摘 要 針對(duì)煤礦設(shè)備用齒輪油換油頻繁及污染問題，分析認(rèn)為煤粉是污染齒輪油的主要原因。通過離心-沉淀法分離齒輪油中的煤粉，用分光光度法定量檢測(cè)齒輪油中煤粉含量。結(jié)果表明：2 cm 比色皿下測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性最好，相關(guān)性系數(shù) r>99.9%，最小檢出限達(dá) 0.01 g/L。在高、中、低濃度下該檢測(cè)方法的重復(fù)性 r、再現(xiàn)性 R 和加標(biāo)回收率平均值分別約為 2.10%、2.74%和 97.95%，符合技術(shù)要求。

　　關(guān)鍵詞 齒輪油污染;煤粉;分離;操作流程;定量檢測(cè)

　　1 引言

　　齒輪油污染問題是煤礦用機(jī)械裝備安全、健康、可靠運(yùn)行的嚴(yán)重威脅[1-3]，齒輪油液中的固體顆粒污染絕大多數(shù)是磨粒、氧化物、微小塵粒等，這是導(dǎo)致摩擦副表層磨損、損傷、器件卡阻等故障的主要原因[4]，因此齒輪油液(含液力傳動(dòng)油)的污染度指標(biāo)對(duì)運(yùn)行設(shè)備的潤(rùn)滑和液壓系統(tǒng)非常重要。煤礦用設(shè)備齒輪油的劣化分析是基于摩擦學(xué)為理論基礎(chǔ)[5-6]，油中污染物除常見的機(jī)械雜質(zhì)、水、空氣等，還有環(huán)境中的煤粉(塵)顆粒。上述污染物不僅導(dǎo)致齒輪油清潔度降低，黏度等級(jí)下降，破壞其潤(rùn)滑及抗磨性能[7-8]，還會(huì)造成齒輪腐蝕、磨損，甚至設(shè)備損壞，也加大了齒輪油更換頻次和成本。煤礦用設(shè)備監(jiān)測(cè)及故障診斷一般有振動(dòng)、溫度監(jiān)測(cè)，油液分析以及無損探傷等技術(shù)手段[9-10]。

　　由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣[11]，操作空間狹小，沖擊振動(dòng)往往很大，普通儀器難以實(shí)施精準(zhǔn)測(cè)量，其結(jié)果易出現(xiàn)較大誤差，且耗時(shí)費(fèi)力。相關(guān)研究表明[12-14]，應(yīng)用油液分析技術(shù)來監(jiān)測(cè)煤礦井下設(shè)備工況是合理選擇和未來發(fā)展趨勢(shì)，能夠定量識(shí)別油液污染原因，預(yù)判設(shè)備磨損狀況和故障部位。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了齒輪油理化指標(biāo)分析以及鐵磁性顆粒監(jiān)測(cè)研究來評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)安全效益。經(jīng)調(diào)研分析，多數(shù)煤礦井下設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中齒輪油經(jīng)常遭受煤粉顆粒的侵入污染，一般的常規(guī)理化分析用于獲取油液性能指標(biāo)，而對(duì)于齒輪油中煤粉含量檢測(cè)方面的研究還未見有相關(guān)報(bào)道。

　　因此，本文探索將分光光度法應(yīng)用于齒輪油中煤粉含量的快速檢測(cè)中，建立了齒輪油污染程度與煤粉含量的定量關(guān)系方程，探究齒輪油中煤粉含量與油液劣化或設(shè)備磨損的關(guān)聯(lián)性規(guī)律，為井下潤(rùn)滑監(jiān)控管理和考核提供科學(xué)、有效、精準(zhǔn)的判定依據(jù)。本研究豐富了齒輪油油液污染檢測(cè)手段，在低成本下實(shí)現(xiàn)了油液多參數(shù)監(jiān)測(cè)信息的相互補(bǔ)充及印證，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

