润滑油的变质和外来物污染与设备故障
1988年云南和贵州省的交通部门在短期内有两千多辆货运载重卡车的后桥传动齿轮副发生烧结事故，大量车辆停运，由于这二省铁路线短，山多，公路运输在经济和人民生活中占重要地位，一下子这么多车停驶影响巨大，以云南省交通科学研究院为首的工作组进行调查后，得出原因有三：一是超载严重，山高路陡，使齿轮超负荷严重;二是用的齿轮油是几个小厂生产的“双曲线齿轮油”，质量低劣；三是齿轮质量参差不齐，大多不是原厂品。1994年江西省某施工单位一大批施工车辆的柴油机同时因不同程度拉缸而停工，损失惨重，经查主要原因是用了茂名市某小厂的所谓“CD”油，后来告上法庭索赔成功。河南省某公路总段汽车队1986年5～6月连续损坏15套双曲线齿轮和3副轴承，此地区同期有80台车的双曲线齿轮损坏，河南省石油公司及第二汽车厂受委托对齿轮油和齿轮作质量鉴定，证明原因是齿轮油质量低劣。
上述大事故均与润滑油质量有关，若能对润滑油进行监测，事故xx可以得到预警而避免。
㈠ 润滑油在使用中的降解使理化指标变化
润滑油在运行中的降解主体为烃类的氧化反应，典型反应程式如下：产物为醛、酮、醇，最终产物为各种有机酸类，降解的结果使油的各项指标变差，性能变坏，危及设备的正常运转及使用寿命。在新润滑油的规格中一般可分为三类：一类为理化指标，也称常规指标，可在实验室方便地测量，是大多数润滑油都应具备的物化特性，如粘度、闪点、酸碱值、水分、机械杂质含量等；第二类为模拟性的性能指标，表示润滑油的普遍性能，如抗泡、抗氧、抗腐蚀、抗乳化等，也在实验室测量，但比理化指标费力费时；第三类为性能试验，一般某类油就用此类油的代表性的设备按有代表性的工况制定的试验条件作评定方法，如齿轮油用汽车的后桥齿轮台架，内燃机油用发动机台架，液压油用液压泵方法等，润滑油在此方法中的表现表示其性能质量，此结果能较好的反映润滑油在使用中的性能，但评定比前二类费力费时得多。在对润滑油的日常品质检验中，一般仅作理化及部分模拟项目，其余作为控制项目，在基础油和添加剂配方基本固定时每隔1～2年或原材料有重大变化才进行评定，在用润滑油大多从快捷省力的理化指标变化情况即可达到监测设备的工作状况的目的，这些理化指标变化如下。
⑴ 粘度变化
润滑油在较高的油温下工作，使油中的轻组分蒸发和油高度氧化，润滑油的粘度增大，停机后常温时油呈胶冻状，再启动时机油泵工作失效，油道及滤清器堵塞，造成拉缸和烧瓦等事故。油温不特别高时润滑油也会随降解程度加大而变粘。当然，油的档次越高，降解的速度越慢。近代重型柴油机为了改善排放，采用排气回循环（EGR)技术，能改善排气指标和燃料经济性，但也使润滑油中含有较多烟炱，造成机油粘度上升。
多级内燃机油中含有一定量的高分子聚合物作粘度指数改进剂，使低粘度的润滑油粘度增加和提高油的粘度指数，这些聚合物在使用中有可能受机械或热的剪切使分子断链，增粘作用下降，使油粘度降低。此外，内燃机燃料雾化欠佳时未燃烧燃料掉在润滑油中稀释机油，也使油粘度变低，结果使润滑油性能下降，增加磨损，同时还造成油压低而供油不良和密封变坏等。一般控制润滑油的粘度变化在一定范围内，若超出此范围，就要换新油，否则就是故障隐患。
润滑油粘度的测定有国家标准方法GB/T 265(新油或浅色油）、GB/T 11137(用过油或深色油），一般内燃机油及车辆齿轮油用100℃粘度作分类，工业用油以40℃粘度作分类。
⑵ 酸值
润滑油的降解主要使烃类氧化，最终产物是有机酸，降解程度越深，酸值也越大。酸性化合物会攻击金属表面，造成腐蚀磨损。两一方面，柴油中的硫燃烧后与水结合生成硫酸，也对金属造成剧烈的腐蚀磨损，尤其在缸套及轴瓦的有色合金层，一般有成片点蚀，蚀洞有掏空。因此，润滑油配方中要有好的抗氧剂，降低油的氧化速度，同时还要有碱性添加剂，中和有害的酸性化合物，减轻腐蚀磨损的危害。一般我们控制油的酸值按不同油类在不同值以下。超过此值要换油，否则易造成故障。这里要注意的是，某些改善润滑油性能的添加剂如抗磨剂二烷基二硫代磷酸锌、防锈剂十二烯基丁二酸等的酸值很高，含这些添加剂的润滑油在使用中的酸值变化有高-低-高的变化过程，开始时酸值高是润滑油中添加剂带来的，使用中添加剂消耗而酸值下降，消耗到余量少而油氧化很大时，酸值又上升。润滑油的酸值测定有国家标准方法GB/T 7304.
