唐 偉，田洪祥，李 婧，孫云嶺

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

船舶柴油機(jī)潤(rùn)滑油黏度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量研究

唐 偉，田洪祥，李 婧，孫云嶺

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

針對(duì)船舶柴油機(jī)潤(rùn)滑油黏度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的問(wèn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～11% 范圍的5個(gè)潤(rùn)滑油柴油混合油樣，對(duì)其黏度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明油樣黏度與混入柴油質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間存在顯著的線(xiàn)性關(guān)系，并研究了2種方法的相關(guān)性。最后利用上述2種儀器檢測(cè)了4臺(tái)某型船舶柴油機(jī)的31個(gè)實(shí)際油液，數(shù)據(jù)表明2種方法均可用于船舶柴油機(jī)潤(rùn)滑油的黏度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，其中1臺(tái)柴油機(jī)的潤(rùn)滑油存在進(jìn)柴油的故障。

潤(rùn)滑油；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；Hele-Shaw原理；流體特性傳感器

黏度是潤(rùn)滑油的重要理性指標(biāo)，不僅能區(qū)分潤(rùn)滑油的型號(hào)，也是各種設(shè)備選用潤(rùn)滑油的重要依據(jù)[1]。它直接影響設(shè)備工作的磨損程度、工作效率和摩擦功率損失等。黏度過(guò)高，導(dǎo)致潤(rùn)滑油的流動(dòng)性變差，降低潤(rùn)滑性能和潤(rùn)滑油的傳熱性，會(huì)引起摩擦副的潤(rùn)滑不足；黏度過(guò)低，導(dǎo)致潤(rùn)滑油的油膜變薄和負(fù)荷承載能力的下降，嚴(yán)重時(shí)可引起柴油機(jī)的拉缸或抱軸。國(guó)家規(guī)定柴油機(jī)油換油指標(biāo)為黏度超過(guò)±25%[2]，美國(guó)也規(guī)定柴油機(jī)油換油指標(biāo)為黏度超過(guò)±10%[3]。

柴油機(jī)在工作過(guò)程中，潤(rùn)滑油被燃油稀釋是其常見(jiàn)故障之一[4]，船舶柴油機(jī)的潤(rùn)滑油如受到燃油污染，會(huì)降低其黏度，現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油的黏度具有重要性和迫切性。利用4種標(biāo)油檢測(cè)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(duì)實(shí)驗(yàn)室配置的不同質(zhì)量比的柴油和潤(rùn)滑油的混合油樣進(jìn)行分析，得到潤(rùn)滑油黏度與混入柴油質(zhì)量比的定量關(guān)系，同時(shí)對(duì)2種方法測(cè)量結(jié)果的線(xiàn)性顯著性進(jìn)行了分析。最后，分析了取自某型船舶4臺(tái)柴油機(jī)的31個(gè)實(shí)際油液。測(cè)量結(jié)果顯示3#柴油機(jī)潤(rùn)滑油持續(xù)被燃油稀釋?zhuān)皶r(shí)報(bào)警，更換后恢復(fù)正常。

1 黏度測(cè)量的常用方法

黏度測(cè)量的常見(jiàn)方法有：毛細(xì)管法、落球法、旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)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(duì)船舶柴油機(jī)潤(rùn)滑油黏度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量進(jìn)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(tái)基于Hele-Shaw原理，用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)黏度測(cè)量的的儀器，可以快速測(cè)量油液40 ℃時(shí)的黏度值。實(shí)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(nèi)部敏感元件主要是音叉，傳感器實(shí)物如圖2所示。該傳感器可同時(shí)測(cè)量流體的黏度和溫度。通過(guò)數(shù)字CAN J1939協(xié)議與主控制器連接，能快速的測(cè)量流體的黏度和溫度。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖3所示。

圖2 傳感器實(shí)物

圖3 傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.2 標(biāo)準(zhǔn)油樣

本文使用N10、N30、N120、N350 4種標(biāo)準(zhǔn)油樣對(duì)便攜式快速黏度儀進(jìn)行校準(zhǔn)。4種標(biāo)準(zhǔn)油樣在40 ℃時(shí)的黏度如表1所示。

