王建华;胡泽祥;李进
【摘 要】采用SRV线摩擦磨损试验机考察柴油的润滑性与柱塞偶件磨损的相关性.结果表明,低硫(S含量ws≤500 μg/g)低润滑柴油润滑时柱塞偶件磨损比较严重,其润滑性与柱塞偶件磨损没有相关性;高硫低润滑柴油的承载能力较高,其润滑时柱塞偶件磨损相对较轻,且润滑性与柱塞偶件磨损相关性较好;适量的酸性组分有助于提高柴油的润滑性和承载能力.部分直馏工艺生产的高硫含量柴油虽经HFRR测试润滑性较差,但在适量酸性组分、较高运动黏度共同作用下,实际SRV测试时并未出现严重的磨损.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2016(041)004
【总页数】5页(P132-136)
三合一打印机【关键词】SRV磨损试验机;摩擦磨损;HFRR试验机;润滑性;相关性
【作 者】王建华;胡泽祥;李进
内河航标灯【作者单位】海军油料监督处 北京100841;92117部队 北京100072;后勤工程学院军事油料应用与管理工程系 重庆401311
【正文语种】中 文
【中图分类】TE624
20世纪90年代，美军地面装备在使用JetA-1燃料时旋转式燃料注射泵出现大面积的磨损失效[1]，其中大部分失效是由于燃料润滑性较差引起的。此外，在欧洲也出现了因使用深度精制的低硫燃料导致燃油喷射泵失效的报道。喷油泵是燃料供给系统中最重要的部件，其中的柱塞和柱塞套是一对精密偶件，径向间隙为2～3 μm[2]，其对燃料的润滑性最敏感。使用低硫燃料影响喷油泵的润滑，先是发生泵的黏着磨
损，随后泵的性能迅速下降到无法使用。柴油润滑性的评价方法，在欧洲主要采用高频往复试验机(HFRR)法ISO12156-1[3]，而美国则将原来适用于评定喷气燃料润滑性的球-柱试验机法(BOCLE)发展成为评价低硫柴油抗黏着磨损的方法ASTM D5001[4]。这2种试验方
法已成为西方国家广泛采用的评价柴油润滑性的方法。参考欧盟标准EN 590-1998《车用柴油》，我国车用柴油GB/T 19147-2009标准中润滑性要求磨痕直径不大于460 μm[5]。防静电鞋
本文作者在SRV摩擦磨损试验机上模拟实际的喷油泵柱塞/柱塞套运动方式，研究柴油润滑性能与柱塞偶件磨损的关系，以磨痕深度和磨损失重作为考察参数，分析柴油润滑性与柱塞偶件实际磨损的差异。
试验油样为国产的12个柴油油样，包括直馏柴油和加氢柴油。按照GB/T 265-2004、GB/T 12574-2004和GB/T 380-2004，分别测量其运动黏度(40 ℃)、酸度和硫含量。其中硫含量采用上海神开石油仪器有限公司生产的SYP2000-I石油产品硫含量测定仪(能量散X射线荧光光谱法)测定。
采用SVR试验机模拟实际的喷油泵柱塞/柱塞套运动方式，测量不同柴油油样润滑下上试件的磨痕深度，同等条件下重复进行3次试验，试验结果取3次试验的平均值。SRV试验机核心部件及工作原理如图1所示。
该试验机在原SRV试验机基础上改装了油盒和夹具。SRV试验件采用实际的135柴油机柱
塞偶件设计制作而成，其中上试件为切割的实际柱塞圆柱部分，下试件是柱塞套部分。柱塞偶件采用轴瓦面接触方式和相对滑动的运动形式。考虑到柱塞实际接触应力为552～827 MPa和燃料泵进口温度为75 ℃，设定试验条件为载荷600 N，温度60 ℃，频率50 Hz，冲程1.0 mm，运行时间60 min。
采用英国PCS公司生产的D540型高频往复试验机(HFRR)按ISO 12156-1测量不同油样润滑下试件的磨斑直径。测试条件为上试件(钢球)在2N载荷下以频率50 Hz、冲程1 mm做往复运动，与下试件(圆形钢片)接触产生摩擦，上下试件接触部位完全浸没于60 ℃的2 mL试验柴油中，试验时间为75 min。试验结束后测量钢球磨斑直径，经校正后作为柴油润滑性评定值WS1.4(μm)。
采用英国TAYLOR-HOBSON公司生产的Talysurf 5P-120型表面形貌仪(带电脑表面形貌测量系统)对SVR试验前后上试件的表面形貌进行分析。采用梅特勒公司生产的METTLER AT261型电子天平测量试验前后上试件的质量。
2.1 摩擦磨损试验结果
试验采用的12个柴油油样中，1#、3#和9#油样为加氢工艺柴油，其余为直馏柴油，其运动黏度(40 ℃)、酸度和硫含量如表1所示。
在12个柴油试样润滑下，分别在SRV摩擦磨损试验机上研究了135发动机柱塞偶件的实际磨损情况。从表1可以看出，燃料硫含量较高时，SRV线摩擦磨损试验后其柱塞磨痕深度均小于0.4 μm；燃料硫含量较低时，SRV线摩擦磨损试验后其柱塞磨痕深度为0.4～0.8 μm。可见，燃料含硫量较低，润滑性较低，则柱塞偶件的磨损比较严重，如3#、9#加氢柴油组分和12#柴油润滑时上试件磨损质量损失较大。从表1还可以看出，7#、10#、11#油样的酸值较高，采用HFRR评价时3个油样的润滑性较好，理论上磨损应该比较轻微，但在SRV试验条件下，柱塞偶件的实际磨损也较为严重，可能是由于酸值较大，酸性组分与金属基体元素发生了化学腐蚀效应，腐蚀磨损导致磨损加剧。
2.2 酸值、黏度和硫含量对柴油润滑性的影响
图2给出了酸值、黏度和硫含量对柴油润滑性的影响。
