模擬工況條件下改性烴類航空潤滑油綜合性能對比分析*

阮少軍 孫元寶 姜旭峰 校云鵬 宗 營

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空軍需與燃料系 江蘇徐州 221000)

某型烴類航空潤滑油具有低溫流動性好[1]、氧化安定性優(yōu)[2-3]、潤滑性能佳等優(yōu)點，被廣泛用于多類國產(chǎn)渦扇發(fā)動機中主軸承部件的潤滑[4-6]。但在實際使用中發(fā)現(xiàn)該型潤滑油使用一段時間后，顏色變化快、程度深[7-9]，容易令人產(chǎn)生該產(chǎn)品質(zhì)量方面存在問題的擔(dān)憂。雖然經(jīng)過多次評估，油品并未出現(xiàn)性能指標(biāo)不合格的情況，不過基于進一步生產(chǎn)該油品改進型的考慮，研究中提出了一種新的方法[10-12]，對于改善油樣氧化后的顏色起到了很好的效果。

為了進一步考察系列改性油樣理化指標(biāo)變化情況，本文作者利用氧化工況標(biāo)準(zhǔn)模擬裝置，分別探究了實際工作中，正常使用溫度175 ℃、短暫使用溫度200 ℃下系列改性油品的理化性能、摩擦學(xué)性能以及氧化安定性等指標(biāo)變化情況，通過對比原油樣的相關(guān)性能指標(biāo)，評價了系列改性油品的綜合性能，為后續(xù)確定最佳改性航空潤滑油的擴試及應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 實驗部分

1.1 油樣、儀器設(shè)備

某烴類航空潤滑油：某油料研究所提供。

試驗儀器：SYD-0168型石油產(chǎn)品色度測定儀，上海精析儀器制造有限公司生產(chǎn)；DKY-301B型石油產(chǎn)品運動黏度測定儀，大連凱博儀器有限公司生產(chǎn)；MRS-10(G)型杠桿式四球摩擦磨損試驗機，濟南試驗機廠生產(chǎn)；MRS-10P型四球摩擦試驗機，濟南試驗機廠；DSC 8000差示掃描量熱儀，PerkinElmer公司生產(chǎn)。

潤滑油高溫氧化標(biāo)準(zhǔn)試驗裝置：參考ASTM D4636標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，依托地方廠家生產(chǎn)部件，自行組裝。

1.2 高溫氧化實驗

(1)分別量取200 mL某型烴類潤滑油置于氧化標(biāo)準(zhǔn)試驗裝置中，采用金屬銅催化(經(jīng)研究金屬銅催化效果最為明顯)，氧化條件分別設(shè)置為：175 ℃下分別氧化0、2、4、6、8、16 h，200 ℃下分別氧化0、2、4 h(氧化時間基于實際使用中各溫度段氧化程度所設(shè)置)。175、200 ℃下原始油樣氧化后分別記為L-175、L-200。

(2)往某型烴類潤滑油中分別添加質(zhì)量分數(shù)為1%、2%、3%、4%的T501添加劑(分別記為G-1、G-2、G-3、G-4)，得到4種改性潤滑油。同上量取200 mL系列改性潤滑油置于氧化標(biāo)準(zhǔn)試驗裝置中，在金屬銅催化下，分別在175、200 ℃反應(yīng)溫度下氧化4 h。

其中金屬銅片的規(guī)格參照國內(nèi)行業(yè)氧化標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一為25 mm×25 mm×3 mm。

1.3 黏度、酸值及傾點測定

黏度測定：按照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》，對不同氧化溫度下油樣的40 ℃運動黏度進行測定。

酸值測定：按照GB/T 7304—2014《石油產(chǎn)品和潤滑劑酸值測定法(電位滴定法)》，測定各實驗油樣的酸值。

傾點測定：按照GB/T 3535—2006《石油產(chǎn)品傾點測定法》，測定各實驗油樣的傾點。

1.4 抗磨性能、承載能力測定

(1)抗磨性能測試：對175、200 ℃氧化條件下得到的L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油樣，在濟南試驗機廠的杠桿式四球摩擦磨損試驗機上進行抗磨性能測試，測量鋼球磨斑直徑。試驗鋼球由濟南潤倍試驗機有限公司生產(chǎn)，直徑12.7 mm，材料GCr15。實驗條件為：轉(zhuǎn)速(1 450±50)r/min，載荷490 N，溫度為室溫，試驗時間30 min。

