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船用设备的摩擦学

36.1 简介

36.2 船用油品的性质和相关化学知识

燃油和滑油的流变学和化学 关于环境的考量

36.3 柴油机引擎的润滑

低速柴油机引擎（＜250转/分) 中速柴油机引擎（250转/分-1000转/分）高速柴油机引擎（＞1000转/分）

36.4 蒸汽和蒸汽轮机

36.5 辅助设备

尾管 装配设备 泵 油类维护设备

作者：史蒂芬 R 施密德 圣母大学

卡尔 J 施密德 约翰 迪尔公司

36.1 简介

船用设备的工作环境向摩擦学研究者们提出了极高的要求。当使用到的机器本身和润滑剂与其它应用场景中一致的时候，一些根本性差异，例如操作环境在润滑剂的成功应用上扮演了重要的角色。其中主要包括燃油使用的化学环境，操作环境的温度和经常遇到的转速变化。同时，一艘船一次性的续航时间应该达到一周。

船用设备设计中最难以满足需要和令设计者激动的方面之一就是其庞大的设备规模。一艘小船只会使用一台几马力的柴油发动机，相比之下，一架大型的飞行载具携带的核反应装置能够驱动一座中型城市。螺旋桨轴产生的强大推动力将会被有效的传递到船体结构上（并且这可能是现在水力推进轴承最常见的应用）。凸轮，齿轮，链条，滑动轴承，活塞和滚动轴承等，都在船舶领域得到了应用。这些机器零件的基础理论被包含在了这些手册和参考文献中，例如汉姆洛克等（1999），西格里等（1989）和尤文内尔等（1991）。

这个章节的作用是对船用设备摩擦学进行一个全面的综述。这并不是对某个机器零件或应用设备的详细调查研究。与之相反，这个章节关注了船舶摩擦学和其它摩擦学应用之间的差别。

36.2 船舶油品的性质和化学特性

36.2.1 燃油和滑油的流变学和化学

在过去15年里，柴油发动机在商用船舶领域展现了比其它动力类型船舶更大的优势，并且取代了蒸汽发动机和蒸汽燃气涡轮发动机，取得了一个相对重要的地位。然而，蒸汽燃气涡轮发动机在军用船舶领域仍然十分流行。出于经济性考虑，船舶一般都由相当高黏度的燃油驱动，这是为了通过减少精炼油品的消耗来减少燃油的消耗。佩泽尔（1998a）给出了主要的燃油类型和它们的黏度，如下所示：

1. 船用燃料油：黏度在50℃下介于380-700厘斯之间；
2. 燃油的中间体：黏度在50℃下介于30-380厘斯之间；
3. 船用柴油：黏度在40℃下介于11-14厘斯之间；
4. 汽油：黏度在40℃下小于6厘斯。

更加粘稠的燃油在环境温度下会变得更加难以泵送或者雾化喷射到燃烧室里面，因此常常被预热到160℃。这样做的目的是让黏度值接近20cSt（佩泽尔1998a）。

使用高黏度燃油是出于经济性考虑，因为液体燃料越粘稠，需要的精炼过程就越少，因此成本就会更加低廉。过去几十年中，燃油的黏度有了一个相当大的提高。作为比较，威金森（1983）对船舶摩擦学的极佳的综述把注意力限制在了燃油的混合上，使得其黏度在50℃下上升到了180 cSt，这使得今天更多的高黏度油开始被日常性地使用。

燃油黏度的一直升高有一个严重的缺点就是会排放污染物并且增加酸性排放。当硫元素在自动化设备润滑剂中作为低浓度的额外添加剂后，燃油中的硫元素的浓度会可观到足以引起硫化腐蚀。有些燃油的含硫量会超过4%，导致产生大量的SO₂和SO₃燃烧产物，造成高酸性环境。同样的，碳粒子会悬浮在燃油中，造成气缸被污染，活塞环和气缸之间被卡死。不仅如此，磨粒会随着润滑剂传递到发动机中，这会造成其磨粒磨损速率比其他情况下更快。更远一点看，高黏度燃油会造成操作环境温度比平常遇到的略高一些。

用于润滑剂的基本油料在近几年获得了重大的变化。在80年代早期，环烷烃油品成为了急先锋，现在的工业生产中链烷烃基油品和合成纤维占据了优势。这主要是由于对更高黏度指数（VI）的需要，而这又和更高的操作环境温度相关联。虽然特定黏度数值的油品被特定地生产了出来，但是VI黏度指数系列的油品，黏度在100-150范围内的都在被使用。精选可用的润滑剂归纳列表在表36.1中给出。

燃油的化学问题被公式化的润滑剂加上特定的添加剂所解决，这种做法是为了减少燃油的造成的酸性环境和酸性产物，并且提高其润滑性。碱度依据TBN（总基数）来判断，TBN是依据每克液体中含有的氢氧化钾（KOH）（以毫克计算）来计算，并随着应用场景的不同而变化。既然具体数值由应用场景决定，低速柴油机的TBN值大概在70左右，中速柴油机大概在30左右，高速柴油机与汽车用油类似（TBN为5左右）。TBN在润滑剂的成功使用里起到了重要的作用。例如，海灵曼等人（1982）展示了在TBN值为100的时候，低速柴油机的气缸套和顶端活塞环的磨损会减少。