某矿山有一批装有德国风冷柴油机的运输矿石用的载重卡车，其中几台行驶未到4000km即发现润滑油粘度大大增加，油色变黑，用户投诉润滑油质量有问题，现场取样分析，所用新油质量无误，在用油粘度和酸值均高于换油指标数倍，由于用同一油的其他车辆运行正常，首先排除油质量的原因后，肯定粘度和酸值高是由于这几台车是长期在很高的油温下工作而造成的。由此思路去查，发现使油温高的主要原因是冷却机体散热片的冷却风导风罩损坏，使机体冷却差而持续高油温。
⑶ 不溶物含量
润滑油降解后部分活性化合物聚合而生成微小的固体物悬浮在油中，它们会堵塞滤网和油道，易使供油不畅而发生故障，一般以戊烷不溶物含量（%）表示，随油的降解其含量增加，超过就要换油。用过的润滑油不溶物含量测定法为GB/T 8926.
⑷ 总碱值
发动机油含有大比例的清净分散剂，这些添加剂为有机碱金属盐类，都带有强碱性，其作用是中和润滑油氧化生成的酸和混入润滑油中的燃料燃烧生成的酸性物，因而润滑油在使用中这种添加剂不断消耗，碱值也就不断下降，降到一定程度其中和能力不足时就要换油。润滑油的总碱值测定有行业标准方法SH/T 0251.
㈡ 润滑油的降解使性能下降
润滑油在使用中降解除了理化指标变化外，其使用性能不断下降，其一是{zd1}抗氧化能力，油的降解主要是氧化反应，所以油的抗氧性能是最主要的性能。研究表明，润滑油在使用中抗氧能力会迅速下降，然后稳定在一定水平上，此值就是{zd1}抗氧能力，再经较长时间，此值再度下降，油就很快变坏，不能保证基本功能，就需要换油。其他主要性能如抗磨性及清净分散性都有相似规律，都有突变性，我们找到突变性的拐点，此时应是科学的换油时机，但由于此拐点的数值随润滑油的组成、设备类型、使用条件的不同而变化，没有一个通用值，在实际上很难操作，因而在故障诊断上较少应用。
㈢ 润滑油在设备内零部件表面生成沉积物
润滑油在运行中不断降解，除了本身性能降低外，还在零部件表面生成各种沉积物，这些沉积物给设备的正常工作造成障碍，严重时造成大的故障。由于生成的沉积物类型和严重程度与温度的关系密切，我们可从事故现场沉积在设备某些部位的由润滑油生成的沉积物性质及严重程度，了解事故前后设备工作时这些部位的温度状态，从而分析事故原因。
1999年末一台凌志小汽车在高速行驶时死火，再也动不了，打开发动机检查发现阀室及活塞沉积物堆积严重，活塞环粘结，初步怀疑可能用了劣质润滑油或换油不及时，但检查后否定了这原因。在润滑油质量正常时能发生如此严重的沉积，只能是发动机的工作温度非常高，而造成高温首先想到的是冷却失效，检查水箱冷却液很满，再检查发现冷却液泵皮带断裂，终于找到故障的真正原因是冷却液泵停转使机内温度过高而胀死。1989年某市一台英国产大功率中速筒状活塞柴油机发电机组，运行时其十六缸的柴油机中两组连杆轴承烧死，主轴断裂，机械检查断裂处没发现机械缺陷，而抱死的轴瓦表面合金有熔化流动现象，有碳状沉积物，显然事故前此处温度高于合金熔点，主轴断裂是由于此两个轴承烧死而另外几个缸的连杆还要转动而扭断，主因是两个轴承抱死，而轴承抱死的原因是什么？首先考虑的是供油不足造成干摩擦导致高温，检查发现主轴的油道被大量沉积物堵塞大半，这就是供油不足的原因，而造成油道内沉积物多的原因是所用的润滑油高温清净性欠佳，后来按建议选用另一品牌机油后再没发生此类事故。某市一台德国造的中速筒状活塞柴油机运转中三个连杆瓦同时烧毁，怀疑是润滑油的质量问题，但检查未烧瓦的另几缸的连杆瓦表面润滑良好，表面无沉积物，这几个瓦中间油道设计与烧毁的瓦有明显差别，与德方联系，原来出事的瓦是他们改良的设计，技术不成熟，事故损失由他们承担。
