兩種航空潤滑油潤滑性能對比研究*

(空軍勤務學院航空軍需與燃料系 江蘇徐州 221006)

航空潤滑油在航空發(fā)動機中起到密封、散熱、清洗、防銹的作用,以保證飛機發(fā)動機在高溫高速條件下安全、穩(wěn)定地工作[1-3]。但在使用過程中，航空潤滑油受到外界因素和內部條件的影響，導致其成分發(fā)生變化，其性能也隨之變化[4-6]。50-1-4Ф航空潤滑油(B)是我國進口的航空潤滑油品種，具有較高的熱氧化安定性能、良好的黏溫性能和低溫性能、較低的蒸發(fā)性以及優(yōu)異的潤滑性能。某型航空潤滑油(A)為國產航空潤滑油。許多學者對A和B及其基礎油的性能進行了深入的探討[7-12]。但對于A氧化后的潤滑性能究竟如何變化，與B相比有何差異卻鮮見報道。本文作者以A和B為研究對象，利用ASTM D4636標準氧化安定性模擬氧化裝置，對A和B在不同溫度下進行了模擬氧化試驗，對比分析了氧化后油樣的運動黏度、抗磨性能和承載能力的變化規(guī)律，為國產航空潤滑油的合理使用和進一步改進提供參考依據。

1 試驗部分

1.1 油品與儀器試劑

試驗所用油品為某航空兵場站所提供的A新油和B新油，經化驗均合格。

試驗所使用的儀器有根據美國材料學會標準ASTM D4636《液壓油、飛機渦輪發(fā)動機潤滑油和其他深度精制油品的腐蝕和氧化安定性標準試驗方法》設計的潤滑油模擬氧化裝置；大連凱博儀器有限公司生產的DKY-301B石油產品運動黏度測定儀；濟南試驗機制造廠生產的MRS-10(G)杠桿式四球摩擦磨損試驗機，濟南潤倍試驗機有限公司生產的直徑12.7 mm、材料GCr15鋼球。

試驗所用的試劑有60～90 ℃的石油醚，無水乙醇，均為分析純，經精制后使用。

1.2 試驗油樣準備

針對航空潤滑油的主要使用溫度，兼顧可能出現(xiàn)的極限溫度情況以及便于試驗研究需要，將試驗溫度分為中高溫(150、175 ℃)、高溫(200 ℃)和超高溫(210、230、250、270、290 ℃)3個溫度范圍。

在中高溫下，選擇24、48、72、96、120 h的氧化試驗；在高溫下，氧化速率加快，試驗時間分別為1、2、4、8、12、24、36、48、60 h；由于航空潤滑油在超高溫下不會持續(xù)太長時間，為了便于試驗研究，將反應時間統(tǒng)一為2 h。

模擬氧化試驗裝置包括2個氧化管，同時進行兩組相同溫度的氧化試驗，試驗時2個氧化管分別盛裝200 mL的A新油和B新油，放入油浴中，接好空氣管路和冷凝管，迅速升溫至試驗溫度，待溫度到達設定值，以20 mL/min的流速通入干燥空氣，計時開始，到達試驗時間后取出氧化管，冷卻至室溫，收集氧化油樣待用[13-15]。

1.3 潤滑性能測定

按GB/T 265-1998(2004)《石油產品運動黏度測定法和動力黏度計算法》測定各油樣100 ℃的運動黏度；按SH/T 0189-1992《潤滑油抗磨性能測定法(四球機法)》測定各油樣的磨斑直徑(WSD)；按GB/T 3142-1982《潤滑劑承載能力測定法》測定各油樣的最大無卡咬負荷(pB)。

2 結果與討論

2.1 運動黏度

圖1所示為A和B在不同溫度(中高溫和高溫)條件下氧化不同時間后100 ℃運動黏度(以下簡稱黏度)的變化趨勢。A和B新油的黏度分別為3.84和3.11 mm2/s，A的黏度比B稍大，但均能滿足某型航空發(fā)動機的使用要求。從圖1(a)中可以看出，隨著氧化時間的增加，二者的黏度呈上升趨勢。在150 ℃條件下氧化，二者黏度均比較穩(wěn)定，只有微弱的上升，其中A黏度的上升趨勢比B明顯。氧化120 h后，A的黏度由3.84 mm2/s增加到3.93 mm2/s，增幅為2.29%，而B在150 ℃下氧化120 h后黏度由3.11 mm2/s增加到3.14 mm2/s，增加幅度僅為0.96%?？梢?種潤滑油在150 ℃下長期使用黏度均比較穩(wěn)定。