　　2 研究方法

　　首先，現(xiàn)場(chǎng)收集該礦區(qū)典型的齒輪油污染樣品，對(duì)用設(shè)備齒輪油規(guī)格、換油周期以及污染情況進(jìn)行分析，確認(rèn)污染原因。其次，開展試驗(yàn)探索齒輪油中煤粉的分離方法，確認(rèn)實(shí)施步驟的技術(shù)條件。最后，建立了齒輪油中煤粉含量的定量檢測(cè)方法，并進(jìn)行方法驗(yàn)證及評(píng)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦用設(shè)備齒輪油中煤粉含量的快速、高效和精準(zhǔn)檢測(cè)。

　　2.1 問題分析

　　該礦井及洗煤廠普遍使用的 5 個(gè)齒輪油牌號(hào)分別為：150#、220#、320#、460#和 680#，因設(shè)備工況及載荷不同，設(shè)定的初始換油周期也不同。查閱換油記錄與第三方機(jī)構(gòu)出具的定期檢測(cè)報(bào)告，各個(gè)牌號(hào)齒輪油的換油周期均明顯縮短。統(tǒng)計(jì)出該煤礦齒輪油大概 80%換油是因污染造成。污染原因主要有兩個(gè)，一是因水分超標(biāo)的占比為 70%左右，表現(xiàn)出齒輪油的乳化、黏度降低以及氧化變質(zhì)，顏色變黑等惡化現(xiàn)象;二是顆粒物超標(biāo)的約占因污染換油的 60%，導(dǎo)致了油品氧化嚴(yán)重，黏度增高，承壓性能降低。為了掌握用油品的污染程度和超標(biāo)情況，采集了典型污染油樣：因水分(乳化)、顆粒物(污染)以及水分、顆粒物均存在 3 種類型 5 個(gè)牌號(hào)的用油各 4 瓶，共計(jì) 60 瓶用油，作為本方法的基本測(cè)試樣本，并開展了化驗(yàn)分析。

　　通過分析，發(fā)現(xiàn)該煤炭企業(yè)齒輪油中污染物主要源自于外界侵入的水分和煤粉，且未發(fā)現(xiàn)金屬磨損顆粒。因作業(yè)環(huán)境影響，礦用設(shè)備的齒輪油箱體易受到空氣中水分、噴霧、煤粉等侵入，降低了齒輪油的潤(rùn)滑、防磨損和防銹蝕作用，嚴(yán)重情況下會(huì)引發(fā)設(shè)備故障。由于該企業(yè)每年頻繁換油，其油耗量高達(dá) 3000t。為進(jìn)一步探明其污染成因，有必要進(jìn)行常規(guī)理化分析，其中水分含量可通過 GB/T 260-2016 標(biāo)準(zhǔn)方法來測(cè)定[15]，但用設(shè)備齒輪油中煤粉的顆粒污染尚未有快速、科學(xué)、精準(zhǔn)的檢測(cè)手段，且無法通過目視觀察，因此齒輪油中含輕微及中度污染煤粉含量的測(cè)定是本文重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。

　　2.2 齒輪油中煤粉分離方法

　　齒輪油作為液體有機(jī)物，與待分析的固體煤粉均屬于有機(jī)物范圍，含碳量均較高，且物理性能及化學(xué)性能存在較高的相似吻合程度，采用一般的萃取、離子交換、層析分離、揮發(fā)分離、蒸餾分離等無法將石油產(chǎn)品中的機(jī)械雜質(zhì)及碳元素產(chǎn)生的影響消除，即使分離出來，樣品的影響因素也無法確定。因此，最適宜的方式是采取物理方法進(jìn)行分離，即采用離心-沉淀法使齒輪油與煤粉分離，齒輪油置于上層，煤粉置于底部。由于離心-沉淀的物理分離方法要求齒輪油黏度適中，有助于高速離心時(shí)將液相-固相進(jìn)行分層，故本研究通過降低齒輪油黏度的方式來進(jìn)行分離。該煤礦主要產(chǎn)品為煙煤，真密度在1.28~1.33g/cm3 范圍內(nèi);而齒輪油密度一般在0.85~0.90g/cm3 之間。四氯乙烯(C2Cl4)的密度為 1.63g/cm3，作為一種較好的有機(jī)溶劑稀釋劑，能與任意種牌號(hào)的齒輪油混合。通過加入一定量的 C2Cl4 能夠降低齒輪油的粘度，但同時(shí)要保證稀釋后液體的密度要小于煤粉的密度，才能用離心分離的方法將煤粉和液體分離。

