兩種航空潤滑油熱氧化性能對比研究

彭宏業(yè) 方建華 谷科城

摘 ? ? ?要：利用高溫模擬氧化裝置，考察了某型國產(chǎn)航空潤滑油和進口航空潤滑油在不同溫度下氧化后運動黏度、酸值、抗氧劑質(zhì)量分數(shù)和抗磨性能與氧化時間的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在175 ℃氧化時，兩種航空潤滑油的黏度、酸值、磨斑直徑和抗氧劑質(zhì)量分數(shù)隨氧化時間的變化都比較小，可以長期使用;在200 ℃氧化溫度以上，兩種航空潤滑油的各項指標隨溫度變化幅度較大，可以短期使用;短時間的氧化作用有利于提高航空潤滑油的抗磨性能，磨斑直徑有明顯減小趨勢;在所有氧化溫度條件下，國產(chǎn)航空潤滑油的各項性能指標均優(yōu)于進口航空潤滑油。

關(guān) ?鍵 ?詞：航空潤滑油;熱氧化;運動黏度;酸值;抗磨性能

中圖分類號：TE626.3+4 ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）10-2116-05

Abstract： The variation of viscosity， acid value， antiwear property and antioxidant content of domestic and imported aviation lubricating oils after oxidation at different temperatures was investigated by using high temperature simulated oxidation device. The results showed that the viscosity， acid value， antioxidant content and wear spot diameter of the two kinds of aviation lubricating oil changed gently at 175 ℃，and could be used for a long time. Above 200 ℃， the indexes of the two kinds of aviation lubricating oil changed greatly with the temperature， and could be used for a short time; short time oxidation was beneficial to improve the antiwear performance of aviation lubricating oil， and the wear spot diameter tended to decrease obviously;At all oxidation temperatures， the performance indexes of domestic aviation lubricating oil were better than those of imported aviation lubricating oil.

Key words： Aviation lubricating oil; Thermal oxidation; Kinematic viscosity; Acid number; Antiwear property

航空潤滑油是保證直升機渦軸發(fā)動機及其他動力結(jié)構(gòu)正常工作的重要材料，起到潤滑、冷卻、密封、防銹、清洗和緩沖作用，保證直升機發(fā)動機在高溫高速工況下穩(wěn)定地工作[1-2]。隨著我國直升機種類不斷完善，每種直升機各使用一種航空潤滑油，造成航空潤滑油品種繁多，給維護保養(yǎng)的工作人員帶來沉重的工作負擔。為簡化油品種類，降低管理和維護成本，擬對在用的兩種航空油品的高溫氧化性能進行評價分析，選出一種通用化的航空潤滑油替代其他油品。

在航空發(fā)動機高速、高負荷運轉(zhuǎn)時，發(fā)動機油長期在150 ℃溫度以上的條件下工作，會發(fā)生氧化、聚合等反應(yīng)，一部分形成穩(wěn)定的氧化物沉積為膠質(zhì)，另一部分則以油蒸氣的形式溢出，造成黏度變大、酸值增大[3-4]。因此，航空發(fā)動機潤滑油的高溫?zé)嵫趸捕ㄐ允瞧湫阅苤笜酥凶铌P(guān)鍵的性能之一，許多學(xué)者對航空潤滑油的高溫?zé)嵫趸阅苓M行了深入的研究探討[5-10]。為研究航空潤滑油的高溫?zé)嵫趸捕ㄐ阅?，將航空潤滑油先進行熱氧化處理，模擬航空潤滑油使用的高溫工況，并對熱氧化后的航空潤滑油的理化性能和抗磨性能進行測試，分析航空潤滑油的高溫?zé)嵫趸捕ㄐ阅埽瑸楹娇諠櫥蛧a(chǎn)化及品種簡化提供理論依據(jù)。

1 ?實驗部分

1.1 ?實驗油樣及設(shè)備

實驗所用油品為某陸航旅所提供的某國產(chǎn)航空潤滑油新油（X）、進口航空潤滑油新油（Y）。經(jīng)化驗均為合格產(chǎn)品，其典型理化性能對比見表1。

儀器：參照GB/T 563《輕質(zhì)航空潤滑油腐蝕和氧化安定性測定法（金屬片法）》設(shè)計的航空潤滑油氧化試驗裝置;湖南津市市石油化工儀器有限公司生產(chǎn)的JSR1104運動黏度測定器;MSR-1立式摩擦磨損試驗機;美國斯派超公司生產(chǎn)的Fluidscan Q1000型便攜式油液狀態(tài)分析儀，使用標準ASTM D7889。

