軍用高性能航空潤滑油發(fā)展趨勢研究

吳森　徐健

摘要：第二代航空發(fā)動機(jī)用潤滑油主要承擔(dān)潤滑和抗載荷作用，第三代航空發(fā)動機(jī)用潤滑油在此基礎(chǔ)上還承擔(dān)了清潔、密封、冷卻、腐蝕控制和緩沖等作用，但在長時間使用過程中暴露出了壓力不穩(wěn)定、高溫結(jié)焦和易吸水等問題。為此，從分析美、英、法、俄等國家第四代航空發(fā)動機(jī)用高性能潤滑油的發(fā)展體制和性能指標(biāo)入手，指出了我國軍用第四代航空發(fā)動機(jī)用高性能潤滑油的性能發(fā)展方向和體制改革建議。

關(guān)鍵詞：航空潤滑油；航空發(fā)動機(jī)；發(fā)展趨勢；性能

中圖分類號：TE626.34文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract：The 2nd generation lubricating oil of aero-engine is used to lubricate and anti-load. The 3rd generation lubricating oil of aero-engine is also used to clean， seal， cool， control corrosion and buffer， etc. But， the problems of pressure instability， coking at high temperature， easy absorbing water and so on are exposed in the long using process. So， starting from the analysis of development system and performance indicators of the 4th generation high performance aero-engine lubricating oil from Unit States， Britain， France， Russia and other countries， this paper puts forward the performance development direction of the 4th generation military high performance lubricating oil of aero-engine in our country and the system reform proposal .

Key words：aviation lubricating oil； aero-engine； development trend； performance

0引言

當(dāng)前，美、英、法、俄等國的航空軍事裝備在世界上處于領(lǐng)先地位，并引領(lǐng)了軍用航空發(fā)動機(jī)的技術(shù)發(fā)展方向。如F135、M83、EJ200和Ал-41Ф等軍用航空發(fā)動機(jī)都在持續(xù)改進(jìn)，以獲得更高的性能、更好的可靠性和更高的性價比。

軍用航空發(fā)動機(jī)在性能不斷提高的同時，對材料性能也提出苛刻要求的同時，作為發(fā)動機(jī)“血液”的航空潤滑油在完成潤滑的同時，還要身兼數(shù)職，完成清潔、密封、冷卻、腐蝕控制和緩沖等作用。如果潤滑油失效，發(fā)動機(jī)將會受到嚴(yán)重?fù)p害。因此，世界各國都在不斷研制性能更高的潤滑油以滿足下一代軍用航空發(fā)動機(jī)的工作需要。

1國際航空潤滑油現(xiàn)狀

國外軍用航空發(fā)動機(jī)潤滑油主要類型為符合美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-7808和法國軍用標(biāo)準(zhǔn)AIR3514的低黏度型潤滑油，還有符合美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-L-23699和英國軍用標(biāo)準(zhǔn)DERD2497的中黏度型潤滑油。而俄羅斯的軍用航空發(fā)動機(jī)因受其天氣寒冷影響，主要使用低黏度型潤滑油，來保證在寒冷的冬季也能順利啟動。目前，國際上還有一類符合英國軍用標(biāo)準(zhǔn)DERD2487和法國軍用標(biāo)準(zhǔn)AIR3517的高黏度型潤滑油，從應(yīng)用趨勢看，逐漸被中黏度型潤滑油取代。

美國、英國和法國的航空潤滑油軍用標(biāo)準(zhǔn)體系大體相當(dāng)，符合美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-L-7808和MIL-L-23699的航空潤滑油代表了國際上應(yīng)用比較廣泛的品種，它們的發(fā)展趨勢反映了下一代軍用航空發(fā)動機(jī)對潤滑油提出的新要求。1994年，美國發(fā)布了MIL-L-7808的新版本MIL-L-7808J，以適應(yīng)對潤滑油熱氧化安定性要求更高、黏度更大些的航空發(fā)動機(jī)需要。同年，還發(fā)布了MIL-L-23699的新版本MIL-L-23699E，為解決海軍艦載航空發(fā)動機(jī)在停放中軸承產(chǎn)生的靜態(tài)腐蝕問題，將潤滑油劃分為“標(biāo)準(zhǔn)型”和“防腐型”。1997年，在MIL-L-23699E的基礎(chǔ)上又發(fā)布了MIL-L-23699F，增加了“高溫型”的中黏度型潤滑油，這種潤滑油是專門為滑油系統(tǒng)工作溫度較高的航空發(fā)動機(jī)使用的。

2國內(nèi)航空潤滑油現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)航空潤滑油以合成酯類油為主，石油基油為輔，石油基油只限用于第二代航空發(fā)動機(jī)等老舊機(jī)種，第三代航空發(fā)動機(jī)使用合成酯類油，并將100 ℃時運動黏度為3 mm2/s等級的定義為低黏度型潤滑油，將100 ℃時運動黏度為5 mm2/s等級的定義為中黏度潤滑油。我國北方地區(qū)大多機(jī)型使用低黏度型潤滑油，能滿足-54 ℃的低溫啟動要求；南方地區(qū)大多機(jī)型使用中黏度型潤滑油，能滿足-40 ℃的低溫啟動要求，且高溫性能優(yōu)于低黏度型潤滑油。

