鐵路內燃機車柴油機油中煙炱的研究

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1、 鐵路內燃機車柴油機油中煙炱的研究 第28卷,第4期 2007年7月 中國鐵道科學 CHINARAILWAYSCIENCE Vol_28No.4 July,2007 文章編號:lOOl一4632(2007)04—0073—05 鐵路內燃機車柴油機油中煙炱的研究 劉宏業(yè),李衛(wèi)東,王丹,張紅,藺利,鄧石馥 (鐵道科學研究院金屬及化學研究所,北京100081) 摘要:煙炱顆粒團聚后形成的結構會使柴油機油的黏度快速增加,導致柴油機油報廢.采用反射和透射 掃描電鏡對鐵路柴油機油中的煙炱顆粒進行分析研究.研究表明:柴油機油中的多數(shù)煙炱顆粒都分布在20~70 nIn附近,團聚后形

2、成煙炱結構一般都呈點狀或短鏈狀,在黏度大的油樣中有少量的球狀團聚;柴油機油的黏度 與煙炱結構大小具有相關性,結構大的黏度也大;柴油機油中煙炱顆粒的主要成份為c,還含有少量0,Ca, S,以及微量Si,A1和P;煙炱顆粒的晶體結構具有很高的硬度;煙炱含量大于4的油品抗磨性能明顯下降. 關鍵詞:柴油機油;煙炱;顆粒;掃描電鏡;內燃機車 中圖分類號:U262.24文獻標識碼:A 1柴油機油中煙炱顆粒大小 在柴油機油保持正常黏度的前提下,CF-4, CGI廣4和CH一4的MackT-8A,T_8,T-8E的柴油 機臺架試驗,允許的煙炱量分別為2.0,3.8 和4.8,CI-4(Mac

3、kT_8E)煙炱量雖仍然為 4.8,但指標比CH一4提高了3OoA[1].煙炱微粒 具有很高的表面自由能,在柴油機油中具有很強烈 自發(fā)聚結熱力學傾向,煙炱粒子團聚后形成的結構 會使柴油機油的黏度快速增加,從而使柴油機油報 廢,而煙炱顆粒的存在還會使柴油機部件的磨損增 加.通常采用反射掃描電鏡和透射掃描電鏡對鐵路 柴油機油中的煙炱顆粒進行分析和計數(shù). 1.1反射掃描電鏡分析 反射掃描電鏡能直觀觀察油中煙炱顆粒的大 小,形狀和煙炱顆粒在油中的團聚情況.圖1所示 是目前使用的柴油機油(以下簡稱在用柴油機油) 油樣的反射掃描電鏡照片. 通過反射掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn):煙炱顆粒在油中

4、 分散比較好,團聚呈"點狀"或"短鏈狀",有少 量"球狀"團聚,顆粒尺寸比較均勻. 1.2透射掃描電鏡分析 透射掃描電鏡能反映單個煙炱顆粒的情況,能 更加準確觀察到單個煙炱顆粒的大小,圖2所示是 收稿日期:2006—07一O4;修訂日期:2007—02—11 基金項目:鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2003YF32) 作者簡介:劉宏業(yè)(1963一),男,山東昌邑人,副研究員. 在用柴油機油油樣的透射掃描電鏡照片. 圖1油樣的反射掃描電鏡照片 圖2油樣的透射掃描電鏡照片 74中國鐵道科學第28卷 1.3顆粒分布 通過對上述在用柴油機油油樣的反射掃描電鏡 和透射掃描

5、電鏡照片中的煙炱顆粒進行計數(shù)測量, 得出反射掃描電鏡和透射掃描電鏡煙炱粒徑分布情 況,見圖3,圖4. 粒徑/nm 圖3反射掃描電鏡煙炱粒徑分布情況 粒徑/nm 圖4透射掃描電鏡煙炱粒徑分布情況 分析圖3可以看出,反射掃描電鏡中煙炱單體 粒徑98以上分布在2O～80nm之間;由圖4透 射掃描電鏡可以看出煙炱單體粒徑98以上分布 在13~80nn2之間. 反射掃描電鏡與透射掃描電鏡結果接近,其中 透射掃描電鏡是透過煙炱顆粒來觀察煙炱顆粒直徑 的,能更準確地反映煙炱單體顆粒的直徑;反射掃 描電鏡的優(yōu)點是既能測量煙炱單體顆粒的直徑,又 能觀察煙炱的顆粒表面形貌和單體顆粒在

