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1、 鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)油中煙炱的研究 第28卷,第4期 2007年7月 中國(guó)鐵道科學(xué) CHINARAILWAYSCIENCE Vol_28No.4 July,2007 文章編號(hào):lOOl一4632(2007)04—0073—05 鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)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(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所,北京100081) 摘要:煙炱顆粒團(tuán)聚后形成的結(jié)構(gòu)會(huì)使柴油機(jī)油的黏度快速增加,導(dǎo)致柴油機(jī)油報(bào)廢.采用反射和透射 掃描電鏡對(duì)鐵路柴油機(jī)油中的煙炱顆粒進(jìn)行分析研究.研究表明:柴油機(jī)油中的多數(shù)煙炱顆粒都分布在20~70 nIn附近,團(tuán)聚后形

2、成煙炱結(jié)構(gòu)一般都呈點(diǎn)狀或短鏈狀,在黏度大的油樣中有少量的球狀團(tuán)聚;柴油機(jī)油的黏度 與煙炱結(jié)構(gòu)大小具有相關(guān)性,結(jié)構(gòu)大的黏度也大;柴油機(jī)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞:柴油機(jī)油;煙炱;顆粒;掃描電鏡;內(nèi)燃機(jī)車(chē) 中圖分類(lèi)號(hào):U262.24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 1柴油機(jī)油中煙炱顆粒大小 在柴油機(jī)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(jī)臺(tái)架試驗(yàn),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(biāo)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(jī)油中具有很強(qiáng)烈 自發(fā)聚結(jié)熱力學(xué)傾向,煙炱粒子團(tuán)聚后形成的結(jié)構(gòu) 會(huì)使柴油機(jī)油的黏度快速增加,從而使柴油機(jī)油報(bào) 廢,而煙炱顆粒的存在還會(huì)使柴油機(jī)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(duì)鐵路 柴油機(jī)油中的煙炱顆粒進(jìn)行分析和計(jì)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(tuán)聚情況.圖1所示 是目前使用的柴油機(jī)油(以下簡(jiǎn)稱(chēng)在用柴油機(jī)油) 油樣的反射掃描電鏡照片. 通過(guò)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(tuán)聚呈"點(diǎn)狀"或"短鏈狀",有少 量"球狀"團(tuán)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(gè)煙炱顆粒的情況,能 更加準(zhǔn)確觀察到單個(gè)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(xiàng)目:鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2003YF32) 作者簡(jiǎn)介:劉宏業(yè)(1963一),男,山東昌邑人,副研究員. 在用柴油機(jī)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(guó)鐵道科學(xué)第28卷 1.3顆粒分布 通過(guò)對(duì)上述在用柴油機(jī)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(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)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(jiàn)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(jié)果接近,其中 透射掃描電鏡是透過(guò)煙炱顆粒來(lái)觀察煙炱顆粒直徑 的,能更準(zhǔn)確地反映煙炱單體顆粒的直徑;反射掃 描電鏡的優(yōu)點(diǎn)是既能測(cè)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(tuán)聚 后煙炱結(jié)構(gòu)的情況. 1.4不同油品中煙炱顆粒的分布范圍 對(duì)2種分散劑和煙炱含量不同的A和B型在 用柴油機(jī)油油樣中煙炱顆粒的分布情況進(jìn)行研究. 研究中用反射掃描電鏡對(duì)在用柴油機(jī)油油樣中的煙 炱顆粒的的表面情況進(jìn)行觀察,利用透射掃描電鏡 對(duì)煙炱顆粒大小分布情況進(jìn)行測(cè)定.煙炱顆粒通過(guò) 團(tuán)聚形成煙炱結(jié)構(gòu),用納米粒度分析儀對(duì)煙炱的結(jié) 構(gòu)分布情況進(jìn)行測(cè)定,結(jié)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(duì)不同的柴油機(jī)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(gè)油樣的煙炱結(jié)構(gòu)分布范圍分別為200380nln, 170~220nm,20~140nm,其對(duì)應(yīng)的黏度分別是 25.64,23.92,22.58IDA21?S一;由此可以看出, 煙炱結(jié)構(gòu)越小的油樣其黏度也越小.B油的3個(gè)油 樣情況與之接近,黏度在21nXITI2?S左右的2個(gè) 油樣煙炱結(jié)構(gòu)的分布范圍接近,都明顯大于黏度在 17mm?S叫附近時(shí)對(duì)應(yīng)的煙炱結(jié)構(gòu)分布.因此柴 油機(jī)油的黏度與在油中形成煙炱結(jié)構(gòu)的大小具有相 關(guān)性.. 利用反射掃描電鏡觀察得到上述6個(gè)油樣煙炱 顆粒結(jié)構(gòu)一般都呈點(diǎn)狀或短鏈狀,在黏度超過(guò)21 mn2.?s的油樣中有少量的球狀團(tuán)聚.團(tuán)聚后的 結(jié)構(gòu)

