四球法在柴油抗磨劑潤滑性能評價中的應(yīng)用研究

張 和，賈 昕，謝一民，李曉靜，楊惠琳,3

(1.寧夏煤化工檢測重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏寶塔化工中心實驗室(有限公司)，寧夏 銀川 750002； 3.寧夏寶塔石化科技實業(yè)發(fā)展有限公司，寧夏 銀川 750002)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，柴油的用量大大增加，帶來的空氣污染日益嚴(yán)重。國家對油品硫含量的要求越來越高，低硫和超低硫柴油的生產(chǎn)是大勢所趨[1-3]。但由于柴油中可以起到抗磨作用的氧、氮化物及多環(huán)、雙環(huán)芳烴等化合物在加氫精制工藝流程中被脫除，所以柴油潤滑性差的問題比較突出，容易導(dǎo)致機(jī)動車發(fā)動機(jī)出現(xiàn)磨損失效[4]。因此，低硫柴油的抗磨性研究已成為國內(nèi)外的研究熱點和重點，其中向低硫加氫柴油中加入抗磨劑是最簡單有效的方法。潤滑性能是柴油抗磨劑的重要指標(biāo)之一，目前用于評價潤滑性的方法大多是高頻往復(fù)試驗機(jī)(HFRR)，但由于該試驗機(jī)價格昂貴，操作較為繁瑣，因此尋求一種簡單的方法來評價柴油抗磨劑的潤滑性能也是當(dāng)今研究的熱點，而四球試驗機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、試件便宜、試驗省油、試件接觸點單位面積上接觸壓力較大，通過鋼球的磨癍直徑大小來反映潤滑性能的優(yōu)劣，磨癍直徑越大，潤滑性能越差，反之則越優(yōu)[5-6]。本文通過四球法評價自制柴油抗磨劑的磨癍直徑來確定其潤滑性的優(yōu)劣，分別考察了運行時間、負(fù)載大小以及轉(zhuǎn)速對磨癍直徑的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗儀器及藥品

鋼球：四球機(jī)專用試驗鋼球，材料為優(yōu)質(zhì)鉻合金軸承鋼GCrl5，直徑12.7 mm，洛氏硬度HRC64-660；石油醚：60-90℃，分析純；乙醇：分析純；柴油(寧夏寶塔石化煉油廠)；自制柴油抗磨劑(ZKM)；四球試驗機(jī)及相關(guān)配套設(shè)備。

1.2 試驗方法

1.2.1 前期準(zhǔn)備

打開四球試驗機(jī)電腦控制屏幕，將主軸轉(zhuǎn)速調(diào)到1200～1500r/min，運行時間設(shè)置為60～90min，打開伺服電機(jī)開始空轉(zhuǎn)預(yù)熱；用無水乙醇超聲清洗鋼球、球盒、夾頭及在試驗過程中與試樣接觸的其他零件，再用石油醚清洗兩次，然后吹干備用，清洗后的鋼球應(yīng)光潔無銹斑。

1.2.2 試驗過程

前期準(zhǔn)備工作結(jié)束后，在室溫條件下，(1)設(shè)定不同的主軸轉(zhuǎn)速、試驗負(fù)荷、試驗時間，(2)將三個干凈的鋼球裝入球盒中，緩慢將固定環(huán)壓在三個鋼球上，上緊鎖緊螺母，(3)將待測試樣緩慢引流裝滿球盒，避免帶進(jìn)氣泡，使其與鎖緊螺母頂面相平，(4)將另一個干凈的鋼球裝入夾頭，然后把夾頭牢固地固定在試驗機(jī)主軸上，(5)最后將球盒放在試驗機(jī)球盒座上，使頂球與球盒中三個鋼球接觸，施加規(guī)定負(fù)荷使杠桿平衡，啟動伺服電機(jī)開始試驗，(6)試驗結(jié)束后關(guān)閉伺服電機(jī)，降低球盒組件，取下球盒，倒掉試樣后用軟布或紙擦凈試球及球盒中多余的試樣，用顯微鏡測量三個鋼球的每個鋼球兩個位置(與旋轉(zhuǎn)方向垂直和平行的兩個方向)的磨痕直徑，精確至0.01 mm，求平均值。

2 結(jié)果與討論

準(zhǔn)確稱取100 g試驗柴油，加入自制柴油抗磨劑0.0200 g(添加量：200 ppm)，充分搖勻待用。

2.1 試驗時間對磨癍直徑的影響

采用單因素考察的方法，設(shè)定四球機(jī)主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min，負(fù)載為0.5 kg，杠桿倍數(shù)為20，分別研究了不同試驗時間條件下對鋼球平均磨癍直徑大小的影響，結(jié)果見表1。