6、油中團聚 后煙炱結構的情況. 1.4不同油品中煙炱顆粒的分布范圍 對2種分散劑和煙炱含量不同的A和B型在 用柴油機油油樣中煙炱顆粒的分布情況進行研究. 研究中用反射掃描電鏡對在用柴油機油油樣中的煙 炱顆粒的的表面情況進行觀察,利用透射掃描電鏡 對煙炱顆粒大小分布情況進行測定.煙炱顆粒通過 團聚形成煙炱結構,用納米粒度分析儀對煙炱的結 構分布情況進行測定,結果列于表1.'表中顆粒粒 度分布覆蓋了98以上的顆粒. 表1煙炱顆粒的分布情況 由表1可以看出,絕大多數(shù)煙炱顆粒的直徑都 小于100nm,對不同的柴油機油,煙炱粒徑略有 差異,但大多數(shù)分布在20~70nm附近.A油

7、的3 個油樣的煙炱結構分布范圍分別為200380nln, 170~220nm,20~140nm,其對應的黏度分別是 25.64,23.92,22.58IDA21?S一;由此可以看出, 煙炱結構越小的油樣其黏度也越小.B油的3個油 樣情況與之接近,黏度在21nXITI2?S左右的2個 油樣煙炱結構的分布范圍接近,都明顯大于黏度在 17mm?S叫附近時對應的煙炱結構分布.因此柴 油機油的黏度與在油中形成煙炱結構的大小具有相 關性.. 利用反射掃描電鏡觀察得到上述6個油樣煙炱 顆粒結構一般都呈點狀或短鏈狀,在黏度超過21 mn2.?s的油樣中有少量的球狀團聚.團聚后的 結構

8、變大,特別是球狀團聚可能包含更多的柴油機 油,明顯增大了柴油機油流動時的內摩擦力,因此 可能會使柴油機油黏度增加更多]. 在研制柴油機油時,需要使用對煙炱具有很好 分散能力的分散劑,以減少煙炱顆粒球狀團聚,降 低煙炱結構的尺寸,提高柴油機油對煙炱的容納能 力,使柴油機油中即使含較多的煙炱顆粒也能保持 較低的黏度增長速度. 嘲凝巢鬃 ∞矗}∞{;}∞m0 嘲籟巢鬃 第4期鐵路內燃機車柴油機油中煙炱的研究75 2煙炱顆粒的表面組成 通過能譜分析儀對含不同分散劑的3種在用柴 油機油以及在新油B中加入煙炱模擬物的油樣進 行了煙炱顆粒表面組成分析,具體數(shù)據(jù)列于表2.

9、表2柴油機油中煙炱顆粒的表面組成 其中煙炱模擬物加入新油B前的表面成分為 C,將其分散加入B油后,與在用油中的煙炱顆粒 一 樣,表面除含有90左右的C外,都含有大約 7的0,1.1的Ca,0.6的S. 上述3種柴油機油都含有硫化烷基酚鈣和丁二 酰亞胺清凈分散劑.清凈分散劑具有很高的表面自 由能,煙炱顆粒具有極大的比表面積,因此煙炱微 粒表面能吸附一定量的清凈分散劑,使3種油品的 煙炱顆粒表面都含有o,Ca和s等元素.煙炱顆 粒表面含有清凈分散劑能促進煙炱的分散,但由于 煙炱微粒表面存在著極性基團和羥基,在強的氫 鍵,誘導力和取向力作用下,煙炱微粒也會發(fā)生不 同程度聚

10、結.這2種效應共同作用,當后者的吸附 性強于前者時,使煙炱顆粒團聚成較大的煙炱結 構. 3煙炱微粒對柴油發(fā)動機磨損的影響 東風o型內燃機車柴油機竄煙比較嚴重,使用 中經常因為煙炱含量太高造成黏度和不溶物超標而 報廢[3].在實際應用中,存在認識上的誤區(qū),既 柴油機油中的煙炱顆粒是納米級,而納米在很多情 況下對摩擦副有減摩作用,所以油中煙炱顆粒多能 使油品減磨性能增加;因此,當柴油機油煙炱含量 超過4后,有些機務段的柴油機油仍在機車上繼 續(xù)使用.通過對使用中的鐵路柴油機油采用四球長 磨試驗考察其抗磨性能,發(fā)現(xiàn)煙炱含量>4的油 品抗磨性能明顯下降,很多油樣沒到規(guī)定的

