直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油的研制

梁宇翔，賀景堅，閻 歡，尹開吉，唐紅金

(中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

與固定翼飛機(jī)不同，直升機(jī)發(fā)動機(jī)需要通過傳動系統(tǒng)控制飛機(jī)的運動，傳動系統(tǒng)直接影響直升機(jī)的操控性能及安全性。伴隨著直升機(jī)傳動系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步，直升機(jī)傳動系統(tǒng)用潤滑油也經(jīng)歷了幾個階段，早期直升機(jī)傳動系統(tǒng)使用與活塞發(fā)動機(jī)相同的礦物型潤滑油，其后采用了綜合性能更好的合成潤滑油，也就是采用與渦輪發(fā)動機(jī)相同的酯類合成型航空發(fā)動機(jī)潤滑油，這些油通常是符合MIL-PRF-23699[1]或MIL-PRF-7808規(guī)范的發(fā)動機(jī)潤滑油[2]?，F(xiàn)代直升機(jī)的發(fā)展使得傳動系統(tǒng)體積變小、質(zhì)量變輕，但直升機(jī)的功率越來越大，因此傳動系統(tǒng)的工作條件越來越苛刻。MIL-PRF-23699或MIL-PRF-7808規(guī)范用油已不能滿足先進(jìn)的直升機(jī)傳動系統(tǒng)的使用要求。因為現(xiàn)代直升機(jī)傳動系統(tǒng)對潤滑油的要求已明顯不同于航空發(fā)動機(jī)對潤滑油的要求，傳動系統(tǒng)承載大，容易產(chǎn)生磨損、卡咬和腐蝕，而且直升機(jī)在飛行時傳動機(jī)械會產(chǎn)生微量的變形，如軸承和齒輪會產(chǎn)生不同軸現(xiàn)象，伴隨產(chǎn)生振動，會加劇磨損、卡咬并產(chǎn)生微振磨損和點蝕[3]。實際上美軍直升機(jī)傳動系統(tǒng)采用MIL-L-23699或MIL-L-7808規(guī)范用油時，在大修中齒輪和軸承的更換率達(dá)到40%～75%，兩次大修的時間間隔也很短，只有500～1 000 h[4-5]。20世紀(jì)70、80年代美、英兩國率先研制開發(fā)直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油，并于1986年2月初步制定了專用直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油標(biāo)準(zhǔn)及合成型直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油規(guī)范DOD-L-85734。該規(guī)范于2004年6月升級更新為DOD-PRF-85734A[6]規(guī)范。目前，國外先進(jìn)直升機(jī)傳動系統(tǒng)普遍采用傳動系統(tǒng)專用潤滑油。目前符合DOD-PRF-85734A規(guī)范的直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油產(chǎn)品也只有國外幾家著名的大公司生產(chǎn)，如AeroShell Turbine Oil 555，Royco Turbine Oil 555，BP Turbo Oil 25等[7]。由于國內(nèi)無此類潤滑油，為確保我國先進(jìn)直升機(jī)傳動系統(tǒng)用油需求，避免關(guān)鍵潤滑材料受制于人，中國石化石油化工科學(xué)研究院與中國人民解放軍空軍油料研究所合作參照DOD-PRF-85734A規(guī)范研制了多元醇酯型直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油RIPP555并制訂了GJB 8447[8]直升機(jī)傳動系統(tǒng)合成潤滑油規(guī)范。研制先進(jìn)的傳動系統(tǒng)潤滑油以滿足先進(jìn)直升機(jī)的技術(shù)性能要求，對于減少飛行故障，延長飛機(jī)使用壽命，提高直升機(jī)的安全性和可靠性具有現(xiàn)實意義。