國內(nèi)常用的低黏度型潤滑油有4010號合成航空潤滑油、4109合成航空潤滑油、928合成航空潤滑油（性能符合美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-L-7808）。中黏度型潤滑油有4106合成航空潤滑油、4050高溫合成航空潤滑油、925合成航空潤滑油（性能符合美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-L-23699）。

109號潤滑油應(yīng)用在少數(shù)第二代航空發(fā)動機(jī)上，4010號潤滑油在參與“提高航空發(fā)動機(jī)軸承壽命與可靠性研究”等國家863計劃課題中，表現(xiàn)出了高溫沉積性和低溫性能都優(yōu)于4109號潤滑油，且在航空發(fā)動機(jī)地面試驗中已經(jīng)達(dá)到700 h以上，與符合美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-L-7808J的國外同類油品性能相當(dāng)；928號潤滑油是按照前蘇聯(lián)潤滑油標(biāo)準(zhǔn)研制的，基礎(chǔ)油采用聚α-烯烴和部分雙酯混合，通過了前蘇聯(lián)綜合鑒定法評定考核。由于基礎(chǔ)油的耐高溫性能不足，以致在滑油系統(tǒng)出現(xiàn)油泥和積炭較多的問題。

中黏度型潤滑油除原有的4106號和4050號外，增加了925號潤滑油，三種油都通過了試驗考核。由于是20世紀(jì)70年代后期研制，符合當(dāng)時的美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-L-23699D，部分指標(biāo)滿足不了現(xiàn)行的美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-L-23699F，且高溫性能不足，無法滿足第四代航空發(fā)動機(jī)的需要。

3航空潤滑油使用中出現(xiàn)的問題

航空潤滑油使用過程中會出現(xiàn)潤滑油壓力不穩(wěn)定、高溫結(jié)焦和易吸水導(dǎo)致發(fā)動機(jī)零件腐蝕等問題。

3.1潤滑油易吸水問題

由于925號潤滑油的基礎(chǔ)油極易吸水，濕熱環(huán)境下使用一段時間后水分含量迅速增大到1%。導(dǎo)致發(fā)動機(jī)潤滑油系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕，少量金屬部件被嚴(yán)重腐蝕，出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患。

3.2潤滑油壓力不穩(wěn)定問題

928號潤滑油與俄羅斯的ИЛМ-10型潤滑油性能相當(dāng)。2004年，國內(nèi)在使用928號潤滑油時，發(fā)動機(jī)熱態(tài)慢車狀態(tài)下潤滑油壓力下降幅度較大，潤滑油壓力有較大波動，發(fā)動機(jī)回油效率低，導(dǎo)致多次潤滑油壓力低故障。928號潤滑油動力黏度隨溫度升高的變化率大于俄羅斯?jié)櫥?，特別是在大于125 ℃的熱態(tài)條件下，928號潤滑油動力黏度明顯下降。

3.3結(jié)焦問題

4050號潤滑油在地面試驗和部隊使用后的發(fā)動機(jī)分解檢查中，發(fā)現(xiàn)在多個部位均存在明顯的潤滑油結(jié)焦（見圖1）和積炭現(xiàn)象（見圖2），過多的油泥將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)潤滑油流路受阻，使發(fā)動機(jī)潤滑油系統(tǒng)的工作可靠性降低，帶來安全隱患。

3.4適應(yīng)性問題

國內(nèi)活塞式發(fā)動機(jī)在使用4060號潤滑油之前，換油周期為30 h。2007年，又先后2次出現(xiàn)在使用至250 h左右排氣溫度過高、燒蝕等故障。2009年，更換了4060號潤滑油后，積炭和燒蝕情況明顯改善。但在2013年，第三代航空發(fā)動機(jī)潤滑油消耗量大或排氣管冒黑煙的故障多發(fā)。檢查發(fā)現(xiàn)漲圈磨損，導(dǎo)致潤滑油大量參與燃燒所致。

4下一步改進(jìn)方向

4.1完善國內(nèi)航空潤滑油鑒定程序

我國在航空潤滑油鑒定程序與美、英、俄等國家差異如下：

（1）組織機(jī)構(gòu)上的差異。國內(nèi)考核鑒定沒有專門的機(jī)構(gòu)組織管理，俄、美由政府或軍方組織。

（2）試驗考核機(jī)構(gòu)差異。國內(nèi)航空潤滑油由研制生產(chǎn)部門、發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠或軍方共同實施試驗考核；俄羅斯由發(fā)動機(jī)試驗研究機(jī)構(gòu)執(zhí)行試驗考核；美國由軍方和軍方認(rèn)可的第三方試驗機(jī)構(gòu)執(zhí)行試驗考核。

