煤矿设备用齿轮油中煤粉含量的检测方法

　　摘 要 针对煤矿设备用齿轮油换油频繁及污染问题，分析认为煤粉是污染齿轮油的主要原因。通过离心-沉淀法分离齿轮油中的煤粉，用分光光度法定量检测齿轮油中煤粉含量。结果表明：2 cm 比色皿下测试结果的相关性最好，相关性系数 r>99.9%，最小检出限达 0.01 g/L。在高、中、低浓度下该检测方法的重复性 r、再现性 R 和加标回收率平均值分别约为 2.10%、2.74%和 97.95%，符合技术要求。

　　关键词 齿轮油污染;煤粉;分离;操作流程;定量检测

　　1 引言

　　齿轮油污染问题是煤矿用机械装备安全、健康、可靠运行的严重威胁[1-3]，齿轮油液中的固体颗粒污染绝大多数是磨粒、氧化物、微小尘粒等，这是导致摩擦副表层磨损、损伤、器件卡阻等故障的主要原因[4]，因此齿轮油液(含液力传动油)的污染度指标对运行设备的润滑和液压系统非常重要。煤矿用设备齿轮油的劣化分析是基于摩擦学为理论基础[5-6]，油中污染物除常见的机械杂质、水、空气等，还有环境中的煤粉(尘)颗粒。上述污染物不仅导致齿轮油清洁度降低，黏度等级下降，破坏其润滑及抗磨性能[7-8]，还会造成齿轮腐蚀、磨损，甚至设备损坏，也加大了齿轮油更换频次和成本。煤矿用设备监测及故障诊断一般有振动、温度监测，油液分析以及无损探伤等技术手段[9-10]。

　　由于煤矿井下工作环境恶劣[11]，操作空间狭小，冲击振动往往很大，普通仪器难以实施精准测量，其结果易出现较大误差，且耗时费力。相关研究表明[12-14]，应用油液分析技术来监测煤矿井下设备工况是合理选择和未来发展趋势，能够定量识别油液污染原因，预判设备磨损状况和故障部位。目前，国内外已经开展了齿轮油理化指标分析以及铁磁性颗粒监测研究来评估设备运行状态，取得了显著的经济安全效益。经调研分析，多数煤矿井下设备在运转过程中齿轮油经常遭受煤粉颗粒的侵入污染，一般的常规理化分析用于获取油液性能指标，而对于齿轮油中煤粉含量检测方面的研究还未见有相关报道。

　　因此，本文探索将分光光度法应用于齿轮油中煤粉含量的快速检测中，建立了齿轮油污染程度与煤粉含量的定量关系方程，探究齿轮油中煤粉含量与油液劣化或设备磨损的关联性规律，为井下润滑监控管理和考核提供科学、有效、精准的判定依据。本研究丰富了齿轮油油液污染检测手段，在低成本下实现了油液多参数监测信息的相互补充及印证，具有重要应用价值。

　　2 研究方法

　　首先，现场收集该矿区典型的齿轮油污染样品，对用设备齿轮油规格、换油周期以及污染情况进行分析，确认污染原因。其次，开展试验探索齿轮油中煤粉的分离方法，确认实施步骤的技术条件。最后，建立了齿轮油中煤粉含量的定量检测方法，并进行方法验证及评定，实现对煤矿用设备齿轮油中煤粉含量的快速、高效和精准检测。

　　2.1 问题分析

　　该矿井及洗煤厂普遍使用的 5 个齿轮油牌号分别为：150#、220#、320#、460#和 680#，因设备工况及载荷不同，设定的初始换油周期也不同。查阅换油记录与第三方机构出具的定期检测报告，各个牌号齿轮油的换油周期均明显缩短。统计出该煤矿齿轮油大概 80%换油是因污染造成。污染原因主要有两个，一是因水分超标的占比为 70%左右，表现出齿轮油的乳化、黏度降低以及氧化变质，颜色变黑等恶化现象;二是颗粒物超标的约占因污染换油的 60%，导致了油品氧化严重，黏度增高，承压性能降低。为了掌握用油品的污染程度和超标情况，采集了典型污染油样：因水分(乳化)、颗粒物(污染)以及水分、颗粒物均存在 3 种类型 5 个牌号的用油各 4 瓶，共计 60 瓶用油，作为本方法的基本测试样本，并开展了化验分析。

