船舶柴油機滑油異常變質規律研究

黃建偉，劉學強

（福建船政交通職業學院，福州 350007）

0 引言

船機故障問題的出現受到多種因素的影響，主要表現為磨損故障、腐蝕故障以及斷裂故障等，其中磨損故障比重相對較大，是導致船機失效的最重要因素之一，其影響占比超過80%。大量研究結果已經證明，在船機故障方面，85%以上的柴油機故障是受到潤滑影響所形成的[1]。具體而言就是柴油機潤滑油中存在一定的污染成分，并且金屬顆粒大小不合理，造成在柴油機實際運行的過程中，滑油所形成的油膜厚度偏低，無法滿足實際需求，潤滑難以發揮出應有的作用，導致摩擦情況嚴重，最終引發故障問題。船舶柴油機滑油在使用過程中受冷卻水、燃油稀釋等異常污染從而導致發動機潤滑不良以致發生機械故障。因此，研究滑油的變質規律是對滑油品質進行監控的首要環節，能夠實現及時掌握油品的質量狀況，實現裝備的主動維修和按質換油[2]。

1 滑油品質理化指標

評價滑油性能的理化指標有多種，其中粘度是滑油最重要的理化指標。粘度指標能將油液內形成摩擦力的量度充分表現出來，進而確保可以正確判斷油液的使用性能，并得出油液流動性方面的結果。一般情況下，在對粘度進行分類的過程中，可以按照動力因素、運動因素以及相對因素劃分為3種，其中動力粘度能夠將流粘性內摩擦力的大小充分表現出來，在不受到粘性劑影響的情況下，如果油液粘度大則能在使用過程中形成較厚并且強度大的油膜，油液的流動性降低；如果滑油粘度相對較小，甚至超過正常范圍，則會在使用方面出現邊界潤滑的情況，也可能出現半液體潤滑問題，在加速摩擦的作用下，很可能會出現漏油的問題。而油液的粘度過大，必然會導致流動性受到影響，滲透性也會逐漸變差，在滲透性不足的情況下，內摩擦阻力會進一步增大，導致在實際運行方面消耗較大的功率。因此要對粘度進行合理的控制，只有對粘度實施科學的管控，才能使摩擦副得到充分潤滑[3]。

介電常數一般能夠將機油絕緣能力特性系數表現出來，而電荷在電場的作用下，能以正負電荷中心不重合電極化的方式按照實際情況做出相應的反應。介電常數分析方法是評價滑油氧化衰變過程的一種可行的分析方法，滑油在劣化過程中的介電性能參數測定值與其質量指標具有較好的線性關系[4]。

2 滑油失效故障分析

根據實船輪機人員現場管理經驗，在柴油機中燃油向滑油泄漏的環節有多種可能，常見故障一般有：

1）噴油器性能發揮受到阻礙，主要是噴油器霧化功能無法正常發揮、壓力系數整體上偏低、出現結碳問題或是二次噴射等引發不良影響等都能導致噴油器性能發揮效果相對較差。同時，由于噴油器無法正常噴霧，必然會導致燃燒狀態無法達到預期，因此會影響氣缸的爆發壓力，在壓力下降的情況下沒有完全燃燒的燃油會在氣缸壁上形成附著效應，在燃油粘附并順著間隙流入曲軸箱后，會導致滑油被稀釋，也會影響滑油的有效應用。

2）在噴油泵的柱塞腔與凸輪腔的連接處，柱塞腔及低壓油腔的燃油進入到了凸輪腔的滑油中。

3）高壓油管與噴油器的螺紋結合處和活塞與氣缸套之間滲漏進入滑油中。由于柴油機冷卻部件多，冷卻管路復雜，極易發生冷卻水泄露，影響柴油機運行安全。冷卻系統漏水包括內漏和外漏，外漏多發生在各連接處的襯墊、密封圈等部位，能直觀發現處理；而內漏需要一定的維修經驗才能做出判斷。一般情況下，內漏可能發生在氣缸蓋的氣門座過橋處裂紋和氣缸蓋工藝堵處、氣缸套的缸套與水密封圈處、中冷器的管路兩端焊接處。柴油機的缸套、曲軸、活塞、軸瓦等在實際運行的過程中必然會產生相互作用的關系，出現摩擦現象，在摩擦的過程中也會形成微量金屬磨粒，如果在出現微量金屬磨粒后無法進行有效的潤滑，會導致金屬磨粒與潤滑油混合在一起。上述3種污染物影響粘度進而滑油的潤滑效果，從而引發柴油機運行故障[5]。

3 配比試驗

為了通過試驗對上述3種污染物與滑油介電常數、粘度之間的關系形成正確的認識，在對滑油質量因素、粘度因素以及柴油機工作條件等進行分析的基礎上，結合燃油性質因素，可以分別選取2種級別的滑油SAE30、SAE40作為對比分析對象，并為了可以對結構進行準確的描述，將這兩種滑油設定為30#、40#滑油。在此基礎上，可以設計相應的試驗驗證一定溫度條件下3種污染物與滑油介電常數、粘度之間的關系，所有試驗條件均選擇在滑油溫度為80℃的條件下進行，選擇80℃是為了模擬滑油的實際工作狀態。