（3）程序方法上的差異?；痉椒ㄅc俄、美類似，部分新研潤滑油產(chǎn)品因無權(quán)威考核鑒定結(jié)論很難進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架試驗評價，導(dǎo)致在現(xiàn)役發(fā)動機(jī)上推廣使用存在一定困難。

因此，盡快完善國產(chǎn)軍用航空潤滑油鑒定考核和技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督機(jī)制，成立專業(yè)組織結(jié)構(gòu)，建立權(quán)威考核機(jī)構(gòu)，形成涉及航空潤滑油關(guān)鍵試驗性能考核的試驗研究，參與研制和考核研制試驗。

4.2研發(fā)高性能航空潤滑油

美國的IHPTET計劃在B階段中，為了滿足飛行任務(wù)要求，提出了研制耐330 ℃高溫的潤滑計劃，其熱性能指標(biāo)要求極為苛刻。經(jīng)初步設(shè)計與計算表明，采用這類潤滑油后可以大大簡化發(fā)動機(jī)的設(shè)計，整個機(jī)械系統(tǒng)如軸承、密封裝置、軸、阻尼器、軸承腔、齒輪、泵、油濾、潤滑油箱、除泡器、除油器、熱交換器和齒輪箱等可減重12%。為發(fā)展耐高溫潤滑油，人們進(jìn)行了幾十年廣泛的探索與研究，使用油溫為260 ℃和316 ℃的軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-L-27502和MIL-L-87100 早已發(fā)布，但目前還沒有滿足要求的潤滑油。

隨著航空發(fā)動機(jī)的更新?lián)Q代，對渦輪發(fā)動機(jī)潤滑油的要求不斷提高，總的趨勢是發(fā)展更好的高熱氧化安定性、優(yōu)異的抗腐蝕性能和低溫性能好的潤滑油。耐高溫性能和抗氧化安定性優(yōu)異的合成酯已經(jīng)成為航空潤滑油的主導(dǎo)產(chǎn)品，但是根據(jù)航空渦輪發(fā)動機(jī)的發(fā)展趨勢，潤滑油可能承受的氧化溫度為260～427 ℃，已經(jīng)接近或超出合成酯所承受的極限溫度，必須重視和加快未來潤滑油材料的預(yù)先研究是第四代航空發(fā)動機(jī)研制的一個必須解決的問題。

5結(jié)論

第四代航空發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、增壓比、渦輪前溫度不斷提高，傳動潤滑系統(tǒng)工作環(huán)境更加惡劣。目前第三代航空發(fā)動機(jī)滑油系統(tǒng)溫度已接近200 ℃，預(yù)計今后第四代發(fā)動機(jī)潤滑油系統(tǒng)溫度將可能超過300 ℃，對潤滑油高溫性能和潤滑性提出了更高要求。為滿足我國高溫地區(qū)、高原地區(qū)、高濕地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)等更加復(fù)雜的作戰(zhàn)使用環(huán)境需求，對潤滑油也將提出更高要求。由于航空潤滑油的使用條件越來越苛刻，航空潤滑油必將向著高熱安定型、良好抗氧抗腐性能、良好抗載荷能力等方向發(fā)展，以滿足不斷發(fā)展的航空發(fā)動機(jī)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊俊杰，高輝.中國潤滑油現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].潤滑油，2009（1）：1-10.

[2]李興虎，趙曉靜.潤滑油黏度的影響因素分析[J].潤滑油，2009（6）：59-64.

[3]孔勁媛.國內(nèi)外潤滑油基礎(chǔ)油市場分析及展望[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2009（10）：49-53.

[4]錢伯章.世界潤滑油生產(chǎn)及供需分析[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2005（8）：7-11.

[5]安軍信，王鳳娥.世界潤滑油基礎(chǔ)油的供需狀況和發(fā)展趨勢[J].精細(xì)與專用化學(xué)品，2007（10）：26-31.

[6]安軍信，王鳳娥，吳鍵.潤滑油加氫催化劑的現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].潤滑油，2007（4）：1-7.

[7]劉維民，許俊，馮大鵬，等.合成潤滑油的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2013（1）：91-104.

[8] Abioye O P，Agamuthu P，Abdul Aziz A R.Biodegradation of Used Motor Oil in Soil Using Organic Waste Amendments.[J]. Biotechnology Research International，2012：1-8，

[9]馮兵，劉雙紅，陳國需，等.防腐劑和抗磨劑對航空潤滑油防腐性能影響機(jī)理[J].兵工學(xué)報，2012（3）：354-359.

[10]汪孟言.國內(nèi)外潤滑油市場概況及特點[J].石油商技，2004（1）：33-39.

[11]趙榮榮.潤滑油黏溫特性對齒輪膠合承載能力影響的研究[D].東北大學(xué)，2012.

[12]徐健，譚巍，佟永軍.運-7飛機(jī)發(fā)動機(jī)滑油異常泄露故障分析[J].航空維修與工程，2014（2）：75-77.收稿日期：2014-10-22。