介电常数在润滑油性能评定中的研究

2019-04-11 09:36:18

润滑油是保障机械装备持久稳定运转的基础,主要起润滑、冷却、防锈、清洁、密封和缓冲等作用。准确、及时地评定润滑油的各项性能,是润滑油从生产到使用全过程中必不可少的环节。国标和行业标准中规定了润滑油的各项性能指标要求。因此,通过测量性能参数,判断是否符合指标要求,是评定润滑油性能最直接和准确的方法。但是润滑油多数参数的检测都需要在实验室中进行,限制了这些方法的实际工程应用。

润滑油在使用一段时间后,会因多种原因引起油品变质,导致润滑的基本性能下降,此时再采用传统的检测方法,不仅有操作复杂、成本高等问题,还存在实施不便,以及即时性差的情况。这些问题导致不能及时、准确的显示润滑油的状态。所以,油品在使用过程中,经常会出现因性能检测不及时而引发的设备故障问题。

为能及时、方便、快捷、准确地检测润滑油性能,在油品性能检测方面引入了很多新的现代技术。近些年,电学方法、铁谱技术与光谱分析在润滑油性能检测与实时监测中得到广泛的研究与应用,弥补了传统实验室离线检测的不足。介电常数法是应用于润滑油性能评定中较常用的一种电学方法,分析其基本原理、特点与研究现状,可为其在润滑油性能评定领域中拓展新的研究与应用方向提供理论基础。

一、介电常数法测试原理

(一)介电常数的概念

根据静电学的研究成果,真空中一个孤立的电荷q会在其周围产生电场E,当另外的一个试验电荷q0进入到该电场中时会受到电场力的作用。根据力的作用与反作用性质,电荷q也同样受到试验电荷q0所产生的电场的力的作用,且作用力的大小相等方向相反。由电荷q所产生的电场强度为:

                              (1)

试验电荷q0在距电荷q的距离为r的点上受到的电场力为:

                          (2)

两式中,ε0为真空中的介电常数,r为距离点电荷q的径向距离。根据式(1)可知,真空中的介电常数ε0表征了孤立电荷q在给定的距离r上产生的电场强度的大小。如果将式(1)中的真空条件换为某种电介质,则同样的孤立电荷q所产生的电场强度将可表示为:

                            (3)

式中,ε为这种电介质的介电常数。在实际应用中,人们通常将真空中的介电常数ε0作为一个参照,而将电介质的介电常数ε与ε0的比值定义成为一个无量纲的相对介电常数εr,如式(4)所示:

                              (4)

研究中,没有特殊说明下,一般所指的电介质介电常数均是相对介电常数。

(二)介电常数的测量

介电常数,又称电容率,可通过测量平行板电容器的电容来计算介电常数,图1为填充有电介质的平板电容器在外加电场情况下的示意图。电容器的电容量与极板尺寸及其间电介质的介电性质有关。当电容器内充满介电常数为ε的均匀电介质时,其电容量可表示为:

                      (5)

式中,S表示电容器单极板的面积,d表示两个极板之间的间距,ε0=8.85×10-12 F/m表示真空介电常数,εr表示电介质相对介电常数。C0为无电介质时电容器的电容,根据式(5),通过测量含有电介质时电容器的电容C的方法,可以得到该电介质的相对介电常数εr,表达式为:

                                (6)

由式(5)和(6)可以看出,当一个电容传感器制作好后,其电极板面积S和极板间距离d就是固定值,其在真空中的电容值C0也是固定值。所以,电容内的电介质的介电常数仅与测得的电容有关,可通过测量电容值进行表征。

 

1 平行板电容器

(三)电介质的极化

置于电场中的电介质,沿电场方向产生偶极矩,在电介质表面产生束缚电荷的现象称为电介质的极化现象。电介质分子极化形式大约可分为下列三类:

一是电子位移式极化:在电场的作用下,分子中的正负电荷中心发生相对位移,引起分子的正负电荷中心不再重合,在电介质内部形成一个内电场。

二是离子式极化:这是在离子构成的电介质中,正负离子在有限范围内产生弹性位移而引起极化。

三是偶极式极化:在电场作用下,原来排列杂乱无章的分子取向趋于一致,而对外表现场强不为零,这种极化也叫取向极化。

物质在外电场的作用下,电子位移极化和取向极化都可能发生,只不过在不同的情况下二者的强度不一样。频率较低时,取向极化能充分完成,因取向极化产生的场强远大于电子位移极化产生的场强,这时一般只考虑取向极化的影响。介电常数的大小只与物质的种类有关,不同物质介电常数差别较大,如水的介电常数远大于油的介电常数。随着外加电场频率的升高,取向极化作用逐渐减弱,介质总的极化强度减弱,因此介质的介电常数ε将随频率升高而减小。