圖1 A和B在不同溫度下氧化不同時 間的100 ℃運動黏度變化趨勢Fig 1 100 ℃ kinematic viscosity trends of A and B oxidized at different temperatures and different times(a)at medium-high temperature;(b)at high temperature

從圖1(a)中還可看出，175 ℃條件下氧化后2種潤滑油的黏度增大趨勢比150 ℃明顯，且A的黏度增大幅度要比B大得多。A在氧化48 h內黏度變化比較平緩，24和48 h氧化油樣黏度增幅分別為0.21%和0.99%;隨著氧化時間的增加，黏度增大速度加快，72 h后達到4.01 mm2/s；氧化96 h后，增幅超過10%，達到4.23 mm2/s；氧化120 h后，繼續(xù)增大到4.52 mm2/s，增幅達17.65%。B在氧化后的黏度變化則要緩慢得多，在氧化72 h后，其黏度增幅始終沒有超過1%；氧化96和120 h的油樣黏度增幅分別為2.57%和7.40%，而同樣氧化時間A的黏度增幅分別為10.10%和17.65%，其增幅接近B增幅的3倍，可見，在175 ℃下B的黏度比A穩(wěn)定。

從圖1(b)可看出，200 ℃條件下氧化4 h后，2種潤滑油的黏度變化均不大。24 h氧化后，2種潤滑油黏度增幅均超過10%，其中A增幅為10.4%，B增幅為11.3%，二者相差無幾；當氧化時間超過24 h，油樣黏度增速加快，氧化36 h后，A與B黏度增幅分別為23.1%和21.5%，氧化48 h后二者增幅已經達到45.4%和46.6%，此時A的黏度達到5.59 mm2/s，已經超出極限黏度值，由于B新油的黏度低于A新油，氧化48 h后其黏度為4.56 mm2/s，沒有超出極限黏度值。氧化60 h后，A的黏度增幅達到74.5%，為6.70 mm2/s，已經大大超過可使用的最高黏度，而此時B的黏度增幅為62.7%，達到5.26 mm2/s，也接近最高值。以上情況表明A與B均很難在200 ℃下長時間工作。

圖2所示為A和B在不同溫度(超高溫)下氧化2 h的100 ℃運動黏度變化趨勢?？梢钥闯觯斞趸瘻囟葟?10 ℃升高到290 ℃，氧化時間固定為2 h時，2種潤滑油的黏度表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。A在250 ℃氧化時黏度達到最大，為4.14 mm2/s，較新油黏度提高了0.3 mm2/s，增幅為7.76%；氧化溫度為270 ℃時，黏度為3.95 mm2/s，相比新油只增加了0.11 mm2/s，增幅為2.76%;氧化溫度為290 ℃時，黏度為3.79 mm2/s，相比于新油反而降低了1.3%。B在210 ℃下氧化2 h后，黏度下降了0.96%，為3.08 mm2/s；氧化溫度為230和250 ℃時，黏度均為2.13 mm2/s，為該系列最大黏度，相比新油黏度有微弱的增加；氧化溫度為270和290 ℃時，黏度分別降至3.07和2.97 mm2/s，降幅分別為1.29%和4.57%。

以上結果表明，不同溫度下氧化，潤滑油黏度會出現(xiàn)不同的變化情況。在超高溫度環(huán)境中，航空潤滑油可能出現(xiàn)黏度下降的情況，將不利于流體潤滑油膜的產生。相比之下，A比B更能適應短時間的超高溫環(huán)境。

圖2 A和B在不同溫度(超高溫)下氧化 2 h的100 ℃運動黏度變化趨勢Fig 2 100 ℃ kinematic viscosity trends of A and B oxidized for 2 hours at different temperatures(ultrahigh temperature)