还有一种常见的情况，就是发动机使用较低档的润滑油时运转正常，换用xx油后不久，发现油色变黑快，油中沉积物多甚至堵塞滤网，用户因而怀疑xx油质量不如低档油。原因是原用润滑油由于质量低而在发动机体有关表面内生成大量沉积物，换用清净性好的xx油后会使这些沉积物疏松而脱落，掉在油中产生上述情况，应是好现象，只须把含有大量沉积物的油换掉，再换新油后就会更好。
㈣ 润滑油中的异物污染
润滑油在运行中除了含有自身劣化而生成的沉积物及不溶物外，还会被很多外来物污染，其中有发动机未燃烧燃料和燃烧产物，如汽油、柴油、烟炱、酸、水和窜气等，有磨损的磨粒，还有来自设备工作环境的外来物如尘土、水等，它们都是设备之源，检测油中异物种类、含量和性质，对监测设备状态及故障预测十分重要。
1. 水份
运转的设备大都需水冷却，发动机燃料燃烧后生成二氧化碳和水，汽轮油的水蒸气和大气中的水，都可能通过各种途径进到润滑油中，降低油的性能及造成故障。润滑油中混入水有如下危害。
⑴ 添加剂损失
润滑油中都含有数量不等的改善各种性能的添加剂，它们一般为有机化合物，有的遇到水会水解，有的为胶束状悬浮在油中，遇水会沉淀，有的溶于水后被水从油中“抽提”出来，这些都是造成添加剂失效，使其相应功能下降。如柴油机油的添加剂配方中含量{zd0}的是具有高碱值（TBN)的清净分散剂，它们大多为胶体溶液，其胶体状态有可能被水破坏，碱值下降，性能也变坏。如有人有试验，船用柴油机在80%额定功率下运行100h,被水污染的油TBN下降了58%，不溶物为2.8%，而未被水污染的油TBN仅下降22%，不溶物0.7%。被水污染的润滑油比未污染的油使活塞环磨损增加二倍，活塞组沉积物生成速度增加2～3倍.
⑵ 造成腐蚀磨损和锈蚀
润滑油中的水使零配件生锈，造成腐蚀磨损。内燃机在低工况运转时，产生的水蒸汽冷凝成水与燃料中的硫燃烧后成的氧化硫相溶成酸，对金属造成严重的腐蚀磨损，随意发动机在低工况下运转磨损反而大。
⑶ 降低润滑能力
水把运动表面的油膜冲走，造成干摩擦。20世纪80年代末某市有一台日本产的中速筒状活塞柴油机发电机组发生事故，柴油机有两个缸的活塞环严重偏磨，有一个方向已磨得很薄，而相反方向基本无磨损，厂方怀疑润滑油的抗磨性太差所致。我们在现场注意到两个现象：一是无磨痕方向的汽缸及环表面覆盖有厚油层，而偏磨方向表面干燥；二是活塞顶部的燃烧室凹处存有水。我们从环的另一半并未磨损首先肯定润滑油的抗磨性能无问题，而问题在水上，推测是汽缸垫片使冷却水窜进汽缸，把缸套表面油膜冲掉造成偏磨，检查冷却系统证实判断正确。
⑷ 乳化和生成油泥
除了几种润滑油（液压油、汽轮机油、齿轮油、船用油等）对抗乳化性能有明确要求外，很多润滑油被水污染易乳化，润滑性能变差。混入的水还会与油和其他污染物生成油泥，堵塞油道和滤网，使供油失效而出故障。
⑸ 影响润滑油的工作性能
我们多次接到用导热油的加热系统升温时不上去的投诉，一般导热油工作温度为200℃以上，但升至稍高于100℃再升不上去，怀疑是润滑油质量问题。经检查，发现都是润滑油中含水所致，这些设备在新安装或检修后用水试压或冲洗，在系统中的水未xx干净时加入导热油，升温至100℃后油中的水沸腾，在水蒸发干净前油温是升不上去的。对电器用油，微量水的存在大大影响油的绝缘特性，易使用电系统出故障，因而一般电器用油使用前有严格的干燥脱水和精密过滤工序。与润滑油中含水有关的测定方法有三种：