(四)在润滑油中的应用原理

润滑油是一种复杂的混合物,可以看作是弱极性液体电介质,介电常数大约为2.0左右。在润滑油介质中起主要作用的是电子位移式极化和取向极化。介电常数法也称电容法,是将润滑油及其中的污染物作为电介质,其场强分布如图3所示。图中E0为真空中电源电压在极板间产生的场强;E1为介质偶极子产生的反向场强;E2为油的杂质在电场中激发的反向场强;E为合成场强(E=E0-E1-E2)。由式(3)、(4)、(5)可得此时电容内电介质的介电常数ε为:

                  (7)

由式(7)可以看出,在电场存在的情况下,平板电容间充满润滑油,极化分子的偶极矩沿电场方向排列,产生了一个附加电场,与原来的电场方向相反,削弱了原电场,介质中的极化成分越多,使得润滑油的介电常数就越大,表现为电容增大,电容增大的倍数正是此时该介质的相对介电常数。由于平行板电容器的电容C跟介电常量ε成正比,通过测量电容的变化就可以反映润滑油被污染物造成的理化性能的变化。

 

2 电容器极板间液体极化场强分布

当以润滑油作为电介质进入平行板电容器极板间进行检测时,被氧化的润滑油,其分子极性会发生变化,即E1将增大;被污染的润滑油,其纯净度会发生变化,如:油质进水会产生H+OH-离子、有机酸会产生H+RCOO-离子、金属颗粒会产生自由电子等都会使E2明显增大,从而使合成场强E减小,使油质的介电常数显著的增加。随着氧化产物和热降解产物的积累,外来污染物的不断增加,油中极化分子也不断增多,这样会导致润滑油的介电常数发生变化;同时,由于摩擦和磨损,磨损的金属粒子和其它导电性强的化合物也会使润滑油的介电常数发生变化。润滑油介质的极化成分的质量分数就直接影响到其介电常数的大小。因此,可以通过监测润滑油的介电常数来评价润滑油的性能。

二、在润滑油性能检测中的研究

(一)含水检测

水的介电常数为80左右,油的介电常数为2左右,如果油中混入少量水分,会直接引起油的介电常数发生明显变化,所以介电常数在润滑油性能检测中的一项主要作用是评价油品含水情况。

有研究表明,利用电容式传感器监测润滑油污染程度与污染物种类及其含量的变化过程中,随着含水量的增大,润滑油的介电常数呈上升趋势。当含水量小于2.0%时,不同温度下润滑油的介电常数与含水量基本上呈现线性增长关系;当润滑油温度升高时,介电常数增大。当2.0%<含水量<3.5~4%时,随着温度升高,介电常数随含水量的变化趋势逐渐变缓。当含水量大于4.0%时,润滑油的介电常数随着温度的升高反而降低。

在含水润滑油介电常数的研究中,可以通过设计合理的高精度电容传感器,测量不同润滑油在不同含水量条件下的介电常数,再通过数学分析方法,拟合出每种油品的含水量与介电常数关系曲线,实现数学方法预测油品含水量变化情况,表征油品污染程度。该方法的优点是可以通过油品的介电常数判断油品的含水量,免去传统含水量测量的复杂过程和高昂花费,具备简单、快捷的特点,在一定范围内,测量值具有可靠性;该方法的不足之处在于不同油品或同种油品不同批号的含水量与介电常数函数关系式均不统一,针对每个样品要进行一次多点数据采集与拟合,增加了大量的工作量。

(二)颗粒检测

发动机润滑油在长时间使用后,油中会混入一定量的积炭和金属磨屑,影响润滑油的介电常数,改变润滑油污染程度。利用介电常数变化,监测润滑油中碳和金属磁性颗粒含量情况的研究也是近年来介电常数与润滑油性能评定研究的一个热点方向。碳和金属颗粒是良性导体,当润滑油中含有这些颗粒时,介电常数很大,在外电场作用下,这两种物质均会产生与外电场相反的电场,进而影响润滑油的介电常数。有研究表明,随着碳颗粒和金属磁性颗粒含量的增大,电容的测量值不断上升,润滑油的介电常数明显呈上升趋势,与含量几乎成线性关系。

