張 和,賈 昕,謝一民,李曉靜,楊惠琳,3
(1.寧夏煤化工檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750002;2.寧夏寶塔化工中心實(shí)驗(yàn)室(有限公司),寧夏 銀川 750002; 3.寧夏寶塔石化科技實(shí)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(lái)的空氣污染日益嚴(yán)重。國(guó)家對(duì)油品硫含量的要求越來(lái)越高,低硫和超低硫柴油的生產(chǎn)是大勢(shì)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(rùn)滑性差的問(wèn)題比較突出,容易導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)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(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn),其中向低硫加氫柴油中加入抗磨劑是最簡(jiǎn)單有效的方法。潤(rùn)滑性能是柴油抗磨劑的重要指標(biāo)之一,目前用于評(píng)價(jià)潤(rùn)滑性的方法大多是高頻往復(fù)試驗(yàn)機(jī)(HFRR),但由于該試驗(yàn)機(jī)價(jià)格昂貴,操作較為繁瑣,因此尋求一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)評(píng)價(jià)柴油抗磨劑的潤(rùn)滑性能也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn),而四球試驗(yàn)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、試件便宜、試驗(yàn)省油、試件接觸點(diǎn)單位面積上接觸壓力較大,通過(guò)鋼球的磨癍直徑大小來(lái)反映潤(rùn)滑性能的優(yōu)劣,磨癍直徑越大,潤(rùn)滑性能越差,反之則越優(yōu)[5-6]。本文通過(guò)四球法評(píng)價(jià)自制柴油抗磨劑的磨癍直徑來(lái)確定其潤(rùn)滑性的優(yōu)劣,分別考察了運(yùn)行時(shí)間、負(fù)載大小以及轉(zhuǎn)速對(duì)磨癍直徑的影響。
鋼球:四球機(jī)專用試驗(yàn)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(yàn)機(jī)及相關(guān)配套設(shè)備。
1.2.1 前期準(zhǔn)備
打開四球試驗(yàn)機(jī)電腦控制屏幕,將主軸轉(zhuǎn)速調(diào)到1200~1500r/min,運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為60~90min,打開伺服電機(jī)開始空轉(zhuǎn)預(yù)熱;用無(wú)水乙醇超聲清洗鋼球、球盒、夾頭及在試驗(yàn)過(guò)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(wú)銹斑。
1.2.2 試驗(yàn)過(guò)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(yàn)負(fù)荷、試驗(yàn)時(shí)間,(2)將三個(gè)干凈的鋼球裝入球盒中,緩慢將固定環(huán)壓在三個(gè)鋼球上,上緊鎖緊螺母,(3)將待測(cè)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(gè)干凈的鋼球裝入夾頭,然后把夾頭牢固地固定在試驗(yàn)機(jī)主軸上,(5)最后將球盒放在試驗(yàn)機(jī)球盒座上,使頂球與球盒中三個(gè)鋼球接觸,施加規(guī)定負(fù)荷使杠桿平衡,啟動(dòng)伺服電機(jī)開始試驗(yàn),(6)試驗(yàn)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(cè)量三個(gè)鋼球的每個(gè)鋼球兩個(gè)位置(與旋轉(zhuǎn)方向垂直和平行的兩個(gè)方向)的磨痕直徑,精確至0.01 mm,求平均值。
準(zhǔn)確稱取100 g試驗(yàn)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。
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(yàn)時(shí)間條件下對(duì)鋼球平均磨癍直徑大小的影響,結(jié)果見表1。
表1 試驗(yàn)時(shí)間對(duì)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(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng),鋼球的平均磨癍直徑在增大,在30min和45min運(yùn)行時(shí)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(yàn)時(shí)間超過(guò)60min時(shí),鋼球的平均磨癍直徑達(dá)到475 μm以上,滿足不了市場(chǎng)抗磨劑的指標(biāo)要求,原因可能是由于隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng),抗磨劑在鋼球接觸點(diǎn)之間形成的薄膜會(huì)逐漸破裂,從而導(dǎo)致潤(rùn)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(yàn)時(shí)間為30min為較優(yōu)試驗(yàn)時(shí)間。
采用單因素考察的方法,設(shè)定試驗(yàn)時(shí)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(duì)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(duì)磨癍直徑的影響
注:試驗(yàn)時(shí)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(shì),主軸轉(zhuǎn)速在1200 r/min內(nèi)時(shí),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(shí),鋼球平均磨癍直徑增大幅度較大,這可能是因?yàn)檗D(zhuǎn)速過(guò)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。
采用單因素考察的方法,設(shè)定試驗(yàn)時(shí)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(duì)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(shì),柴油抗磨劑的潤(rùn)滑性能下降,因?yàn)殡S著負(fù)載的加大,鋼球接觸點(diǎn)之間的作用力會(huì)增大,相應(yīng)的摩擦系數(shù)會(huì)增大,受力太大也會(huì)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(yàn)負(fù)載對(duì)磨癍直徑的影響
注:試驗(yàn)時(shí)間:30min;主軸轉(zhuǎn)速:1000 r/min;杠桿倍數(shù):20。
準(zhǔn)確稱取100 g試驗(yàn)柴油,不任何添加劑,充分搖勻后用本研究最有的試驗(yàn)條件進(jìn)行試驗(yàn),數(shù)據(jù)結(jié)果見表4。
表4 空白試驗(yàn)數(shù)據(jù)
注:試驗(yàn)時(shí)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(lái)看,自制柴油抗磨劑有較好的潤(rùn)滑性能,并且優(yōu)化的測(cè)試條件也適用于表征柴油抗磨劑的潤(rùn)滑性能。
本論文采用單因素變量法研究了四球模擬試驗(yàn)機(jī)在柴油抗磨劑潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用,分別考察了試驗(yàn)時(shí)間、主軸轉(zhuǎn)速以及負(fù)載大小對(duì)鋼球平均磨癍直徑大小的影響,從而間接研究了不同測(cè)試條件對(duì)柴油抗磨劑潤(rùn)滑性能的影響,優(yōu)化了試驗(yàn)測(cè)試條件。研究結(jié)果表明,四球模擬試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)柴油抗磨劑潤(rùn)滑性能的最優(yōu)條件為:試驗(yàn)時(shí)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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