可以看出，黏度和硫含量是表征柴油润滑性能的比较重要理化指标之一，黏度相对较高的
燃油在两摩擦面上形成的油膜强度不容易破裂，油品的承载能力较强，而硫含量较高的燃油，润滑性相对较好。柴油样品酸值增加，采用HFRR评价时柴油润滑性总体上呈现上升趋势，其相关性系数为0.66。酸值在一定程度上表示了燃油中酸性组分含量的高低，酸性组分有利于在金属表面吸附，摩擦副之间的油膜强度不易破裂，提高了油品的承载能力(见图2(c))；但当摩擦条件较为苛刻或酸性组分含量过高时，酸性组分与金属表面会发生化学反应，产生化学腐蚀效应，导致油膜破裂，并发生腐蚀磨损使磨损增大[6]。
2.3 柴油润滑性对磨损的影响
图3给出了135柱塞磨损情况与柴油润滑性(WS1.4)及柴油硫含量对应关系，当燃料中的硫含量高于700 μg/g时，高频往复试验测得的磨斑直径增大，柱塞偶件磨痕深度增加，燃料润滑性减弱。对5个硫含量较高柴油的柱塞磨损数据进行线形拟合，柱塞偶件的磨损情况与柴油润滑性的相关性较好。当燃料中的硫含量低于600 μg/g时，柱塞偶件磨痕深度数据较为分散，与柴油润滑性的相关性较差，事实上当柴油中硫含量较小时润滑性还取决于燃料中的酸性组分[7-8]。
图4给出了SRV试验中柴油润滑性与上试件磨损失重的关系。可以看出，随着磨痕直径WS
1.4值增大，即随着柴油的润滑性减弱，上试件磨损失重增加，说明总体趋势上柴油润滑性与上试件质量磨损失重的相关性较好。
2.4 磨痕表面形貌
图5给出了较为典型的胜利直馏(2#油样)、胜利加氢(3#油样)和九江直馏(5#油样)3种柴油在SRV试验前后上试件的形貌分析结果。可以看出，胜利直馏柴油SRV试验前后上试件的表面形貌相差不大，柱塞偶件磨痕深度较小，润滑性较好；胜利加氢柴油和九江直馏柴油组分试验后上试件的表面形貌相差较大，磨损严重。直馏柴油馏分的润滑性较好，加氢馏分的润滑性较差，而九江直馏柴油的硫含量较低。
对于硫含量较高的柴油，分析认为活性硫化物吸附在金属表面上，与金属发生化学反应导致腐蚀磨损，但含硫化合物在高温高压条件下可起到部分的抗磨作用，有利于延缓磨损失效，提高燃料油品的承载能力，所以金属件磨损相对较轻[9]。而在实际的柴油润滑高压喷射系统中，硫化物提高柴油承载能力的作用正是直馏高硫柴油虽然经HFRR测试润滑性较差但实际部件磨损问题并不突出的原因之一[10]。
而低硫低润滑性的柴油(硫含量wS≤500 μg/g)采用HFRR或SRV评价时，引起的试验件磨损都非常严重，润滑性差、承载能力低，因此必须改善燃料的润滑性和油品承载能力[11]。
对于酸度较高的柴油，分析认为燃油中的酸性组分在SRV线摩擦条件时，由于高压高温环境降低了酸性组分成膜润滑效果，降低了柴油承载能力；同时边界摩擦较为严重，直接接触导致偶件磨痕深度增大，甚至诱发腐蚀磨损。这表明改善柴油润滑性的酸类添加剂有助于提高燃油的润滑性能和油品承载能力，但必须严格控制加入量，避免金属件腐蚀磨损或降低柴油承载能力[12]。此外，一旦发生柴油进入润滑油，不但会使得润滑油黏度下降，同时酸性物质还会与清净分散剂发生酸碱中和反应，严重影响机油的品质，导致换油期缩短[13]。
(1)在SRV试验条件下，部分高硫含量的柴油承载能力较高，这与HFRR评价的柴油润滑性结果相关性不大；低硫(S含量wS≤500 μg/g)低润滑性的柴油，采用SRV试验和HFRR评价，其金属件磨损都相对严重，二者评价相关性较好。
(2)直馏高硫柴油，在适量酸性组分、较高运动黏度共同作用下，实际金属件磨损问题并不突出，这也是我国直馏工艺生产的部分高硫含量柴油虽经HFRR测试润滑性较差，但实际
并未出现严重油泵磨损的原因。
(3)对于加氢精制等工艺生产的低硫甚至超低硫柴油，应通过添加抗磨添加剂的方法来提高润滑性，这对于防止柴油发动机高压喷射系统如柱塞偶件的磨损具有非常重要的意义。
新型玉米膨化机
【1】 LANCY P I,LESTZ S J.Failure analysis of fuel injection pumps from generator sets fueled with Jet A-1[R].Virginia:The Defense Technical Information Center of USA,1990.
【2】 任连岭,杨冰,邓才超,等.战场单一燃料研究进展及我军燃料单一化探讨[J].石油商技,2011,29(1):48-54.
【3】 Diesel fuel assessment of lubricity using high-frequency reciprocating rig(HFRR):ISO 12156-1 [S].
【4】 Standard test method for measurement of lubricity of aviation turbine fuels by the ball-on-cylinder lubricity evaluator(BOCLE):ASTM D5001-1990 [S].
【5】 中国石油化工股份有限公司科技开发部.车用柴油:GB 19147-2009[S].北京:中国标准出版社,2013:199-207.
