四球法在柴油抗磨劑潤滑性能評價中的應用研究

張 和，賈 昕，謝一民，李曉靜，楊惠琳,3

(1.寧夏煤化工檢測重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏寶塔化工中心實驗室(有限公司)，寧夏 銀川 750002； 3.寧夏寶塔石化科技實業發展有限公司，寧夏 銀川 750002)

隨著經濟的快速發展，柴油的用量大大增加，帶來的空氣污染日益嚴重。國家對油品硫含量的要求越來越高，低硫和超低硫柴油的生產是大勢所趨[1-3]。但由于柴油中可以起到抗磨作用的氧、氮化物及多環、雙環芳烴等化合物在加氫精制工藝流程中被脫除，所以柴油潤滑性差的問題比較突出，容易導致機動車發動機出現磨損失效[4]。因此，低硫柴油的抗磨性研究已成為國內外的研究熱點和重點，其中向低硫加氫柴油中加入抗磨劑是最簡單有效的方法。潤滑性能是柴油抗磨劑的重要指標之一，目前用于評價潤滑性的方法大多是高頻往復試驗機(HFRR)，但由于該試驗機價格昂貴，操作較為繁瑣，因此尋求一種簡單的方法來評價柴油抗磨劑的潤滑性能也是當今研究的熱點，而四球試驗機由于結構簡單、試件便宜、試驗省油、試件接觸點單位面積上接觸壓力較大，通過鋼球的磨癍直徑大小來反映潤滑性能的優劣，磨癍直徑越大，潤滑性能越差，反之則越優[5-6]。本文通過四球法評價自制柴油抗磨劑的磨癍直徑來確定其潤滑性的優劣，分別考察了運行時間、負載大小以及轉速對磨癍直徑的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器及藥品

鋼球：四球機專用試驗鋼球，材料為優質鉻合金軸承鋼GCrl5，直徑12.7 mm，洛氏硬度HRC64-660；石油醚：60-90℃，分析純；乙醇：分析純；柴油(寧夏寶塔石化煉油廠)；自制柴油抗磨劑(ZKM)；四球試驗機及相關配套設備。

1.2 試驗方法

1.2.1 前期準備

打開四球試驗機電腦控制屏幕，將主軸轉速調到1200～1500r/min，運行時間設置為60～90min，打開伺服電機開始空轉預熱；用無水乙醇超聲清洗鋼球、球盒、夾頭及在試驗過程中與試樣接觸的其他零件，再用石油醚清洗兩次，然后吹干備用，清洗后的鋼球應光潔無銹斑。

1.2.2 試驗過程

前期準備工作結束后，在室溫條件下，(1)設定不同的主軸轉速、試驗負荷、試驗時間，(2)將三個干凈的鋼球裝入球盒中，緩慢將固定環壓在三個鋼球上，上緊鎖緊螺母，(3)將待測試樣緩慢引流裝滿球盒，避免帶進氣泡，使其與鎖緊螺母頂面相平，(4)將另一個干凈的鋼球裝入夾頭，然后把夾頭牢固地固定在試驗機主軸上，(5)最后將球盒放在試驗機球盒座上，使頂球與球盒中三個鋼球接觸，施加規定負荷使杠桿平衡，啟動伺服電機開始試驗，(6)試驗結束后關閉伺服電機，降低球盒組件，取下球盒，倒掉試樣后用軟布或紙擦凈試球及球盒中多余的試樣，用顯微鏡測量三個鋼球的每個鋼球兩個位置(與旋轉方向垂直和平行的兩個方向)的磨痕直徑，精確至0.01 mm，求平均值。

2 結果與討論

準確稱取100 g試驗柴油，加入自制柴油抗磨劑0.0200 g(添加量：200 ppm)，充分搖勻待用。

2.1 試驗時間對磨癍直徑的影響

采用單因素考察的方法，設定四球機主軸轉速為1000 r/min，負載為0.5 kg，杠桿倍數為20，分別研究了不同試驗時間條件下對鋼球平均磨癍直徑大小的影響，結果見表1。