表1 4種標(biāo)準(zhǔn)油樣40 ℃時(shí)的黏度 mm2/s

2.3 配置油樣

按照柴油所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐次減半的原則，配置含柴油11%、5.5%、2.75%、1.375%的混合機(jī)油。首先，取一定量的CD 15W-40機(jī)油，加入預(yù)定的柴油，配置含柴油質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)11%的混合油樣；然后，往剩下溶液中加入與其相同質(zhì)量的機(jī)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(zhì)量分?jǐn)?shù)5.5%的混合油樣；按照此方法配置含柴油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.75%、1.375%的A3、A4配置油樣，實(shí)際配置數(shù)據(jù)如表2。

表2 配置油樣的實(shí)際數(shù)據(jù)

2.4 柴油機(jī)實(shí)際工作油樣

取某船舶同型號(hào)4臺(tái)柴油機(jī)共31個(gè)實(shí)際工作油樣，其中1#柴油機(jī)9個(gè)，累計(jì)工作時(shí)間12 100 h；2#柴油機(jī)6個(gè)，累計(jì)工作時(shí)間12 100 h；3#柴油機(jī)8個(gè)，累計(jì)工作時(shí)間11 745 h；4#柴油機(jī)8個(gè)，累計(jì)工作時(shí)間11 745 h。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)油樣的測(cè)試黏度

利用便攜式快速黏度儀對(duì)4種標(biāo)油的黏度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表3所示。

表3 4種標(biāo)準(zhǔn)油樣的測(cè)試黏度 mm2/s

3.2 配置油樣的測(cè)試黏度

1)便攜式快速黏度儀。使用便攜式快速黏度儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)每個(gè)油樣多次重復(fù)測(cè)量，直到連續(xù)3個(gè)數(shù)據(jù)誤差在3%以?xún)?nèi)，取這3個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為該油樣的黏度，測(cè)量結(jié)果如表4(A0為純柴油機(jī)油)。

表4 便攜式快速黏度儀測(cè)量結(jié)果 mm2/s

2)FPS傳感器。使用FPS傳感器測(cè)量時(shí)，分別對(duì)每個(gè)油樣從50 ℃加熱至58 ℃進(jìn)行測(cè)量，利用MATLAB畫(huà)出5個(gè)油樣的黏度隨溫度變化的曲線(xiàn)，如圖4所示。

圖4 油樣黏度隨溫度變化曲線(xiàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合出各油樣在56 ℃時(shí)的黏度如表5所示。

表5 FPS傳感器56 ℃時(shí)各油樣的黏度 mm2/s

3.3 實(shí)際工作油樣的測(cè)試黏度

對(duì)某型號(hào)船舶的31個(gè)柴油機(jī)潤(rùn)滑油進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)3#柴油機(jī)8個(gè)潤(rùn)滑油存在黏度持續(xù)降低現(xiàn)象，記為油樣Bi(i=1,2，…，8)。2種方法的測(cè)量結(jié)果分別如表6、表7所示。

表6 便攜式快速黏度儀實(shí)際工作油樣測(cè)量結(jié)果 mm2/s

表7 FPS傳感器56 ℃時(shí)實(shí)際工作油樣的擬合黏度 mm2/s

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 標(biāo)準(zhǔn)油樣的誤差分析

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)油樣的黏度為μ0，便攜式快速黏度儀測(cè)量結(jié)果為μ1，則便攜式快速黏度儀測(cè)量值的相對(duì)誤差為：

(1)

計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表8 便攜式快速黏度儀測(cè)量值的相對(duì)誤差 %

由表8可知，便攜式快速黏度儀對(duì)4種標(biāo)油測(cè)量值的相對(duì)誤差均小于1.5%(儀器性能參數(shù)為相對(duì)誤差小于3%)，滿(mǎn)足工程的實(shí)際需求。

