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润滑油合理化估量技艺
 

润滑油性能评估方法为了改善各类润滑剂的使用性能,需要在其中加入特定的化合物即所谓的添加剂。最常用的润滑剂是由石油制成的润滑剂。常见的添加剂主要有清净分散剂、抗氧剂、粘度指数改进剂等,由于润滑剂氧化会使油液的粘度、总酸值和其他性能发生巨大变化,所以抗氧剂的作用日益突出。在矿物基础油中加入改善其抗氧性或热氧化安定性的各种不同类型和用量的抗氧剂,可以大大延缓润滑油的氧化变质速度,其在润滑油中的作用是不言而喻的。

抗氧剂的抗氧化机理主要有2种:一种是主要的抗氧剂,如酚类、胺类和有机铜,它通过将化合物中的活泼氧原子移动到过氧基成为稳定的化合物,防止油品的进一步氧化;另一种是辅助抗氧剂,如硫磺和金属添加剂,它们通过分解过氧化物使得润滑剂终止氧化<5>。然而,润滑剂在使用过程中不断降解消耗,如果不及时进行补偿,就会逐步失效从而最终引起润滑油的物理及化学特性发生巨大变化。

是抗氧剂消耗百分比与润滑剂的各种指标的关系。润滑剂在抗氧剂存在时,粘度和总酸值升高缓慢,耗尽(剩余使用寿命为零)时,粘度和总酸值陡然升高,这是因为抗氧剂的耗尽,基础油和添加剂迅速氧化产生大量的酸性物质,而未耗尽时,抗氧剂的自身氧化阻止了基础油和添加剂的氧化,油品中的酸性物质产生较慢。常规方法对这些物质无法进行区别,造成了对油液检测的困难。与常规方法相比,通过测取抗氧剂的浓度变化情况来确定润滑剂的老化程度有如下特点<4>:(1)通过测取抗氧剂的含量,可以知道粘度、总酸值的变化关系;(2)了解抗氧剂的消耗速率有助于确定抗氧剂加速氧化的根本原因;(3)为了阻止润滑剂的基础油和添加剂的大量氧化,抗氧剂应确保不低于30%(如);(4)可以通过油液的监测信息,适时换油或加入某种抗氧剂,延长油品寿命。

抗氧剂和粘度、总酸值、剩余使用寿命的关系伏安法测定技术是20世纪20年代化学家Hegrovsky在研究滴汞电极时产生的,在20世纪30年代到40年代美国人Kolthoff和他的学生进行了该项技术的研究,接下来的20年,循环伏安法、三电极系统相继出现。到1970年,其他包括借助计算机分析、玻碳电极和无水甘汞电极技术也相继出现了<3>。我国对该项技术的研究较晚,发展较慢,相关论文更是较少。到目前为止,国内将该项技术用于测定润滑剂的相关论述更是鲜见。

伏安法基本原理与结果分析基本原理伏安法原理就是将溶剂和电解液混合。置入一个电解槽中,插入三电极系统,让工作电极以一定的速率扫描。这样当工作电极达到某一峰值时,该溶液中的电化学活性物质就瞬间氧化,该溶液中的电流迅速增大,产生强的伏安峰。

抗氧剂伏安测定技术<4>100500L油样用丙酮或乙醇稀释,并加入可溶性电解质和适量325目石英砂。测定胺型抗氧剂时,溶剂一般用丙酮,电解质用高氯酸锂;酚型抗氧剂的测定,溶剂用水/乙醇体系,电解质用氢氧化锂;测定ZDDP时,溶剂用水/乙醇体系,电解质用高氯酸锂。振荡油/溶剂/砂混合体系,不溶解的油吸附在砂上,并沉淀下来,形成清澈的可用于分析的液体。进行伏安分析时,辅助电极的电位以0.5V/s的速度从0V升至1.0V,这样分别测定新油和旧油特征伏安峰的高度即可确定油样中残留的抗氧剂的量。

总酸值(TAN)测定技术首先应用伏安仪测定酚盐的水/乙醇溶液,特征伏安峰的高度代表TAN=0.00mgKOH/g.在空白溶液中加入50L0.1mol/L盐酸,振荡5s,测定的伏安测定结果,特征伏安峰的高度代表TAN=0.28mgKOH/g.当应用50L0.1mol/L硬脂酸进行上述实验时,特征伏安峰的高度与相同量的盐酸相同,说明伏安测定技术对强酸和弱酸具有同等的检测能力。