2.2 抗磨性能

潤滑油的抗磨性能是指潤滑油避免摩擦副因摩擦而磨損的能力。航空潤滑油通常采用四球摩擦磨損試驗機評價其抗磨性能，四球磨斑直徑的大小代表了其抗磨性能的好壞，磨斑直徑越小，抗磨性能越好，越有利于減少航空發(fā)動機摩擦部件的磨損。

在490 N的載荷下進行30 min長磨試驗后，A潤滑下的磨斑直徑為0.473 mm，B潤滑下的磨斑直徑為0.488 mm，A磨斑直徑略小于B，說明A抗磨性能優(yōu)于B，但二者差距不大。A和B在不同溫度下氧化不同時間后，四球試驗測得的磨斑直徑如表1所示。

A和B在 150和175 ℃條件下氧化后，磨斑直徑相比新油均略大，但增大不明顯。A氧化后磨斑直徑最大為0.484 mm，與新油相比增加了0.011 mm。B氧化后磨斑直徑最大為0.502 mm，與新油相比增加了0.014 mm。氧化前后磨斑直徑變化很小，甚至比允許的測量誤差還小，因此認為中高溫條件下氧化對2種潤滑油的抗磨性能沒有影響。

在200 ℃條件下氧化48 h內，2種潤滑油的磨斑直徑均隨氧化時間的增大而緩慢增大，但增大幅度仍然比較小。在氧化時間48 h附近，2種潤滑油的磨斑直徑達到最大，此時A的磨斑直徑為0.516 mm，與新油相比增幅為9.1%，B的磨斑直徑為0.528 mm，與新油相比增幅為8.2%，2種潤滑油的磨斑直徑增幅均不超過10%，說明抗磨性能惡化程度不大。且A的磨斑直徑始終小于B，說明在相同條件下氧化后A的抗磨性能比B好。氧化60 h后，2種潤滑油的磨斑直徑迅速降低，A的磨斑直徑降低到0.405 mm，比新油低14.4%，B的磨斑直徑也降低到0.463 mm，比新油低5.1%，說明其抗磨能力有所提高，但幅度同樣比較低?？傮w來看，200 ℃條件下A的抗磨性能不低于B。

在超高溫度(210～290 ℃)條件下A經過2 h氧化后其磨斑直徑隨著氧化溫度的升高而增大，但總體磨斑直徑增幅依舊比較?。?90 ℃氧化油樣的磨斑直徑比新油增加9.9%，抗磨性能有所下降，但下降程度低。B在超高溫度下氧化后抗磨性能變化情況與A類似，在210和230 ℃條件下氧化2 h后，B的磨斑直徑幾乎沒有變化，而在270、290 ℃這樣的超高溫度下，B的磨斑直徑增大較明顯。在270 ℃時B的磨斑直徑為0.536 mm，增幅為13.3%，在290 ℃時磨斑直徑繼續(xù)增大，達到了0.565 mm，增幅為19.5%，抗磨性能有較為明顯的下滑。對比A與B的磨斑直徑變化情況，在超高溫度下氧化后，2種潤滑油潤滑下的磨斑直徑會出現(xiàn)一定幅度的增加，相同試驗條件下，A的磨斑直徑始終小于B，表明在超高溫下A的抗磨性能強于B。

表1 在不同溫度下氧化不同時間后A和B的磨斑直徑測定結果

注：磨斑直徑變化幅度為(氧化后油樣磨斑直徑-新油磨斑直徑)/新油磨斑直徑×100%。

2.3 承載能力

潤滑油承載能力通常用pB和pD表示，其中pB表示在試驗條件下鋼球不發(fā)生卡咬的最高負荷，代表了油膜的強弱;pD是指在試驗條件下鋼球發(fā)生燒結的最低負荷，代表潤滑油的極限工作能力。航空渦輪發(fā)動機主滑油不在極壓環(huán)境中使用，因而對pD通常沒有作要求，而對pB有專門規(guī)定，產品標準中通常都規(guī)定了pB的最低標準，因此選擇pB值作為評價潤滑油承載能力的指標。

A新油的pB值為716 N，B新油的pB值為598 N，因此A比B高出118 N，表明A的承載能力強于B。

對2種潤滑油及其氧化后的油樣進行了pB值的測定，發(fā)現(xiàn)2種潤滑油氧化后pB值都沒有出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，氧化作用不但沒有使pB值降低，反而促進其升高，表明經過氧化后潤滑油承載能力提高了。因此不會對潤滑產生負面影響。A和B在不同溫度(中高溫和高溫)下氧化不同時間的pB值變化趨勢如圖3所示。