11、試驗時 間就發(fā)生了卡死現(xiàn)象;而同樣情況下煙炱含量較低 的油品,其抗磨性能下降較少,能比較順利的完成. 四球試驗.由以上分析可以看出煙炱顆粒多并沒有 起到減摩作用. 早在20世紀80年代初,Rounds就提出煙炱 微粒是通過優(yōu)先吸附ZDDP,進而降低潤滑油抗磨 性能而增加機件磨損的機理,但隨后的一些研究發(fā) 現(xiàn)煙炱微粒增多,并未顯著改變油液中的ZDDP濃 度_5].由此可見,含煙炱潤滑油磨損增加有可能是 煙炱粒子本身造成的. 為了弄清煙炱顆粒的表面結構,采用高分辨透 射電鏡對含煙炱的鐵路柴油機油進行了分析,分析 結果示于圖5和圖6. 圖5煙炱粒子的高分辨透射電鏡照片1

12、 圖6煙炱粒子的高分辨透射電鏡照片2 對圖9和圖10的分析可以看出,由碳組成的 煙炱顆粒呈有規(guī)律的品格結構,該結構具有很高的 硬度.由于煙炱顆粒具有很高的硬度,處于邊界潤 滑狀態(tài)的摩擦副極易受到煙炱顆粒的磨損.另外煙 炱顆粒能吸附于柴油機摩擦副表面,進而減少了 ZDDP的表面覆蓋率,造成摩擦副的急劇磨損.因 此,當油品中煙炱顆粒含量較高時就必須更換柴油 機油. 中國鐵道科學第28卷 由前面的反射掃描電鏡與透射掃描電鏡觀測結 果可以看出,煙炱是一種顆粒狀混合物,形狀不規(guī) 則,多為球狀.為此,選擇與煙炱形狀與結構接近 的模擬物加入鐵路柴油機油中進行四球長磨試驗 (試

13、驗時間1h,壓力392N,溫度75℃),驗證煙 炱模擬物顆粒對磨損的影響程度.實驗數(shù)據(jù)見表 3. 表3加入煙炱模擬物后磨斑直徑的變化 由表3中的數(shù)據(jù)可以看出,隨著煙炱模擬物加 入量的增多,磨斑直徑逐漸增大,平均摩擦力也呈 增加趨勢,在煙炱模擬物含量達到2時摩擦力增 加較多,在煙炱加入量達到4時磨斑直徑明顯加 大. 4結論 (1)柴油機油中的多數(shù)煙炱顆粒都分布在2O～ 70nm附近.團聚后形成的煙炱顆粒結構一般都呈 點狀或短鏈狀,黏度大的油樣有少量的球狀團聚. (2)柴油機油的黏度與煙炱結構的大小具有相 關性,結構大的黏度也大.研制新油時使用對煙炱 具有很好分散能力

14、的分散劑,能使柴油機油即使含 有較多煙炱顆粒仍然可以保持較低的黏度增長速 度. (3)柴油機油中煙炱顆粒的主要成分為C,還 含有少量的0,Ca和S及微量的Si,Al和P,這 是由于煙炱顆粒表面吸附清凈分散劑等造成的. (4)研究發(fā)現(xiàn),煙炱顆粒具有很高的硬度,因 此煙炱含量高將導致摩擦副磨損增大. 參考文獻 [1]李衛(wèi)東,劉宏業(yè),王丹.鐵路柴油機潤滑油的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國鐵道科學,2004,24(3):133—136. (LIW~dong,LIUHongye,WANGDan.PresentStatusandDevelopmentofRailwayEngineOilEJ].