① 润滑油中的水含量测定方法，国家标准GB/ T260.润滑油中有水时其外观大多浑浊。
② 抗乳化性能。除了测润滑油中的水含量外，某些润滑油还要求另一指标，叫抗乳化性能，表示油水分离的能力，在有些润滑油的应用场合，总是会有水进到润滑油中，要求润滑油应尽快与水分层而不能乳化，让油水分离系统把水除去。如液压油、汽轮机油、工业齿轮油和船用柴油机油等都有这一要求，其试验方法为GB/T 7305(船用柴油机油另有方法），测定时把润滑油和水各40mL在特定温度下搅拌一定时间后静置开始计时，以分离到40mL水/37mL油/3mL乳化层时的时间（min)为指标。
③ 水解稳定性。润滑油中有的添加剂遇到水会水解而失效，专有一个表征添加剂此性能的指标，称水解安定性，试验方法为SH/T 0301.
2. 燃料，烟炱
发动机的汽油和柴油由于雾化不良而未燃烧，会流到润滑油中，稀释润滑油，参与生成油泥及破坏添加剂，使设备磨损增加，产生故障。润滑油中的燃料也对某些添加剂有破坏作用，一般可从润滑油的粘度和闪点下降中测出。闪点测定有国家标准方法GB/T 3536。一般汽油闪点低于10℃，煤油为28～40℃，轻柴油为45～65℃，而润滑油绝大多大于200℃，它被燃料稀释后闪点明显下降。
发动机尤其柴油机燃料燃烧后会产生微小碳状物称烟炱，也会混入到润滑油中产生坏作用。多年来发动机的技术进步主要围绕二个主题：节能和减少排放，近年来重负荷柴油机采用排气回循环（EGR)装置可大大改善排放，但使润滑油中烟炱含量增加，而润滑油中烟炱给发动机带来很多害处：
① 使润滑油粘度增加，在含量达到一定值（例如大于3.5%）后粘度快速上升，使润滑油流动性差，使供油不足而造成的故障。
② 使磨损增加。一方面烟炱的颗粒较大，可作为磨料而造成磨料磨损，另一方面它吸附了一些燃料燃烧后的酸性物，当它吸附在金属表面时会造成腐蚀磨损，因而含有烟炱的润滑油对发动机的阀系、汽缸表面磨损严重。
烟炱含量无特定测定方法，可通过测不溶物及沉淀物（SH/T 0473)法或显微镜得知。
3. 灰尘和杂物
设备和车辆所处环境灰尘大时，各种颗粒也会进到润滑油中。这些杂物中的很多硬颗粒造成设备不同程度的磨料磨损,其他杂物也会堵塞油孔、油道和滤网，造成供油障碍而发生恶性事故。我国某机车厂1983～1985年修东风4柴油车289台，发生磨料磨损而损坏的缸套234个，占5.8%，机油的杂质中砂粉占59.69%，纤维状物18.94%，金属粉末18.91%，其他2.46%，可见灰尘之大。又如资料显示，哈密机务段为多风沙地区，风沙季前后润滑油中硅含量相差巨大，也因此造成大量故障。不同大小的灰尘颗粒影响不同，太大的颗粒进不到摩擦表面之间，一般10～40um的颗粒能造成显著磨损。润滑油中杂物多除了造成故障外，也表明设备的过滤系统有故障。有人认为，液压系统故障中有70%～80%是由于液压介质不清洁所造成。
此外，润滑油在储运及换油中由于机体及用具清洗较差而使油污染，会影响润滑油的重要性能，如汽轮机油、抗磨液压油等被污染后，其抗磨乳化性能、空气释放性等会大受影响。
润滑油中杂物一般以机械杂质的指标表示，测定方法GB/T 511。国外有行业制定润滑油的污染（洁净度）等级，衡量润滑油被固体颗粒污染程度。应用较广的有NAS1638和SAE749D,前者为飞机制造业采用，后者为美国汽车工程师学会（SAE)和美国材料与试验协会(ASTM)采用，国际标准化组织统一为ISO 4406.