8、變大,特別是球狀團(tuán)聚可能包含更多的柴油機(jī) 油,明顯增大了柴油機(jī)油流動(dòng)時(shí)的內(nèi)摩擦力,因此 可能會(huì)使柴油機(jī)油黏度增加更多]. 在研制柴油機(jī)油時(shí),需要使用對(duì)煙炱具有很好 分散能力的分散劑,以減少煙炱顆粒球狀團(tuán)聚,降 低煙炱結(jié)構(gòu)的尺寸,提高柴油機(jī)油對(duì)煙炱的容納能 力,使柴油機(jī)油中即使含較多的煙炱顆粒也能保持 較低的黏度增長(zhǎng)速度. 嘲凝巢鬃 ∞矗}∞{;}∞m0 嘲籟巢鬃 第4期鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)油中煙炱的研究75 2煙炱顆粒的表面組成 通過(guò)能譜分析儀對(duì)含不同分散劑的3種在用柴 油機(jī)油以及在新油B中加入煙炱模擬物的油樣進(jìn) 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(jī)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(jī)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(jìn)煙炱的分散,但由于 煙炱微粒表面存在著極性基團(tuán)和羥基,在強(qiáng)的氫 鍵,誘導(dǎo)力和取向力作用下,煙炱微粒也會(huì)發(fā)生不 同程度聚

10、結(jié).這2種效應(yīng)共同作用,當(dāng)后者的吸附 性強(qiáng)于前者時(shí),使煙炱顆粒團(tuán)聚成較大的煙炱結(jié) 構(gòu). 3煙炱微粒對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的影響 東風(fēng)o型內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)竄煙比較嚴(yán)重,使用 中經(jīng)常因?yàn)闊熿坪刻咴斐绅ざ群筒蝗芪锍瑯?biāo)而 報(bào)廢[3].在實(shí)際應(yīng)用中,存在認(rèn)識(shí)上的誤區(qū),既 柴油機(jī)油中的煙炱顆粒是納米級(jí),而納米在很多情 況下對(duì)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(dāng)柴油機(jī)油煙炱含量 超過(guò)4后,有些機(jī)務(wù)段的柴油機(jī)油仍在機(jī)車(chē)上繼 續(xù)使用.通過(guò)對(duì)使用中的鐵路柴油機(jī)油采用四球長(zhǎng) 磨試驗(yàn)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(méi)到規(guī)定的

11、試驗(yàn)時(shí) 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(yàn).由以上分析可以看出煙炱顆粒多并沒(méi)有 起到減摩作用. 早在20世紀(jì)80年代初,Rounds就提出煙炱 微粒是通過(guò)優(yōu)先吸附ZDDP,進(jìn)而降低潤(rùn)滑油抗磨 性能而增加機(jī)件磨損的機(jī)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(jiàn),含煙炱潤(rùn)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(jié)構(gòu),采用高分辨透 射電鏡對(duì)含煙炱的鐵路柴油機(jī)油進(jìn)行了分析,分析 結(jié)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(duì)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(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)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(rùn) 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(jī)摩擦副表面,進(jìn)而減少了 ZDDP的表面覆蓋率,造成摩擦副的急劇磨損.因 此,當(dāng)油品中煙炱顆粒含量較高時(shí)就必須更換柴油 機(jī)油. 中國(guó)鐵道科學(xué)第28卷 由前面的反射掃描電鏡與透射掃描電鏡觀測(cè)結(jié) 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(jié)構(gòu)接近 的模擬物加入鐵路柴油機(jī)油中進(jìn)行四球長(zhǎng)磨試驗(yàn) (試

13、驗(yàn)時(shí)間1h,壓力392N,溫度75℃),驗(yàn)證煙 炱模擬物顆粒對(duì)磨損的影響程度.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(shì),在煙炱模擬物含量達(dá)到2時(shí)摩擦力增 加較多,在煙炱加入量達(dá)到4時(shí)磨斑直徑明顯加 大. 4結(jié)論 (1)柴油機(jī)油中的多數(shù)煙炱顆粒都分布在2O～ 70nm附近.團(tuán)聚后形成的煙炱顆粒結(jié)構(gòu)一般都呈 點(diǎn)狀或短鏈狀,黏度大的油樣有少量的球狀團(tuán)聚. (2)柴油機(jī)油的黏度與煙炱結(jié)構(gòu)的大小具有相 關(guān)性,結(jié)構(gòu)大的黏度也大.研制新油時(shí)使用對(duì)煙炱 具有很好分散能力

