趙西朦，王 博

（西安特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，陜西西安 710065）

0 引言

雖然在機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行成本中，潤(rùn)滑油的費(fèi)用極小，但是如果潤(rùn)滑油的品質(zhì)不達(dá)標(biāo)或使用方法不當(dāng)，會(huì)成為機(jī)械設(shè)備故障的主要根源[1]。因此，有效解決潤(rùn)滑問題可以使機(jī)械設(shè)備的故障率極大地降低，從而對(duì)設(shè)備使用產(chǎn)生重要的影響[2]。

潤(rùn)滑油的作用有很多，可以降低摩擦、減少磨損，起到冷卻、防銹、密封、減振、傳遞動(dòng)力及清潔等作用[3]。在汽車差速器的主要機(jī)械零部件之間，潤(rùn)滑油都扮演著無可替代的角色[4]。確保潤(rùn)滑油的品質(zhì)與合理的使用周期是保證汽車差速器良好運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件，而且檢測(cè)車橋差速器中潤(rùn)滑油成分的變化，還可以判斷差速器的運(yùn)行狀況以及發(fā)生何種故障可能性的大小[5-6]。

為保證差速器的潤(rùn)滑可以在良好的狀態(tài)下工作，關(guān)鍵是要確保潤(rùn)滑油質(zhì)量。潤(rùn)滑油可以使差速器的重要零部件得到充分的潤(rùn)滑，減少差速器零部件之間的摩擦磨損，減少車輛的能源消耗，從而延長(zhǎng)差速器的使用壽命，因此有效并且合理使用潤(rùn)滑油不僅能降低摩擦磨損，而且對(duì)當(dāng)前的環(huán)境保護(hù)問題具有更加重要的意義[7]。

紅外光譜分析（也稱振動(dòng)光譜分析）是利用不同波長(zhǎng)的紅外光譜輻射潤(rùn)滑油樣品時(shí)，其中的某些波長(zhǎng)被吸收而形成紅外光譜圖。潤(rùn)滑油的主要成分是基礎(chǔ)油和添加劑，基礎(chǔ)油分多種，添加劑則種類更多，潤(rùn)滑油里的各種物質(zhì)被不同的波長(zhǎng)照射而吸收形成不同紅外光譜圖[8]。紅外光譜分析是根據(jù)各種物質(zhì)官能團(tuán)對(duì)應(yīng)特征峰位置的不同，找出對(duì)應(yīng)官能團(tuán)特征峰的位置，再確定是何種官能團(tuán)，而潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能主要取決于基礎(chǔ)油及添加劑的性能。通過紅外光譜官能圖特征峰的分析，對(duì)比新油光譜與使用過的潤(rùn)滑油的光譜，可以很清晰地確定潤(rùn)滑油中物質(zhì)的減少及是否由某種物質(zhì)生成了其他物質(zhì)[9]。紅外光譜是從分子水平確定在用潤(rùn)滑油是否發(fā)生了氧化反應(yīng)而失效。潤(rùn)滑油一般是通過化學(xué)反應(yīng)生成醛、酮、醇等有機(jī)物，這些有機(jī)物都對(duì)應(yīng)不同的特征峰，可以在光譜圖中清晰地發(fā)現(xiàn)是否有該物質(zhì)的生成。同時(shí)也可以通過紅外分析軟件對(duì)在用潤(rùn)滑油的各個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行定量分析，特征參數(shù)包括氧化值、硫化值、硝化值、積碳、水分、乙二醇等，通過對(duì)特征參數(shù)定量分析可以更加準(zhǔn)確地判斷潤(rùn)滑油已經(jīng)氧化到何種程度。紅外光譜分析因方便快捷、所需潤(rùn)滑油量極少而得到廣泛應(yīng)用，但因潤(rùn)滑油受水分的影響很顯著，做該實(shí)驗(yàn)務(wù)必注意實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的濕度變化，紅外光譜在國(guó)外被列為監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑油失效分析的標(biāo)準(zhǔn)方法[10]。