然后将0.050.2g或50200L油样加入空白溶液,振荡20s,进行伏安分析,再振荡并重复伏安分析,这样重复24次,直至特征伏安峰高度稳定,应用下列公式计算:KTAN=50L0.1mol/L(HCl)空白读数-加盐酸后读数=0.28mgKOH读数差TAN(mgKOH/g)=空白读数-样品读数样品重量KTAN2.4总碱值(TBN)测定技术在小玻璃瓶中,加入5mL含盐酸的丙酮溶液、200L水以及一定量铜或氧化铜制成空白溶液。

稍候,振荡片刻,静置,进行伏安分析,特征伏安峰的高度代表TBN=0.00mgKOH/g;取0.2g已知总碱值(如13mgKOH/g)的油样于小玻璃瓶,加5mL含盐酸的丙酮,振荡片刻,再加入200L水,振荡并加入一定量的铜或氧化铜,振荡以除去剩余的盐酸,静置并进行伏安分析,特征伏安峰的高度代表TBN=13mgKOH/g,得校正常数。

A型涡轮润滑油抗氧剂衰变与酸值的关系KTBN=TBN空白读数-标准物读数样品分析时,取适当样品,重复前面的过程,样品的总碱值按下式计算:TBN(mgKOH/g)=空白读数-样品读数样品重量KTBN2.5结果分析现代航空涡轮发动机的发展,主要以其推重比的提高为标志。推重比的提高主要是提高发动机涡轮前的温度。美国先进战术战斗机(ATF)所用推重比为10的F119发动机涡轮前温度已达到1777。

同时在已制定的综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划中涡轮前温度最终要求为接近化学计算温度(即最高燃烧温度),此温度比F119发动机涡轮前温度高出约380。涡轮前温度的提高,直接影响附近的主温度,最终导致发动机润滑系统温度也随着提高。高性能的航空涡轮发动机对润滑油的抗氧化性能提出了更高的要求。通过测定抗氧化剂的衰变和分析抗氧剂、总酸值、粘度和剩余使用寿命的关系,可以有效防止润滑油变质,并及时采取措施,适时加入抗氧剂等,减少大量的维护费用。

这里介绍的是某单位用本文的方法对航空发动机的某型合成润滑油做的相关测试并绘成的曲线<5>,如所示。A型油在使用前108天,B型油在使用前105天,抗氧剂以正常速率消耗时,两种类型润滑剂的总酸值和粘度都未发生较大变化,当A型油超过108天,B型油超过105天,抗氧剂消耗速率突然变大,这时两种类型的润滑剂的总酸值和粘度也陡然增大。进一步研究表明,在抗氧剂的衰减为新油的30%(如)时,润滑油的总酸值和粘度曲线呈陡然上升趋势,这时就应及时换油,从而增加设备的可靠性,降低故障率,减少维护费用。后经研究发现当润滑剂的抗氧剂含量为新油的15%20%时,改变润滑剂就没有寿命而言了。

A型涡轮润滑油抗氧剂衰变与粘度的关系B型涡轮润滑油抗氧剂衰变与粘度的关系3结束语应用伏安法测试润滑油的状态,主要依据检查润滑剂所含抗氧剂的浓度变化。其适用范围比较广泛,可以用于航空涡轮发动机用油、液压油、内燃机油、各种润滑脂和变压器油等。伏安法为人们提供了一种有效地测定润滑剂的可靠性指标的手段,并且与其它相关测定技术有着良好的相关性(由于篇幅关系本文没有做相关论述)。研究表明:当润滑油中抗氧剂的量降低为原始量的15%时,润滑油的抗氧化寿命终结;当抗氧剂耗尽时,润滑油中铁含量将迅速增加,标志着发动机严重磨损的开始,伏安法能够预测这点。它具有检测成本低、便携性好、测定时间短、操作简便等特点,可进行抗氧剂、总酸/碱值的测定,并可以通过抗氧剂的消耗趋势进行剩余使用寿命(RUL)、粘度和酸值的相互关系分析,可以检测到反常情况;根据实验所得数据,可以有效地掌握抗氧剂的消耗时间和速率,增加设备的可靠性,减少维修费用。将实验结果用于指导实践,能够及时作出预防策略,更好地对油液进行主动维护。此外,伏安法测定技术在我们开发油液监测系统,特别是航空发动机油液监测系统时给人们一种新的启示。

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2012-10-24 15:45:38