1 研制指標(biāo)和試驗方法

參照美軍DOD-PRF-85734A規(guī)范，確定了傳動系統(tǒng)通用潤滑油研制指標(biāo)，如表1所示。

本課題研究、考察各項理化性能，包括黏度、密度、傾點、閃點、酸值、蒸發(fā)損失等常規(guī)測定方法均采用對應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、國家軍隊標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對潤滑性能采用了多種評定方法，具體如下：潤滑油抗磨損性能測定法(四球機(jī)法)SH/T 0189—1992；潤滑劑承載能力測定法(四球法)GB/T 3142—1982(2004)；潤滑劑承載能力測定法(CL-100齒輪機(jī)法)SH/T 0306—1992；極壓潤滑油摩擦磨損性能的測定SRV試驗機(jī)法SH/T 0847—2010；Standard Test Method for Determining Extreme Pressure Properties of Lubricating Oils Using High-Frequency，Linear-Oscillation(SRV)Test Machine ASTM D7421；潤滑劑極壓性能測定法(法萊克斯法)SH/T 0187—1992；潤滑油磨損性能測定法(法萊克斯軸和V形塊法)SH/T 0188—1992。對橡膠相容性性能的評定方法如下：飛機(jī)渦輪潤滑油選用的合成橡膠的膨脹率測定方法 FED-STD-791 3604；飛機(jī)渦輪潤滑油與硅橡膠的相容性測定方法 FED-STD-791 3433。

表1 直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油主要質(zhì)量指標(biāo)

2 直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油RIPP555的研制

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

在相同的添加劑配方條件下，不同酯類基礎(chǔ)油的熱安定性和腐蝕性有很大的不同，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)有的基礎(chǔ)油在試驗后黏度變化率為較大負(fù)值，表現(xiàn)出明顯的裂解傾向，有的容易熱氧化生成酸，使得試驗后總酸值很大。經(jīng)過研究，本課題采用高性能合成多元醇酯基礎(chǔ)油，具有非常好的熱氧化安定性?；A(chǔ)油的典型數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗用基礎(chǔ)油的理化性能

2.2 添加劑和配方研究

2.2.1 抗氧劑航空潤滑油的使用溫度一般較高，通常采用芳胺類抗氧劑作為主抗氧劑。在相同的配方條件下(配方中含極壓抗磨劑和金屬腐蝕抑制劑等)，不同商品胺類抗氧劑對油品腐蝕和氧化安定性的影響見表3。表3數(shù)據(jù)以及更多的試驗數(shù)據(jù)表明，用傳統(tǒng)的高溫抗氧劑不能滿足研制的指標(biāo)要求，必須采用新的高溫抗氧劑。課題組自合成了新型低聚抗氧劑應(yīng)用于本課題的研究，試驗結(jié)果表明，使用自合成抗氧劑后沉積物量明顯減少。

2.2.2 極壓抗磨劑研制油指標(biāo)要求符合美軍DOD-PRF-85734A技術(shù)規(guī)范。該規(guī)范在理化指標(biāo)上基本覆蓋MIL-PRF-23699F航空發(fā)動機(jī)潤滑油標(biāo)準(zhǔn)，但是在潤滑承載能力上大幅度提高，DOD-PRF-85734A規(guī)范中油品技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)難度和水平高于最新的航空潤滑油標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-23699F(STD)，是航空潤滑油中研制技術(shù)指標(biāo)要求最高的潤滑油之一。因此研制油與普通發(fā)動機(jī)潤滑油最主要的區(qū)別在于潤滑性能及承載性能非常突出，同時要保持優(yōu)良的腐蝕和氧化安定性，這也是課題研發(fā)的難點。

表3 不同商品胺類抗氧劑對油品腐蝕和氧化安定性的影響

通過系統(tǒng)地研究和考察不同類別、不同用量的市售商品極壓抗磨劑，考察其承載能力及其對油品腐蝕和氧化安定性的影響、對熱氧化安定性和腐蝕性的影響，得出國內(nèi)外現(xiàn)有的商品極壓抗磨劑及其各種組合均無法同時滿足MIL-DOD-85734A規(guī)范要求的承載能力和腐蝕與氧化安定性的結(jié)論。課題組決定自行研制承載性能高、腐蝕和氧化安定性更好的極壓抗磨劑?？紤]到應(yīng)用于極性較強(qiáng)的酯類油，所以在極壓抗磨劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計時從分子整體結(jié)構(gòu)的極性和穩(wěn)定性方面著重進(jìn)行考慮，并合理結(jié)合了有效基團(tuán)。自合成的極壓抗磨劑FZ-10順利解決了直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油研制過程中油品承載能力和氧化與腐蝕安定性性能之間的矛盾，研制油完全符合研制指標(biāo)要求。