耗材：石油化工科學(xué)研究院生產(chǎn)的直徑 ? ?12.7 mm、GCr15材質(zhì)四球機專用鋼球;60～90 ℃石油醚和無水乙醇，均為分析純。

1.2 ?油樣處理方法

根據(jù)航空發(fā)動機潤滑油的實際工作溫度以及《航空渦輪發(fā)動機用合成潤滑油》標準中的氧化腐蝕試驗規(guī)定，將潤滑油分別在靜態(tài)溫度（150、175、200 ℃）和動態(tài)溫度（200、220、240、260、280 ℃）下氧化。在靜態(tài)溫度150 ℃和175 ℃下，進行 ? 120 ?h氧化試驗，分別在24、48、72、96、120 h取樣進行相關(guān)理化指標項目檢測;在靜態(tài)溫度200 ℃下，進行60 h氧化試驗，分別在1、2、4、8、12、24、48、60 h取樣進行相關(guān)理化指標項目檢測;而在動態(tài)溫度下，反應(yīng)時間均設(shè)置為2 h，檢測油樣在氧化后的理化指標項目。

1.3 ?性能測試方法

按GB/T 265—1998（2004）《石油產(chǎn)品運動黏度測定法和動力黏度計算法》測定油樣的40 ℃運動黏度;按GB/T 7304—2014《石油產(chǎn)品酸值的測定（電位滴定法）》測定油樣的酸值;按NB/SH/T ?0189—2017《潤滑油抗磨損性能的測定（四球法）》測定油樣的磨斑直徑;按ASTM D7889—2013《采用IR光譜法現(xiàn)場測定進行中流體特性的標準試驗方法》測定油樣的抗氧劑質(zhì)量分數(shù)。

根據(jù)《航空渦輪發(fā)動機潤滑油試驗方法——熱安定性和腐蝕性測定》（GJB 1264.1—1991）40 ℃運動黏度變化百分數(shù)和總酸值變化計算公式，可計算航空潤滑油在氧化前后40 ℃運動黏度變化率Δν和總酸值變化ΔΝ。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?運動黏度

黏度表示油液內(nèi)部產(chǎn)生相對運動時內(nèi)摩擦阻力的大小。運動黏度是航空潤滑油重要的性能指標之一，也是潤滑油選用的主要依據(jù)[11-12]。兩種新油的40 ℃運動黏度分別為24.39 mm2·s-1和 ? ? ?24.57 mm2·s-1，屬于該油標準規(guī)范要求的范圍（不大于30 mm2·s-1）之內(nèi)，滿足使用要求。圖1為兩種航空潤滑油在不同溫度氧化后，40 ℃運動黏度隨氧化時間的變化趨勢。

由圖1可以看出，在150 ℃氧化條件下，兩種油的黏度增長較為平緩，增長幅度不超過1 mm2·s-1，黏度增長率也沒有超過4%，可見兩種潤滑油的黏度在150 ℃條件下均比較穩(wěn)定。在175 ℃條件下氧化，潤滑油的黏度增長趨勢比150 ℃明顯變快，兩種油在120 h氧化后黏度增長幅度均為2 mm2·s-1以上，其中Y油黏度由24.57 mm2·s-1 增長到 ? ? 27.03 mm2·s-1，增長率為9.44%，黏度和黏度增長率均比X油高，說明在175 ℃條件下使用，X油黏度比Y油相對穩(wěn)定。

圖2為兩種航空潤滑油在200 ℃以上溫度下氧化后黏度變化趨勢。圖2（a）顯示，當氧化溫度達到200 ℃時，油品黏度在短時間內(nèi)變化均不大，但在氧化48 h后，兩種油的黏度增長率達到10%以上，當氧化時長為60 h時，兩種油的黏度增長率分別為12.10%和13.59%，其黏度值已經(jīng)接近可使用的最高黏度限值。圖2（b）顯示，在不同高溫條件下氧化2 h，兩種油的黏度均迅速增長，在280 ℃下氧化2 h相當于200 ℃下氧化24 h。由此也可以說明兩種航空潤滑油均不適合在超過200 ℃溫度下長期使用。

以上結(jié)果表明，兩種航空潤滑油的黏度隨氧化時長呈上升趨勢;而在不同的氧化溫度下，油品黏度隨溫度升高增長速率不同，且在氧化過程中，X的黏度和黏度增長率都比Y低，說明X在氧化過程中黏度穩(wěn)定性較Y好。黏度的增長說明被加熱的潤滑油組分發(fā)生了變化，一方面是由于高溫作用使得輕質(zhì)組分被蒸發(fā)造成潤滑油密度增大，另一方面則是由于高溫氧化反應(yīng)生成了相對分子質(zhì)量較大的氧化產(chǎn)物，二者共同作用使?jié)櫥驮诟邷匮趸箴ざ仍龃蟆?/p>