14、的分散劑,能使柴油機(jī)油即使含 有較多煙炱顆粒仍然可以保持較低的黏度增長(zhǎng)速 度. (3)柴油機(jī)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(dǎo)致摩擦副磨損增大. 參考文獻(xiàn) [1]李衛(wèi)東,劉宏業(yè),王丹.鐵路柴油機(jī)潤(rùn)滑油的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國(guó)鐵道科學(xué),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(jī)機(jī)油外來(lái)污染物煙炱的分析[J].內(nèi)燃機(jī)車(chē),2002,343(9):5-8. (WANGDan,LIUHongy~AnalysisofSoo~ExogenousContaminantofDieselEngineOil[刀.DieselLoco

17、mo— tives,2002,343(9)5-8.inChinese) [5]郭和軍,劉振玉,張有智,等.懸浮碳煙微粒對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)磨損的影響[J].潤(rùn)滑與密封,2004,163(3):106— 107. (GUOHejun,LIUZhenyu,ZHANGYouzhi,eta1.ImpactofSuspendedSootParticlesOnDieselEngineWear [J].LubricationEngineering,2004,163(3):106-107.inChinese) 第4期鐵路內(nèi)燃機(jī)車(chē)柴油機(jī)油中煙炱的研究77 StudyontheSootinLubrica

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(zé)任編輯楊寧清) 鐵道科學(xué)研究院2006年科技成果簡(jiǎn)介 鐵道科學(xué)研究院2006年共主持和參加創(chuàng)造了各類(lèi)科技成果6O項(xiàng),其中通過(guò)省,部級(jí)鑒定6項(xiàng),通過(guò)部級(jí)技術(shù)審查36 項(xiàng),通過(guò)院,局級(jí)技術(shù)審查18項(xiàng).為擴(kuò)大科技成果的交流推廣及應(yīng)用開(kāi)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(jiǎn)要介紹. 1I1vⅦ鐵路旅客自動(dòng)售票系統(tǒng)～ 在保持中國(guó)鐵路客運(yùn)信息標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的完整性和一致性的基礎(chǔ)上,集成計(jì)算機(jī),通信,自動(dòng)識(shí)別等先進(jìn) 技術(shù),開(kāi)發(fā)出JWTvM鐵路旅客自動(dòng)售票系統(tǒng).系統(tǒng)由自動(dòng)售票機(jī),自助售票管理系統(tǒng)后臺(tái)管理監(jiān)控機(jī),自助售票系統(tǒng)應(yīng) 用服務(wù)器和鐵路旅客自動(dòng)售票軟件,鐵路自動(dòng)售票系統(tǒng)服務(wù)程序,客票系統(tǒng)接口服務(wù)程序,銀行業(yè)務(wù)服務(wù)程序,自動(dòng)售票 系統(tǒng)管理程序,自動(dòng)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(gòu)買(mǎi)到全國(guó)的聯(lián)網(wǎng)鐵路車(chē)票,并可選擇使用現(xiàn) 金或銀行卡進(jìn)行支付.2006年l1月通過(guò)了北京市科委組織的技術(shù)鑒定,并被認(rèn)定為"國(guó)家重點(diǎn)新

23、產(chǎn)品". 2鐵路安全管理信息平臺(tái) 為適應(yīng)上海鐵路局直管站段后體制變革的要求,結(jié)合安監(jiān)業(yè)務(wù)過(guò)程重組,利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)庫(kù)和信息處理等技 術(shù),圍繞安全管理主題開(kāi)發(fā)一種新型的安全管理信息平臺(tái)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(shí)的業(yè)務(wù)工作流轉(zhuǎn)功能和信息傳遞,溝通和反饋的渠道,同時(shí)減輕了相關(guān)人員的工作量,解決了安監(jiān)系統(tǒng)信息溝通不暢 等問(wèn)題,為鐵路局各級(jí)安全管理人員提供了一個(gè)安全管理信息共享平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了基于工作流管理技術(shù)的鐵路局安全值班調(diào) 度值班信息電子檔案管理,鐵路安全會(huì)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(wù).該信息平臺(tái)界面友好,操作便捷,可滿(mǎn)足不同用戶(hù)的實(shí)際需要.2006年12月通過(guò)了上海鐵路局組織的技術(shù)鑒 定. (下轉(zhuǎn)第82頁(yè))