分別選用了酯類油常用的極壓抗磨劑、國內(nèi)外有代表性的磷酸胺類極壓抗磨劑以及一些含硫極壓抗磨劑，與本課題所研制的極壓抗磨劑FZ-10進(jìn)行潤滑性能和腐蝕與氧化安定性的對比，結(jié)果見圖1～圖3和表4。PB指最大無卡咬負(fù)荷，PD指燒結(jié)負(fù)荷，WSD指鋼球磨斑直徑。從圖1～圖3和表4可以看出，加入自合成的極壓抗磨劑FZ-10后油品具有突出的高承載性能和優(yōu)良的腐蝕和氧化安定性。

圖4為自合成極壓抗磨劑FZ-10的紅外光譜。

為了規(guī)范自合成極壓抗磨劑FZ-10的產(chǎn)品質(zhì)量，制定了產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，對元素含量、酸值、銅片腐蝕及紅外光譜作了要求，具體見表5。

生產(chǎn)了多個批次的極壓抗磨劑FZ-10，對其批次穩(wěn)定性進(jìn)行了考察，結(jié)果見表6。

生產(chǎn)的3個批次極壓抗磨劑FZ-10加入油品后腐蝕和氧化安定性數(shù)據(jù)、法萊克斯失效負(fù)荷數(shù)據(jù)見表7。表7數(shù)據(jù)表明極壓抗磨劑的FZ-10批次穩(wěn)定性良好。

圖1 不同極壓抗磨劑條件下四球試驗的PB和PD對比■—PB； ■—PD

圖2 不同極壓抗磨劑條件下法萊克斯失效負(fù)荷對比

圖3 不同極壓抗磨劑條件下四球試驗的WSD對比

表4 不同極壓抗磨劑條件下油品的腐蝕和氧化安定性試驗結(jié)果對比

圖4 極壓抗磨劑FZ-10的紅外光譜

2.2.3 腐蝕抑制劑配方中加入適量的腐蝕抑制劑可以降低油品對銅片等金屬的腐蝕，提高潤滑油抗裂解的能力，能夠有效地提高油品的腐蝕和氧化安定性。表8和表9分別為腐蝕抑制劑對油品的腐蝕和氧化安定性、熱安定性和腐蝕性的影響。

表5 極壓抗磨劑FZ-10的質(zhì)量指標(biāo)

表6 極壓抗磨劑FZ-10的生產(chǎn)批次穩(wěn)定性

表7 不同批次極壓抗磨劑FZ-10對油品性能的影響

表8 腐蝕抑制劑對腐蝕和氧化安定性的影響

表9 腐蝕抑制劑對油品熱安定性和腐蝕性的影響

從表8可以看出，加入腐蝕抑制劑后油品的酸值變化值、黏度變化率和沉積物量等數(shù)據(jù)通常會變好，但是也有例外，如表7中配方33加入腐蝕抑制劑后黏度變化率反而明顯增大。

從表9可以看出，油品中加入腐蝕抑制劑時，黏度變化率變小，酸值變化值和鋼片質(zhì)量變化量均增加，所以加入腐蝕抑制劑對油品熱安定性和腐蝕性的影響并不確定。

3 研制油RIPP555的性能

3.1 理化性能

研制油的主要理化性能見表10。

表10 研制油RIPP555的理化性能

3.2 研制油RIPP555的潤滑性能

本課題通過大量試驗對潤滑油承載性能的不同評價方法進(jìn)行了研究，最終確定了對本課題適用的潤滑性能評定方法。分別采用四球試驗機(jī)、SRV、法萊克斯試驗機(jī)和FZG齒輪試驗機(jī)對研制油RIPP555和參考油的潤滑性能進(jìn)行對比。

3.2.1 四球試驗用四球機(jī)對研制油和參考油進(jìn)行對比，試驗數(shù)據(jù)見表11。從表11可以看出，研制油和參考油作用下的WSD和PB值相當(dāng)，研制油作用下的PD值高于參考油。