其它的添加剂包括这种物质的典型混合物：边界添加剂，极压添加剂，消泡剂和洗涤剂等，但是在汽车应用领域这种添加剂的浓度更高（伍德亚德，1990）。添加剂对不同等级机器的作用将会在特定章节中讨论。

36.2.2环境影响

船舶设备的大多数有害排放都来自燃烧产物和污染物，其中大部分都来自燃油中的硫元素。当一些润滑剂不可避免地被燃烧掉的时候**，对润滑剂的关心点就来到了废物排放。

（*燃料硫含量随燃料来源而变化。含硫量高的燃料被称为“发酸原油”，而硫含量低的是“发甜原油”，而燃料根据其来源可以确定其是酸的还是甜的。这已经导致了许多考察时的困惑，气缸套的磨损会在明显随机的时间出现和消失，通常是由于使用的燃料不同而造成的。另外，因为使用高TBN油的优势随着燃料中硫含量降低而消失，可根据预期的燃料质量定制润滑剂的TBN值。

**注意，低速柴油机气缸润滑油会完全燃烧，对金属（Ca）排放的贡献很大。）

空气污染大多来自燃油中的化学元素。但是燃油的任何变化都对润滑油的配方产生了深远的影响。

在控制排放上，燃油的质量是最重要的一个变量。例如，托马斯（1992）提出碳排放（煤烟颗粒物）能够用以下公式与燃油质量相关联：

（36.1）

其中，P_c表示氧气过量达到4%时的燃油质量中的碳微粒含量（不包括灰尘），HR是用色谱法测定燃油中碳形成的趋势的数值，S表示燃油中硫元素的质量分数，V是指钒元素的含量，Na是指钠元素的含量，两者均以百万分之一为单位。

1992年，国际海事组织（IMO）作为一个联合国组织，认定了两者污染物（NO_x和SO_x）截至2000年应得到控制（巴斯滕霍夫，1992）。然而，没有具体的要求和生产标准为此事而出台。通过昂贵的精炼工艺（脱氢去硫法），完全有可能在未来把燃油中的硫分完全脱去。兰茨（1995）计算了硫排放比例和燃油中含硫量之间的函数关系，沿着燃油消耗量增长的方向。

他的模型结果展示在表36.2中。兰茨同样提到了一种可供选择的办法是尾气处理，这种办法会使得每吨燃料费达到25美元，燃油消耗提高3%。

一些国家在沿海水域实施排放法规，这可以覆盖离海岸线几英里的范围。然而，使用燃油作为燃料的经济原因是如此难以拒绝，普遍做法是在国际水域使用普通船用燃料油，沿海岸线附件使用更精制的燃料油（即减少了硫含量的燃料）。这对酸雨的产生有很大的影响，因为硫排放物更多的不是沉积在陆地上，而是沉积在海上。海水中的硫含量为10¹⁵吨，而所有化石燃料加起来只贡献了10¹¹吨，这被认为不会产生有害影响（兰茨，1995）。兰茨还指出，所有船舶的硫排放总量（10⁵吨/年）与一座燃煤发电站的排放量大致相同。

硫含量减少的影响是非常深远的。如果燃料油精炼到足以消除大部分硫分的程度，接下来润滑剂增加的碱度的需求将被消除。事实上，润滑油需要重新配制配方，因为当少量硫存在时硫分会成为极佳的润滑添加剂。因此，正如高德曼（1976）所讨论的，使用无硫燃料实际上会导致发动机磨损增加。此外，重要的第三级功能（氧化抑制，清洁功能等）需要使用不同的润滑添加剂来实现高碱度，从而达到去污的能力。

氮氧化物的排放也是一个问题。许多方法可以用来减少氮氧化物的排放。例如，氮氧化物的排放可以通过减短燃油喷射正时的方式，这样一来比不采取控制的排放水平减少了50%，尽管比油耗增加了约10%（Hold，1993）。减短燃油喷射正时增加了气缸润滑油中的烟灰负荷，需要重新调整，例如提高气缸油流速，或减少换油间隔，所有这些都在为环境问题考虑。对于更大规模的减排措施，有必要采取一定类型的催化减排。这就需要重新制定润滑油配方，因为现行的极压（EP）添加剂如二硫代磷酸锌与氮氧化物还原催化剂是不相容的。

在燃料燃烧的废气中的微粒排放主要来自硫和碳颗粒。然而，有些润滑油会被燃烧掉，从而导致气体和颗粒物的排放。高TBN油品中含有高达12%的硫酸盐成分，在燃烧过程中会转化为无机颗粒。此外，减少柴油发动机的微粒排放也得到了一些关注，尽管迄今为止，监管机构在海洋行业的工作远没有其他行业那样的要求严格。