2.2 ?酸值

酸值表示潤滑油含有酸性物質(zhì)的指標，一定程度上反映航空潤滑油的氧化降解及變質(zhì)程度，可對潤滑油的腐蝕性進行評價，作為潤滑油是否需要更換的依據(jù)之一。試驗前，測得新油X和Y的酸值分別為0.05 mgKOH·g-1和0.02 mgKOH·g-1，均滿足質(zhì)量指標規(guī)定的不超過0.1 mgKOH·g-1要求。

圖3 為兩種航空潤滑油在不同溫度條件下，氧化一定時間后的酸值和酸值增長變化趨勢。從圖3可以看出，在不同溫度下氧化120 h，兩種潤滑油的酸值在150 ℃氧化后有增長較為緩慢，增長幅度在0.3 mgKOH·g-1上下，而在 175 ℃氧化后增長幅度較大，增幅達到了1 mgKOH·g-1左右。

圖4為兩種航空潤滑油在200 ℃以上溫度下氧化后酸值變化趨勢。圖4（a）顯示，當氧化溫度達到200 ℃時，油品酸值在短時間內(nèi)僅有小幅度增長，氧化8 h以后，油品酸值增長加快，在60 h氧化后，兩種油品的酸值增幅均在2 mgKOH·g-1以上，其中X的酸值在24 h氧化后的增幅變大，略高于Y。圖4（b）顯示，兩種潤滑油在260 ℃以下氧化2 h后的酸值變化趨勢相當，增長幅度為0.5 mgKOH·g-1，但當氧化溫度為280 ℃時，X的酸值增幅明顯高于Y。

結(jié)合油樣黏度變化規(guī)律，以上結(jié)果表明，兩種潤滑油的酸值曲線變化趨勢幾乎與黏度變化規(guī)律是一致的，在不同的氧化溫度下，酸值的增長速率隨溫度升高而加快，且在大部分氧化過程中，X的酸值和酸值增幅均比Y低。當氧化溫度低于175 ℃時，兩種潤滑油的酸值增長都處于較低水平，說明油品的氧化程度比較低，而氧化溫度高于200 ℃時，只需短時間氧化油品酸值就有明顯增長，說明高溫對油品氧化作用更加顯著。酸值曲線顯示，經(jīng)高溫氧化反應(yīng)后，潤滑油酸值迅速增加，可以推斷潤滑油經(jīng)高溫氧化反應(yīng)后裂解，生成了具有游離酸基團的酸、醇、醛、酮等新產(chǎn)物。

2.3 ?抗氧劑質(zhì)量分數(shù)

航空潤滑油是由基礎(chǔ)油和添加劑經(jīng)過一定工序調(diào)和而成?？寡鮿┦翘砑觿┑囊环N，可以延緩或抑制潤滑油氧化過程，延長潤滑油使用壽命，質(zhì)量分數(shù)越高說明潤滑油氧化程度越低。在對氧化后的油樣使用紅外光譜掃描后，得到其抗氧劑質(zhì)量分數(shù)如表2所示。

表2顯示，隨著氧化溫度和時間的增長，兩種潤滑油的抗氧劑質(zhì)量分數(shù)都呈現(xiàn)下降趨勢，在150 ℃時下降幅度較小，120 h氧化時長內(nèi)，抗氧劑只減少了11%，說明兩種潤滑油在150 ℃條件下具有優(yōu)異的抗氧化性能;175 ℃時，下降幅度略有升高，120 h減少了40%左右;至200 ℃以上時，60 h就已經(jīng)減少了60%以上。在所有氧化溫度和時間范圍內(nèi)，X的抗氧劑質(zhì)量分數(shù)僅稍高于Y，說明X與Y在相同條件下工作時抗氧劑消耗能力相當。

2.4 ?抗磨性能

潤滑油的抗磨性能是指油品抵抗摩擦副相互摩擦磨損的能力[13]。通常采用四球法測定的磨斑直徑和平均摩擦系數(shù)評價潤滑油的抗磨性能。磨斑直徑越小，平均摩擦系數(shù)越低，代表潤滑油的抗磨性能更加優(yōu)異，越有利于摩擦部位的潤滑，降低磨損。

在室溫下對氧化后的油樣進行四球法摩擦磨損試驗，試驗條件為1 200 r·min-1，載荷為392 N，時間為30 min。新油X和新油Y潤滑下的磨斑直徑分別為0.413 mm和0.469 mm，X的磨斑直徑比Y小0.056 mm，說明X抗磨性能比Y更加優(yōu)異。圖5為不同溫度氧化后各油樣的磨斑直徑變化趨勢。

