天然氣發動機磨合期潤滑油狀態試驗研究

李新偉，王坤程，周長旺，王 偉，齊 鳳，韓云龍

（中國石油集團濟柴動力有限公司，山東濟南 250306）

0 引言

天然氣發動機出廠后，因加工和裝配工藝的精度問題，必然會存在一定的幾何缺陷。如不經磨合而直接投入使用，往往會影響發動機的壽命。發動機磨合期的潤滑油狀態對形成穩定的耐磨表層，形成穩定的潤滑油膜，降低零部件間的磨損速度、降低摩擦系數等具有重要影響。本文就天然氣發動機磨合期潤滑油狀態進行了研究，以初步掌握其規律。

1 發動機試驗臺架設計

天然氣發動機試驗臺架主要由天然氣發電機組、阻感負載箱和測試系統組成。發電機組是該試驗的試驗載體，阻感負載箱提供試驗所需的阻性和感性負載，測試系統檢測發電機組的運行參數和潤滑油的參數。為便于試驗，發動機配備發電機后組成發電機組。該試驗臺架結構簡單、易于操作（圖1）；測試系統控主要由發電機組的監測模塊和負載控制模塊組成，監測模塊監控發電機組的運行參數，負載控制模塊主要用于加減載的控制；負載控制模塊控制阻性負載箱和感性負載箱給發電機組提供負載；發電機組的性能參數和潤滑油參數由測試系統的監測模塊進行監測。在整個試驗過程中盡可能模擬真實工況。

圖1 試驗臺架結構示意

2 天然氣發動機的基本參數

在試驗中采用某型6 缸直列、標定功率350 kW、標定轉速1500 r/min 的天然氣發動機，配置300 kW 的發電機，組成發電機組。

（1）發動機型號為6L，沖程為4、缸數為6，L 形排列，標定功率P標為350 kW，標定轉速n標為1500 r/min。

（2）發電機型號為1FC354，額定功率P額為300 kW，額定電流I額為413 A，額定電壓U額為600 V；為發電機的額定頻率F額為50 Hz；功率因數cosφ 為0.8。

3 磨合期潤滑油狀態試驗研究

測試系統的進油位置選取在機油泵和潤滑油濾清器之間，此位置可有效反映潤滑油在各個功率運行段的性能狀態。

在本次試驗中，潤滑油選用昆侖天威CF-4 15W-40 型號的潤滑油，為發動機說明書中的推薦選用型號。

3.1 潤滑油狀態試驗設計

在天然氣發動機的磨合過程中，潤滑油的性質會發生改變，如顆粒濃度、尺寸、數量等。通過傳感器采集發動機潤滑油的狀態，潤滑油監測系統可進行實時采樣和分析。

在本次試驗中，使發動機運行在額定轉速1500 r/min 的穩定狀態，然后分別對75 kW、150 kW、225 kW 和300 kW 的負載進行測試，分別對應額定功率的25%、50%、75%和100%的負載工況。在試驗中，每種工況的磨合時間均為2 h。

該潤滑油狀態的試驗設計的具體參數如表1 所示：P試為試驗負載功率，T試為試驗時間，T累為累計試驗時間。

表1 潤滑油狀態試驗設計

3.2 潤滑油清潔度測試

按試驗設計的4 個功率段，分別為75 kW、150 kW、225 kW和300 kW，每個功率段運行2 h，累計運行時間8 h。

通過潤滑油監測系統的實時采集分析，然后繪出各個功率段的潤滑油清潔度測試曲線（圖2）。

圖2 潤滑油的污染程度與運行時間的關系

由圖2 可以發現，運行1 h 后潤滑油的污染程度增加較快，在第2～3 h、4～5 h 和6～7 h 的時間段內，潤滑油的污染程度未發生顯著變化，在運行到1～2 h、3～4 h 和7～8 h 的時間段內，潤滑油的污染程度顯著上升，同時還可以看出磨合期內潤滑油的污染程度有明顯上升趨勢。

3.3 潤滑油中磨損顆粒數目和直徑尺寸

在8 h 的磨合期內，因零部件間的相對運動，由于潤滑油在零部件間的潤滑作用，必然導致有大量的磨損顆粒混入潤滑油中。

在測試中發現，絕大多數的磨損顆粒直徑都在70～110 μm。而磨損顆粒的數量有明顯增加，在各個時間段內，磨損的顆粒數量的增長速度基本成比例增加，且基本與磨合時間呈線性關系（圖3）。

圖3 磨損顆粒數量與時間關系曲線

3.4 潤滑油中磨損顆粒濃度與負載的關系測試

一般情況下，在磨合期內潤滑油的磨損顆粒濃度隨負載的變化而變化，負載升高則顆粒濃度升高（圖4）。

圖4 磨損顆粒濃度與負載的關系曲線

其中，在運行在75 kW 功率段2 h 后，其顆粒濃度上升的速度較快，在其他的功率段，顆粒濃度的變化基本呈線性規律上升。

4 結論

正常運行時，天然氣發動機在磨合期內的潤滑油污染程度，隨磨合時間的增加而增加。磨損顆粒的直徑在70～110 μm，數量與磨合時間基本呈線性關系。磨損顆粒濃度隨負載的增加而增加，基本上為線性關系。

由此推論，如監測到的潤滑油性能數據發生突變，則說明發動機出現異常磨損，需緊急停機后進行處理。