摘 要 針對煤礦設備用齒輪油換油頻繁及污染問題，分析認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齒輪油中煤粉含量。結果表明：2 cm 比色皿下測試結果的相關性最好，相關性系數 r>99.9%，最小檢出限達 0.01 g/L。在高、中、低濃度下該檢測方法的重復性 r、再現性 R 和加標回收率平均值分別約為 2.10%、2.74%和 97.95%，符合技術要求。

　　關鍵詞 齒輪油污染;煤粉;分離;操作流程;定量檢測

　　1 引言

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

　　由于煤礦井下工作環境惡劣[11]，操作空間狹小，沖擊振動往往很大，普通儀器難以實施精準測量，其結果易出現較大誤差，且耗時費力。相關研究表明[12-14]，應用油液分析技術來監測煤礦井下設備工況是合理選擇和未來發展趨勢，能夠定量識別油液污染原因，預判設備磨損狀況和故障部位。目前，國內外已經開展了齒輪油理化指標分析以及鐵磁性顆粒監測研究來評估設備運行狀態，取得了顯著的經濟安全效益。經調研分析，多數煤礦井下設備在運轉過程中齒輪油經常遭受煤粉顆粒的侵入污染，一般的常規理化分析用于獲取油液性能指標，而對于齒輪油中煤粉含量檢測方面的研究還未見有相關報道。

　　因此，本文探索將分光光度法應用于齒輪油中煤粉含量的快速檢測中，建立了齒輪油污染程度與煤粉含量的定量關系方程，探究齒輪油中煤粉含量與油液劣化或設備磨損的關聯性規律，為井下潤滑監控管理和考核提供科學、有效、精準的判定依據。本研究豐富了齒輪油油液污染檢測手段，在低成本下實現了油液多參數監測信息的相互補充及印證，具有重要應用價值。

　　2 研究方法

　　首先，現場收集該礦區典型的齒輪油污染樣品，對用設備齒輪油規格、換油周期以及污染情況進行分析，確認污染原因。其次，開展試驗探索齒輪油中煤粉的分離方法，確認實施步驟的技術條件。最后，建立了齒輪油中煤粉含量的定量檢測方法，并進行方法驗證及評定，實現對煤礦用設備齒輪油中煤粉含量的快速、高效和精準檢測。

　　2.1 問題分析

　　該礦井及洗煤廠普遍使用的 5 個齒輪油牌號分別為：150#、220#、320#、460#和 680#，因設備工況及載荷不同，設定的初始換油周期也不同。查閱換油記錄與第三方機構出具的定期檢測報告，各個牌號齒輪油的換油周期均明顯縮短。統計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，一是因水分超標的占比為 70%左右，表現出齒輪油的乳化、黏度降低以及氧化變質，顏色變黑等惡化現象;二是顆粒物超標的約占因污染換油的 60%，導致了油品氧化嚴重，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 個牌號的用油各 4 瓶，共計 60 瓶用油，作為本方法的基本測試樣本，并開展了化驗分析。

　　通過分析，發現該煤炭企業齒輪油中污染物主要源自于外界侵入的水分和煤粉，且未發現金屬磨損顆粒。因作業環境影響，礦用設備的齒輪油箱體易受到空氣中水分、噴霧、煤粉等侵入，降低了齒輪油的潤滑、防磨損和防銹蝕作用，嚴重情況下會引發設備故障。由于該企業每年頻繁換油，其油耗量高達 3000t。為進一步探明其污染成因，有必要進行常規理化分析，其中水分含量可通過 GB/T 260-2016 標準方法來測定[15]，但用設備齒輪油中煤粉的顆粒污染尚未有快速、科學、精準的檢測手段，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定是本文重點研究內容。

　　2.2 齒輪油中煤粉分離方法

　　齒輪油作為液體有機物，與待分析的固體煤粉均屬于有機物范圍，含碳量均較高，且物理性能及化學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、揮發分離、蒸餾分離等無法將石油產品中的機械雜質及碳元素產生的影響消除，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，有助于高速離心時將液相-固相進行分層，故本研究通過降低齒輪油黏度的方式來進行分離。該煤礦主要產品為煙煤，真密度在1.28~1.33g/cm3 范圍內;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溶劑稀釋劑，能與任意種牌號的齒輪油混合。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，認為 C2Cl4和5 種型號齒輪油按照1:1 的比例混合后，控制密度在 1.250~1.275g/cm3 范圍內，均能通過本方法將煤粉與齒輪油進行完全的分離。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中，設置轉速8000r/min，離心時間 5min，進行離心處理;(3)離心完畢后，小心取出離心管，避免震動，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