(三)酸值检测

发动机在运行过程中,润滑油中的部分碳氢化合物分子被氧化生成酸,其中的添加剂也被逐渐消耗,使得润滑油中的有机酸含量增加;此外,燃料燃烧的产物亦会渗入其中,使油中的无机酸增加。这样最终会导致润滑油的总酸值升高,加重对发动机的腐蚀,不利于其正常工作。润滑油中酸含量增加,在外电场作用下,酸中的H+RCOO-离子会发生离子极化,形成内电场抵消外电场强度,从而使润滑油的介电常数增加。

润滑油中水分含量、碳颗粒和铁磨粒含量以及总酸值的增加,都会导致润滑油介电常数的增加,其中对介电常数影响最大的是水含量。由于这3个理化指标是评价润滑油品质的主要指标,因此,润滑油的介电常数可以作为衡量其劣化程度的指标,可以通过电容式传感器监测润滑油理化性能,来判断润滑油是否失效,进一步确定更换润滑油的最佳时机。

三、介电常数在润滑油分水性能评定中的拓展研究方向

通过电容法可以得到润滑油的介电常数,介电常数的变化表征了润滑油含水情况,当润滑油的含水情况发生变化时,必将引起介电常数发生变化。目前利用介电常数评定润滑油性能的研究多数集中在测定润滑油在一定时期或状态下的含水情况,用来监测油品的老化或变质程度。从某种角度上说这是油品静态含水量监测,此时的含水量变化较小,表征的是润滑油在此阶段的含水情况。

润滑油的抗乳化性是用来表征润滑油混入水后,对水的分离能力。国际上通用的润滑油抗乳化性评定方法为美国的ASTM D1401(相当于我国的GB/T 7305)和英国的BS 2000-19(相当于我国的SH/T 0191)标准,其方法均是通过测量达到标准要求的油水分离体积所用的时间来表征润滑油的抗乳化性。在润滑油实际使用中发现,油品的抗乳化性满足标准要求,但润滑油中的含水量还是能够造成机械设备损坏。现用的润滑油抗乳化性评定方法用来表征润滑油分水性能还存在一定的不足,其仅能通过油水分离时间来表征抗乳化性能优劣,但不能显示分水后油层的含水情况。如果将润滑油的抗乳化性评定方法与分水后油层含水量测定结合起来,将能更全面准确地表征润滑油的分水性能。

利用含水量引起的介电常数变化的特点,结合润滑油抗乳化性评定方法,可以利用介电常数来表征润滑油分水的动态变化过程。评定润滑油的抗乳化性,就是评定润滑油分水能力,其测量过程就是分水过程。将介电常数引入到润滑油分水性能评定中,在油水分离过程中,用油中含水量快速降低引起的电容下降表征分水快慢,用电容值表征分水后的含水量,能够实现抗乳化性与含水量的同步测量。俄罗斯汽轮机油综合鉴定法中,对汽轮机油抗乳化性评定方法就采用了介电常数法。其要求在室温(18~24℃)条件下进行油水分离,这种情况致使油品完成油水分离时间较长;并且试验停止条件限制为三次测得电容值差不大于0.1pF,如果油品的分水性能较差,在室温下分水会很慢,敏感的电容传感器很难在短时间内达到0.1pF的结束标准。俄罗斯的汽轮机油抗乳化性评定法中仅用电容变化表征破乳化时间,并没有表征含水量。

如果能将介电常数法与ASTM D1401和BS 2000-19相结合,开发能够用于标准ASTM D1401和BS 2000-19中的介电常数测定设备,既可以解决分水性差的油品在室温下分水慢导致试验时间长的问题,又可以通过测量不同油品分水后油层的电容值来表征油层的相对含水量大小,实现润滑油抗乳化性测定与含水量的范围划定。该研究将为介电常数在润滑油性能评定中的应用拓展新的方向。

四、结束语

介电常数作为评价润滑油性能的指标,已得到广泛认可与应用。将其与现用的润滑油性能评价标准方法相结合,研究具有符合功能的润滑油性能评定技术,将会成为润滑油性能评定领域一个新的研究热点。


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