　　因此，開展了齒輪油與C2Cl4不同的配比混合的離心分離試驗(yàn)，認(rèn)為 C2Cl4和5 種型號(hào)齒輪油按照1:1 的比例混合后，控制密度在 1.250~1.275g/cm3 范圍內(nèi)，均能通過本方法將煤粉與齒輪油進(jìn)行完全的分離。具體操作流程如下：(1)將用油樣品放在((70±1)℃)干燥箱中加熱 30min，取出立即搖勻，取 50mL 油樣置于 100mL 離心管中，再加入 50mL 稀釋液，蓋上塞子，搖勻;(2)將離心管至于高速離心機(jī)中，設(shè)置轉(zhuǎn)速8000r/min，離心時(shí)間 5min，進(jìn)行離心處理;(3)離心完畢后，小心取出離心管，避免震動(dòng)，防止樣品再次混合，緩慢棄去液體部分。

　　2.3 齒輪油中煤粉的定量檢測(cè)

　　本研究采用了分光光度法對(duì)齒輪油中煤粉顆粒進(jìn)行定量檢測(cè)分析。首先用上述方法將油樣中的煤粉分離出來;再將煤粉在 C2Cl4 與無水乙醇(C2H5OH)的混合稀釋液中混合均勻后，在一定時(shí)間內(nèi)呈均勻穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，此樣品的吸光度與煤粉含量成正比，于波長(zhǎng) 528nm 處測(cè)量其吸光度;最后建立用齒輪油的吸光度與煤粉含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，來測(cè)試樣品的煤粉含量。具體實(shí)施過程如下：

　　(a)試驗(yàn)材料與儀器試劑與材料：煙煤煤粉(采用 GB/T 6003.1 中R 40/3 系列規(guī)定的金屬絲編織網(wǎng)試驗(yàn)篩[16]，篩分成粒度≤0.2mm 的煤粉)，上述 5 種牌號(hào)的齒輪油，四氯乙烯(AR，98.5%)，無水乙醇(AR，≥99.7%);試驗(yàn)儀器：電子天平(精密度：0.0001g)，電熱鼓風(fēng)干燥箱(溫度控制≤±1℃);高速離心機(jī)(配有容積為 100mL 的具塞聚四氟乙烯離心管，轉(zhuǎn)速≥8000r/min)，分光光度計(jì)(配有 0.5cm、1cm、2cm和 3cm 的玻璃比色皿)。

　　(b)測(cè)試液體配置要保證測(cè)試液體的密度接近煤粉的密度，此時(shí)煤粉才能在液體中呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)。目前，還未找到單一的符合要求的測(cè)試液體，須用兩種互相溶解的試劑來配制符合要求的測(cè)試液體。C2Cl4 的密度為1.63g/cm3，C2H5OH 的密度為 0.79g/cm3，二者都屬于有機(jī)溶劑，且可以按任何比例互溶。二者按照 6:4的比例混合后，其密度約為 1.31g/cm3，非常接近煙煤的密度。經(jīng)試驗(yàn)，煤粉在 10min 內(nèi)，可以穩(wěn)定的懸浮在該混合液中，滿足測(cè)試要求。

