邸瑞欣，包婷

(聯(lián)合汽車電子有限公司，上海 200000)

潤滑脂由基礎(chǔ)油和增稠劑組成，是一種稠厚的油脂狀半固體，具有抗蝕、防銹、磨損保護、耐水、抗氧化和老化等性能[1]。在電機軸承中，潤滑脂用于機械的摩擦部分，起到潤滑和密封作用。電機軸承潤滑脂具有極佳的減摩性和氧化穩(wěn)定性，是電機運轉(zhuǎn)不可或缺的一部分。

正常情況下，減速箱中的潤滑油和電機中的潤滑脂靠軸封隔絕，但隨著電橋耐久試驗的進行，軸封密封性降低，潤滑油更容易進入電機軸承。當潤滑油的泄露量變大時，進入電機軸承內(nèi)的潤滑油會洗去電機中的潤滑脂，導(dǎo)致電機軸承不能正常運轉(zhuǎn)，從而失效。軸承失效原因有很多，如潤滑劑老化、軸承材料強度不夠、軸承安裝錯誤等[1]。

定量分析電機軸承上混合油脂中的潤滑脂含量，有助于明確電機軸承失效的原因，可確認軸承失效是否為潤滑脂中引入過多的潤滑油，從而增大潤滑脂的流動性，使得潤滑脂不能附著在軸承上的原因所致。目前在潤滑脂方面的研究，主要集中在水含量分析[2]、氧化不溶物、油脂及污染物分析[3-6]、醇含量分析等領(lǐng)域[7-9]，鮮有針對潤滑油脂中潤滑脂含量的研究。

氣相色譜法可以測定發(fā)動機油中的燃料稀釋劑[5]，實驗室可以效仿利用色譜手段分析潤滑油脂中的潤滑油，但色譜設(shè)備昂貴，測試成本高，測試過程復(fù)雜，總體效率低，不利于失效分析中快速響應(yīng)。與色譜法相比，紅外光譜定量分析的精度不高，但紅外光譜操作簡單，測試成本較低，適用于企業(yè)自主分析混合物。隨著紅外光譜技術(shù)的發(fā)展，其在潤滑油定性分析、油品質(zhì)量檢測、以及食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等多個行業(yè)有了越來越多的應(yīng)用[10-17]。筆者建立了紅外光譜定量分析軸承混合油脂中潤滑脂的方法。該方法簡單快捷，測試時間短。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

紅外光譜儀：Nicolet 系列IZ10 型，配金剛石附件、DTGS 檢測器，譜區(qū)為(4 000～400) cm-1，賽默飛世爾科技(中國)有限公司。

電子天平：PB203-N 型，感量為1 mg，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

潤滑油樣品：BOT 352B，烴類物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為90%，嘉實多潤滑油(上海)有限公司。

潤滑脂樣品：BQ 72-72，酯類物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為90%，克魯勃潤滑劑(上海)有限公司。

1.2 儀器工作條件

掃描范圍：(4 000～650) cm-1；分辨率：4 cm-1；掃描次數(shù)：16 次；環(huán)境溫度：23 ℃；環(huán)境濕度：(50±5)%。

1.3 實驗方法

1.3.1 標準樣品制備

配制6 組不同比例的潤滑油和潤滑脂混合物。具體實驗過程如下：

(1)按照配方在常溫下稱取不同質(zhì)量的潤滑油和潤滑脂，分別置于6 只陶瓷坩堝中；

(2)用玻璃棒分別攪拌各個樣品，直至樣品中的潤滑油和潤滑脂混合均勻；

(3)得到質(zhì)量分數(shù)不同的6 個潤滑油標準樣品，其中潤滑脂質(zhì)量分數(shù)分別為50%、60%、70%、80%、90%、100%。

1.3.2 標準曲線繪制

將制備的6 個標準樣品依次進行紅外光譜分析，以潤滑脂中羰基吸收峰作為定量潤滑脂的特征峰，以羰基峰的峰面積作為響應(yīng)值。潤滑脂質(zhì)量分數(shù)為自變量、以潤滑脂中羰基的響應(yīng)值為因變量，繪制標準工作曲線。