表1 試驗時間對磨癍直徑的影響

注：主軸轉速：1000r/min；負載：0.5kg；杠桿倍數：20。

由表1所得數據表明，在其他參數相同條件下，隨著試驗時間的延長，鋼球的平均磨癍直徑在增大，在30min和45min運行時間內，鋼球的磨癍直徑均小于460 μm，滿足抗磨劑使用要求；而當試驗時間超過60min時，鋼球的平均磨癍直徑達到475 μm以上，滿足不了市場抗磨劑的指標要求，原因可能是由于隨著試驗時間的增長，抗磨劑在鋼球接觸點之間形成的薄膜會逐漸破裂，從而導致潤滑性能的下降，鋼球磨癍直徑增大，因此該研究結果表明試驗時間為30min為較優試驗時間。

2.2 主軸轉速對磨癍直徑的影響

采用單因素考察的方法，設定試驗時間為30min，負載為0.5 kg，杠桿倍數為20，分別研究了不同主軸轉速條件下對鋼球平均磨癍直徑大小的影響，結果見表2。

表 2 主軸轉速對磨癍直徑的影響

注：試驗時間：30min；負載：0.5kg；杠桿倍數：20。

由表2所得數據表明，在其他參數相同條件下，隨著主軸轉速的增大，鋼球的平均磨癍直徑基本呈增大趨勢，主軸轉速在1200 r/min內時，鋼球平均磨癍直徑均在460 μm之內，當主軸轉速達到1500 r/min時，鋼球平均磨癍直徑增大幅度較大，這可能是因為轉速過高，鋼球表面應力增大，破壞油膜導致的結果，因此作為優選的主軸轉速為1000 r/min。

2.3 試驗負荷對磨癍直徑的影響

采用單因素考察的方法，設定試驗時間為30min，主軸轉速為1000 r/min，杠桿倍數為20，分別研究了不同負載條件下對鋼球平均磨癍直徑大小的影響，結果見表3。

由表3所得數據表明，在其他參數相同條件下，隨著負載砝碼的加大，鋼球的平均磨癍直徑基本呈增大趨勢，柴油抗磨劑的潤滑性能下降，因為隨著負載的加大，鋼球接觸點之間的作用力會增大，相應的摩擦系數會增大，受力太大也會產生摩擦熱，導致油膜瞬間發生破裂而發生咔咬現象，因此作為優選的負載大小為0.65 kg。

表 3 試驗負載對磨癍直徑的影響

注：試驗時間：30min；主軸轉速：1000 r/min；杠桿倍數：20。

2.4 空白試驗

準確稱取100 g試驗柴油，不任何添加劑，充分搖勻后用本研究最有的試驗條件進行試驗，數據結果見表4。

表4 空白試驗數據

注：試驗時間：30min；主軸轉速：1000r/min；杠桿倍數：20；負載：0.65kg。

由表4空白柴油的鋼球磨癍直徑來看，自制柴油抗磨劑有較好的潤滑性能，并且優化的測試條件也適用于表征柴油抗磨劑的潤滑性能。

3 結論

本論文采用單因素變量法研究了四球模擬試驗機在柴油抗磨劑潤滑性能評價中的應用，分別考察了試驗時間、主軸轉速以及負載大小對鋼球平均磨癍直徑大小的影響，從而間接研究了不同測試條件對柴油抗磨劑潤滑性能的影響，優化了試驗測試條件。研究結果表明，四球模擬試驗機評價柴油抗磨劑潤滑性能的最優條件為：試驗時間30min，主軸轉速1000 r/min，負載大小0.65 kg，杠桿倍數為20。

[1]Anastopoulos G,Lois E,Zannikos F,et al.Influence of aceto acetic esters and di-carboxylic acid esters on diesel fuel lubricity[J].Tribology International,2001,34:749-755．

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[4]張小劉,雷克林,夏明桂,等.單油酸甘油酯復配型柴油抗磨劑的制備及其性能研究[J].煉油技術與工程,2014,44(1):61-64.

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