1 潤(rùn)滑油紅外光譜分析

紅外光譜實(shí)驗(yàn)采用Bruker Tensor27測(cè)試裝置（圖1）。從某車橋公司采集31種不同里程的潤(rùn)滑油，實(shí)驗(yàn)共檢測(cè)新油、394 km中后橋、921 km中后橋、1721 km中后橋、2271 km中后橋、2806 km中后橋、3349 km中后橋、3872 km中后橋、4758 km中后橋、5201 km中后橋、5744 km中后橋、6309 km中后橋、7000 km中后橋、8344 km中后橋、10 507 km中后橋、16 233 km中后橋等油液樣品。

圖1 Bruker Tensor27紅外測(cè)試裝置

紅外光區(qū)分成3個(gè)區(qū)：近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠(yuǎn)紅外區(qū)。其中中紅外區(qū)是研究和應(yīng)用最多的區(qū)域，一般說的紅外光譜就是指中紅外區(qū)的紅外光譜，如表1所示。

表1 紅外光譜區(qū)域

中紅外區(qū)（4000～400 cm-1）分成兩部分：官能團(tuán)區(qū)（3700～1333 cm-1）和指紋區(qū)（1333～650 cm-1）。官能團(tuán)的特征吸收大多出現(xiàn)在官能團(tuán)區(qū)；而有關(guān)的分子精細(xì)結(jié)構(gòu)特征，如取代類型、幾何異構(gòu)、同分異構(gòu)在指紋區(qū)可以觀察到。紅外光譜的三要素：①峰位：分子內(nèi)各種官能團(tuán)的特征吸收峰只出現(xiàn)在紅外光波譜的一定波數(shù)范圍里；②峰強(qiáng)：紅外光譜的特征吸收峰的強(qiáng)度取決于分子振動(dòng)時(shí)偶極矩的變化，振動(dòng)時(shí)分子偶極矩的變化越大，譜帶強(qiáng)度也就越強(qiáng)；③峰形：不同官能團(tuán)的某一種振動(dòng)形式可能會(huì)處在同一峰位處，但二者峰形會(huì)有顯著的不同，此時(shí)峰形的不同有助于官能團(tuán)的判別。

圖2所示為所有里程潤(rùn)滑油的光譜圖，可以看出，新油與行駛了不同里程潤(rùn)滑油的光譜圖大體一致，幾處相對(duì)明顯的官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的特征峰為：波數(shù)2924 cm-1為-CH2的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)；波數(shù)2855 cm-1為-CH2的對(duì)稱伸縮振動(dòng)；波數(shù)1460 cm-1為-CH3的反對(duì)稱彎曲振動(dòng)；波數(shù)1375 cm-1為-CH3的對(duì)稱彎曲振動(dòng)；圖2中位于波數(shù)723 cm-1是n＞4的-CH2的面內(nèi)搖擺振動(dòng)，可以看出該潤(rùn)滑油有長(zhǎng)碳鏈（-（CH2）n）存在，還可以看出該潤(rùn)滑油的主要組成成分是長(zhǎng)碳鏈的甲基和亞甲基，而且從不同里程數(shù)潤(rùn)滑油的特征峰可以看出該油并未失效。潤(rùn)滑油失效一般表現(xiàn)為氧化，第一步是先生成含有C-O-C鍵的醚、酯類產(chǎn)物，再進(jìn)一步氧化生成含有C=O的酮、酸等物質(zhì)。潤(rùn)滑油的氧化主要體現(xiàn)在C=O及酯和酸等產(chǎn)物的吸收上。然而，C-O-C鍵（包括醚和酯）的特征峰主要位于波數(shù)1300～1000 cm-1，吸收強(qiáng)度大；C=O碳氧雙鍵（包括酮、酸及酯）的特征峰強(qiáng)度大、峰尖銳，位于波數(shù)1850～1600 cm-1，而從紅外光譜圖上找不出其官能團(tuán)相對(duì)應(yīng)的特征峰。