微粒也是一个问题。燃料油和润滑油含有钙(以氢氧化钙的形式表现)等金属以改善其碱度。金属离子与硫(如CaS)形成灰分，这是一种潜在的微粒废气。碳颗粒(煤烟)也是一种废气排放物。Gros(1990)报告指出，典型的中速柴油机尾气污染物约66%为金属(包括其氧化物和硫化物)，25%为碳，10%为来自燃油和润滑油的碳氢化合物。

36.3 柴油发动机的润滑

许多有关柴油机润滑的问题与本节第33部分讨论的问题相同。然而，必须做一些区分。如前所述，许多问题是由燃烧产物的酸性引起的。然而，在船舶上使用柴油机还有其他一些需要注意的地方。

36.3.1. 低速柴油机（＜250转/分）

低速柴油机是一种大型二冲程十字头结构的发动机(图36.1)，通常在90到250 转/分之间运行。这些发动机使用隔膜和填料函来分离汽缸和曲轴箱，允许各自独立润滑。低速柴油机是最大的发动机，内径约1米，冲程超过3米。活塞速度约为7至8米/秒，最大的发动机的功率输出超过65,000千瓦。这些发动机主要用于大型油轮和客轮。发动机直接驱动传动轴，而不需要减速齿轮或离合器。这些发动机非常省油，因为它们燃烧时间长，断裂比和摩擦小，但正如我们将看到的，它也有它的缺点。

低速柴油机摩擦学本身就是一门独特的专业，有着自己独特的关注点。在低速柴油机摩擦学领域，优秀的问题总结和关注者，包括Pevzner (1998a)， Lane et al. (1987)，Langer et al.(1987)和Hold(1993)。

36.3.1.1 气缸润滑

气缸与曲轴箱分离的做法既是好事也是坏事。单独的润滑油供应和预防性维修必须按照时间表坚持是一个固定的要求。这是有益的，因为气缸套所处的特殊环境可以在不影响其他组件的情况下进行维护保养。这个设计就是为此而产生的。由于燃料和燃烧产物是酸性的，因此将它们尽可能与发动机隔离是防止腐蚀和腐蚀辅助的疲劳和磨损的最佳方法。对于气缸套本身，不可改变的腐蚀性元素的存在使其需要追求独特的摩擦学解决方案。这分为润滑油化学办法和涂层的办法。

这种润滑剂是通过气缸套周围的许多孔或套筒，由凸轮驱动的往复式泵来润滑的，这些孔或套筒通常是4至8个。气缸油必须足够稀，以便迅速扩散，但也必须在工作温度下形成水膜。气缸润滑油的型号通常是SAE50或SAE60，以确保在气缸套工作温度为200℃左右时所需的粘度，TBN值为50至70。此外，EP添加剂和洗涤剂对这些润滑剂很重要。

许多与润滑有关的问题是由于润滑程度过低或过高而引起的。如果使用频率过高，过度润滑会导致气缸积垢，甚至会导致发动机缸后起火，尤其是涡轮增压器。此外，在竞争激烈的行业中，过度润滑大大增加了维护成本。如果使用率过低，则润滑油的碱性在它扩散到整个气缸之前就被中和掉了。这通常意味着涂在衬套下面的油会被中和，但随着距离衬套的距离增加，效果会越来越差。这就导致了气缸套上典型的周期性磨损状态，被称为“三叶草的叶子”，在这种情况下，显著的腐蚀疲劳磨损和腐蚀辅助磨料磨损发生在衬套之间，但几乎没有发生在衬套附近。图36.2展示了三叶草叶子状态的一个例子。

Pevzner (1998b)研究了进油速度对缸内温度和缸套磨损率的影响。他为一些不同的功率水平的低速柴油发动机做了调查，结果显示在图36.3。Pevzner指出，超过一定的阈值时，磨损和温度不会继续随着润滑油进给量下降而下降。此外，Pevzner指出，灰尘会快速沉积到增压器涡轮叶片和活塞头上。Pevzner进行了海试，对结果进行了验证。最优进给量随发动机功率的变化而变化，但对发动机进行过度润滑是不合理的。

燃油所需的碱度主要取决于燃油的含硫量。如果硫含量在2 - 3%范围内，那么60左右的TBN值就足够了。高性能润滑油的硫含量在3%以上，其TBN值可达70或更高。显然，硫的含量越高，发动机消耗TBN的速度就越快。

涂层通常用于低速柴油发动机，特别应用于缸套和活塞环暴露在高酸性环境下的情况。缸套通常是镀铬的，而活塞环是镀铬的或等离子喷涂的，这样可以减少磨损率。

36.3.1.2 曲轴箱润滑

曲轴箱油润滑了传动装置、轴承和其他发动机部件，包括涡轮增压器。低速柴油机的一个主要问题是曲轴和汽缸油的隔离，尽管有些油通过活塞杆隔膜的迁移是不可避免的。这可能会引入缸套磨损碎片以及上面提到的酸性燃烧产物。海水浸泡也是一个问题。所有这些污染物都容易使得径向轴承和白色金属腐蚀和生锈，并需要特殊的润滑油配方，以获得良好的产品寿命。

船用曲轴箱油有三种类型(Pevzner 1998a):

1. 防锈油和氧化油类型(用于较老

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