船舶柴油机润滑油黏度现场测量研究

唐 伟，田洪祥，李 婧，孙云岭

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

船舶柴油机润滑油黏度现场测量研究

唐 伟，田洪祥，李 婧，孙云岭

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

针对船舶柴油机润滑油黏度现场测量的问题，文章采用了基于Hele-Shaw原理的便携式快速黏度仪和某型流体特性传感器2种方法，配置了含柴油质量分数在0～11% 范围的5个润滑油柴油混合油样，对其黏度进行了测量，结果表明油样黏度与混入柴油质量分数之间存在显著的线性关系，并研究了2种方法的相关性。最后利用上述2种仪器检测了4台某型船舶柴油机的31个实际油液，数据表明2种方法均可用于船舶柴油机润滑油的黏度现场测量，其中1台柴油机的润滑油存在进柴油的故障。

润滑油；现场测量；Hele-Shaw原理；流体特性传感器

黏度是润滑油的重要理性指标，不仅能区分润滑油的型号，也是各种设备选用润滑油的重要依据[1]。它直接影响设备工作的磨损程度、工作效率和摩擦功率损失等。黏度过高，导致润滑油的流动性变差，降低润滑性能和润滑油的传热性，会引起摩擦副的润滑不足；黏度过低，导致润滑油的油膜变薄和负荷承载能力的下降，严重时可引起柴油机的拉缸或抱轴。国家规定柴油机油换油指标为黏度超过±25%[2]，美国也规定柴油机油换油指标为黏度超过±10%[3]。

柴油机在工作过程中，润滑油被燃油稀释是其常见故障之一[4]，船舶柴油机的润滑油如受到燃油污染，会降低其黏度，现场快速监测润滑油的黏度具有重要性和迫切性。利用4种标油检测了基于Hele-shaw原理的便携式快速黏度仪的可靠性，然后利用流体特性传感器和便携式快速黏度仪对实验室配置的不同质量比的柴油和润滑油的混合油样进行分析，得到润滑油黏度与混入柴油质量比的定量关系，同时对2种方法测量结果的线性显著性进行了分析。最后，分析了取自某型船舶4台柴油机的31个实际油液。测量结果显示3#柴油机润滑油持续被燃油稀释，及时报警，更换后恢复正常。

1 黏度测量的常用方法

黏度测量的常见方法有：毛细管法、落球法、旋转法、振动法、平板法、Hele-Shaw法、音叉法。本文采用基于Hele-Shaw原理的便携式快速黏度仪和基于音叉法的流体特性传感器2种方法，对船舶柴油机润滑油黏度的现场测量进行研究。

2 分析仪器和油液

2.1 分析仪器

1)基于Hele-Shaw原理的便携式快速黏度仪。便携式快速黏度仪是1台基于Hele-Shaw原理，用于工业现场黏度测量的的仪器，可以快速测量油液40 ℃时的黏度值。实物如图1所示。

图1 便携式快速黏度仪

2)流体特性传感器。FPS传感器是一种流体特性传感器，内部敏感元件主要是音叉，传感器实物如图2所示。该传感器可同时测量流体的黏度和温度。通过数字CAN J1939协议与主控制器连接，能快速的测量流体的黏度和温度。实验设备如图3所示。

图2 传感器实物

图3 传感器实验设备

2.2 标准油样

本文使用N10、N30、N120、N350 4种标准油样对便携式快速黏度仪进行校准。4种标准油样在40 ℃时的黏度如表1所示。

表1 4种标准油样40 ℃时的黏度 mm2/s

2.3 配置油样

按照柴油所占质量分数逐次减半的原则，配置含柴油11%、5.5%、2.75%、1.375%的混合机油。首先，取一定量的CD 15W-40机油，加入预定的柴油，配置含柴油质量分数11%的混合油样，摇匀后倒出一半左右的混合溶液，记为溶液A1，该溶液即为含柴油质量分数11%的混合油样；然后，往剩下溶液中加入与其相同质量的机油，摇匀后再倒出一半左右的混合溶液，记为A2，该溶液即为含柴油质量分数5.5%的混合油样；按照此方法配置含柴油质量分数为2.75%、1.375%的A3、A4配置油样，实际配置数据如表2。

表2 配置油样的实际数据

2.4 柴油机实际工作油样

取某船舶同型号4台柴油机共31个实际工作油样，其中1#柴油机9个，累计工作时间12 100 h；2#柴油机6个，累计工作时间12 100 h；3#柴油机8个，累计工作时间11 745 h；4#柴油机8个，累计工作时间11 745 h。

3 实验数据

3.1 标准油样的测试黏度

利用便携式快速黏度仪对4种标油的黏度进行测量，结果如表3所示。

表3 4种标准油样的测试黏度 mm2/s

3.2 配置油样的测试黏度

1)便携式快速黏度仪。使用便携式快速黏度仪进行测量时，对每个油样多次重复测量，直到连续3个数据误差在3%以内，取这3个数据的平均值作为该油样的黏度，测量结果如表4(A0为纯柴油机油)。

