某型柴油机润滑油磨粒定量分析实验研究*

孙云岭，李 飞，田洪祥，何 伟

（海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033）

柴油机运行过程中会不可避免的发生磨损，流经摩擦副表面的润滑油携带磨粒进入润滑系统。因此，可通过油液磨粒分析获知设备磨损信息（磨粒含量用以指示磨损阶段，磨粒成分用以指示磨损位置，磨粒尺寸用以指示磨损程度，磨粒形貌用以判断磨损机理）[1]，为评价机器运行状态、预测诊断设备故障提供有力指导。

某型柴油机耐久性试验过程中，共采集了24个代表性油样，对油样进行理化性能分析，发现润滑油被燃油稀释[2]。考虑到被稀释的润滑油润滑性能大幅下降，可能引发异常磨损，遂决定分析油样磨粒情况。初步采用铁量仪、磁力法和油料原子发射光谱仪对上述油样磨粒进行定量分析，研究各磨损阶段磨粒含量的变化规律。

1 监测对象介绍

监测对象为某型船用柴油机，转速范围为0～750 r/min，额定功率为1 630 kW，润滑油牌号为昆仑DCC4008。可靠性试验运行过程中，因燃油稀释2次更换润滑油，因滑油消耗2次补油；试验期间共取了24个油样，根据磨损特性曲线[3]，试验前期和后期磨损较快，取样间隔较小，中期磨损缓慢，取样间隔较长。取样时间如表1所示。

表1 油样取样时间

图1 测量仪器

2 某型柴油机润滑油磨粒定量检测

2.1 检测装置及原理

测量仪器包括铁量仪、磁力法装置、油料原子发射光谱仪，分别如图1（a）、（b）、（c）所示；辅助设备及材料有烘箱、一次性移液管、油样管等。

铁量仪：基于电磁感应原理，由1个初级线圈和2个相同的反向串联次级线圈组成。当铁磁性磨粒进入其中一个次级线圈时，该线圈产生感应电动势使2次级线圈间输出与磨粒含量相关的电压差值[4]。

磁力法装置：基于强磁场对油样铁磁性磨粒的吸引力，用油样置于磁场前后的质量变化间接反映铁磁性磨粒含量[5]。

油料原子发射光谱仪：基于金属原子受高能激发辐射特征光线实现对各元素的定性定量分析，文献[6]详细介绍了这种设备的工作原理。

2.2 实验步骤及结果

铁量仪操作步骤：将待测油样放入烘箱中加热至约65℃并保温30 min，用手剧烈振荡油样至少1 min后，移取2ml待测油样至油样管中。让油样管缓缓自然落入测量池中，注意避免油样管与测量池侧壁碰撞以及周围磁场对测量过程产生的影响，记录仪器显示的数据。检测待测油样前，需要使用铁磁性磨粒含量为0μg/g和900μg/g的标准油样对仪器进行标定检验。

磁力法操作步骤：先将900μg/g的标准油样放于塑料支架的左侧，清零天平读数，再将其放于塑料支架右侧等距位置的孔中，记录天平读数，对0μg/g的标准油样进行相同操作；再将待测油样按相同步骤测量，记录天平读数；最后将待测油样的测量结果与0μg/g和900μg/g标准油样的结果进行比较换算，即可得到待测油样的铁磁性磨粒含量。

原子发射光谱仪操作步骤：将待测油样放入烘箱中加热至65℃左右并保温30 min，用手剧烈振荡油样至少1 min后，将样品皿中注满待测油样；安装盘电极和棒电极；将注满油样的样品皿放置在仪器激发室的样品台上；调整样品台位置，开始检测。

分别按照上述方法步骤分析油样。其中，每个油样用磁力法测量10次，用铁量仪测量20次（铁量仪易受环境因素干扰且仪器操作方便，故增加测量次数），剔除粗大测量误差，分别计算均值，结果如图2和图3所示。

图2 铁量仪与磁力法检测结果对比

图3 主要元素光谱数据

2.3 实验数据分析

分析图2和图3可知：

（1）铁量仪和磁力法监测结果基本一致，数据差异原因在于两者工作原理不同，铁量仪测得的是油样中铁磁性和非铁磁性磨粒综合作用的结果，而磁力法测得的只是铁磁性磨粒作用的结果[7]；前23个油样，磨粒含量在-10μg/g～0μg/g内波动，说明油液铁磁性磨粒含量低；第24个油样磨粒含量剧烈增至60μg/g以上，再结合光谱数据可知柴油机发生异常磨损，需进一步分析。

（2）发射光谱相关元素含量数据亦有类似2.3（1）中的变化趋势，证明上述铁量仪和磁力法比较可靠。

（3）1-23号油样铁量仪与磁力法监测结果为负值，与光谱数据偏差较大，原因在于这两种方法易受非铁磁性磨粒干扰，对微量铁磁性磨粒检测效果不好；而24号油样光谱仪Fe元素含量值比铁量仪及磁力法的测量值小很多，原因在于原子发射光谱仪对大磨粒不敏感[8]。

（4）由箱形图法[9]计算可得各元素异常浓度阈值为：Fe4.3μg/g、Cu1.9μg/g、Pb0.9μg/g、Al1.9μg/g，根据光谱数据，1-20号油样各元素浓度正常；21号油样Al元素含量超过异常值；22号油样Pb元素含量超过异常值；23号油样，Fe、Cu元素含量稍有增加接近异常值，出现了异常磨损趋势，需引起注意；24号油样各元素浓度剧烈增加，说明发生了严重异常磨损，根据柴油机主要摩擦副表面材料[10]，考虑磨损可能发生在轴瓦及衬套等部件表面，需拆机检修进行验证。

3 拆机检修

由实验结果分析判断，柴油机已出现了明显的异常磨损，对柴油机拆机检修，发现各缸连杆大端轴承的上轴瓦表面严重磨损，伴有露铜迹象，第五缸铝合金活塞裙部已有擦伤，进一步证实了上述分析结果。轴瓦表面磨损情况如图4所示。

图4 轴瓦表面磨损情况

4 结论

铁量仪、磁力法装置、油料原子发射光谱仪适用于铁磁性磨粒的定量分析研究，可初步诊断设备磨损状况；其中，光谱仪还可有效监测非铁磁性磨粒，弥补了铁量仪与磁力法装置的不足。

铁量仪与磁力法装置操作简单，方便快捷，适于现场快速检测，但存在一定的测量误差。原子发射光谱仪可监测多种金属磨损元素，但对大尺寸磨粒不敏感。对实装柴油机磨粒监测时，建议先用铁量仪和磁力法装置现场快速定量分析，当发现异常磨损趋势时，再用原子发射光谱仪等实验室设备进一步定性分析，综合多种方法全面评估设备磨损状态。