1.3.3 精密度

選擇潤滑脂質(zhì)量分數(shù)分別為50%、100%的潤滑油脂進行精密度試驗，考察連續(xù)進樣6 次的重復(fù)性和短期的重復(fù)性測量。具體實驗方法為：將兩個濃度的潤滑油脂連續(xù)進樣6 次，計算相對標準偏差，作為單次測量的精密度。

1.3.4 一致性檢驗

在標準工作曲線線性范圍內(nèi)配制質(zhì)量分數(shù)分別為53%、96%的潤滑油脂樣品，對兩個潤滑油脂樣品進行測試，分析該檢測方法測量結(jié)果的一致性。分析樣品前，選擇擬合曲線中質(zhì)量分數(shù)為70%的潤滑油脂進行標定。

1.3.5 準確度

分別配制質(zhì)量分數(shù)為57%、78%、92%的潤滑油脂進行加標回收試驗，該樣品作為紅外分析方法的驗證樣品，重復(fù)進樣6 次，分析檢測結(jié)果并計算加標回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 定性定量分析

用上述分析方法分別測定純的潤滑脂和潤滑油，比對二者的紅外光譜，確定各自的特征吸收波段。結(jié)果表明，潤滑脂中的基礎(chǔ)油與潤滑油都是烷烴類物質(zhì)，潤滑油中沒有區(qū)別于潤滑脂的特征吸收峰；而潤滑脂中有羰基特征吸收峰，該基團不存在于潤滑油中。潤滑脂中酯羰基吸收波段在1 724 cm-1和1065 cm-1兩個位置，1 065 cm-1吸收峰較弱，附近有其它峰干擾基線。1 724 cm-1吸收峰強度較大，基線不受其它峰影響，故采用1 724 cm-1為定量分析的特征峰。

2.2 實驗條件考察

考察傅里葉變換紅外光譜儀的各個參數(shù)對光譜信號的影響。得到理想的光譜條件：掃描范圍為4 000～650 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為16次，單次掃描時長合理，可獲得足夠精確的樣品信息。

2.2.1 掃描范圍選擇

紅外光譜區(qū)間被劃分為三個區(qū)域，即近紅外區(qū)、中紅外區(qū)和遠紅外區(qū)。中紅外區(qū)對應(yīng)的波數(shù)范圍是4 000～400 cm-1，基于中紅外區(qū)的定量分析，有人選擇4 000～400 cm-1波段進行實驗[5]，有人采用4 000～650 cm-1波段進行實驗[3]。筆者所用附件為賽默飛的金剛石附件，該附件配制的掃描范圍是4 000～650 cm-1，在該波段內(nèi)可以獲得足夠的樣品信息，且對于采用1 724 cm-1峰定量分析無任何影響，因此選擇4 000～650 cm-1波段作為掃描范圍。

2.2.2 分辨率考察

分別考察1、2、4、6、8 cm-1分辨率對光譜信號的影響。具體步驟為選擇潤滑脂質(zhì)量分數(shù)為60%和80%的樣品，保持其它參數(shù)一致，2 個樣品分別在上述5 種分辨率下重復(fù)進樣6 次，計算每條譜線的信噪比及其平均值，比較不同分辨率下譜圖的信噪比以及譜圖出峰情況，來確定最佳分辨率。實驗所得2 個樣品在上述5 種分辨率下的信噪比數(shù)據(jù)分別見表1、表2。

表1 質(zhì)量分數(shù)為60%的樣品在不同分辨率下的信噪比

表2 質(zhì)量分數(shù)為80%的樣品在不同分辨率下的信噪比

由表1、表2 數(shù)據(jù)可知，隨著分辨率的提高，兩個樣品光譜的信噪比相應(yīng)增加。在分辨率由2 cm-1升至4 cm-1時，信噪比提高的比率最大。在4 cm-1分辨率下，光譜的信噪比較高，滿足定量要求。而分辨率過高會導(dǎo)致峰位偏移，部分小峰無法識別。因此實驗選擇分辨率為4 cm-1。

2.2.3 掃描次數(shù)考察

光譜信噪比與掃描次數(shù)n的平方根成正比。掃描次數(shù)越多，紅外光譜的信噪比越高，光譜質(zhì)量越好。可隨著掃描次數(shù)的增加，掃描時間也延長?？紤]到企業(yè)實際應(yīng)用，分別比較4、16、32 次三個掃描次數(shù)下的紅外光譜圖，旨在選擇合適的掃描次數(shù)，使得在光譜信噪比滿足要求的情況下，掃描時間最短。質(zhì)量分數(shù)分別為60%、80%的兩個樣品在不同掃描次數(shù)下的光譜信噪比及掃描時間分別見表3、表4。