　　本研究采用了分光光度法對齒輪油中煤粉顆粒進行定量檢測分析。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，在一定時間內呈均勻穩定的懸浮狀態，此樣品的吸光度與煤粉含量成正比，于波長 528nm 處測量其吸光度;最后建立用齒輪油的吸光度與煤粉含量的標準曲線，來測試樣品的煤粉含量。具體實施過程如下：

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

　　(b)測試液體配置要保證測試液體的密度接近煤粉的密度，此時煤粉才能在液體中呈現懸浮狀態。目前，還未找到單一的符合要求的測試液體，須用兩種互相溶解的試劑來配制符合要求的測試液體。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。經試驗，煤粉在 10min 內，可以穩定的懸浮在該混合液中，滿足測試要求。

　　(c)校準曲線繪制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 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 528nm 下，用 2cm(0.5、1 或 3cm)玻璃比色皿，以試劑空白作參比，測量吸光度;4)以空白矯正后的吸光度為縱坐標，以對應的煤粉含量(mg)為橫坐標，繪制校準曲線。

　　(d)樣品測定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中，設置轉速8000r/min，離心時間 5min，開機離心處理;3)離心完畢后，小心取出離心管，避免震動，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，搖勻并轉移至比色管中，再重復操作 2~3 次;5)用混合稀釋液定容至比色管刻度，搖勻，按與校準曲線相同的步驟測量吸光度。

　　3 結果與討論

　　3.1 方法檢出限驗證

　　為了驗證和優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，按空白對照，加入系列煤粉(塵)來繪制標準曲線，比對各比色皿的相關性系數，選取最佳的作為標準曲線制備的器皿。標準曲線制備方法：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試 3 次平行樣取平均結果，以吸光度為縱坐標、煤粉質量為橫坐標，制作標準曲線，并列出線性方程，求取其線性相關系數。

　　對比上述結果，發現 2cm 比色皿測試結果的相關性最好，其 R2 達到了 0.992，相關性系數r>99.9%，優于 0.5cm、1cm 和 3cm 比色皿測試條件下的結果，很好地滿足了定量檢測線性相關系數 r≥0.995 的要求，可以實現對齒輪油中煤粉含量的精確測量，最小檢出限可達到 0.01g/L。

　　3.2 方法重復性、再現性評價本次驗證選用 2cm 比色皿制備的標準曲線，選用 150#、220#、320#、460#和 680#這 5 種齒輪油，分別配備高濃度、中濃度、低濃度的樣品進行驗證。齒輪油配置方法：選取以上 5 種牌號的齒輪油，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，每個牌號的樣品在 3 種濃度下分別進行 5 次測定(檢測部門分為 5 個小組)，并進行重復性、再現性的評定。

　　通過對上述結果的重復性、再現性的評定，可以確認，采用上述方法對 5 種齒輪油中的煤粉含量進行定量檢測，在三種濃度條件下其重復性和再現性良好，均符合相關技術要求(重復性限 r≤5%，再現性限 R≤10%)，明確了該檢測方法的結果判定依據，這也為煤礦用設備齒輪油中煤粉污染物含量方法測定的標準化、流程化起到了重要推動作用。

　　3.3 第三方加標回收測試

　　本次驗證選用 2cm 比色皿制備的標準曲線，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，每個牌號的樣品由第三方檢測機構按照本項目提供的測試方式測定，并進行加標回收率的評定。

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

　　4 結論

　　1)本文首先對煤礦用設備齒輪油的規格、換油周期以及污染情況進行詳細分析，確認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-沉淀法對用齒輪油中的煤粉進行了有效且完全的分離，并探究出了一套合理且規范的操作流程，符合化學分析的基本要求，能夠滿足檢測方法的測試要求。

　　2)為掌握煤礦用設備運行過程中煤對齒輪油的污染程度和影響，滿足用齒輪油中的煤粉含量測試需要，本文建立了一種快速、科學和精準的定量檢測方法和實施流程，并通過了方法檢出限驗證，重復性和再現性評定，以及第三方加標回收試驗等標準化流程;發現在 2cm 比色皿下其測試結果的相關性最好，其 R2達到了 0.992，相關性系數 r>99.9%，該方法的最小檢出限達到 0.01g/L，在高、中、低三種濃度條件下檢測結果的重復性 r 平均值約為2.10%，再現性 R 平均值約為 2.74%，第三方檢測平均加標回收率約為 97.95%。這為煤礦用設備齒輪油中煤粉含量檢測方法的標準化提供了科學依據和應用價值。

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　　作者：劉顯貴 1，周俊麗 2