4. 进入空气
在润滑油中的空气有三种存在形式：自由空气、进入空气和溶解空气。自由空气随润滑油的流动而进进出出；进入空气指空气在润滑油中以气泡形式稳定地存在；润滑油在常温常压下一般含有7%～8%的溶解空气，溶解空气对造成设备故障并无作用，但由于系统的温度和压力变化时使溶解度下降，溶解空气析出，在润滑油表面形成泡沫，在润滑油中形成微泡，就会有危害。润滑油在流动或搅动中也不断夹带进空气，又不断释放出来，对设备有危害是以稳定状态存在与润滑油中的空气，它们主要对设备有如下危害。
① 使油泵抽空，造成供油失效；
② 空气的可压缩性使液压系统工作不稳，易出故障；
③ 产生噪音；
④ 使泵体发生穴蚀，磨损增大；
⑤ 使油温升高，加剧氧化，减少润滑油润滑寿命；
⑥ 造成油的假液面，易于泄漏；
人们从外观易于感知泡沫，却不知存在润滑油内的微泡有更大的危害，因而润滑油的指标中专有“空气释放值”项目，测润滑油中空气释放的快慢，而改善润滑油的抗泡性能的添加剂对改善空气释放值往往有反作用。
润滑油的抗泡性能测定有国家标准GB/T 12579,要测三个油温下的抗泡性：前24℃，93℃，后24℃，表示为“泡沫倾向mL/泡沫稳定性mL。润滑油的空气释放值测定方法为行业标准SH/T0308,单位为min.
造成空气能在润滑油中稳定存在的原因：一是润滑油的质量，润滑油中的添加剂很多是表面活性剂，可使泡沫稳定，所以做配方研究时一定要考虑消泡问题；二是设备原因，若其构造不合理或密封受损使空气不断进到润滑油中，也使泡沫增多；三是润滑油受污染，在储运或操作中被某些化学活性物污染。
5. 其他污染
润滑油换油时旧油放不干净，使残存的旧油污染新油，旧油中的氧化产物加速新油的降解。由于工作失误，有时在补加油时加入不同品种或不同品牌润滑油到原用油中，由于添加剂配方差异，造成润滑油变质。新设备或设备大修后往往用水、燃料或清洗剂等冲洗内部，若这些清洗介质排不干净就加润滑油进行试运转，这些残存的介质污染润滑油，使润滑油性能变差。
㈤ 润滑油的过滤系统
为了减少受固体物污染的润滑油对设备的危害，设备都有一套有效的过滤系统，越精密的设备，过滤系统要求越严格。润滑油中磨粒较多或固体物多时，应考虑滤清系统是否失效的问题，有些设备在重要的滤清器前装有油压表，当固体杂质过多导致堵塞严重使油压升至某值时发出警告，需清洗滤网。滤清器选用时首先考虑的是过滤精度，它是过滤材料{zd0}微孔尺寸的量度。但精度也不是越高越好，还要考虑其他几方面，如油的流通能力、压降、纳垢容量、对各种流体介质的相容性和拆装清洗的方便程度等。一般来说，运动偶件的配合间隙越小，则要求过滤精度越高。
㈥ 润滑油与橡胶密封件的相容性
设备的弹性体（很多为各种材料的橡胶）密封件损坏是常见的故障之一，大豆认为是密封件材料及其设计的问题，其实与润滑油的质量关系很大。很多橡胶密封件材料与润滑油不适应，在润滑油的长期浸泡下其硬度、体积、弹性变化大，使其密封不良和强度变差而损坏，因此，很多润滑油品种的规格中都有橡胶相容性指标，规定把特定的几种密封件材料试件浸泡在润滑油中，在规定的油温中经规定时间后，试件的体积、硬度、弹性等的变化应在规定的范围内，此油才合格。目前，抗磨液压油、液力传动油、美军规格的车辆齿轮油和欧洲规格的内燃机油都有此项要求。做润滑油的配方研究时，不但考虑主要性能能否达到要求，还要考虑对此类设备的密封件的材料能否相容。因此在密封件损坏较频繁时不但考虑密封件的材料及设计的原因，还要考虑润滑油对密封件的相容性。
关子杰 编著
