基于正交試驗的柴油機油污染狀態下抗磨損性能分析

何偉，石新發，賀石中*，馮偉，馬紅軍，唐劍武

(1.廣州機械科學研究院有限公司 工業摩擦潤滑技術國家地方聯合工程研究中心，廣州 510700； 2.廣研檢測(廣州)有限公司，廣州 510530)

柴油機應用廣泛，良好的潤滑可有效延長柴油機使用壽命，正確的油品選用十分重要。柴油機制造商會根據發動機類型、排放水平、典型技術，以及使用溫度推薦柴油機潤滑油的質量等級和黏度等級[1]，GB 11122—2006《柴油機油》規定了各等級柴油機油的黏溫性能、理化性能，以及使用性能要求。但這些性能要求的對象為柴油機潤滑油新油，油品在實際使用過程中不可避免會受到污染，會因柴油不完全燃燒生成煙炱，并隨活塞環與缸套的刮擦混入潤滑油[2]；會因噴油泵柱塞間隙過大、噴油器性能不良、回油管漏油等原因使燃油混入潤滑油[3]；會因冷卻液泄露、空氣或燃氣中水分冷凝、人為因素等原因使水分混入潤滑油[4]，這些污染物的存在會影響柴油機潤滑油的抗磨損性能。

國標中有各等級柴油機潤滑油需通過的臺架試驗規定，其中包含煙炱生成對油品黏度增長影響及挺柱磨損的Mack T-8E、Cummins M-11等試驗，但其結果均為范圍要求，相同質量等級油品其具體使用過程中的性能表現存在差異，且忽視了燃油及水分對油品性能變化和設備磨損的影響。現有研究多集中于煙炱的生成機理、煙炱混入對柴油機油磨損性能變化的影響[5-7]，以及燃油稀釋后柴油機油性能變化[8]，缺乏柴油機油受燃油、水分污染后磨損性能變化的考察。另外，污染物方面往往考慮單一物質，2種乃至3種污染物同時存在的研究相對較少。柴油機潤滑油實際使用過程中各種污染物均有可能存在，需全面綜合研究污染狀態下油品的磨損性能變化。為此，針對適用于船用發電柴油機、非道路用柴油機的柴油機潤滑油，通過配制含多種不同質量分數污染物的油樣進行正交試驗，分析對柴油機潤滑油磨損性能影響最為明顯的污染物比例，為污染狀態下柴油機潤滑油在磨損性能方面的選型提供參考。

1 試驗方案

1.1 污染物含量的配制比例

GB/T 7607—2010《柴油機油換油指標》中僅設定了水分的閾值(大于0.2wt%)，ASTM標準對在用柴油機油的水分、燃油稀釋含量設定了閾值(分別為質量分數大于0.2%和大于1%～5%)，兩種標準均未對煙炱含量進行規定。結合標準及對廣研檢測實驗室數據庫內柴油機潤滑油的檢測數據進行統計分析，以某款15W-40的柴油機油為基礎配制3組含單一污染物的油樣進行摩擦磨損試驗。

A組：分別含不同燃油(0#柴油)質量分數為1.25%、2.5%、5%、7.5%、10%的油樣A1、A2、A3、A4、A5；

B組：分別含不同煙炱(取自發動機氣缸，并烘干)質量分數為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的油樣B1、B2、B3、B4、B5；

C組：分別含不同水分(蒸餾水)質量分數為0.03%、0.09%、0.15%、0.2%、0.3%的油樣C1、C2、C3、C4、C5；新油作為空白油樣D。

試驗在摩擦磨損試驗機上進行，根據柴油機內主要摩擦副材質及運動形式選擇鋼-鋼止推盤作為試件，結合柴油機實際運行工況及四球機法制訂運行參數：負載為500 N，溫度為75 ℃，運行時間為10 h。

對試驗完成后的油樣進行油液檢測，摩擦磨損試驗及油液檢測數據見表1。

表1 單一污染物油樣試驗后檢測數據

分析檢測結果可知：

1)3種污染中，煙炱對柴油機潤滑油磨損性能影響最大，試驗后油樣Fe元素含量變化最為明顯，且摩擦系數整體高于其他兩種污染物。

2)對于燃油而言，隨著含量增加，黏度有所下降(新油100 ℃運動黏度為14.90 mm2/s,油樣B5黏度下降16.9%)，但并未對柴油機潤滑油磨損性能造成顯著影響，分析原因可能是負載量還不足以破壞因燃油稀釋造成厚度變小的油膜。因A1、A2試驗結果接近，取平均質量分數1.875%作為后續正交試驗的水平量，燃油含量為質量分數10%時已達到換油標準，故舍去A5。

3)當煙炱含質量分數小于0.2%時，磨損量未有變化，且在一定范圍內增加時磨損量下降，原因可能是當煙炱含量較低時，其可作為助磨劑輔助潤滑；當煙炱含量進一步增加后，磨損量隨之增加，煙炱質量分數為0.5%時發生異常磨損(如圖1所示，產生了大尺寸片狀疲勞磨粒，)。綜合分析，舍去B2、B5。

