，从而增大润滑脂的流动性，使得润滑脂不能附着在轴承上的原因所致。目前在润滑脂方面的研究，主要集中在水含量分析[2]、氧化不溶物、油脂及污染物分析[3-6]、醇含量分析等领域[7-9]，鲜有针对润滑油脂中润滑脂含量的研究。

气相色谱法可以测定发动机油中的燃料稀释剂[5]，实验室可以效仿利用色谱手段分析润滑油脂中的润滑油，但色谱设备昂贵，测试成本高，测试过程复杂，总体效率低，不利于失效分析中快速响应。与色谱法相比，红外光谱定量分析的精度不高，但红外光谱操作简单，测试成本较低，适用于企业自主分析混合物。随着红外光谱技术的发展，其在润滑油定性分析、油品质量检测、以及食品、医药、农业等多个行业有了越来越多的应用[10-17]。笔者建立了红外光谱定量分析轴承混合油脂中润滑脂的方法。该方法简单快捷，测试时间短。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

红外光谱仪：Nicolet 系列IZ10 型，配金刚石附件、DTGS 检测器，谱区为(4 000～400) cm-1，赛默飞世尔科技(中国)有限公司。

电子天平：PB203-N 型，感量为1 mg，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司。

润滑油样品：BOT 352B，烃类物质质量分数为90%，嘉实多润滑油(上海)有限公司。

润滑脂样品：BQ 72-72，酯类物质质量分数为90%，克鲁勃润滑剂(上海)有限公司。

1.2 仪器工作条件

扫描范围：(4 000～650) cm-1；分辨率：4 cm-1；扫描次数：16 次；环境温度：23 ℃；环境湿度：(50±5)%。

1.3 实验方法

1.3.1 标准样品制备

配制6 组不同比例的润滑油和润滑脂混合物。具体实验过程如下：

(1)按照配方在常温下称取不同质量的润滑油和润滑脂，分别置于6 只陶瓷坩埚中；

(2)用玻璃棒分别搅拌各个样品，直至样品中的润滑油和润滑脂混合均匀；

(3)得到质量分数不同的6 个润滑油标准样品，其中润滑脂质量分数分别为50%、60%、70%、80%、90%、100%。

1.3.2 标准曲线绘制

将制备的6 个标准样品依次进行红外光谱分析，以润滑脂中羰基吸收峰作为定量润滑脂的特征峰，以羰基峰的峰面积作为响应值。润滑脂质量分数为自变量、以润滑脂中羰基的响应值为因变量，绘制标准工作曲线。

1.3.3 精密度

选择润滑脂质量分数分别为50%、100%的润滑油脂进行精密度试验，考察连续进样6 次的重复性和短期的重复性测量。具体实验方法为：将两个浓度的润滑油脂连续进样6 次，计算相对标准偏差，作为单次测量的精密度。

1.3.4 一致性检验

在标准工作曲线线性范围内配制质量分数分别为53%、96%的润滑油脂样品，对两个润滑油脂样品进行测试，分析该检测方法测量结果的一致性。分析样品前，选择拟合曲线中质量分数为70%的润滑油脂进行标定。

1.3.5 准确度

分别配制质量分数为57%、78%、92%的润滑油脂进行加标回收试验，该样品作为红外分析方法的验证样品，重复进样6 次，分析检测结果并计算加标回收率。

2 结果与讨论

2.1 定性定量分析

用上述分析方法分别测定纯的润滑脂和润滑油，比对二者的红外光谱，确定各自的特征吸收波段。结果表明，润滑脂中的基础油与润滑油都是烷烃类物质，润滑油中没有区别于润滑脂的特征吸收峰；而润滑脂中有羰基特征吸收峰，该基团不存在于润滑油中。润滑脂中酯羰基吸收波段在1 724 cm-1和1065 cm-1两个位置，1 065 cm-1吸收峰较弱，附近有其它峰干扰基线。1 724 cm-1吸收峰强度较大，基线不受其它峰影响，故采用1 724 cm-1为定量分析的特征峰。

2.2 实验条件考察

考察傅里叶变换红外光谱仪的各个参数对光谱信号的影响。得到理想的光谱条件：扫描范围为4 000～650 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数为16次，单次扫描时长合理，可获得足够精确的样品信息。

2.2.1 扫描范围选择

红外光谱区间被划分为三个区域，即近红外区、中红外区和远红外区。中红外区对应的波数范围是4 000～400 cm-1，基于中红外区的定量分析，有人选择4 000～400 cm-1波段进行实验[5]，有人采用4 000～650 cm-1波段进行实验[3]。笔者所用附件为赛默飞的金刚石附件，该附件配制的扫描范围是4 000～650 cm-1，在该波段内可以获得足够的样品信息，且对于采用1 724 cm-1峰定量分析无任何影响，因此选择4 000～650 cm-1波段作为扫描范围。