表1 試驗時間對磨癍直徑的影響

注：主軸轉(zhuǎn)速：1000r/min；負(fù)載：0.5kg；杠桿倍數(shù)：20。

由表1所得數(shù)據(jù)表明，在其他參數(shù)相同條件下，隨著試驗時間的延長，鋼球的平均磨癍直徑在增大，在30min和45min運行時間內(nèi)，鋼球的磨癍直徑均小于460 μm，滿足抗磨劑使用要求；而當(dāng)試驗時間超過60min時，鋼球的平均磨癍直徑達(dá)到475 μm以上，滿足不了市場抗磨劑的指標(biāo)要求，原因可能是由于隨著試驗時間的增長，抗磨劑在鋼球接觸點之間形成的薄膜會逐漸破裂，從而導(dǎo)致潤滑性能的下降，鋼球磨癍直徑增大，因此該研究結(jié)果表明試驗時間為30min為較優(yōu)試驗時間。

2.2 主軸轉(zhuǎn)速對磨癍直徑的影響

采用單因素考察的方法，設(shè)定試驗時間為30min，負(fù)載為0.5 kg，杠桿倍數(shù)為20，分別研究了不同主軸轉(zhuǎn)速條件下對鋼球平均磨癍直徑大小的影響，結(jié)果見表2。

表 2 主軸轉(zhuǎn)速對磨癍直徑的影響

注：試驗時間：30min；負(fù)載：0.5kg；杠桿倍數(shù)：20。

由表2所得數(shù)據(jù)表明，在其他參數(shù)相同條件下，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大，鋼球的平均磨癍直徑基本呈增大趨勢，主軸轉(zhuǎn)速在1200 r/min內(nèi)時，鋼球平均磨癍直徑均在460 μm之內(nèi)，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到1500 r/min時，鋼球平均磨癍直徑增大幅度較大，這可能是因為轉(zhuǎn)速過高，鋼球表面應(yīng)力增大，破壞油膜導(dǎo)致的結(jié)果，因此作為優(yōu)選的主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min。

2.3 試驗負(fù)荷對磨癍直徑的影響

采用單因素考察的方法，設(shè)定試驗時間為30min，主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min，杠桿倍數(shù)為20，分別研究了不同負(fù)載條件下對鋼球平均磨癍直徑大小的影響，結(jié)果見表3。

由表3所得數(shù)據(jù)表明，在其他參數(shù)相同條件下，隨著負(fù)載砝碼的加大，鋼球的平均磨癍直徑基本呈增大趨勢，柴油抗磨劑的潤滑性能下降，因為隨著負(fù)載的加大，鋼球接觸點之間的作用力會增大，相應(yīng)的摩擦系數(shù)會增大，受力太大也會產(chǎn)生摩擦熱，導(dǎo)致油膜瞬間發(fā)生破裂而發(fā)生咔咬現(xiàn)象，因此作為優(yōu)選的負(fù)載大小為0.65 kg。

表 3 試驗負(fù)載對磨癍直徑的影響

注：試驗時間：30min；主軸轉(zhuǎn)速：1000 r/min；杠桿倍數(shù)：20。

2.4 空白試驗

準(zhǔn)確稱取100 g試驗柴油，不任何添加劑，充分搖勻后用本研究最有的試驗條件進(jìn)行試驗，數(shù)據(jù)結(jié)果見表4。

表4 空白試驗數(shù)據(jù)

注：試驗時間：30min；主軸轉(zhuǎn)速：1000r/min；杠桿倍數(shù)：20；負(fù)載：0.65kg。

由表4空白柴油的鋼球磨癍直徑來看，自制柴油抗磨劑有較好的潤滑性能，并且優(yōu)化的測試條件也適用于表征柴油抗磨劑的潤滑性能。

3 結(jié)論

本論文采用單因素變量法研究了四球模擬試驗機(jī)在柴油抗磨劑潤滑性能評價中的應(yīng)用，分別考察了試驗時間、主軸轉(zhuǎn)速以及負(fù)載大小對鋼球平均磨癍直徑大小的影響，從而間接研究了不同測試條件對柴油抗磨劑潤滑性能的影響，優(yōu)化了試驗測試條件。研究結(jié)果表明，四球模擬試驗機(jī)評價柴油抗磨劑潤滑性能的最優(yōu)條件為：試驗時間30min，主軸轉(zhuǎn)速1000 r/min，負(fù)載大小0.65 kg，杠桿倍數(shù)為20。

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