航空潤(rùn)滑油氧化衰變影響因素及檢測(cè)方法綜述

岳聰偉 姜旭峰 宗營(yíng) 桂偉

摘 要：航空潤(rùn)滑油在高速、高溫且有金屬催化的工作條件下極易被氧化，氧化導(dǎo)致的油品理化性能變化將直接影響潤(rùn)滑系統(tǒng)的正常工作，甚至危及飛機(jī)的安全飛行，因此加強(qiáng)對(duì)滑油的氧化衰變情況檢測(cè)非常重要。論文簡(jiǎn)要分析了滑油氧化衰變的機(jī)理、危害及影響因素，對(duì)常用的檢測(cè)方法進(jìn)行了綜述，并分析比較了檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān) 鍵 詞：航空潤(rùn)滑油；氧化衰變；影響因素；檢測(cè)方法

中圖分類號(hào)：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）07-1586-03

Review on Influencing Factors and Detecting Methods About

Oxidation Deterioration of Aviation Lubricating Oil

YUE Cong-wei1，JIANG Xv-feng1，ZONG Ying1，GUI Wei2

（1. Air Force Logistics College， Jiangsu Xuzhou 221000，China；2. 94926 Troop 23 Unit， Wuxi Jiangsu 214000，China）

Abstract： The aviation lubricating oil can be easily oxidized under the conditions of high speed， high temperature and metal catalysis. The oil physical and chemical properties change caused by oxidizing will directly affect the normal work of the lubrication system， even endanger the safety of aircraft， so detecting the oxidation deterioration of lubricating oil is very important. In this paper， the lubricating oil oxidation decay mechanism， harms and influencing factors were analyzed， common detection methods were reviewed， and the advantages and disadvantages of these detection methods were compared.

Key words： Aviation lubricating oil； Oxidation deterioration； Influencing factors； Detecting methods

航空潤(rùn)滑油作為“維持飛機(jī)心臟正常運(yùn)轉(zhuǎn)的血液”，不但能潤(rùn)滑航空發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件，而且還能為相應(yīng)的部件提供足夠的密封、散熱、清洗、防銹等作用，從而提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在高速高溫條件下安全、穩(wěn)定的工作效能。但在使用過(guò)程中，潤(rùn)滑油易受外界因素和內(nèi)部條件的影響，導(dǎo)致油品的成分發(fā)生變化，潤(rùn)滑油的性能指標(biāo)也隨之變化。當(dāng)潤(rùn)滑油的某一項(xiàng)性能指標(biāo)低于其工作的極限值時(shí)，就會(huì)影響摩擦副的正常工作，給飛機(jī)安全飛行帶來(lái)隱患。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，潤(rùn)滑油系統(tǒng)工作溫度不斷提高，潤(rùn)滑油工作時(shí)間延長(zhǎng)，這些條件使得發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)工作條件越來(lái)越苛刻[1]。

而航空潤(rùn)滑油就處在這種高速高溫環(huán)境中，氧化反應(yīng)很容易進(jìn)行，大量實(shí)驗(yàn)顯示，潤(rùn)滑油在經(jīng)過(guò)高速高溫環(huán)境工作一段時(shí)間后其閃點(diǎn)、凝點(diǎn)和水含量變化不大，粘度變化較大，酸值變化較小，由此表明熱氧化安定性比其它指標(biāo)最先超出允許的極限，氧化成為潤(rùn)滑油衰變的主要原因，因此，分析和研究航空潤(rùn)滑油的氧化安定性和氧化衰變程度顯得非常重要[2，3]。

1 航空潤(rùn)滑油氧化衰變的機(jī)理及危害

1.1 航空潤(rùn)滑油氧化衰變的機(jī)理

航空潤(rùn)滑油經(jīng)常處于苛刻的環(huán)境，在高速高溫下與空氣及熱金屬表面接觸形成的強(qiáng)氧化工作條件，使得航空潤(rùn)滑油極易被氧化。氧化過(guò)程首先是由抗氧劑的消耗開(kāi)始，當(dāng)抗氧劑消耗到一定程度時(shí)，基礎(chǔ)油開(kāi)始氧化。基礎(chǔ)油的氧化是自由基和過(guò)氧化物的烴類發(fā)生鏈?zhǔn)窖趸磻?yīng)，基礎(chǔ)油首先生成自由基，具有較高能量，與其他分子相接觸，可以把分子鏈“打斷”，產(chǎn)生更多自由基，這樣就形成了連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生酸、醇、醛、酮等一系列氧化產(chǎn)物[2，3]。

