陶瓷基自修復材料在某型艦用柴油機上的應用研究

鄭遠春，袁慧五

(92571部隊，海南 三亞 572021)

陶瓷基自修復材料
在某型艦用柴油機上的應用研究

鄭遠春，袁慧五

(92571部隊，海南 三亞 572021)

文章運用多種監測技術，綜合評價陶瓷基自修復材料應用于某型艦用柴油機后的性能狀況，發現陶瓷基自修復材料能有效減緩柴油機摩擦副的磨損，改善柴油機性能，而不對柴油機潤滑油粘度產生不良影響。陶瓷基自修復材料在艦用柴油機上具有良好的應用前景。

監測技術；自修復材料；潤滑油；柴油機性能

艦用柴油機因工作時間長、強度大，離靠碼頭時正、倒車啟動頻繁，極易造成缸套、活塞和活塞環等摩擦副磨損，導致柴油機故障頻發。解決這些磨損故障的傳統修理方法主要是修刮、研磨和更換摩擦副，但這些方法運用起來費時費力，費用較高，而且經修理后的摩擦部件還會反復出現此類故障[1]。目前，國內外出現了一種金屬磨損自修復技術，現已在我國鐵路機車、空軍飛機和火箭軍的軍事裝備中廣泛應用并取得了良好的效果，但在艦用柴油機上的應用尚屬空白。將金屬磨損自修復材料應用于艦用柴油機潤滑油時，能否在不影響柴油機潤滑油磨損微粒含量和理化性能指標的前提下，減緩艦用柴油機摩擦副的磨損，從而改善柴油機性能，這是本文要探討的主要問題。

目前，國內外研發的金屬磨損自修復材料種類繁多，其主要分為陶瓷基、金屬基和聚合物基這三大類型[2]。由于它們的性能各異，且應用時受到不同條件的影響[3]，將它們應用于艦用柴油機也必將產生不同的效果，這就需要運用合適的技術手段對金屬磨損自修復材料的應用效果進行綜合評價。本文選用某公司生產的陶瓷基自修復材料，將其按照一定比例添加于某型艦用柴油機中，綜合采用振動與噪聲監測、動力性能參數監測和油液監測等技術手段，對這種陶瓷基自修復材料在艦用柴油機上的應用效果進行系統研究，為減少裝備維修費用，延長裝備使用壽命探索一條新的途徑，也進一步拓展狀態監測技術在艦船維修管理上的應用范圍。

1 陶瓷基自修復材料的作用機理

陶瓷基自修復材料的減磨作用機理與潤滑油添加劑完全不同，它不與油品發生化學反應，不改變油品的黏度和性質，無毒副作用，在常溫下的化學性質十分穩定，是一種全新的表面強化技術。添加陶瓷基自修復材料后，會在金屬磨損表面生成保護層，且保護層的生成速度和厚度與摩擦釋放的能量和修復顆粒的數量成正比。當修復微粒數量充足且摩擦釋放的能量大時，保護層增長速度就快；當摩擦間隙得到補償，摩擦釋放的能量降低，保護層增長速度就放緩；最終置換反應停止，保護層停止生成。因此，修復微粒發生化學反應生成保護層是有選擇性的，它只在金屬的磨損部位發生，在非磨損部位上，修復微粒是不發生化學反應的，仍然被油液攜帶著流動。保護層不僅能夠補償缺陷，使零件恢復原始形狀，還可以優化配合間隙，利于降低摩擦振動，減小噪音，節約能源，而陶瓷基自修復材料本身不會對試驗設備的安全性產生影響[4]。

2 測試方案和結果

選用2臺同型號1#、2#艦用柴油機進行試驗，在相同工況下，分別測試1#、2#柴油機的整機振動烈度、柴油機艙室噪聲、啟動性能、動力性能、潤滑油磨損元素含量和黏度指標，然后將陶瓷基自修復材料按照一定的比例添加到1#柴油機潤滑油中，當2臺機器同時運行250 h后，在相同工況下，分別對2臺柴油機及其潤滑油進行測試，從而對1#柴油機應用陶瓷基自修復材料前后的機器性能進行比較。與此同時，在相同工況下，將未添加陶瓷基自修復材料的2#柴油機與1#柴油機進行性能比較，以此評價陶瓷基自修復材料應用于艦用柴油機后性能狀況。為保證測試結果的可比性，試驗選定在同一海域、相同海況下進行，測試時柴油機穩定在額定轉速運行，始終保持同一臺副機工作；柴油機啟動性能測試選擇艦艇在碼頭停泊狀態下進行。

2.1 振動與噪聲測試

為了提高振動與噪聲監測數據的可比性，測試按照相關國家標準進行。其中柴油機振動烈度測試采用GB/T 7184—2008《中小功率柴油機振動測量及評價》，測試儀器采用Vibxpert綜合故障診斷儀；柴油機機艙的艙室噪聲測試采用GB/T 4595—2000《船上噪聲測量》，測試儀器用NL-22噪聲測量儀。測試結果見表1。