2.2.2 分辨率考察

分别考察1、2、4、6、8 cm-1分辨率对光谱信号的影响。具体步骤为选择润滑脂质量分数为60%和80%的样品，保持其它参数一致，2 个样品分别在上述5 种分辨率下重复进样6 次，计算每条谱线的信噪比及其平均值，比较不同分辨率下谱图的信噪比以及谱图出峰情况，来确定最佳分辨率。实验所得2 个样品在上述5 种分辨率下的信噪比数据分别见表1、表2。

表1 质量分数为60%的样品在不同分辨率下的信噪比

表2 质量分数为80%的样品在不同分辨率下的信噪比

由表1、表2 数据可知，随着分辨率的提高，两个样品光谱的信噪比相应增加。在分辨率由2 cm-1升至4 cm-1时，信噪比提高的比率最大。在4 cm-1分辨率下，光谱的信噪比较高，满足定量要求。而分辨率过高会导致峰位偏移，部分小峰无法识别。因此实验选择分辨率为4 cm-1。

2.2.3 扫描次数考察

光谱信噪比与扫描次数n的平方根成正比。扫描次数越多，红外光谱的信噪比越高，光谱质量越好。可随着扫描次数的增加，扫描时间也延长。考虑到企业实际应用，分别比较4、16、32 次三个扫描次数下的红外光谱图，旨在选择合适的扫描次数，使得在光谱信噪比满足要求的情况下，扫描时间最短。质量分数分别为60%、80%的两个样品在不同扫描次数下的光谱信噪比及扫描时间分别见表3、表4。

表3 质量分数为60%的样品在不同扫描次数下的信噪比

表4 质量分数为80%的样品在不同扫描次数下的信噪比

由表3、表4 数据可知，质量分数分别为60%、80%的两个样品，在扫描次数为16 次时信噪比较高，满足定量分析的要求，扫描时间相对较短，因此选择扫描次数为16 次。

2.3 线性方程和检出限

根据朗伯-比耳定律，样品的吸光度与样品浓度呈正相关性。以样品质量分数(x)为横坐标、特征峰面积(y)为纵坐标，绘制标准工作曲线，得到的线性回归方程为y=8.8 059x-0.183 2，线性相关系数r=0.999 6，曲线拟合效果较好，表明样品质量分数在50%～100%范围内与1 724 cm-1吸收峰面积呈良好的线性关系。标准样品的红外光谱分析数据见表5。

表5 标准样品红外光谱分析数据

移取质量分数为5%的润滑油脂标准样品，设备中不放置样品，进行红外光谱扫描，读取基线噪声峰高读数N；然后重复6 次测试润滑油脂标准样品，读取润滑脂特征峰的峰高，并计算特征峰高的平均值，质量分数为5%的润滑油脂标准样品光谱数据见表6。

表6 质量分数为5%的润滑油脂样品光谱数据

按照式(1)计算出检出限为0.045%[10]。

式中：D——方法检出限，%；

N——噪声峰高；

A——标准物质多次平行测定的平均峰面积；

w——润滑油脂质量分数。

2.4 精密度试验

按照1.3.3 方法，分别对质量分数为50%、100%的润滑油脂样品连续测定6 次，精密度试验结果见表7。

表7 精密度试验结果

由表7 可知，测定结果的相对标准偏差分别为0.51%、0.56%，连续6 天测得短期重复性数据，计算得到平均标准偏差分别为0.59%、0.64%，表明该方法精密度良好。

2.5 一致性检验

采用1.3.4 方法进行一致性检验，润滑油脂的测试结果见表8。

表8 一致性检验润滑油脂的特征峰面积数据

按照式(2)计算润滑油脂样品的质量分数：

两组润滑油脂样品测量浓度的一致性计算结果见表9。由表9 可知，润滑油脂的一致性测量结果的相对标准偏差均小于1%，可认为拟合结果的一致性较好。

表9 润滑油脂的一致性试验数据 %

2.6 加标回收试验

按照1.3.5 方法进行加标回收试验，加标润滑脂试验数据见表10。由表10 可知，加标润滑脂的平均回收率为98.7%～101.3%，表明该方法的测定结果准确、可靠。

表10 加标回收试验结果 %

3 结语

建立了红外定量分析润滑油脂的方法，该方法简单快捷，测试时间短，为润滑油脂的定量分析提供了一种较好的方案，也为辨别电桥轴承失效模式提供了较好的方法。该方法可为准确且快速辨别电机轴承的失效是否为润滑脂被稀释所致，提供了一种新思路，从而提高新能源汽车中电桥轴承失效的失效分析效率。