1.2 航空潤(rùn)滑油氧化衰變的危害

隨著氧化過(guò)程的引發(fā)，隨之而來(lái)的鏈反應(yīng)過(guò)程將迅速破壞潤(rùn)滑油的功效。最終的結(jié)果是，潤(rùn)滑油的酸值增大、顏色加深、易揮發(fā)性的組分增多、粘度增大、密度升高、沉淀物增多。這些由潤(rùn)滑油氧化引起的理化性能變化將直接影響到潤(rùn)滑系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如粘度的增加會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油流動(dòng)阻力增加，散熱性能降低，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)不正常；酸值的增加會(huì)加劇設(shè)備的腐蝕；沉淀物的形成很容易造成油路、過(guò)濾器堵塞，加劇設(shè)備的磨損，等等。這些結(jié)果都將會(huì)降低飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能及使用壽命[2，3]。在近幾年空軍飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)油液監(jiān)控中，已發(fā)現(xiàn)過(guò)多起由于潤(rùn)滑油氧化衰變、污染導(dǎo)致的飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)故障[4，5]。

2 航空潤(rùn)滑油氧化衰變的影響因素

影響潤(rùn)滑油氧化衰變有很多因素，不僅與其化學(xué)組成成分有很大關(guān)聯(lián)，與其使用的外界條件也有著密切關(guān)系。

2.1 潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的影響。

礦物航空潤(rùn)滑油是各種烷烴、環(huán)烷烴和芳烴及其衍生物的混合物。烴類物質(zhì)的氧化與烴分子的結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系，一般情況下，沒(méi)有支鏈的烴類物質(zhì)氧化安定性能是最好的，相反，烴分子支鏈數(shù)目越多，其氧化安定性就越差。其中烷烴較易氧化，環(huán)烷烴氧化難度較大，芳烴最不易被氧化。

合成烴滑油聚α-烯烴（PAO）由于其獨(dú)特的排列整齊的長(zhǎng)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，使其比礦物潤(rùn)滑油具有較好的高溫氧化安定性好。

合成酯類航空潤(rùn)滑油是除合成烴油外用量最多的合成潤(rùn)滑油，有雙酯、多元醇酯、復(fù)酯等，具有優(yōu)良的良好的高溫性能，如合成新戊基多元醇酯航空潤(rùn)滑油的主鏈短，官能團(tuán)多，分子成球狀結(jié)構(gòu)，其熱安定性可以達(dá)到315 ℃。具有較好的高溫氧化安定性好[6， 7]。

2.2 使用溫度、氧溶解度的影響

潤(rùn)滑油的氧化是油品與溶解在油品中的氧進(jìn)行反應(yīng)的。在常溫常壓條件下，潤(rùn)滑油的氧化速率非常慢。但在高溫下，油中的氧的溶解度會(huì)變大，油品的氧化就會(huì)加劇，而且溫度越高，氧化就越劇烈。根據(jù)范托夫法則，當(dāng)溫度升高10 ℃時(shí)，其氧化反應(yīng)速率就會(huì)相應(yīng)的加快1～2倍，因此，溫度能在很大程度上影響潤(rùn)滑油氧化反應(yīng)速率[7]。

2.3 金屬的影響

通常的情況下，航空潤(rùn)滑油是用在系統(tǒng)之間減少金屬的磨損，而金屬具有的催化作用會(huì)促進(jìn)潤(rùn)滑油發(fā)生氧化反應(yīng)。在金屬的眾多種類中，按照金屬材料催化作用的大小有如下排序：Pb>Cu>Xn>Fe>Al[8]。

2.4 其他因素的影響

潤(rùn)滑油在氧化過(guò)程中產(chǎn)生的自由基、醛類化合物、酮類化合物等中間產(chǎn)物以及氧化最終生成的沉淀物都會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油的氧化反應(yīng)產(chǎn)生較強(qiáng)的促進(jìn)作用，能夠促使?jié)櫥图铀傺趸?/p>

3潤(rùn)滑油氧化衰變情況的常用檢測(cè)方法

潤(rùn)滑油抗氧化衰變情況的常用檢測(cè)方法比較多，通?？煞譃閮深?，一類是通過(guò)氧化試驗(yàn)檢測(cè)潤(rùn)滑油抗氧化的能力，從而表征潤(rùn)滑油的氧化安定性；另一種是利用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)比較分析在用油和新油中某組成成分的含量變化來(lái)表征潤(rùn)滑油的氧化衰變程度。

