船舶柴油機潤滑油黏度現場測量研究

唐 偉，田洪祥，李 婧，孫云嶺

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

船舶柴油機潤滑油黏度現場測量研究

唐 偉，田洪祥，李 婧，孫云嶺

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

針對船舶柴油機潤滑油黏度現場測量的問題，文章采用了基于Hele-Shaw原理的便攜式快速黏度儀和某型流體特性傳感器2種方法，配置了含柴油質量分數在0～11% 范圍的5個潤滑油柴油混合油樣，對其黏度進行了測量，結果表明油樣黏度與混入柴油質量分數之間存在顯著的線性關系，并研究了2種方法的相關性。最后利用上述2種儀器檢測了4臺某型船舶柴油機的31個實際油液，數據表明2種方法均可用于船舶柴油機潤滑油的黏度現場測量，其中1臺柴油機的潤滑油存在進柴油的故障。

潤滑油；現場測量；Hele-Shaw原理；流體特性傳感器

黏度是潤滑油的重要理性指標，不僅能區分潤滑油的型號，也是各種設備選用潤滑油的重要依據[1]。它直接影響設備工作的磨損程度、工作效率和摩擦功率損失等。黏度過高，導致潤滑油的流動性變差，降低潤滑性能和潤滑油的傳熱性，會引起摩擦副的潤滑不足；黏度過低，導致潤滑油的油膜變薄和負荷承載能力的下降，嚴重時可引起柴油機的拉缸或抱軸。國家規定柴油機油換油指標為黏度超過±25%[2]，美國也規定柴油機油換油指標為黏度超過±10%[3]。

柴油機在工作過程中，潤滑油被燃油稀釋是其常見故障之一[4]，船舶柴油機的潤滑油如受到燃油污染，會降低其黏度，現場快速監測潤滑油的黏度具有重要性和迫切性。利用4種標油檢測了基于Hele-shaw原理的便攜式快速黏度儀的可靠性，然后利用流體特性傳感器和便攜式快速黏度儀對實驗室配置的不同質量比的柴油和潤滑油的混合油樣進行分析，得到潤滑油黏度與混入柴油質量比的定量關系，同時對2種方法測量結果的線性顯著性進行了分析。最后，分析了取自某型船舶4臺柴油機的31個實際油液。測量結果顯示3#柴油機潤滑油持續被燃油稀釋，及時報警，更換后恢復正常。

1 黏度測量的常用方法

黏度測量的常見方法有：毛細管法、落球法、旋轉法、振動法、平板法、Hele-Shaw法、音叉法。本文采用基于Hele-Shaw原理的便攜式快速黏度儀和基于音叉法的流體特性傳感器2種方法，對船舶柴油機潤滑油黏度的現場測量進行研究。

2 分析儀器和油液

2.1 分析儀器

1)基于Hele-Shaw原理的便攜式快速黏度儀。便攜式快速黏度儀是1臺基于Hele-Shaw原理，用于工業現場黏度測量的的儀器，可以快速測量油液40 ℃時的黏度值。實物如圖1所示。

圖1 便攜式快速黏度儀

2)流體特性傳感器。FPS傳感器是一種流體特性傳感器，內部敏感元件主要是音叉，傳感器實物如圖2所示。該傳感器可同時測量流體的黏度和溫度。通過數字CAN J1939協議與主控制器連接，能快速的測量流體的黏度和溫度。實驗設備如圖3所示。

圖2 傳感器實物

圖3 傳感器實驗設備

2.2 標準油樣

本文使用N10、N30、N120、N350 4種標準油樣對便攜式快速黏度儀進行校準。4種標準油樣在40 ℃時的黏度如表1所示。

表1 4種標準油樣40 ℃時的黏度 mm2/s

2.3 配置油樣

按照柴油所占質量分數逐次減半的原則，配置含柴油11%、5.5%、2.75%、1.375%的混合機油。首先，取一定量的CD 15W-40機油，加入預定的柴油，配置含柴油質量分數11%的混合油樣，搖勻后倒出一半左右的混合溶液，記為溶液A1，該溶液即為含柴油質量分數11%的混合油樣；然后，往剩下溶液中加入與其相同質量的機油，搖勻后再倒出一半左右的混合溶液，記為A2，該溶液即為含柴油質量分數5.5%的混合油樣；按照此方法配置含柴油質量分數為2.75%、1.375%的A3、A4配置油樣，實際配置數據如表2。

表2 配置油樣的實際數據

2.4 柴油機實際工作油樣

取某船舶同型號4臺柴油機共31個實際工作油樣，其中1#柴油機9個，累計工作時間12 100 h；2#柴油機6個，累計工作時間12 100 h；3#柴油機8個，累計工作時間11 745 h；4#柴油機8個，累計工作時間11 745 h。