　　(c)校準(zhǔn)曲線繪制1)稱取 0mg、1mg、3mg、5mg、10mg、15mg、20mg、25mg、35mg、45mg、55mg、65mg、75mg、85mg 煤粉，精確至 0.2mg;2)將稱取的煤粉分別放入 14 個(gè) 100mL 的具塞比色管中，用混合稀釋劑定容至刻度，搖勻;3)在波長(zhǎng) 528nm 下，用 2cm(0.5、1 或 3cm)玻璃比色皿，以試劑空白作參比，測(cè)量吸光度;4)以空白矯正后的吸光度為縱坐標(biāo)，以對(duì)應(yīng)的煤粉含量(mg)為橫坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線。

　　(d)樣品測(cè)定1)將用油樣品放在(70±1℃)干燥箱中加熱30min，取出立即搖勻，取 50 mL 油樣置于 100mL離心管中，再加入 50mL 稀釋液，蓋上塞子，搖勻;2)將離心管至于高速離心機(jī)中，設(shè)置轉(zhuǎn)速8000r/min，離心時(shí)間 5min，開機(jī)離心處理;3)離心完畢后，小心取出離心管，避免震動(dòng)，防止樣品再次混合，緩慢棄去液體部分;4)在各離心管中加入適量混合稀釋液，搖勻并轉(zhuǎn)移至比色管中，再重復(fù)操作 2~3 次;5)用混合稀釋液定容至比色管刻度，搖勻，按與校準(zhǔn)曲線相同的步驟測(cè)量吸光度。

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 方法檢出限驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證和優(yōu)化方法檢出限的精確度，本文分別選用了 0.5cm、1cm、2cm 和 3cm 比色皿，按空白對(duì)照，加入系列煤粉(塵)來繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，比對(duì)各比色皿的相關(guān)性系數(shù)，選取最佳的作為標(biāo)準(zhǔn)曲線制備的器皿。標(biāo)準(zhǔn)曲線制備方法：分別在 100mL 的混合稀釋液中，分別加入 1mg、3mg、5mg、10mg、15mg、20mg、25mg、35mg、45mg、55mg、65mg、75mg、85mg 的煤粉(塵)，利用分光光度法分別測(cè)試 3 次平行樣取平均結(jié)果，以吸光度為縱坐標(biāo)、煤粉質(zhì)量為橫坐標(biāo)，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，并列出線性方程，求取其線性相關(guān)系數(shù)。

　　對(duì)比上述結(jié)果，發(fā)現(xiàn) 2cm 比色皿測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性最好，其 R2 達(dá)到了 0.992，相關(guān)性系數(shù)r>99.9%，優(yōu)于 0.5cm、1cm 和 3cm 比色皿測(cè)試條件下的結(jié)果，很好地滿足了定量檢測(cè)線性相關(guān)系數(shù) r≥0.995 的要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪油中煤粉含量的精確測(cè)量，最小檢出限可達(dá)到 0.01g/L。

　　3.2 方法重復(fù)性、再現(xiàn)性評(píng)價(jià)本次驗(yàn)證選用 2cm 比色皿制備的標(biāo)準(zhǔn)曲線，選用 150#、220#、320#、460#和 680#這 5 種齒輪油，分別配備高濃度、中濃度、低濃度的樣品進(jìn)行驗(yàn)證。齒輪油配置方法：選取以上 5 種牌號(hào)的齒輪油，每 100mL 齒輪油中分別加入 20mg、50mg、150mg 煤粉，配備出高、中、低這 3 種濃度的樣品，其理論煤含量分別為 0.2g/L、0.5g/L及 1.5g/L，每個(gè)牌號(hào)的樣品在 3 種濃度下分別進(jìn)行 5 次測(cè)定(檢測(cè)部門分為 5 個(gè)小組)，并進(jìn)行重復(fù)性、再現(xiàn)性的評(píng)定。