圖1 油樣C5的異常磨損顆粒

4)磨損量會隨著水分含量增加而增大，但影響幅度較小，且并未對理化指標造成明顯影響。在用柴油機潤滑油水分含量的質量分數檢測下限即為0.03%，且C1、C2試驗結果相近，舍去C1；油樣C5中的水分含量已達到換油標準，且未產生明顯磨損，舍去。

1.2 正交試驗方案設計

根據對含單一污染物油樣的摩擦磨損試驗結果，對各污染物含量比例進行重組，采用三因素三水平L9(34)進行正交試驗，以單一污染物試驗時相同的參數進行摩擦磨損試驗，對油樣100 ℃運動黏度、油樣中Fe元素含量、摩擦系數進行檢測(因單一污染物試驗時堿值未有明顯變化，不予考慮)，分析燃油、煙炱和水分進入柴油機潤滑油中后對油品抗磨損性能的影響，分析對柴油機潤滑油磨損性能影響最大的條件，因素水平選擇見表2。

表2 因素水平表

2 試驗結果

對正交試驗結果進行統計，以油樣100 ℃運動黏度變化值、油樣中Fe元素含量及摩擦系數作為主要表征參數，因試驗受多種因素影響、含多種評價參數，故通過模糊評價對試驗結果分析。使用隸屬度δ作為指標衡量各表征參數綜合評價柴油機潤滑油抗磨損性能，根據隸屬函數[9]：

(1)

表3 正交試驗結果及數據分析

利用極差分析可直觀排列出影響因素的主次，由表3中的結果可知，煙炱含量對柴油機潤滑油抗磨損性能影響最大，其次為水分含量，燃油含量的影響最小，與單一污染物油樣試驗結果一致。各污染物因素對油品抗磨損性能變化綜合分的直觀分析見圖2。

圖2 綜合分敏感性因素分析

綜合分隨燃油含量增加而增大；煙炱質量分數0.3%時綜合分達到峰值，磨損量不會因煙炱含量繼續增加而增大(當煙炱含量繼續增加，會積聚沉淀，無法進入摩擦副中，對磨損造成影響)；綜合分隨水分含量增加而減少，到達拐點時開始增加，可以推測當油中含水量達到換油標準時對磨損影響最大，但非本次試驗考慮范圍。綜合分析，對油品抗磨損性能影響最大的試驗組合條件為：燃油含量的質量分數為7.5%，煙炱含量的質量分數為0.3%，水分的質量分數為0.09%。

利用試驗油樣鐵譜分析結果對正交試驗進行驗證，鐵譜分析可直觀分析油樣中磨損顆粒的濃度、尺寸及形狀，見圖3。

圖3 正交試驗油樣鐵譜圖

序號5和8的油樣譜片上鐵磁性磨粒分布及含量最多，但序號8油樣譜片上有大尺寸磨粒及切削磨粒，存在異常磨損，表明該組試驗參數導致柴油機潤滑油的抗磨損性能下降最為明顯，與正交試驗結果吻合，為最優因素組合。

3 不同潤滑油抗磨損性能

幾款常用的15W-40柴油機潤滑油S、M、KL的新油檢測結果見表4，幾款油表觀指標接近，若通過這些數據很難選擇出更適合現場使用的油品，故通過模擬污染狀態進行摩擦磨損試驗。

表4 不同柴油機潤滑油黏溫性能及理化指標對比

應用正交試驗中得出的最優因素組合(即對柴油機潤滑油抗磨損性能影響最大的污染物參數組合)對幾款常用的柴油機潤滑油(S油、M油、KL油)進行摩擦磨損試驗，檢測結果見表5。分析結果可知，S油運動黏度下降最大，但磨損量及摩擦系數均最小，即在污染狀態下，雖黏度有所下降，仍能提供有效的抗磨損保護能力；KL油磨損量及摩擦系數最大，已無法提供有效的潤滑保護；M油的磨損量和摩擦系數也已處于異常范圍。

表5 不同柴油機潤滑油磨損試驗后檢測結果

試驗得到油樣鐵譜圖見圖4，3款油品均有較多的磨損顆粒，S油譜片上多為細小磨粒聚集而成，M油譜片上有切削狀磨粒和尺寸較大的疲勞磨粒，KL油譜片上視窗內布滿了磨損顆粒。

圖4 不同柴油機潤滑油磨損試驗鐵譜圖

磨損試件表面形貌見圖5，S油摩擦表面較為平整，M油摩擦表面已有明顯犁溝，并伴有高溫回火色，表明試驗過程中存在短時破膜情況，KL油摩擦表面犁溝最為明顯，且有黏著磨損特征，犁溝上均有回火色，表明試驗過程中兩摩擦副之間建立起邊界潤滑油膜，油品抗磨性能下降。

圖5 磨損試件表面形貌

綜合分析，S油在相同污染狀態下，抗磨性能更優，對摩擦副保護能力更強，可選擇該油應用于現場設備。

4 結論

1)在試驗工況下，燃油含量變化未對磨損產生影響；煙炱處于較高濃度時，與磨損量具有正相關性；磨損量會隨著水分含量增加而增大，但受影響幅度較小。

2)正交試驗結果表明，煙炱是影響柴油機潤滑油抗磨損性能的主要因素。

3)應用最優因素組合，分析不同油品性能，可選出污染狀態下抗磨損性能最優的油品以應用于現場設備。