4.2 黏度與燃油含量的關(guān)系

1)線(xiàn)性顯著性分析。為檢驗(yàn)2種方法得到的黏度值與機(jī)油中混入柴油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的線(xiàn)性相關(guān)性，利用相關(guān)系數(shù)γ進(jìn)行檢驗(yàn)[5]：

(2)

式中：xi為油樣i中柴油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)×100；yi為油樣i黏度的測(cè)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(xié)方差。

計(jì)算結(jié)果如表9所示，由|γ|接近1，說(shuō)明2種方法的測(cè)量結(jié)果都具有顯著的線(xiàn)性關(guān)系，負(fù)號(hào)表示油液的黏度隨著燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減少。查詢(xún)相關(guān)系數(shù)臨界表，由n=5可得2種方法測(cè)量結(jié)果的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了α=0.001的置信度水平。

表9 測(cè)量結(jié)果相關(guān)系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

2)線(xiàn)性擬合分析。由上述分析知，2種測(cè)量結(jié)果都具有良好的線(xiàn)性相關(guān)性，利用最小二乘法對(duì)2種方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性擬合。m為潤(rùn)滑油中混入柴油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，μ為黏度。

便攜式快速黏度儀擬合結(jié)果為：μ=-3.143m+98.74，如圖5所示。

圖5 便攜式快速運(yùn)動(dòng)黏度儀擬合結(jié)果

FPS傳感器擬合結(jié)果為：μ=-1.106m+40.59，如圖6所示。

圖6 FPS傳感器擬合結(jié)果

對(duì)比2種方法的擬合結(jié)果，黏度都隨著混入柴油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而線(xiàn)性減小。進(jìn)一步分析，2種測(cè)量結(jié)果之間的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為γ=0.988 4，達(dá)到了α=0.001置信度水平，2種測(cè)量結(jié)果之間有顯著的線(xiàn)性關(guān)系。

4.3 實(shí)際油樣的黏度變化分析

圖7為3#柴油機(jī)潤(rùn)滑油黏度的變化曲線(xiàn)，由圖7可以看出，2種方法的測(cè)量結(jié)果均顯示，B1～B6油樣黏度持續(xù)下降，在更換潤(rùn)滑油后，B7、B8油樣黏度又基本與B1一樣。以B1油樣為基準(zhǔn)，得到各油樣黏度的相對(duì)變化率如圖8所示。根據(jù)國(guó)家規(guī)定的柴油機(jī)換油指標(biāo)(黏度超過(guò)±25%)，由圖8可知，B5、B6油樣的黏度變化率已超過(guò)國(guó)家規(guī)定的柴油機(jī)換油指標(biāo)，在更換潤(rùn)滑油后，B7、B8油樣黏度變化率均小于5%，以滿(mǎn)足柴油機(jī)正常工作的需求。

圖7 3#柴油機(jī)潤(rùn)滑油黏度的變化曲線(xiàn)

圖8 3#柴油機(jī)潤(rùn)滑油黏度的相對(duì)變化率

5 結(jié)束語(yǔ)

1)柴油機(jī)潤(rùn)滑油中混入柴油會(huì)使黏度明顯降低，且在混入柴油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～11% 的范圍內(nèi)滿(mǎn)足顯著的線(xiàn)性關(guān)系。便攜式快速黏度儀擬合結(jié)果為：μ=-3.143m+98.74。FPS傳感器擬合結(jié)果為：μ=-1.106m+40.59。

2)2種測(cè)量方法間有顯著的線(xiàn)性相關(guān)性，都可用于船舶柴油機(jī)潤(rùn)滑油的黏度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，結(jié)合柴油機(jī)潤(rùn)滑油的換油指標(biāo)，可及時(shí)指示由于黏度異常下降的換油時(shí)機(jī)。

[1]楊其明，嚴(yán)新平，賀石中，等.油液監(jiān)測(cè)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] 柴油機(jī)換油指標(biāo).GB/T 7607—2010[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)，何春雄.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)[M].廣州：華南理工大學(xué)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(xué)本科，主要從事船舶動(dòng)力工程工作。

U664.121

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.011

2017-04-10