圖5（a）顯示，在150 ℃和175 ℃氧化24 h后，兩種潤滑油四球試驗后的磨斑直徑均比較穩(wěn)定，只有微弱的增長。圖5（a、b）顯示，短時間的高溫氧化后，磨斑直徑會減小，而后隨著氧化時間的延長，磨斑直徑會緩慢增大，原因可能是由于高溫氧化作用，促進了抗磨添加劑分子與摩擦表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的進程，生成高強度的反應(yīng)膜，降低摩擦磨損，當氧化一定時間后，抗磨添加劑被逐漸氧化消耗，導(dǎo)致摩擦磨損加劇，使磨斑直徑變大。

圖5（b、c）顯示，經(jīng)200 ℃以上溫度氧化后，兩種潤滑油的磨斑直徑變化趨勢呈平緩上升狀，說明兩種潤滑油在200 ℃以上的高溫中長期使用會導(dǎo)致摩擦部位磨損加劇，機件使用壽命降低。在所有氧化溫度和時間范圍內(nèi)，X的磨斑直徑顯著低于Y，說明X的抗磨性能比Y更加優(yōu)異。

3 ?結(jié) 論

1）在150～175 ℃條件下氧化后，兩種航空潤滑油的黏度和酸值緩慢增長，而在200 ℃以上的溫度條件下氧化后，兩種航空潤滑油的黏度均迅速增長，說明兩種航空潤滑油在150～175 ℃下均可長期使用;進口航空潤滑油Y的增長速度明顯快于國產(chǎn)潤滑油X，說明國產(chǎn)航空潤滑油X在使用過程中黏度和酸值更穩(wěn)定。

2）高溫氧化作用有利于提高兩種航空潤滑油抗磨性能，經(jīng)過短暫氧化后，兩種潤滑油的磨斑直徑較新油都出現(xiàn)一定幅度下降;在相同氧化條件下，國產(chǎn)航空潤滑油X的磨斑直徑始終遠低于進口航空潤滑油Y，說明其抗磨性能更好，更有利于降低磨損，延長機械使用壽命。

3）在相同氧化試驗條件下，從兩種潤滑油在40 ℃運動黏度、酸值、抗氧劑質(zhì)量分數(shù)以及磨斑直徑變化的比較來看，國產(chǎn)航空潤滑油X的高溫氧化性能明顯優(yōu)于進口潤滑油Y。

參考文獻：

[1] 董浚修.潤滑原理及潤滑油（第二版）[M]. 北京： 中國石化出版社， 1998.

[2]趙升紅，徐敏. 航空發(fā)動機與航空潤滑油[M]. 北京： 中國石化出版社，2012.

[3]費逸偉，郭峰，郝敬團，等. 酯類航空潤滑油基礎(chǔ)油熱氧化衰變規(guī)律分析[J]. 潤滑與密封，2015（10）：74-79.

[4]葛龍龍，梁宇翔，賀景堅. 酯類基礎(chǔ)油熱氧化機理研究[J]. 石油煉制與化工，2016，47（11）：88-93.

[5]費逸偉，郭峰，姚婷，等. 兩種合成航空潤滑基礎(chǔ)油高溫氧化衰變機理研究[J]. 測試科學(xué)與儀器，2015，6（4）：396-404.

[6]彭顯才，費逸偉，吳楠，等. 航空潤滑油性能衰變影響因素的研究進展[J]. 化工技術(shù)與開發(fā)，2017，46（9）：22-24.

[7]吳楠，費逸偉，張昊，等. 國產(chǎn)與進口聚α-烯烴潤滑油性能對比[J]. 石油煉制與化工，2017，48（3）：90-93.

[8]岳聰偉，姜旭峰，宗營，等. 航空潤滑油氧化衰變影響因素及檢測方法綜述[J]. 當代化工，2015，44 （7）：1586-1588.

[9]吳楠，費逸偉，馬軍，等.某型航空發(fā)動機潤滑油的熱氧化安定性研究[J].潤滑與密封，2017，42（6）：11-16.

[10]楊宏偉，姚婷，郝敬團，等.酯類航空潤滑油熱氧化安定性研究現(xiàn)狀[J].廣州化工，2015（21）：46-48.

[11]張宜哲，郭小川，蔣明俊，等. 高海拔環(huán)境對地面裝備潤滑油的影響[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，31（10）：105-113.

[12]溫詩鑄，黃平. 摩擦學(xué)原理[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社，1987.

[13]宗營，姜旭峰，孫元寶.兩種航空潤滑油潤滑性能對比研究[J]. 潤滑與密封，2019，44（11）：94-99.