3.1 氧化安定性的檢測(cè)方法

3.1.1 高壓差熱掃描分析技術(shù)（PDSC）

高壓差熱掃描分析技術(shù)（PDSC）是在差示掃描量熱技術(shù)（DSC）的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。差示掃描量熱試驗(yàn)是在空氣或氧氣條件下加熱金屬樣品池（一般為鋁材料）中的薄層油膜，測(cè)定被檢測(cè)的油樣氧化過(guò)程中釋放的熱量，能較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬邊界潤(rùn)滑條件下油品氧化的檢測(cè)，通?？蛇x用控制溫度后檢測(cè)油品氧化反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生時(shí)的氧化誘導(dǎo)時(shí)間（OIT）的方法或控制程序升溫后檢測(cè)油品發(fā)生氧化反應(yīng)的起始溫度（IOT）來(lái)評(píng)定油品氧化安定性，OIT越高或IOT越長(zhǎng)，油品氧化安定性越好。但由于DSC是在常壓高溫條件下進(jìn)行的，大量潤(rùn)滑油蒸發(fā)吸熱會(huì)對(duì)分析造成很大誤差，而PDSC選用高溫和氧壓條件，避免了常溫常壓條件下的蒸發(fā)損耗影響，現(xiàn)正被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的熱氧化安定性[9，10]。

3.1.2 腐蝕與氧化安定性法

腐蝕與氧化安定性法是指在相關(guān)金屬催化劑催化和一定溫度的條件下，為滑油提供72 h某流速的氧氣，利用實(shí)驗(yàn)室常規(guī)試驗(yàn)方法測(cè)定潤(rùn)滑油在氧化前后總酸值變化、40 ℃粘度變化率、金屬單位面積質(zhì)量變化、每100 mL潤(rùn)滑油所生成沉淀物質(zhì)量，用這些數(shù)據(jù)來(lái)表征航空潤(rùn)滑油的氧化安定性。

唐紅金等[11]通過(guò)腐蝕與氧化安定性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)航空潤(rùn)滑油總酸值變化、粘度變化率、沉積物生成量的變化趨勢(shì)三者之間存在一定的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)檢測(cè)某一數(shù)據(jù)來(lái)表征滑油抗氧化安定性。

3.1.3 旋轉(zhuǎn)氧彈法

旋轉(zhuǎn)氧彈法在實(shí)際工作中被廣泛運(yùn)用，其試驗(yàn)方法采用ASTM D2272標(biāo)準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)氧彈法通過(guò)將一定量的潤(rùn)滑油裝在放有銅絲的密閉容器中，充入一定壓力的氧氣，放在150 ℃的油浴中不斷旋轉(zhuǎn)。氧氣隨潤(rùn)滑油的氧化而不斷消耗，當(dāng)容器中的氧氣壓力下降到一定值時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。通過(guò)測(cè)試時(shí)間來(lái)表征潤(rùn)滑油的抗氧化能力，時(shí)間越長(zhǎng)，抗氧化能力越強(qiáng)[12]。

3.2 氧化衰變程度的檢測(cè)方法

3.2.1 介電常數(shù)法

隨著氧化反應(yīng)的進(jìn)行，自由基和氧化產(chǎn)物不斷增多，導(dǎo)致了潤(rùn)滑油的極性變化，介電常數(shù)也隨之變化。介電常數(shù)法利用在不同頻率的電壓對(duì)恒溫條件下氧化前后的潤(rùn)滑油進(jìn)行掃描，測(cè)定潤(rùn)滑油氧化前后不同的介電常數(shù)，并將測(cè)量值與對(duì)應(yīng)的頻率數(shù)值繪制成譜圖。計(jì)算11 MHz頻率點(diǎn)下氧化前后潤(rùn)滑油介電常數(shù)之差，用該差值表征潤(rùn)滑油的氧化程度[13]。

楊庭棟等[14]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了利用介電常數(shù)與紅外光譜方法測(cè)量的氧化值能夠反映出油品的抗氧化性能。

3.2.2 傅立葉紅外光譜分析法

潤(rùn)滑油在氧化過(guò)程中，發(fā)生一系列鏈反應(yīng)生成的氧化產(chǎn)物都具有共同特征，它們都含有羰基（C=O），其在紅外光譜上的特征峰位于1 720 cm-1處，把該處的吸收值稱為氧化值。紅外光譜法采用差示紅外光譜法原理，通過(guò)測(cè)定用過(guò)的油和新油在1 850～1 550 cm-1的差示紅外光譜圖，計(jì)算出該譜帶的面積變化值，由此定量計(jì)算出該處氧化產(chǎn)物的氧化值，從而表征潤(rùn)滑油的氧化衰變程度[15]。