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16、03,23(11):198—200. (YEBin.SomeSuggestionsonHowtOSolvetheProblemofOilAgingofDF4DTypeDieselLocomotiveI-J]. RailswayLocomotive&CAR,2003,23(11):198—200.inChinese) [4]王丹,劉宏業(yè).柴油機機油外來污染物煙炱的分析[J].內燃機車,2002,343(9):5-8. (WANGDan,LIUHongy~AnalysisofSoo~ExogenousContaminantofDieselEngineOil[刀.DieselLoco

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18、tingOilfor RailwayLocomotiveDieselEngine LIUHongye,LIWeidong,WANGDan, ZHANGHong,LINLi,DENGShifu (MetalsandChemistryResearchInstitute,ChinaAcademyofRailwaySciences,Beijing100081,China) Abstract:Thestructurethatparticleofsootaggregateindieselenginelubricatingoilmakestheviscosity oflubricatingoil

19、increasequickly.whichresultsinanabandonmentofdieselenginelubricatingoil.Particle ofsootisstudiedindieselenginelubricatingoilbymeansofSEM.Theresultsshowthatthemajorityof particlesdistributein2O一7Oam.Thestructurethatparticlesofsootaggregateassumedtobepunctateor chainSshape,andasmallquantityofspheri

20、calaggregateinbigviscositylubricatingoil.Theviscosityof dieselenginelubricatingoilisrelatedtothestructureofsoot,thewiderthestructure,thebiggerthevis— cosity.ThecompositionoftheparticleofsootindieselenginelubricatingoilmainlyareC,asmallquantity of0,Ca,SandmicroSi,Al,P.Particlesofsoothaveaveryhighd

21、egreeofhardness.Theabrasionre— sistanceoflubricatingoildropsobviouslywhenthesootScontentexceeds4. Keywords:Lubricatingoil;Soot;Particle;SEM;Locomotivedieselengine (責任編輯楊寧清) 鐵道科學研究院2006年科技成果簡介 鐵道科學研究院2006年共主持和參加創(chuàng)造了各類科技成果6O項,其中通過省,部級鑒定6項,通過部級技術審查36 項,通過院,局級技術審查18項.為擴大科技成果的交流推廣及應用開發(fā),本刊將以連載的形式從中選擇

22、主要的科技成果 陸續(xù)簡要介紹. 1I1vⅦ鐵路旅客自動售票系統(tǒng)～ 在保持中國鐵路客運信息標準的規(guī)范化,數(shù)據(jù)結構的完整性和一致性的基礎上,集成計算機,通信,自動識別等先進 技術,開發(fā)出JWTvM鐵路旅客自動售票系統(tǒng).系統(tǒng)由自動售票機,自助售票管理系統(tǒng)后臺管理監(jiān)控機,自助售票系統(tǒng)應 用服務器和鐵路旅客自動售票軟件,鐵路自動售票系統(tǒng)服務程序,客票系統(tǒng)接口服務程序,銀行業(yè)務服務程序,自動售票 系統(tǒng)管理程序,自動售票系統(tǒng)監(jiān)控程序等系統(tǒng)軟件組成.旅客可在該系統(tǒng)上購買到全國的聯(lián)網(wǎng)鐵路車票,并可選擇使用現(xiàn) 金或銀行卡進行支付.2006年l1月通過了北京市科委組織的技術鑒定,并被認定為"國家重點新

23、產品". 2鐵路安全管理信息平臺 為適應上海鐵路局直管站段后體制變革的要求,結合安監(jiān)業(yè)務過程重組,利用計算機網(wǎng)絡,數(shù)據(jù)庫和信息處理等技 術,圍繞安全管理主題開發(fā)一種新型的安全管理信息平臺系統(tǒng).該系統(tǒng)為鐵路局,辦事處與站段之間提供了快速,透明和 真實的業(yè)務工作流轉功能和信息傳遞,溝通和反饋的渠道,同時減輕了相關人員的工作量,解決了安監(jiān)系統(tǒng)信息溝通不暢 等問題,為鐵路局各級安全管理人員提供了一個安全管理信息共享平臺,實現(xiàn)了基于工作流管理技術的鐵路局安全值班調 度值班信息電子檔案管理,鐵路安全會議管理,鐵路安全監(jiān)督檢查管理,鐵路安全管理信息集中管理,共享發(fā)布與傳遞溝 通等服務.該信息平臺界面友好,操作便捷,可滿足不同用戶的實際需要.2006年12月通過了上海鐵路局組織的技術鑒 定. (下轉第82頁)