船舶柴油机滑油异常变质规律研究

2018-10-10黄建伟刘学强

船舶标准化工程师 2018年5期

黄建伟，刘学强

（福建船政交通职业学院，福州 350007）

0 引言

船机故障问题的出现受到多种因素的影响，主要表现为磨损故障、腐蚀故障以及断裂故障等，其中磨损故障比重相对较大，是导致船机失效的最重要因素之一，其影响占比超过80%。大量研究结果已经证明，在船机故障方面，85%以上的柴油机故障是受到润滑影响所形成的[1]。具体而言就是柴油机润滑油中存在一定的污染成分，并且金属颗粒大小不合理，造成在柴油机实际运行的过程中，滑油所形成的油膜厚度偏低，无法满足实际需求，润滑难以发挥出应有的作用，导致摩擦情况严重，最终引发故障问题。船舶柴油机滑油在使用过程中受冷却水、燃油稀释等异常污染从而导致发动机润滑不良以致发生机械故障。因此，研究滑油的变质规律是对滑油品质进行监控的首要环节，能够实现及时掌握油品的质量状况，实现装备的主动维修和按质换油[2]。

1 滑油品质理化指标

评价滑油性能的理化指标有多种，其中粘度是滑油最重要的理化指标。粘度指标能将油液内形成摩擦力的量度充分表现出来，进而确保可以正确判断油液的使用性能，并得出油液流动性方面的结果。一般情况下，在对粘度进行分类的过程中，可以按照动力因素、运动因素以及相对因素划分为3种，其中动力粘度能够将流粘性内摩擦力的大小充分表现出来，在不受到粘性剂影响的情况下，如果油液粘度大则能在使用过程中形成较厚并且强度大的油膜，油液的流动性降低；如果滑油粘度相对较小，甚至超过正常范围，则会在使用方面出现边界润滑的情况，也可能出现半液体润滑问题，在加速摩擦的作用下，很可能会出现漏油的问题。而油液的粘度过大，必然会导致流动性受到影响，渗透性也会逐渐变差，在渗透性不足的情况下，内摩擦阻力会进一步增大，导致在实际运行方面消耗较大的功率。因此要对粘度进行合理的控制，只有对粘度实施科学的管控，才能使摩擦副得到充分润滑[3]。

介电常数一般能够将机油绝缘能力特性系数表现出来，而电荷在电场的作用下，能以正负电荷中心不重合电极化的方式按照实际情况做出相应的反应。介电常数分析方法是评价滑油氧化衰变过程的一种可行的分析方法，滑油在劣化过程中的介电性能参数测定值与其质量指标具有较好的线性关系[4]。

2 滑油失效故障分析

根据实船轮机人员现场管理经验，在柴油机中燃油向滑油泄漏的环节有多种可能，常见故障一般有：

1）喷油器性能发挥受到阻碍，主要是喷油器雾化功能无法正常发挥、压力系数整体上偏低、出现结碳问题或是二次喷射等引发不良影响等都能导致喷油器性能发挥效果相对较差。同时，由于喷油器无法正常喷雾，必然会导致燃烧状态无法达到预期，因此会影响气缸的爆发压力，在压力下降的情况下没有完全燃烧的燃油会在气缸壁上形成附着效应，在燃油粘附并顺着间隙流入曲轴箱后，会导致滑油被稀释，也会影响滑油的有效应用。

2）在喷油泵的柱塞腔与凸轮腔的连接处，柱塞腔及低压油腔的燃油进入到了凸轮腔的滑油中。

3）高压油管与喷油器的螺纹结合处和活塞与气缸套之间渗漏进入滑油中。由于柴油机冷却部件多，冷却管路复杂，极易发生冷却水泄露，影响柴油机运行安全。冷却系统漏水包括内漏和外漏，外漏多发生在各连接处的衬垫、密封圈等部位，能直观发现处理；而内漏需要一定的维修经验才能做出判断。一般情况下，内漏可能发生在气缸盖的气门座过桥处裂纹和气缸盖工艺堵处、气缸套的缸套与水密封圈处、中冷器的管路两端焊接处。柴油机的缸套、曲轴、活塞、轴瓦等在实际运行的过程中必然会产生相互作用的关系，出现摩擦现象，在摩擦的过程中也会形成微量金属磨粒，如果在出现微量金属磨粒后无法进行有效的润滑，会导致金属磨粒与润滑油混合在一起。上述3种污染物影响粘度进而滑油的润滑效果，从而引发柴油机运行故障[5]。