　　通过分析，发现该煤炭企业齿轮油中污染物主要源自于外界侵入的水分和煤粉，且未发现金属磨损颗粒。因作业环境影响，矿用设备的齿轮油箱体易受到空气中水分、喷雾、煤粉等侵入，降低了齿轮油的润滑、防磨损和防锈蚀作用，严重情况下会引发设备故障。由于该企业每年频繁换油，其油耗量高达 3000t。为进一步探明其污染成因，有必要进行常规理化分析，其中水分含量可通过 GB/T 260-2016 标准方法来测定[15]，但用设备齿轮油中煤粉的颗粒污染尚未有快速、科学、精准的检测手段，且无法通过目视观察，因此齿轮油中含轻微及中度污染煤粉含量的测定是本文重点研究内容。

　　2.2 齿轮油中煤粉分离方法

　　齿轮油作为液体有机物，与待分析的固体煤粉均属于有机物范围，含碳量均较高，且物理性能及化学性能存在较高的相似吻合程度，采用一般的萃取、离子交换、层析分离、挥发分离、蒸馏分离等无法将石油产品中的机械杂质及碳元素产生的影响消除，即使分离出来，样品的影响因素也无法确定。因此，最适宜的方式是采取物理方法进行分离，即采用离心-沉淀法使齿轮油与煤粉分离，齿轮油置于上层，煤粉置于底部。由于离心-沉淀的物理分离方法要求齿轮油黏度适中，有助于高速离心时将液相-固相进行分层，故本研究通过降低齿轮油黏度的方式来进行分离。该煤矿主要产品为烟煤，真密度在1.28~1.33g/cm3 范围内;而齿轮油密度一般在0.85~0.90g/cm3 之间。四氯乙烯(C2Cl4)的密度为 1.63g/cm3，作为一种较好的有机溶剂稀释剂，能与任意种牌号的齿轮油混合。通过加入一定量的 C2Cl4 能够降低齿轮油的粘度，但同时要保证稀释后液体的密度要小于煤粉的密度，才能用离心分离的方法将煤粉和液体分离。

　　因此，开展了齿轮油与C2Cl4不同的配比混合的离心分离试验，认为 C2Cl4和5 种型号齿轮油按照1:1 的比例混合后，控制密度在 1.250~1.275g/cm3 范围内，均能通过本方法将煤粉与齿轮油进行完全的分离。具体操作流程如下：(1)将用油样品放在((70±1)℃)干燥箱中加热 30min，取出立即摇匀，取 50mL 油样置于 100mL 离心管中，再加入 50mL 稀释液，盖上塞子，摇匀;(2)将离心管至于高速离心机中，设置转速8000r/min，离心时间 5min，进行离心处理;(3)离心完毕后，小心取出离心管，避免震动，防止样品再次混合，缓慢弃去液体部分。

　　2.3 齿轮油中煤粉的定量检测

　　本研究采用了分光光度法对齿轮油中煤粉颗粒进行定量检测分析。首先用上述方法将油样中的煤粉分离出来;再将煤粉在 C2Cl4 与无水乙醇(C2H5OH)的混合稀释液中混合均匀后，在一定时间内呈均匀稳定的悬浮状态，此样品的吸光度与煤粉含量成正比，于波长 528nm 处测量其吸光度;最后建立用齿轮油的吸光度与煤粉含量的标准曲线，来测试样品的煤粉含量。具体实施过程如下：

　　(a)试验材料与仪器试剂与材料：烟煤煤粉(采用 GB/T 6003.1 中R 40/3 系列规定的金属丝编织网试验筛[16]，筛分成粒度≤0.2mm 的煤粉)，上述 5 种牌号的齿轮油，四氯乙烯(AR，98.5%)，无水乙醇(AR，≥99.7%);试验仪器：电子天平(精密度：0.0001g)，电热鼓风干燥箱(温度控制≤±1℃);高速离心机(配有容积为 100mL 的具塞聚四氟乙烯离心管，转速≥8000r/min)，分光光度计(配有 0.5cm、1cm、2cm和 3cm 的玻璃比色皿)。