圖2 不同里程的潤(rùn)滑油紅外光譜

2 紅外定量分析計(jì)算

紅外光譜的定量分析一般有兩種方法，峰高法和峰面積法。一般情況下峰面積法比峰高法更加準(zhǔn)確，因?yàn)榉迕娣e法使用了各個(gè)特征峰的全部信息，同時(shí)峰面積法受設(shè)備儀器的影響小。ASTME168提供了3種計(jì)算峰面積的方法，分別為未經(jīng)基線校正的峰面積、經(jīng)一點(diǎn)基線校正的峰面積及經(jīng)兩點(diǎn)基線校正的峰面積，為配合ASTM-E2412標(biāo)準(zhǔn)體系，采用經(jīng)兩點(diǎn)基線校正的峰面積計(jì)算方法，如圖3所示。

圖3中所有陰影面積即未經(jīng)基線校正的峰面積I0，由式（1）計(jì)算。

圖3 經(jīng)兩點(diǎn)基線校正的峰面積

Area（2）陰影面積即經(jīng)兩點(diǎn)基線校正的峰面積I2，由式（2）計(jì)算。

式（1）、式（2）中，I0是未經(jīng)基線校正的峰面積；I2是經(jīng)兩點(diǎn)基線校正的峰面積；Δ是光譜波數(shù)間隔；Aj是波數(shù)j處的吸光度；w3、w2是兩校正基點(diǎn)的波數(shù)；np是波數(shù)w3與w2之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，np=（w5-w4）/Δ。

紅外光譜油液檢測(cè)中用于表征油液性能變化的參數(shù)分別是氧化深度、硝化深度、抗磨劑損失、水污染、乙二醇污染及積炭污染。這些參數(shù)分別從潤(rùn)滑油的衰變和污染等兩方面來表征潤(rùn)滑油的質(zhì)量。針對(duì)潤(rùn)滑油的性能檢測(cè)，ASTM-E2412標(biāo)準(zhǔn)體系在國(guó)外已被廣泛用于油液性能檢測(cè)，為潤(rùn)滑油換油以及機(jī)械設(shè)備故障診斷提供了有效的檢測(cè)方法。表2給出了ASTM-E2412制訂的潤(rùn)滑油表征參數(shù)以及紅外光譜中定量分析的計(jì)算區(qū)域。

表2 潤(rùn)滑油狀態(tài)檢測(cè)規(guī)范

根據(jù)ASTM—E2412標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并結(jié)合采集的紅外光譜的特點(diǎn)確定在用潤(rùn)滑油表征參數(shù)的計(jì)算區(qū)域，對(duì)區(qū)域進(jìn)行積分可得到各表征參數(shù)的結(jié)果，再將此數(shù)據(jù)做成曲線，如圖4～圖10所示。

圖4 潤(rùn)滑油氧化深度

圖5 潤(rùn)滑油硝化深度

圖6 潤(rùn)滑油硫化深度

圖7 潤(rùn)滑油積碳深度

圖8 潤(rùn)滑油抗磨劑含量

圖9 潤(rùn)滑油水分含量

圖10 潤(rùn)滑油乙二醇含量

氧化、硝化、硫化及積碳深度代表潤(rùn)滑油的降解程度，乙二醇含量表示冷卻液的污染程度，抗磨劑一般指的是二烷基二硫代磷酸鋅（ZDDP），表示添加劑的損耗量。從圖4～圖10可以看出潤(rùn)滑油的衰變信息（氧化、硝化、硫化、積碳、抗磨劑含量、含水量及乙二醇）隨著里程數(shù)的增加變化較平穩(wěn)（除個(gè)別突變點(diǎn)），中橋與后橋變化基本一致，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出該潤(rùn)滑油衰變信息變化都很小。

3 結(jié)論

（1）雖然此不同里程的潤(rùn)滑油（包括新油）都有一定程度的氧化、硝化、硫化、水分的污染及其抗磨劑的消耗，但總體來說變化值都很小，所有里程的潤(rùn)滑油（包括新油）皆未失效。

（2）新油可能存在輕度污染。