表4 便携式快速黏度仪测量结果 mm2/s

2)FPS传感器。使用FPS传感器测量时，分别对每个油样从50 ℃加热至58 ℃进行测量，利用MATLAB画出5个油样的黏度随温度变化的曲线，如图4所示。

图4 油样黏度随温度变化曲线

根据实验数据，利用最小二乘法拟合出各油样在56 ℃时的黏度如表5所示。

表5 FPS传感器56 ℃时各油样的黏度 mm2/s

3.3 实际工作油样的测试黏度

对某型号船舶的31个柴油机润滑油进行检测，发现3#柴油机8个润滑油存在黏度持续降低现象，记为油样Bi(i=1,2，…，8)。2种方法的测量结果分别如表6、表7所示。

表6 便携式快速黏度仪实际工作油样测量结果 mm2/s

表7 FPS传感器56 ℃时实际工作油样的拟合黏度 mm2/s

4 数据分析

4.1 标准油样的误差分析

设标准油样的黏度为μ0，便携式快速黏度仪测量结果为μ1，则便携式快速黏度仪测量值的相对误差为：

(1)

计算结果如表8所示。

表8 便携式快速黏度仪测量值的相对误差 %

由表8可知，便携式快速黏度仪对4种标油测量值的相对误差均小于1.5%(仪器性能参数为相对误差小于3%)，满足工程的实际需求。

4.2 黏度与燃油含量的关系

1)线性显著性分析。为检验2种方法得到的黏度值与机油中混入柴油的质量分数的线性相关性，利用相关系数γ进行检验[5]：

(2)

式中：xi为油样i中柴油的质量分数×100；yi为油样i黏度的测量值；lxx为样本x的方差；lyy为样本y的方差；lxy为样本x,y的协方差。

计算结果如表9所示，由|γ|接近1，说明2种方法的测量结果都具有显著的线性关系，负号表示油液的黏度随着燃油质量分数的增加而减少。查询相关系数临界表，由n=5可得2种方法测量结果的线性相关系数均达到了α=0.001的置信度水平。

表9 测量结果相关系数检测结果

2)线性拟合分析。由上述分析知，2种测量结果都具有良好的线性相关性，利用最小二乘法对2种方法的测量结果进行线性拟合。m为润滑油中混入柴油的质量分数，μ为黏度。

便携式快速黏度仪拟合结果为：μ=-3.143m+98.74，如图5所示。

图5 便携式快速运动黏度仪拟合结果

FPS传感器拟合结果为：μ=-1.106m+40.59，如图6所示。

图6 FPS传感器拟合结果

对比2种方法的拟合结果，黏度都随着混入柴油的质量分数的增大而线性减小。进一步分析，2种测量结果之间的线性相关系数为γ=0.988 4，达到了α=0.001置信度水平，2种测量结果之间有显著的线性关系。

4.3 实际油样的黏度变化分析

图7为3#柴油机润滑油黏度的变化曲线，由图7可以看出，2种方法的测量结果均显示，B1～B6油样黏度持续下降，在更换润滑油后，B7、B8油样黏度又基本与B1一样。以B1油样为基准，得到各油样黏度的相对变化率如图8所示。根据国家规定的柴油机换油指标(黏度超过±25%)，由图8可知，B5、B6油样的黏度变化率已超过国家规定的柴油机换油指标，在更换润滑油后，B7、B8油样黏度变化率均小于5%，以满足柴油机正常工作的需求。

图7 3#柴油机润滑油黏度的变化曲线

图8 3#柴油机润滑油黏度的相对变化率

5 结束语

1)柴油机润滑油中混入柴油会使黏度明显降低，且在混入柴油的质量分数在0～11% 的范围内满足显著的线性关系。便携式快速黏度仪拟合结果为：μ=-3.143m+98.74。FPS传感器拟合结果为：μ=-1.106m+40.59。

2)2种测量方法间有显著的线性相关性，都可用于船舶柴油机润滑油的黏度现场测量，结合柴油机润滑油的换油指标，可及时指示由于黏度异常下降的换油时机。

[1]杨其明，严新平，贺石中，等.油液监测分析现场实用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2] 柴油机换油指标.GB/T 7607—2010[S].北京:中国标准出版社，2011.

[3] ASTM D6224-09.Standard Practice for In-Service Monitoring of Lubricating Oil forAuxiliary Power Plant Equipment[S].USA:ASTM，2011.

[4] Larry A. Toms, Allison M. Toms. Machinery Oil Analysis[M].Society of Tribologists & Lubrication Engineers, 2008.

[5] 庄楚强，何春雄.应用数理统计基础[M].广州：华南理工大学出版社.2006.

Aiming at the problem of the in-situ measurement viscosity of lubricating oil from marine diesel two methods, which are a portable rapid viscometer based on Hele-Shaw principle and a certain type of fluid property sensor, were used.Five oil samples mixed with different fuel mass ratios between 0 to 11% were prepared,whose viscosity were measured. Results showed that there existed a significant linear relationship between the viscosity of oil samples and the mass ratio of fuel mixed. And the correlation of two methods are studied. Finally two viscometers as the above mentioned were used to monitor 31 oil samples from 4 marine diesel engines with same type. Measuring data showed that two methods can be used to in-situ monitor viscosity of from marine diesel engines.A fault of lubricating oil fueled was accurately diagnosed.

lubricating oil viscosity；in-situ measurement；Hele-Shaw principle；fluid property sensor

唐 伟(1990-)，男，江西上饶人，大学本科，主要从事船舶动力工程工作。

U664.121

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.011

2017-04-10