3.2.3 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC/MS）

潤(rùn)滑油中抗氧劑含量的變化能較好的反應(yīng)潤(rùn)滑油的氧化情況，然而其含量較少，用常規(guī)的分析儀器很難實(shí)現(xiàn)對(duì)其含量的測(cè)定。通過(guò)將氣相色譜儀與質(zhì)譜儀聯(lián)用，利用色譜儀很強(qiáng)的分離混合物的能力和質(zhì)譜儀測(cè)定化合物的相對(duì)分子質(zhì)量和化學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)潤(rùn)滑油中抗氧劑含量變化的測(cè)定，從而表征潤(rùn)滑油的氧化衰變程度。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于航空潤(rùn)滑系統(tǒng)苛刻的工作環(huán)境，潤(rùn)滑油極易發(fā)生氧化衰變，且潤(rùn)滑油的氧化衰變又是導(dǎo)致其失效的主要原因，因此加強(qiáng)對(duì)潤(rùn)滑油氧化衰變情況的監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。上述的幾種常用方法都能表征潤(rùn)滑油氧化衰變情況，在使用過(guò)程中也具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

高壓差熱掃描分析技術(shù)具有用量少、時(shí)間快、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但檢測(cè)裝備復(fù)雜，成本高，檢測(cè)方法較復(fù)雜，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。

腐蝕與氧化安定性法作為常規(guī)的試驗(yàn)方法，成本低，操作簡(jiǎn)單，但試驗(yàn)時(shí)間比較長(zhǎng)，重復(fù)性不好。

旋轉(zhuǎn)氧彈法能較好的表征潤(rùn)滑油的氧化安定性，但該方法存在樣品用量大、操作繁瑣、測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)和重復(fù)性差等缺點(diǎn)。

介電常數(shù)法檢測(cè)的結(jié)果可靠，檢測(cè)裝備和實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，設(shè)備便宜，而且能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)，但實(shí)驗(yàn)所需的油樣多，受外界干擾大。

傅立葉紅外光譜分析法具有檢測(cè)速度快、用油量少、精確性高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但其設(shè)備費(fèi)用高，只能對(duì)官能團(tuán)進(jìn)行檢測(cè)分析。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀具有分離效果好（可以使用長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米的毛細(xì)管色譜柱）、操作簡(jiǎn)單、分析成本較低、檢測(cè)靈敏度高、譜圖庫(kù)豐富等優(yōu)點(diǎn)，能較好的分析組成復(fù)雜的混合物，但儀器設(shè)備昂貴，且只能分析所得產(chǎn)物中分子量較小的組分，相對(duì)分子質(zhì)量小于500的化合物。

因此在對(duì)潤(rùn)滑油氧化衰變情況進(jìn)行測(cè)定時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的檢測(cè)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚俊兵.利用差示掃描量熱法評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的高溫抗氧化性能[J].潤(rùn)滑與密封，2012，32（5）：35-37.

[2]謝鳳，張寧波.潤(rùn)滑油性質(zhì)與應(yīng)用[M].徐州：藍(lán)天出版社，2014：328.

[3]呂伯平，陳名華.航空油液監(jiān)測(cè)技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006：81-87.

[4]費(fèi)逸偉，張冬梅，姜旭峰.潤(rùn)滑油的性質(zhì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障影響的研究[J].潤(rùn)滑與密封，2004，1（161）：84-89.

[5] 龔榮亮.航空發(fā)動(dòng)機(jī)磨損故障的探究[J].大觀周刊，2011，23（527）：101.

[6]李斌.謝鳳.航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油簡(jiǎn)介[J].合成潤(rùn)滑材料，2014，41（1）：24-25

[7]張爽.淺談潤(rùn)滑油氧化安定性的影響因素[J].黑龍江科技，2013（25）：19.

[8]馬玉紅，姚婷，郝敬團(tuán)，等.航空潤(rùn)滑油熱氧化安定性研究[J].北京：山東化工，2013（42）：50-53

[9] 姚俊兵.利用差示掃描量熱法評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油的高溫抗氧化性能[J].潤(rùn)滑與密封，2012，32（5）：35-37.

[10]陳立波，宋蘭琪，趙志翔，等.高壓差熱掃描分析技術(shù)在潤(rùn)滑油熱氧化研究中的應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封，2003，1：51-55.

[11]唐紅金，梁宇翔，賀景堅(jiān)，等.航空潤(rùn)滑油氧化安定性評(píng)定指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)性研究[J].石油煉制與化工，2010，41（6）：17-20.

[12]邵麗驊. 油品氧化安定性的快速測(cè)定法—旋轉(zhuǎn)氧彈法[J]. 安徽化工，2000（1）：45.

[13]徐敏. 用介電常數(shù)監(jiān)測(cè)酯類潤(rùn)滑油[J].軍用航油--國(guó)外部分，1991 （01）：22-26.

[14]楊庭棟，馮新瀘，米紅英，等.潤(rùn)滑油抗氧化性能檢測(cè)方法的研究[J].分析儀器，2004，4：43-45.

[15]馮新瀘，史永剛.近紅外光譜及其在石油產(chǎn)品分析中的應(yīng)用[M].北京：中國(guó)石化出版社，2002：231.