3.1 水分含量

新滑油水分含量一般低于0.01%。水的介電常數數值偏高，一般能夠達到80，微量水分情況下由于水介電常數高的特性會對潤滑油的介電常數產生較為明顯的影響[6]。為了證明水分與介電常數、粘度之間存在緊密的聯系，在試驗活動中可以按照操作規范依次將不同質量的蒸餾水加入到滑油中，配置成水分含量均勻遞增的5份樣品，5份樣品的水分含量情況基本為0.2%，0. 4%，0. 6%，0.8%，1.0%，對樣品進行試驗。試驗結果如圖2和圖3所示。

圖1 介電常數與水分的關系

圖2 粘度與水分的關系

由圖1可知，介電常數與水分之間存在正相關的關系，介電常數受到水分的影響，在水分增加的情況下介電常數也會隨之增加，當含水量超過0.2%時，介電常數隨水分快速增加。當水分含量較小時，由于滑油本身具有一定的吸水能力，微量的水分被吸收，當水分含量超過滑油本身的吸水能力范圍后，水分對介電常數的影響快速增加。這是由于水是強極性分子，水的介電常數高達 80，而滑油的介電常數為2.0～2.3。隨著水分的增加滑油中離子活動加劇，導電能力增強，絕緣能力下降，所以滑油中水分含量將較大影響其介電常數。由圖2可知，隨著水分的增加，粘度增大。因為隨著滑油中的水分越來越多，潤滑油受到氧化變質的影響也會愈加明顯，其氧化變質速度進一步提高，油中部分添加劑在氧化作用下會形成水解效應，導致油水之間界面張力受到影響不斷增大，二者接觸面積也會隨之拓展，使乳化速率逐步提高，粘度也會相應的增加。

3.2 燃油含量

為了能對滑油介電常數與粘度、燃油含量之間的關系形成客觀的認識，在試驗活動中分別將燃油加入到滑油中的方法制備試樣。針對30#、40#滑油，采用微量滴定管依次將不同質量的燃油加入到12份、各100 g的滑油中，完成對試樣的制備。在對試驗結果進行分析后能夠看出介電常數和粘度、總酸增值之間存在一定的聯系，具體關系如圖3和圖4所示。

圖3 介電常數與燃油的關系

圖4 粘度與燃油的關系

圖3為介電常數隨燃油含量的變化關系。由于燃油和滑油屬于同一類別化合物，兩者可以互溶，因此介電常數不受滑油中燃油含量的影響，基本保持不變。由圖4可知，滑油粘度受到燃油含量的影響，在燃油含量增加的情況下粘度會降低。這主要是受到滑油與燃油微觀結構的影響所形成的，在燃油與滑油混合后，分子間引力作用和動量發生變化，逐漸減小，而粘度是分子間的引力作用和動量的綜合表現。因此燃油含量的增加導致粘度下降。

3.3 金屬顆粒含量

柴油機正常工作磨損所產生的金屬顆粒一般為0.5 μm～15.0 μm，小于5.0 μm的顆粒對滑油的性能基本無影響，出現大于12.0 μm的顆粒時，屬于較嚴重的摩擦[7]。在試驗中考慮異常磨損工作狀態，選取直徑為12.0 μm～15.0 μm的鐵粉顆粒，將不同質量的鐵粉依次加入到100 g的滑油中，配制得到充分混合的鐵磨粒含量（質量分數）為均勻遞增的潤滑油試樣。然后進行測試，得到介電常數和粘度與鐵磨粒含量的關系如圖5和圖6所示。

圖5 介電常數與金屬顆粒的關系

圖6 粘度與金屬顆粒的關系

由圖5可知，當鐵粉顆粒濃度沒有達到1.5%時，二者之間的關系表現出近似線性關特征，在一定成都上可以看出介電常數受到鐵磨粒含量的影響，并且隨著含量的增大逐步增大。但由于金屬磨粒自身具有良好的擴散性能并且附著力較之于水更低，因此其對介電常數的影響較小；當鐵粉含量超過1.5%后，在鐵粉含量逐步增加的情況下介電常數會隨之增加，并且增加的趨勢逐漸變快。由圖6可以看出，黏度隨著鐵顆粒含量的增加而增加。這是由于隨著金屬顆粒在滑油中的含量增加，顆粒在液相中的流動阻力隨之增大。流動阻力增加，導致粘度增大[8]。

4 結論

1）根據試驗結果分析，隨著滑油中水分含量、鐵顆粒含量的增加，介電常數不斷增大，燃油含量對介電常數基本不影響。

2）水分含量和鐵顆粒含量的增加，粘度增大，而燃油含量與此相反。

3）對滑油介電常數變化影響最大的是水分含量。

4）滑油水分含量、燃油含量、鐵顆粒含量異常變化是引起潤滑油失效的原因，而且水分含量、燃油含量、鐵顆粒含量與介電常數和粘度的變化具有一定的規律，可以為評價滑油衰變程度的綜合評價指標在理論上提供參考。