(2)承載能力測試：對175、200 ℃氧化條件下得到的L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油樣，采用濟南試驗機廠的四球摩擦試驗機進行最大無卡咬負荷試驗。測試鋼球同上。實驗條件為：轉(zhuǎn)速(1 450±50)r/min，溫度為室溫，試驗時間為10 s。實驗根據(jù)GB/T 3142—2019《潤滑劑承載能力的測定 四球法》，載荷逐級增加，直至測出最大無卡咬負荷。

1.5 氧化安定性測定

關(guān)于航空潤滑油氧化安定性的測定，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)方法較多，受限于實驗室條件，文中使用PerkinElmer公司的DSC 8000差示掃描量熱儀，通過測定油樣的起始氧化溫度(IOT)及氧化誘導(dǎo)期(OIT)，來間接評價航空潤滑油的氧化安定性。采用上述方法在理論上是完全可行的，因為油品的氧化反應(yīng)本身與自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(經(jīng)典氧化理論)密切相關(guān)，油品中含有的自由基數(shù)量越多，則更容易引發(fā)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使得油品的氧化安定性變差，而油品的IOT以及OIT能間接反映自由基的多少，所以也就能評價油品的氧化安定性優(yōu)劣[13-15]。

使用差示掃描量熱儀，分別對175、200 ℃氧化條件下得到的L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油樣的起始氧化溫度(IOT)進行了測定。測試條件為：進樣3 μL，起始溫度為50 ℃，氧氣氛圍，流量為20 mL/min，以20 ℃/min速率升溫至300 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性油樣高溫氧化顏色分析

部分改性油樣高溫氧化顏色變化情況如圖1所示?？梢钥闯?，正常使用溫度175 ℃下進行模擬氧化后，改性油樣顏色色度有所下降，G-1至G-4改性油樣較之原油樣氧化后色號分別下降4、4、2、3；短暫使用溫度200 ℃下進行模擬氧化后，改性油樣顏色色度降幅明顯，G-1至G-4改性油樣較之原油樣氧化后色號分別下降4、9、8、7。因此，油樣改性后均具有延緩(降低)顏色色度變化的能力，只是效果對于不同氧化情況各不相同，尤其是氧化溫度越高，油樣改性后起到延緩(下降)氧化油樣顏色變化的效果更為明顯。

圖1 改性油樣及原油樣在不同溫度下氧化4 h后顏色色度值

2.2 改性油樣高溫氧化后理化性能分析

2.2.1 油樣黏度、酸值變化分析

175、200 ℃氧化條件下，L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油樣的運動黏度、酸值等理化指標(biāo)變化情況如圖2所示。

如圖2(a)所示，隨著氧化時間的增加，175 ℃下氧化后油樣運動黏度呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；但對比具體數(shù)值發(fā)現(xiàn)，改性油樣與原油樣氧化后黏度相差并不大，例如175 ℃下氧化8 h后，L、G-1、G-2、G-3、G-4的黏度分別為3.89、3.88、3.87、3.88、3.88 mm2/s，各油樣間相差幅度小于0.3%，可認為該溫度條件下改性油樣黏度并未發(fā)生明顯變化。同樣200 ℃氧化條件下油樣的黏度變化幅度也很小，如圖2(b)所示。因此，在175、200 ℃溫度下氧化后改性油樣與原油樣的黏度變化差別并不大，可認為油樣改性后對其黏度并未產(chǎn)生不良影響。

圖 2 改性油樣及原油樣在不同氧化條件下黏度、酸值變化

如圖2(c)、(d)所示，隨著氧化時間的增加，175、200 ℃氧化條件下L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油樣的酸值均出現(xiàn)明顯升高趨勢，但是在相同氧化條件下，G-1、G-2、G-3、G-4等改性油樣的酸值上升幅度明顯小于原油樣。以175 ℃下反應(yīng)0～16 h為例，原油樣(L)酸值(以KOH計)從0.07 mg/g增至0.41 mg/g，增幅達到485.71%；而改性油樣G-1、G-2、G-3、G-4酸值的增幅則分別為387.50%、325.00%、314.28%、212.50%。此外，從圖中還可看出，G-2改性油樣在200 ℃下氧化后酸值增幅小，而在175 ℃下氧化后，G-4改性油樣的酸值控制效果好。之所以會出現(xiàn)這種結(jié)果，主要在于T501添加劑的最高使用溫度為175 ℃，滿足該條件下自然是添加劑含量越大延緩氧化作用愈發(fā)明顯；但當(dāng)溫度達到200 ℃后，造成添加劑部分失效，且該溫度下T501會與油樣中另一種添加劑Tz516發(fā)生復(fù)配效應(yīng)，其中的變化較為復(fù)雜，規(guī)律性不強。