　　通過對(duì)上述結(jié)果的重復(fù)性、再現(xiàn)性的評(píng)定，可以確認(rèn)，采用上述方法對(duì) 5 種齒輪油中的煤粉含量進(jìn)行定量檢測(cè)，在三種濃度條件下其重復(fù)性和再現(xiàn)性良好，均符合相關(guān)技術(shù)要求(重復(fù)性限 r≤5%，再現(xiàn)性限 R≤10%)，明確了該檢測(cè)方法的結(jié)果判定依據(jù)，這也為煤礦用設(shè)備齒輪油中煤粉污染物含量方法測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)化、流程化起到了重要推動(dòng)作用。

　　3.3 第三方加標(biāo)回收測(cè)試

　　本次驗(yàn)證選用 2cm 比色皿制備的標(biāo)準(zhǔn)曲線，選用 150#、220#、320#、460#、680#5 種齒輪油，在每 100mL 齒輪油中分別加入 10mg、20mg、30mg、40mg、60mg、80mg、100mg、120mg、140mg、160mg 煤粉，配備出 10 種濃度的樣品，每個(gè)牌號(hào)的樣品由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)按照本項(xiàng)目提供的測(cè)試方式測(cè)定，并進(jìn)行加標(biāo)回收率的評(píng)定。

　　150#齒輪油中煤含量加標(biāo)回收率在 94.79%~99.82%范圍內(nèi)，平均加標(biāo)回收率為97.95%;220#齒輪油中煤含量加標(biāo)回收率為97.69%~101.24%，平均加標(biāo)回收率為 98.59%;320# 齒 輪 油 中 煤 含 量 加 標(biāo) 回 收 率 為96.97%~100.07%，平均加標(biāo)回收率為 98.57%;460# 齒 輪 油 中 煤 含 量 加 標(biāo) 回 收 率 為97.28%~100.82%，平均加標(biāo)回收率為 98.61%;680# 齒 輪 油 中 煤 含 量 加 標(biāo) 回 收 率 為96.99%~99.63%，平均加標(biāo)回收率為 98.31%，均符合要求加標(biāo)回收率為 95%~105%的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，也再次印證了該檢測(cè)方法的有效性和準(zhǔn)確性。

　　4 結(jié)論

　　1)本文首先對(duì)煤礦用設(shè)備齒輪油的規(guī)格、換油周期以及污染情況進(jìn)行詳細(xì)分析，確認(rèn)了煤粉外入是造成齒輪油污染以及頻繁更換的主要原因。采用了離心-沉淀法對(duì)用齒輪油中的煤粉進(jìn)行了有效且完全的分離，并探究出了一套合理且規(guī)范的操作流程，符合化學(xué)分析的基本要求，能夠滿足檢測(cè)方法的測(cè)試要求。

　　2)為掌握煤礦用設(shè)備運(yùn)行過程中煤對(duì)齒輪油的污染程度和影響，滿足用齒輪油中的煤粉含量測(cè)試需要，本文建立了一種快速、科學(xué)和精準(zhǔn)的定量檢測(cè)方法和實(shí)施流程，并通過了方法檢出限驗(yàn)證，重復(fù)性和再現(xiàn)性評(píng)定，以及第三方加標(biāo)回收試驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)化流程;發(fā)現(xiàn)在 2cm 比色皿下其測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性最好，其 R2達(dá)到了 0.992，相關(guān)性系數(shù) r>99.9%，該方法的最小檢出限達(dá)到 0.01g/L，在高、中、低三種濃度條件下檢測(cè)結(jié)果的重復(fù)性 r 平均值約為2.10%，再現(xiàn)性 R 平均值約為 2.74%，第三方檢測(cè)平均加標(biāo)回收率約為 97.95%。這為煤礦用設(shè)備齒輪油中煤粉含量檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)化提供了科學(xué)依據(jù)和應(yīng)用價(jià)值。

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　　作者：劉顯貴 1，周俊麗 2