表1 柴油機振動烈度與機艙艙室噪聲測試數據

對表1數據分析發現，運行250 h后，1#柴油機的整機振動烈度和柴油機艙室噪聲明顯降低，未添加陶瓷基自修復材料的2#柴油機的整機振動烈度和艙室噪聲有明顯惡化。

2.2 啟動和運行性能參數測試

柴油機的啟動性能參數主要考慮冷態啟動時間、換向啟動時間和相同氣瓶壓力下的啟動次數，測試儀器為秒表；柴油機的運行性能主要考慮汽缸爆炸壓力、壓縮壓力和排氣溫度。測試儀器分別為爆炸壓力表和溫度計，測試結果見表2和表3。

表2 柴油機啟動性能參數測試數據

表3 柴油機運行性能參數測試數據

通過對表2和表3 柴油機性能參數測試數據分析發現，添加陶瓷基自修復材料并運行250 h后，1#柴油機的啟動和換向時間均減少，相同氣瓶壓力下的啟動次數增加，爆炸壓力和壓縮壓力都有明顯的增加，未添加陶瓷基自修復材料的2#柴油機的相同性能指標均沒有改善，甚至有所惡化，說明這種陶瓷基自修復材料對改善柴油機性能具有一定的效果。

2.3 潤滑油金屬磨損元素含量和粘度指標測試

對2#柴油機和添加了陶瓷基自修復材料的1#柴油機運行250 h前后的潤滑油取樣分析，用超譜M型原子發射光譜儀檢測潤滑油中磨損金屬元素含量，檢測數據見表4；用S-FLOW850型自動黏度計檢測潤滑油100 ℃時的運動黏度。

表4 柴油機潤滑油光譜分析數據 μg/g

通過對表4中的柴油機潤滑油光譜數據分析發現，1#柴油機添加陶瓷基自修復材料運行250 h時前后，鐵、鉻、鉛、銅、鋁、錫和鎳等磨損金屬元素含量沒有明顯增加，而未添加陶瓷基自修復材料的2#柴油機運行250 h后，潤滑油中的鉛、銅含量含量增加明顯，尤其是銅元素含量增大有15倍之多，說明陶瓷基自修復材料能有效地減緩柴油機摩擦副的磨損，改善柴油機性能。

對添加陶瓷基自修復材料的1#柴油機運行250 h前、后潤滑油的黏度指標進行了測試，發現其100 ℃時運動黏度為13.84 mm2/s和13.55 mm2/s，幾乎沒有變化，說明陶瓷基自修復材料不會對潤滑油的黏度產生不良影響。

3 結束語

通過對艦用柴油機添加陶瓷基自修復材料前后采用振動與噪聲監測、啟動和運行參數測試、潤滑油磨損金屬元素光譜分析和黏度指標測試，可以得出如下結論。

1)添加陶瓷基自修復材料后，艦用柴油機整機振動烈度明顯減小，艙室噪聲明顯降低，啟動性能和運行性能明顯改善。

2)陶瓷基自修復材料能夠有效地減緩柴油機摩擦副的磨損，改善柴油機性能，對潤滑油不會產生不良影響。

3)在艦用柴油機上應用陶瓷基金屬磨損自修復材料，將會產生可觀的經濟軍事效益。

[1]段樹林,于洪亮, 魏海軍,等. SKL8NVD-36A柴油機應用金屬磨損自修復劑的試驗研究[J]. 潤滑與密封，2007, 32(5): 137-139.

[2]戴樂陽, 孟榮剛, 陳景鋒,等. 金屬磨損自修復納米顆粒的研究進展[J].中國修船, 2012, 25(4): 33-36.

[3]王磊, 周新聰. 不同工況對金屬磨損自修復層形成的影響[J]. 潤滑與密封, 2009, 34(2): 63-65.

[4]秦傳江, 洪奕. 金屬磨損自修復技術在汽車發動機維修中的應用[J]. 表面技術, 2009, 38(4): 80-82.

The performance of a kind of ceramic-based auto-restoration material was evaluated systematically through various comprehensive monitoring techniques,when it was applied on a marine diesel engine.It was found that the application of the ceramic-based auto-restoration material could slow down the wear of friction pairs and improve the performance of the marine diesel enging without any bad effect on lubricating oil viscosity.The ceramic-based auto-restoration material will have a good application prospect in marine diesel engine.

monitoring technique;auto-restoration material;lubrication oil;performance of diesel engine

U672.2

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.014

鄭遠春(1967-)，男，湖北松滋人，高級工程師，碩士，主要從事艦船裝備監測診斷與維修管理工作。

2017-07-31