3 配比试验

为了通过试验对上述3种污染物与滑油介电常数、粘度之间的关系形成正确的认识，在对滑油质量因素、粘度因素以及柴油机工作条件等进行分析的基础上，结合燃油性质因素，可以分别选取2种级别的滑油SAE30、SAE40作为对比分析对象，并为了可以对结构进行准确的描述，将这两种滑油设定为30#、40#滑油。在此基础上，可以设计相应的试验验证一定温度条件下3种污染物与滑油介电常数、粘度之间的关系，所有试验条件均选择在滑油温度为80℃的条件下进行，选择80℃是为了模拟滑油的实际工作状态。

3.1 水分含量

新滑油水分含量一般低于0.01%。水的介电常数数值偏高，一般能够达到80，微量水分情况下由于水介电常数高的特性会对润滑油的介电常数产生较为明显的影响[6]。为了证明水分与介电常数、粘度之间存在紧密的联系，在试验活动中可以按照操作规范依次将不同质量的蒸馏水加入到滑油中，配置成水分含量均匀递增的5份样品，5份样品的水分含量情况基本为0.2%，0. 4%，0. 6%，0.8%，1.0%，对样品进行试验。试验结果如图2和图3所示。

图1 介电常数与水分的关系

图2 粘度与水分的关系

由图1可知，介电常数与水分之间存在正相关的关系，介电常数受到水分的影响，在水分增加的情况下介电常数也会随之增加，当含水量超过0.2%时，介电常数随水分快速增加。当水分含量较小时，由于滑油本身具有一定的吸水能力，微量的水分被吸收，当水分含量超过滑油本身的吸水能力范围后，水分对介电常数的影响快速增加。这是由于水是强极性分子，水的介电常数高达 80，而滑油的介电常数为2.0～2.3。随着水分的增加滑油中离子活动加剧，导电能力增强，绝缘能力下降，所以滑油中水分含量将较大影响其介电常数。由图2可知，随着水分的增加，粘度增大。因为随着滑油中的水分越来越多，润滑油受到氧化变质的影响也会愈加明显，其氧化变质速度进一步提高，油中部分添加剂在氧化作用下会形成水解效应，导致油水之间界面张力受到影响不断增大，二者接触面积也会随之拓展，使乳化速率逐步提高，粘度也会相应的增加。

3.2 燃油含量

为了能对滑油介电常数与粘度、燃油含量之间的关系形成客观的认识，在试验活动中分别将燃油加入到滑油中的方法制备试样。针对30#、40#滑油，采用微量滴定管依次将不同质量的燃油加入到12份、各100 g的滑油中，完成对试样的制备。在对试验结果进行分析后能够看出介电常数和粘度、总酸增值之间存在一定的联系，具体关系如图3和图4所示。

图3 介电常数与燃油的关系

图4 粘度与燃油的关系

图3为介电常数随燃油含量的变化关系。由于燃油和滑油属于同一类别化合物，两者可以互溶，因此介电常数不受滑油中燃油含量的影响，基本保持不变。由图4可知，滑油粘度受到燃油含量的影响，在燃油含量增加的情况下粘度会降低。这主要是受到滑油与燃油微观结构的影响所形成的，在燃油与滑油混合后，分子间引力作用和动量发生变化，逐渐减小，而粘度是分子间的引力作用和动量的综合表现。因此燃油含量的增加导致粘度下降。

3.3 金属颗粒含量

柴油机正常工作磨损所产生的金属颗粒一般为0.5 μm～15.0 μm，小于5.0 μm的颗粒对滑油的性能基本无影响，出现大于12.0 μm的颗粒时，属于较严重的摩擦[7]。在试验中考虑异常磨损工作状态，选取直径为12.0 μm～15.0 μm的铁粉颗粒，将不同质量的铁粉依次加入到100 g的滑油中，配制得到充分混合的铁磨粒含量（质量分数）为均匀递增的润滑油试样。然后进行测试，得到介电常数和粘度与铁磨粒含量的关系如图5和图6所示。

图5 介电常数与金属颗粒的关系

图6 粘度与金属颗粒的关系

由图5可知，当铁粉颗粒浓度没有达到1.5%时，二者之间的关系表现出近似线性关特征，在一定成都上可以看出介电常数受到铁磨粒含量的影响，并且随着含量的增大逐步增大。但由于金属磨粒自身具有良好的扩散性能并且附着力较之于水更低，因此其对介电常数的影响较小；当铁粉含量超过1.5%后，在铁粉含量逐步增加的情况下介电常数会随之增加，并且增加的趋势逐渐变快。由图6可以看出，黏度随着铁颗粒含量的增加而增加。这是由于随着金属颗粒在滑油中的含量增加，颗粒在液相中的流动阻力随之增大。流动阻力增加，导致粘度增大[8]。