基于均勻設計的潤滑油復合基礎油體系研究

徐金龍,熊春華

(總后油料研究所,北京 102300)

基于均勻設計的潤滑油復合基礎油體系研究

徐金龍,熊春華

(總后油料研究所,北京 102300)

基礎油體系是影響潤滑油粘溫性能非常重要的因素。文章運用均勻設計法對 0W-40高級別潤滑油基礎油體系進行了試驗設計,并對粘溫性能的三個指標 100℃運動粘度、高溫高剪切粘度和 -35℃低溫動力粘度的試驗結果用逐步回歸技術進行處理,得出上述三個指標對基礎油的數學模型,最終對回歸模型進行最優化求解,得出的實測值與預報值基本一致,并達到了 0W-40的粘溫性能要求。

0W-40;潤滑油;發動機油;基礎油;均勻設計

Abstract:The base o il system is the important factorof affecting viscosity-temperature perform ance of lubricating oil.The base o il system of 0W-40 advanced lubricating oilw as form ulated w ith uniform-design in this paper.Based on the m easured results,three m athem atic models of kinem atic visco sity at 100℃,HTHS and CCS at-35℃w ere deduced by regression.By op t im ization w ith the above models,the m easured values accord w ith the predicted ones.

Key words:0W-40;lubricating oil;engine oil;base oil;uniform design

0 引言

在潤滑油配方研究中,通常需要經過如下步驟:①復合基礎油體系的確定;②添加劑復合規律考察以及配方篩選;③標準臺架的評定。其中,復合基礎油體系對于潤滑油的高低溫粘度及其他相關性能具有重要的影響。因此,在研究過程中,首先是根據經驗在配方中加入一定量的復合功能添加劑,然后加入 2～4種基礎油、粘度指數改進劑以及降凝劑作為復合基礎油體系,在滿足低溫性能的前提下盡量提高高溫性能,為了能夠最佳地平衡上述高低溫性能,需盡量減少輕組分基礎油、粘度指數改進劑以及降凝劑的用量并增加重組分基礎油的用量,正常情況下需幾十次試驗才能完成,而通過均勻設計法只需用較少的實驗即能摸清基礎油體系中各組分之間的相互關系以及對高低溫粘度的影響并確定出復合基礎油體系中各組分的最佳比例。

本文利用均勻設計軟件包將均勻設計運用于0W-40高級別潤滑油復合基礎油體系的研究,在短時間內就達到了上述研究目的,節省了試驗時間,加快了研究進度,為下一步配方研究奠定了基礎。

1 結果與討論

1.1 單一基礎油的篩選

潤滑油基礎油復合體系的研究,首先是單一基礎油的篩選,表 1是擬選基礎油的基礎數據。

項 目 合成油1 合成油2 合成油3 加氫礦物油1加氫礦物油2 酯類油1 酯類油2

表1 擬選基礎油基礎數據

根據 0W-40對高低溫粘度(見表 2)以及高溫抗氧化性能的要求,初步篩選了以合成油 1、合成油3和酯類油 1作為該復合體系的基礎油。

表2 0W-40潤滑油粘溫性能要求

1.2 粘度指數改進劑的篩選

為了改善潤滑油的粘溫性能,通常在多級油中需要添加粘度指數改進劑,尤其對 0W-40的高級別潤滑油來說更是如此,由于該潤滑油品的粘度級別跨度非常大,因此所篩選的粘度指數改進劑應具有非常好的抗剪切性能、良好的增粘性能、小的低溫動力粘度以及小的結焦性能,本項目從市場上挑選了 4種粘度指數改進劑對其進行了粘度增長率、永久剪切穩定指數(柴油噴嘴法)、-35℃低溫動力粘度以及成焦板焦重四個方面性能的考察,數據見表3。

表3 粘度指數改進劑的篩選

從表 3中可以看出,與其他粘度指數改進劑相比 3#具有非常好的抗剪切性能 (PSSI=5,最小),良好的增粘性能 (粘度增長率為 45%,適中),小的低溫動力粘度 (為 1810,比較小),小的結焦性能 (成焦板焦重為 8mg),因此選擇 3#粘度指數改進劑用于 0W-40高級別潤滑油基礎油復合體系的研究。

1.3 復合基礎油體系的研究

1.3.1 實驗設計

根據研究篩選出的合成油 1(X1)、合成油3(X2)、酯類油 1(X3)、粘度指數改進劑 3(X4),以及選定的國外 CI-4功能復合劑 (X5=常數),采用均勻設計包選用有約束配方設計確定出 4因素 8水平的U8(8