如圖3(a)所示，150 ℃氧化溫度下A的pB值隨氧化時間的增加逐漸增大，當氧化時間達到120 h，pB值增高到854 N，比新油增加了137 N，提高了19.2%。當氧化溫度提升至175 ℃時，A的pB值提高速度更快，氧化120 h后pB值達到1 050 N，相比新油提升了235 N，提高了32.9%。A的pB值迅速變化說明A發(fā)生了很大程度的氧化，但氧化產物促進了潤滑油承載能力的提高。與A相比，B的pB值變化要緩慢得多。150 ℃氧化溫度下，B氧化96 h內pB值幾乎沒有變化，始終為598 N，直到氧化120 h后，其pB值增加了29 N，達到了628 N。當氧化溫度提高到175 ℃時，B的pB值并沒有出現(xiàn)A那樣急劇上升的變化情況，在氧化96 h后，才達到628 N，120 h后pB值僅達到657 N，比新油提高59 N，增加了9.8%。B在氧化過程中也沒有出現(xiàn)pB值下降的情況，且其變化幅度遠不及A大，說明中高溫氧化過程中B的承載能力比A穩(wěn)定。

圖3 A和B在不同溫度下氧化不同時間的pB值變化趨勢Fig 3 Trends of pB of A and B oxidized at different temperatures and different time(a)at medium- high temperature;(b)at high temperature

如圖3(b)所示，在200 ℃條件下，A在氧化2 h后pB值開始發(fā)生變化，B則在氧化4 h后開始發(fā)生變化。隨著氧化時間的增加，2種潤滑油的pB值幾乎呈線性增加，且二者之間的差距也越來越大。在氧化60 h后，A的pB值達到1 246 N，比新油增加了530 N，增幅高達74%；此時B的pB值也增至804 N，比新油增加了206 N，增幅34.4%，此時A的pB值比B高441 N，是B的1.5倍。以上情況表明200 ℃氧化溫度下2種潤滑油均發(fā)生了劇烈氧化，但氧化產物使得潤滑油承載能力不斷提高，氧化后A的承載能力遠遠高于B。

圖4所示為A和B在不同溫度(超高溫)下氧化2 h的pB值變化趨勢。可以看出，在超高溫度(210～290 ℃)氧化2 h后，A和B的pB值均隨氧化溫度的升高而升高，氧化溫度和pB值幾乎呈線性增長關系。當氧化溫度達到290 ℃時，A的pB值達到922 N，與新油相比提高了216 N，增幅30.1%；B的pB值變化相對平緩，氧化溫度提高到290 ℃時其pB值為657 N，與新油相比僅提高59 N，增幅為9.8%。

從2種潤滑油在中高溫、高溫、超高溫下氧化后pB值可以看出，氧化作用不會造成潤滑油承載能力下降，反而有利于提升潤滑油的承載能力，氧化程度越深，承載能力越大。在相同條件下氧化后A的承載能力始終強于B，表明A的潤滑效果比B更好。

圖4 A和B在不同溫度(超高溫) 下氧化2 h的pB值變化趨勢Fig 4 Trends of pB of A and B oxidized for 2 hours at different temperatures(ultrahigh temperature)

3 結論

(1)在中高溫度(150～175 ℃)下，2種航空潤滑油均可長期使用，但50-1-4Φ航空潤滑油的黏度更穩(wěn)定；而在高溫(200 ℃)以及超高溫(210～290 ℃)環(huán)境中2種潤滑油都不能長期使用，但短期使用時國產某型航空潤滑油更有利于潤滑。

(2)氧化作用對2種潤滑油抗磨性能影響不大，在氧化過程中國產某型航空潤滑油抗磨性能略優(yōu)于50-1-4Ф航空潤滑油。

(3)氧化作用有利于2種航空潤滑油承載能力的提高，經過氧化2種潤滑油的pB值均出現(xiàn)不同程度的上升，在相同的氧化條件下，國產某型航空潤滑油的pB值始終遠高于50-1-4Φ航空潤滑油，其承載能力更強，更有利于潤滑。