表11 研制油RIPP555和參考油的四球試驗結(jié)果對比

3.2.2 SRV試驗用SRV試驗機(jī)對研制油和參考油進(jìn)行對比，試驗數(shù)據(jù)見表12，表明各載荷下的WSD和極壓性能相當(dāng)。

表12 研制油RIPP555和參考油的SRV試驗結(jié)果對比

3.2.3 法萊克斯試驗用法萊克斯試驗機(jī)對研制油和參考油進(jìn)行對比，采用潤滑油磨損性能測定法(法萊克斯軸和V形塊法)SH/T 0188—1992對磨損性能進(jìn)行對比，試驗數(shù)據(jù)見表13，研制油RIPP555在不同載荷下的磨損性能均優(yōu)于國外參考油。

表13 研制油RIPP555和參考油的法萊克斯磨損性能對比

采用潤滑劑極壓性能測定法(法萊克斯法)SH/T 0187—1992中A法對研制油和參考油的極壓性能進(jìn)行對比，試驗數(shù)據(jù)見表14，研制油的極壓性能優(yōu)于參考油。另外還測定了5種典型的符合MIL-PRF-23699F規(guī)范的航空發(fā)動機(jī)潤滑油的法萊克斯失效載荷在6 222～8 399之間，與符合DOD-PRF-85734A的直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油有明顯的差距。

表14 研制油RIPP555和參考油的法萊克斯極壓性能對比

3.2.4 FZG齒輪試驗采用潤滑劑承載能力測定法(CL-100齒輪機(jī)法)SH/T 0306—1992對研制油和參考油的極壓性能進(jìn)行對比，研試驗數(shù)據(jù)見表15，研制油和國外參考油的FZG失效載荷均大于12級，承載能力相當(dāng)。評價4種具有代表性的符合MIL-PRF-23699F標(biāo)準(zhǔn)的航空發(fā)動機(jī)潤滑油，發(fā)現(xiàn)其失效級為8～9級，說明航空發(fā)動機(jī)潤滑油與直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油在承載能力上有明顯的區(qū)別。

表15 研制油RIPP555和參考油的CL-100齒輪機(jī)法極壓性能對比

3.3 橡膠相容性

根據(jù)美軍標(biāo)DOD-PRF-85734A規(guī)范要求，橡膠相容性試驗需測定丁腈橡膠、氟橡膠和標(biāo)準(zhǔn)硅橡膠3種橡膠。研制油和參考油與3種橡膠的相容性試驗結(jié)果見表16，表明研制油和參考油的橡膠相容性相當(dāng)。

表16 研制油RIPP555和參考油的橡膠相容性對比

3.4 研制油RIPP555與參考油的相容性試驗

按照FED-STD-791 3403要求對3個不同比例的研制油與參考油的混合油進(jìn)行相容性試驗，結(jié)果見表17，表明研制油與參考油的相容性符合要求。

表17 研制油RIPP555與參考油的相容性

4 生產(chǎn)批次穩(wěn)定性

生產(chǎn)了多個批次的RIPP555直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油，對其批次穩(wěn)定性進(jìn)行考察。各批次產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，各項分析結(jié)果均達(dá)到質(zhì)量指標(biāo)要求。

5 應(yīng)用研究

研制油RIPP555先后通過了兩種型號軸承的150 h軸承試驗、2個階段各140 h的中間減速器臺架試驗和主減速器50 h TBO試驗，并于2012年9月進(jìn)行了3架直升機(jī)共計451.93 h的試飛試用試驗。試驗結(jié)論為，研制油性能與進(jìn)口油相當(dāng)，可以滿足直升機(jī)使用要求。

6 結(jié) 論

參照美軍DOD-PRF-85734A規(guī)范研制了直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油RIPP555，合成、篩選了基礎(chǔ)油和添加劑，特別是合成的極壓抗磨劑性能突出。研制油RIPP555具有良好的腐蝕和熱氧化安定性、熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的極壓載荷能力，性能與國外參考油相當(dāng)。 研制油分別通過了兩種型號軸承的150 h軸承試驗、兩個階段各140 h的中間減速器臺架試驗、主減速器50 h TBO試驗和3架直升機(jī)共計451.93 h的試飛試用試驗，研制油各階段試驗效果良好，性能與進(jìn)口油相當(dāng)，滿足直升機(jī)使用要求。