　　(b)测试液体配置要保证测试液体的密度接近煤粉的密度，此时煤粉才能在液体中呈现悬浮状态。目前，还未找到单一的符合要求的测试液体，须用两种互相溶解的试剂来配制符合要求的测试液体。C2Cl4 的密度为1.63g/cm3，C2H5OH 的密度为 0.79g/cm3，二者都属于有机溶剂，且可以按任何比例互溶。二者按照 6:4的比例混合后，其密度约为 1.31g/cm3，非常接近烟煤的密度。经试验，煤粉在 10min 内，可以稳定的悬浮在该混合液中，满足测试要求。

　　(c)校准曲线绘制1)称取 0mg、1mg、3mg、5mg、10mg、15mg、20mg、25mg、35mg、45mg、55mg、65mg、75mg、85mg 煤粉，精确至 0.2mg;2)将称取的煤粉分别放入 14 个 100mL 的具塞比色管中，用混合稀释剂定容至刻度，摇匀;3)在波长 528nm 下，用 2cm(0.5、1 或 3cm)玻璃比色皿，以试剂空白作参比，测量吸光度;4)以空白矫正后的吸光度为纵坐标，以对应的煤粉含量(mg)为横坐标，绘制校准曲线。

　　(d)样品测定1)将用油样品放在(70±1℃)干燥箱中加热30min，取出立即摇匀，取 50 mL 油样置于 100mL离心管中，再加入 50mL 稀释液，盖上塞子，摇匀;2)将离心管至于高速离心机中，设置转速8000r/min，离心时间 5min，开机离心处理;3)离心完毕后，小心取出离心管，避免震动，防止样品再次混合，缓慢弃去液体部分;4)在各离心管中加入适量混合稀释液，摇匀并转移至比色管中，再重复操作 2~3 次;5)用混合稀释液定容至比色管刻度，摇匀，按与校准曲线相同的步骤测量吸光度。

　　3 结果与讨论

　　3.1 方法检出限验证

　　为了验证和优化方法检出限的精确度，本文分别选用了 0.5cm、1cm、2cm 和 3cm 比色皿，按空白对照，加入系列煤粉(尘)来绘制标准曲线，比对各比色皿的相关性系数，选取最佳的作为标准曲线制备的器皿。标准曲线制备方法：分别在 100mL 的混合稀释液中，分别加入 1mg、3mg、5mg、10mg、15mg、20mg、25mg、35mg、45mg、55mg、65mg、75mg、85mg 的煤粉(尘)，利用分光光度法分别测试 3 次平行样取平均结果，以吸光度为纵坐标、煤粉质量为横坐标，制作标准曲线，并列出线性方程，求取其线性相关系数。

　　对比上述结果，发现 2cm 比色皿测试结果的相关性最好，其 R2 达到了 0.992，相关性系数r>99.9%，优于 0.5cm、1cm 和 3cm 比色皿测试条件下的结果，很好地满足了定量检测线性相关系数 r≥0.995 的要求，可以实现对齿轮油中煤粉含量的精确测量，最小检出限可达到 0.01g/L。

　　3.2 方法重复性、再现性评价本次验证选用 2cm 比色皿制备的标准曲线，选用 150#、220#、320#、460#和 680#这 5 种齿轮油，分别配备高浓度、中浓度、低浓度的样品进行验证。齿轮油配置方法：选取以上 5 种牌号的齿轮油，每 100mL 齿轮油中分别加入 20mg、50mg、150mg 煤粉，配备出高、中、低这 3 种浓度的样品，其理论煤含量分别为 0.2g/L、0.5g/L及 1.5g/L，每个牌号的样品在 3 种浓度下分别进行 5 次测定(检测部门分为 5 个小组)，并进行重复性、再现性的评定。

　　通过对上述结果的重复性、再现性的评定，可以确认，采用上述方法对 5 种齿轮油中的煤粉含量进行定量检测，在三种浓度条件下其重复性和再现性良好，均符合相关技术要求(重复性限 r≤5%，再现性限 R≤10%)，明确了该检测方法的结果判定依据，这也为煤矿用设备齿轮油中煤粉污染物含量方法测定的标准化、流程化起到了重要推动作用。