4)均勻設計表,對各個樣品進行了 100℃運動粘度、高溫高剪切粘度和 -35℃低溫動力粘度 的測定,試驗設計和結果見表 4。

表4 試驗設計和結果

1.3.2 試驗數據處理與分析

對均勻實驗設計試驗結果通常采用多元線性回歸方法進行處理[1],由于本試驗涉及四個變量,變量之間的相互影響是客觀存在的,為了解析不同變量之間的相互影響,采用逐步多元線性回歸法處理試驗結果。數學處理過程中根據方差分析選擇上側概率值小、相關系數高、自由度小的模型。由于采用了有約束配方設計,因此 X1+X2+X3+X4=1,所以在回歸分析中只使用 3個變量 X2、X3、X4。

(1)運動粘度 (100℃)(Y1)

運動粘度(100℃)數學模型的建立采用逐步回歸法,檢驗閾值 F1=F2=1.2,其結果表達式等如下:

方差分析見表5。

表5 方差分析

從回歸方程及方差分析表 5可以看出,該方程顯著性非常明顯(p=0.000001),相關系數較高 (R2=0.9994),方程可信;且粘度指數改進劑 (X4)對粘度的影響最大,隨著粘度指數改進劑的增加,粘度將會急劇增加,這與經驗配方的結果是相一致的。在試驗范圍內對回歸方程求最優解:X2=0.1276、X3= 0.0930、X4=0.2731、X1=0.5063,Y(運動粘度最大) =36.5902。

(2)高溫高剪切粘度 (Y2)

高溫高剪切粘度數學模型的建立采用逐步回歸法,檢驗閾值 F1=F2=1.2,其結果表達式等如下:

方差分析見表6。

表6 方差分析

從回歸方程及方差分析表可以看出,該方程顯著性非常明顯 (p=0.000002),相關系數較高(R2=0.9946),方程可信;且粘度指數改進劑(X4)對低溫動力粘度的影響最大,隨著粘度指數改進劑的增加,粘度將會急劇增加,這與經驗配方的結果是相一致的。在試驗范圍內對回歸方程求最優解:X2=0.1276、X3=0.093、X4= 0.2731、X1=0.5063,Y(高溫高剪切粘度最大) =6.1059。

(3)低溫動力粘度 (-35℃)(Y3)

低溫動力粘度 (-35℃)數學模型的建立采用逐步回歸法,檢驗閾值 F1=F2=7.3,其結果表達式等如下:方差分析見表7。

表7 方差分析

從回歸方程及方差分析表 7可以看出,該方程顯著性非常明顯(p=0.000483),相關系數較高 (R2=0.9967),方程可信;且 X2、X3、X4對低溫動力粘度均有影響。在試驗范圍內對回歸方程求最優解:X2=0.0151、X3=0.1159、X4=0.0139、X1=0.8551,Y (-35℃低溫動力粘度最小)=2851。

(4)綜合最優解預測與實測值

通過均勻設計方法得到了不同因子對 0W-40高級別潤滑油基礎油體系三個指標 100℃運動粘度、高溫高剪切粘度以及 -35℃低溫動力粘度數學模型,根據該數學模型設計出滿足 0W-40質量指標要求的綜合解:當 X1=0.5750、X2=0.085、X3= 0.0850、X4=0.1150時,得到的預測結果能夠滿足0W-40質量指標要求,預測值與對應的實測值見表8,從表 8中可以看出根據預測的最優解得出的實測值與預測值基本一致,得出的 0W-40高級別潤滑油的基礎油體系可用于后續的功能單劑配方技術研究。

表8 均勻設計模型預測與實測值驗證

2 結論

(1)運用均勻設計進行復合基礎油體系的研究,可以明顯減少試驗次數,降低研究成本,得出基礎油各組分間的相互關系,根據該模型可預測出不同粘溫要求的最優配方。

(2)得出的復合基礎油體系,完全符合 0W-40粘溫性能要求,可用于后續功能單劑配方技術研究。

[1]杜明亮,方開泰.多種建模方法用于均勻設計試驗的思考[C]∥均勻試驗設計學術交流會論文集,北京,2007: 112-125.

S tudy on B ase O il System of L ub rica ting O il w ith U n iform-D esign

XU J in-long,X IONG Chun-hua
(POL Research Institute of GeneralLogistics Dep t,PLA,Beijing 102300,China)

TE626.3

A

2010-04-06。

徐金龍(1976-),碩士研究生,工程師,2002年畢業于北京化工大學工業催化專業,主要從事潤滑油品的論證、研制及應用研究工作,已公開發表文章數篇。

1002-3119(2010)05-0053-04