潤滑油分析技術實驗教學的探索與實踐

盧小輝, 謝小鵬

(華南理工大學 機械與汽車工程學院, 廣東 廣州 510641)

高等學校是工程教育的主陣地,應面向工業界培養實踐能力強、社會適應能力強的工程技術人才,應增強學生的工程意識、提高其工程素質[1-2]。實踐教學是高校培養工程技術人才的必要手段,是提高學生工程實踐能力的重要途徑,學生應在實踐過程中學習觀察問題、發現問題并解決問題的能力[3-4]。摩擦學是一門涉及多個學科、實踐性很強的交叉學科,要解決的大多是工程問題[5]。摩擦學課程是我校機械工程、能源與動力工程等專業本科生的一門專業課,其主要內容包括潤滑油的監測分析、機械設備的故障診斷和維護等。潤滑油作為工業必需品,被稱為是機械設備的“血液”。為了保持生產設備的順利運行、提升企業的經濟效益,需要對設備進行潤滑管理[6]。潤滑油分析是潤滑管理的重要技術手段,廣泛應用于鋼鐵、交通、能源、石化等產業的設備維護管理與故障診斷[7-8]。為了促進摩擦學知識與實驗技能的遷移,結合潤滑油監測與分析的工程實際,將潤滑油分析技術實驗作為摩擦學實驗教學體系的基本內容[9-10]。該實驗與行業需求緊密聯系,使學生能夠動手操作相關儀器設備,有利于激發學生的學習熱情,提高機械設備故障診斷與維護的實踐能力。

1 實驗設計

1.1 實驗內容

對同類型的3種不同品牌柴油機潤滑油進行對比實驗和測試,包括新油的基本理化指標測試、摩擦磨損性能測試以及柴油機臺架實驗前后的潤滑油光譜分析。潤滑油①的牌號為15W-40,潤滑油②的牌號為20W-50,潤滑油③的牌號為CD20W-50。通過實驗,學生加深對潤滑油分析技術基本概念和潤滑油基本性能指標的理解,掌握潤滑油分析技術的基本測試方法和相關設備的操作,學習潤滑油基本性能和設備磨損狀態的分析。

1.2 實驗方法

1.2.1 理化性能測定

潤滑油的理化性能主要包括潤滑油的黏度、傾點、閃點、水分、機械雜質、酸堿值、抗乳化性以及銅片腐蝕等[11]。理化指標分析是監測機械設備油液變化最簡單、最直接的方法,可測定潤滑油品質以及油液在設備運行過程中的變化。根據課時的安排,本實驗測定運動黏度、閃點和酸值3個理化性能指標。運動黏度是潤滑油分類分級的主要指標,反映潤滑油的流動性。閃點用來劃分潤滑油的危險等級,反映潤滑油的蒸發性和易燃性。酸值是表示潤滑油含有酸性物質的指標,反映潤滑油的氧化變質程度。

采用DSY-105型運動黏度測定器(大連瑞高自動化有限公司)分別測量3種潤滑油在40 ℃時的運動黏度。采用DSY-001A型閃點和燃點測定器(大連瑞高自動化有限公司)測量潤滑油的閉口閃點。潤滑油的酸值采用BF-41型石油產品酸值測定器(大連北方分析儀器有限公司)進行測量。

1.2.2 摩擦磨損性能測試

潤滑油的摩擦磨損性能采用MRS-10A四球摩擦磨損試驗機(濟南益華)進行測試。實驗鋼球(東莞金銘五金公司)為G10級標準軸承鋼球,直徑為12.7 mm。實驗載荷為392 N,轉速為1450 r/min,測試環境溫度為室溫,測試時間為45 min。實驗結束后,從油盒中取出實驗鋼球并清洗干凈,在15J型測量顯微鏡下測量鋼球的磨斑直徑。摩擦系數μ和油盒溫度T由試驗機測試軟件自動記錄。