　　3.3 第三方加标回收测试

　　本次验证选用 2cm 比色皿制备的标准曲线，选用 150#、220#、320#、460#、680#5 种齿轮油，在每 100mL 齿轮油中分别加入 10mg、20mg、30mg、40mg、60mg、80mg、100mg、120mg、140mg、160mg 煤粉，配备出 10 种浓度的样品，每个牌号的样品由第三方检测机构按照本项目提供的测试方式测定，并进行加标回收率的评定。

　　150#齿轮油中煤含量加标回收率在 94.79%~99.82%范围内，平均加标回收率为97.95%;220#齿轮油中煤含量加标回收率为97.69%~101.24%，平均加标回收率为 98.59%;320# 齿 轮 油 中 煤 含 量 加 标 回 收 率 为96.97%~100.07%，平均加标回收率为 98.57%;460# 齿 轮 油 中 煤 含 量 加 标 回 收 率 为97.28%~100.82%，平均加标回收率为 98.61%;680# 齿 轮 油 中 煤 含 量 加 标 回 收 率 为96.99%~99.63%，平均加标回收率为 98.31%，均符合要求加标回收率为 95%~105%的技术标准要求，也再次印证了该检测方法的有效性和准确性。

　　4 结论

　　1)本文首先对煤矿用设备齿轮油的规格、换油周期以及污染情况进行详细分析，确认了煤粉外入是造成齿轮油污染以及频繁更换的主要原因。采用了离心-沉淀法对用齿轮油中的煤粉进行了有效且完全的分离，并探究出了一套合理且规范的操作流程，符合化学分析的基本要求，能够满足检测方法的测试要求。

　　2)为掌握煤矿用设备运行过程中煤对齿轮油的污染程度和影响，满足用齿轮油中的煤粉含量测试需要，本文建立了一种快速、科学和精准的定量检测方法和实施流程，并通过了方法检出限验证，重复性和再现性评定，以及第三方加标回收试验等标准化流程;发现在 2cm 比色皿下其测试结果的相关性最好，其 R2达到了 0.992，相关性系数 r>99.9%，该方法的最小检出限达到 0.01g/L，在高、中、低三种浓度条件下检测结果的重复性 r 平均值约为2.10%，再现性 R 平均值约为 2.74%，第三方检测平均加标回收率约为 97.95%。这为煤矿用设备齿轮油中煤粉含量检测方法的标准化提供了科学依据和应用价值。

　　5 参考文献

　　[1] 于中伟.煤矿机电设备的状态监测与故障诊断[J]. 能源与节能，2016，5:54-55.YU Zhongwei. On the condition monitoring and faultsdiagnosis of coal electrical machinery equipment[J]. Energyand Energy Conservation, 2016，5: 54-55. (in Chinese)

　　[2] 马艳卫.煤矿井下车辆驱动桥冷却系统设计及应用[J].煤矿机电，2020,41(2):96-97.MA Yanwei. Design and application of cooling system fordriving axle of coal mine vehicle[J].Colliery Mechanical &Electrical Technology, 2020,41(2):96-97. (in Chinese)

　　[3] 翟晶，赵昕楠，孔令坡，等. 环烷酸对微乳型乳化油性能的影响研究[J].煤炭科学技术，2013,41(S2):287-289.ZHAI Jing, ZHAO Xinnan, KONG Lingpo, et al. Researchon the effect of naphethenic acid on the properties ofmicro-emulsi on emulsified oil[J]. Coal Science andTechnology, 2013,41(S2):287-289. (in Chinese)

　　[4] 侯锁霞，霍英杰，李勇帅，等.MoS2的合成及其在润滑领域 应 用 研 究 进 展 [J]. 兵 器 材 料 科 学 与 工 程 ， 2018,41(1):123-126.HOU Suoxia,HUO Yingjie, LI Yongshuai, et al. Researchprogress in preparation and application of MoS2 inlubricating field[J]. Ordnance Material Science andEngineering, 2018, 41(1):123-126. (in Chinese)

　　[5] 周哲波.润滑措施对齿轮传动效率和使用寿命的影响[J].煤炭学报，2009,34(1):116-120.

　　作者：刘显贵 1，周俊丽 2