3 實驗數據

3.1 標準油樣的測試黏度

利用便攜式快速黏度儀對4種標油的黏度進行測量，結果如表3所示。

表3 4種標準油樣的測試黏度 mm2/s

3.2 配置油樣的測試黏度

1)便攜式快速黏度儀。使用便攜式快速黏度儀進行測量時，對每個油樣多次重復測量，直到連續3個數據誤差在3%以內，取這3個數據的平均值作為該油樣的黏度，測量結果如表4(A0為純柴油機油)。

表4 便攜式快速黏度儀測量結果 mm2/s

2)FPS傳感器。使用FPS傳感器測量時，分別對每個油樣從50 ℃加熱至58 ℃進行測量，利用MATLAB畫出5個油樣的黏度隨溫度變化的曲線，如圖4所示。

圖4 油樣黏度隨溫度變化曲線

根據實驗數據，利用最小二乘法擬合出各油樣在56 ℃時的黏度如表5所示。

表5 FPS傳感器56 ℃時各油樣的黏度 mm2/s

3.3 實際工作油樣的測試黏度

對某型號船舶的31個柴油機潤滑油進行檢測，發現3#柴油機8個潤滑油存在黏度持續降低現象，記為油樣Bi(i=1,2，…，8)。2種方法的測量結果分別如表6、表7所示。

表6 便攜式快速黏度儀實際工作油樣測量結果 mm2/s

表7 FPS傳感器56 ℃時實際工作油樣的擬合黏度 mm2/s

4 數據分析

4.1 標準油樣的誤差分析

設標準油樣的黏度為μ0，便攜式快速黏度儀測量結果為μ1，則便攜式快速黏度儀測量值的相對誤差為：

(1)

計算結果如表8所示。

表8 便攜式快速黏度儀測量值的相對誤差 %

由表8可知，便攜式快速黏度儀對4種標油測量值的相對誤差均小于1.5%(儀器性能參數為相對誤差小于3%)，滿足工程的實際需求。

4.2 黏度與燃油含量的關系

1)線性顯著性分析。為檢驗2種方法得到的黏度值與機油中混入柴油的質量分數的線性相關性，利用相關系數γ進行檢驗[5]：

(2)

式中：xi為油樣i中柴油的質量分數×100；yi為油樣i黏度的測量值；lxx為樣本x的方差；lyy為樣本y的方差；lxy為樣本x,y的協方差。

計算結果如表9所示，由|γ|接近1，說明2種方法的測量結果都具有顯著的線性關系，負號表示油液的黏度隨著燃油質量分數的增加而減少。查詢相關系數臨界表，由n=5可得2種方法測量結果的線性相關系數均達到了α=0.001的置信度水平。

表9 測量結果相關系數檢測結果

2)線性擬合分析。由上述分析知，2種測量結果都具有良好的線性相關性，利用最小二乘法對2種方法的測量結果進行線性擬合。m為潤滑油中混入柴油的質量分數，μ為黏度。

便攜式快速黏度儀擬合結果為：μ=-3.143m+98.74，如圖5所示。

圖5 便攜式快速運動黏度儀擬合結果

FPS傳感器擬合結果為：μ=-1.106m+40.59，如圖6所示。

圖6 FPS傳感器擬合結果

對比2種方法的擬合結果，黏度都隨著混入柴油的質量分數的增大而線性減小。進一步分析，2種測量結果之間的線性相關系數為γ=0.988 4，達到了α=0.001置信度水平，2種測量結果之間有顯著的線性關系。

4.3 實際油樣的黏度變化分析

圖7為3#柴油機潤滑油黏度的變化曲線，由圖7可以看出，2種方法的測量結果均顯示，B1～B6油樣黏度持續下降，在更換潤滑油后，B7、B8油樣黏度又基本與B1一樣。以B1油樣為基準，得到各油樣黏度的相對變化率如圖8所示。根據國家規定的柴油機換油指標(黏度超過±25%)，由圖8可知，B5、B6油樣的黏度變化率已超過國家規定的柴油機換油指標，在更換潤滑油后，B7、B8油樣黏度變化率均小于5%，以滿足柴油機正常工作的需求。

圖7 3#柴油機潤滑油黏度的變化曲線

圖8 3#柴油機潤滑油黏度的相對變化率

5 結束語

1)柴油機潤滑油中混入柴油會使黏度明顯降低，且在混入柴油的質量分數在0～11% 的范圍內滿足顯著的線性關系。便攜式快速黏度儀擬合結果為：μ=-3.143m+98.74。FPS傳感器擬合結果為：μ=-1.106m+40.59。

2)2種測量方法間有顯著的線性相關性，都可用于船舶柴油機潤滑油的黏度現場測量，結合柴油機潤滑油的換油指標，可及時指示由于黏度異常下降的換油時機。

[1]楊其明，嚴新平，賀石中，等.油液監測分析現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2] 柴油機換油指標.GB/T 7607—2010[S].北京:中國標準出版社，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] 莊楚強，何春雄.應用數理統計基礎[M].廣州：華南理工大學出版社.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 偉(1990-)，男，江西上饒人，大學本科，主要從事船舶動力工程工作。

U664.121

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.011

2017-04-10