1.2.3 光譜分析

利用MOAII型多元素油液分析發射光譜儀(美國BAIRD公司)對柴油機臺架實驗前后的潤滑油進行光譜分析,可直接測定油樣中20種元素的含量,包括設備摩擦副表面產生的磨粒元素、潤滑油添加劑元素和進入潤滑油的外界污染物元素等。通過對磨粒金屬元素的成分和含量進行分析,可以了解設備摩擦副磨損狀態；對添加劑元素的含量進行分析,可以判斷潤滑油中添加劑的損耗；對污染物元素的含量進行分析,可以判斷潤滑油受污染的情況[12]。

2 結果與討論

2.1 理化性能分析

表1所示為潤滑油理化性能指標測試結果。由表1可知,潤滑油②和潤滑油③較潤滑油①的運動黏度低,具有更好的流動性能,有利于設備零部件摩擦表面的散熱。潤滑油②的閃點較低,說明其更容易蒸發和易燃,安全性相對較低。潤滑油②的酸值也較低,說明其氧化變質的程度較輕。

表1 理化指標測定結果

2.2 摩擦性能分析

圖1所示為所測潤滑油摩擦系數隨時間變化的關系曲線。由圖1可知,潤滑油②的摩擦系數較大,在實驗過程中波動也較大。潤滑油①和潤滑油③的摩擦系數較小,隨時間變化的曲線基本相同,曲線整體比較穩定,并且有下降的趨勢,說明它們有較顯著的減摩效果,能夠較好地潤滑零部件摩擦副表面,達到降低摩擦的目的。

圖1 潤滑油摩擦系數隨時間變化

圖2所示為潤滑油在摩擦磨損實驗過程中,油溫隨時間變化的曲線,反映了潤滑油的溫升情況。由圖2可知,實驗開始階段,3種潤滑油的油溫變化基本相同。隨著實驗的進行,潤滑油②的油溫變化最為顯著,在25 min之后出現非常明顯的升高,整個實驗過程溫升達到56.1 ℃；而潤滑油①和潤滑油③的油溫變化較平緩,在實驗后段基本保持在某一溫度下,整個實驗過程溫升分別為20 ℃和13.9 ℃。由此可知,潤滑油①和潤滑油③在潤滑過程中,溫升情況基本一致,都能夠有效避免摩擦副因摩擦產生高溫破壞潤滑表面。

圖2 潤滑油溫度隨時間變化

表2所示為摩擦磨損實驗后,鋼球磨斑直徑的測量結果。由表2可知,潤滑油①和潤滑油③的磨斑直徑較為接近,均明顯小于潤滑油②的磨斑直徑。由此可知,潤滑油①和潤滑油③的抗磨性能較好,表現也基本相同,都能夠有效保護潤滑表面、減少摩擦副的磨損和延長零部件的壽命。

表2 鋼球磨斑直徑結果

2.3 光譜分析

表3所示為潤滑油在柴油機臺架實驗前后光譜分析測試結果。由表3可知,3種潤滑油均含有大量的Ba元素、P元素和Zn元素,分別來源于潤滑油添加劑中的防銹劑、極壓抗磨劑和抗氧防腐劑。此外,潤滑油③含有大量的Mg元素,來源于添加劑中的清凈分散劑；潤滑油②含有少量的Gu元素,來源于抗磨添加劑；潤滑油①和潤滑油③相對于潤滑油②含有較高含量的Mo元素,來源于極壓添加劑。3種潤滑油在臺架實驗后,潤滑油①和潤滑油②的Fe元素含量的增長率明顯較潤滑油③的顯著,表明潤滑油③相比于其他兩種潤滑油具有較好的抗磨特性,能夠起到降低柴油機摩擦副磨損的作用。

表3 潤滑油光譜分析測試結果 ppm

表3(續)

3 結論

潤滑油分析技術實驗作為摩擦學課程的重要內容,與機械設備潤滑管理的行業需求緊密聯系,具有較強的工程應用背景。學生通過完成實驗內容,既能掌握潤滑油分析的基本實驗測試技術,又能通過對比進一步理解潤滑油的技術指標與機械設備維護管理的關系,建立潤滑管理的工程意識,實現教學向工程實際的轉化。實驗的開展以工程教育為紐帶,調動學生的學習積極性,促進學生積累機械設備故障診斷的經驗,提高學生的工程實踐能力,從而培養機械潤滑工程師和設備管理人才。