表3 質(zhì)量分數(shù)為60%的樣品在不同掃描次數(shù)下的信噪比

表4 質(zhì)量分數(shù)為80%的樣品在不同掃描次數(shù)下的信噪比

由表3、表4 數(shù)據(jù)可知，質(zhì)量分數(shù)分別為60%、80%的兩個樣品，在掃描次數(shù)為16 次時信噪比較高，滿足定量分析的要求，掃描時間相對較短，因此選擇掃描次數(shù)為16 次。

2.3 線性方程和檢出限

根據(jù)朗伯-比耳定律，樣品的吸光度與樣品濃度呈正相關(guān)性。以樣品質(zhì)量分數(shù)(x)為橫坐標、特征峰面積(y)為縱坐標，繪制標準工作曲線，得到的線性回歸方程為y=8.8 059x-0.183 2，線性相關(guān)系數(shù)r=0.999 6，曲線擬合效果較好，表明樣品質(zhì)量分數(shù)在50%～100%范圍內(nèi)與1 724 cm-1吸收峰面積呈良好的線性關(guān)系。標準樣品的紅外光譜分析數(shù)據(jù)見表5。

表5 標準樣品紅外光譜分析數(shù)據(jù)

移取質(zhì)量分數(shù)為5%的潤滑油脂標準樣品，設(shè)備中不放置樣品，進行紅外光譜掃描，讀取基線噪聲峰高讀數(shù)N；然后重復(fù)6 次測試潤滑油脂標準樣品，讀取潤滑脂特征峰的峰高，并計算特征峰高的平均值，質(zhì)量分數(shù)為5%的潤滑油脂標準樣品光譜數(shù)據(jù)見表6。

表6 質(zhì)量分數(shù)為5%的潤滑油脂樣品光譜數(shù)據(jù)

按照式(1)計算出檢出限為0.045%[10]。

式中：D——方法檢出限，%；

N——噪聲峰高；

A——標準物質(zhì)多次平行測定的平均峰面積；

w——潤滑油脂質(zhì)量分數(shù)。

2.4 精密度試驗

按照1.3.3 方法，分別對質(zhì)量分數(shù)為50%、100%的潤滑油脂樣品連續(xù)測定6 次，精密度試驗結(jié)果見表7。

表7 精密度試驗結(jié)果

由表7 可知，測定結(jié)果的相對標準偏差分別為0.51%、0.56%，連續(xù)6 天測得短期重復(fù)性數(shù)據(jù)，計算得到平均標準偏差分別為0.59%、0.64%，表明該方法精密度良好。

2.5 一致性檢驗

采用1.3.4 方法進行一致性檢驗，潤滑油脂的測試結(jié)果見表8。

表8 一致性檢驗潤滑油脂的特征峰面積數(shù)據(jù)

按照式(2)計算潤滑油脂樣品的質(zhì)量分數(shù)：

兩組潤滑油脂樣品測量濃度的一致性計算結(jié)果見表9。由表9 可知，潤滑油脂的一致性測量結(jié)果的相對標準偏差均小于1%，可認為擬合結(jié)果的一致性較好。

表9 潤滑油脂的一致性試驗數(shù)據(jù) %

2.6 加標回收試驗

按照1.3.5 方法進行加標回收試驗，加標潤滑脂試驗數(shù)據(jù)見表10。由表10 可知，加標潤滑脂的平均回收率為98.7%～101.3%，表明該方法的測定結(jié)果準確、可靠。

表10 加標回收試驗結(jié)果 %

3 結(jié)語

建立了紅外定量分析潤滑油脂的方法，該方法簡單快捷，測試時間短，為潤滑油脂的定量分析提供了一種較好的方案，也為辨別電橋軸承失效模式提供了較好的方法。該方法可為準確且快速辨別電機軸承的失效是否為潤滑脂被稀釋所致，提供了一種新思路，從而提高新能源汽車中電橋軸承失效的失效分析效率。