綜上，經(jīng)過改性后的某型烴類航空潤滑油，氧化后產(chǎn)生的酸性物質(zhì)減小，說明油樣改性后更改善了油品的腐蝕性能，控制酸值的能力增加。

2.2.2 油品傾點變化分析

175、200 ℃氧化條件下L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油樣的傾點變化如表1所示?？梢?，G-1、G-2、G-3、G-4等改性油樣較原油樣L的傾點幾乎無明顯變化，同等溫度相同反應(yīng)時間下不同氧化油樣的傾點相差不超過3 ℃，且規(guī)律性不強。因此可以認定G-1、G-2、G-3、G-4列改性油樣對原油樣的傾點指標(biāo)并未造成不良影響。

表1 改性油樣及原油樣在不同氧化條件下傾點變化

2.3 改性油樣高溫氧化后摩擦學(xué)性能分析

由于改性油樣高溫氧化后油樣數(shù)量較多，逐一測定該系列樣品摩擦學(xué)性能耗時較多且沒有必要，因此文中僅對氧化程度最為劇烈的2個反應(yīng)條件樣本，即175 ℃下反應(yīng)16 h、200 ℃下反應(yīng)4 h的L、G-1、G-2、G-3、G-4油樣進行抗磨性能分析，分別測定鋼球?qū)?yīng)的磨斑直徑、承載能力大小，以此來說明改性油樣抗磨性能的優(yōu)劣。

2.3.1 油品抗磨性能變化分析

表2給出了175 ℃下反應(yīng)16 h、200 ℃下反應(yīng)4 h的L、G-1、G-2、G-3、G-4油樣潤滑下鋼球磨斑直徑。為了增加實驗結(jié)果的精確性，對各個氧化油樣潤滑下的磨斑直徑均測定3次，并以平均值作為最終結(jié)果。可以看出，2種反應(yīng)條件下原油樣(L)、改性油樣(G-1、G-2、G-3、G-4)的磨斑直徑平均值相差很小，因此可以認定改性后對油品的抗磨性能并未產(chǎn)生不良影響。

表2 改性油樣及原油樣在不同氧化條件下磨斑直徑變化單位：mm

2.3.2 油品承載能力變化分析

圖3給出了175、200 ℃氧化溫度下，L、G-1、G-2、G-3、G-4系列氧化油樣承載能力變化趨勢?？梢钥闯?，隨著氧化時間的增加，油樣的承載能力及最大無卡咬負荷均呈現(xiàn)增大趨勢。其中175 ℃氧化溫度下，原油樣(L)的pB值增加了2.79%，增幅最高，而改性油樣G-1、G-2、G-3、G-4的增幅較小，并且依次呈現(xiàn)下降趨勢，其增幅分別為1.95%、1.67%、1.25%、0.97%；而200 ℃氧化溫度下，系列氧化油樣的pB值變化也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。由此說明，油樣改性后可能會導(dǎo)致承載能力降低，不過降幅不大、影響可控，至于具體原因則需要進一步研究明確。

圖3 改性油樣及原油樣在不同氧化條件下承載能力對比

2.4 改性油樣高溫氧化后氧化安定性分析

2.4.1 油品起始氧化溫度(IOT)分析

圖4給出了175、200 ℃氧化溫度下，L、G-1、G-2、G-3、G-4系列氧化油樣起始氧化溫度(IOT)變化趨勢。

圖4 改性油樣及原油樣在不同氧化條件下IOT測定值變化情況

由圖4可以看出，隨著T501添加量的增加，相同氧化條件下改性油樣的IOT值增大；另外，原油樣(L)和改性油樣的IOT值相差較大，油樣改性后其IOT值增加明顯。以175 ℃下氧化反應(yīng)2 h為例，改性油樣G-1、G-2、G-3、G-4的IOT值分別為267.2、272.1、285.8、291.1 ℃，與原油樣(L)的261.8 ℃相比，分別增加了5.4、10.3、24.0、29.3 ℃。200 ℃氧化條件下的改性油樣也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。因此可以認定油樣改性后提高了其IOT值，提高了油品的氧化安定性。

2.4.2 油品氧化誘導(dǎo)期(OIT)分析

圖5給出了175、200 ℃氧化溫度下，L、G-1、G-2、G-3、G-4系列氧化油樣氧化誘導(dǎo)期(OIT)變化趨勢。

圖5 改性油樣及原油樣在不同氧化條件下OIT測定值變化情況

由圖5可以看出，隨著T501添加量的增加，相同氧化條件下改性油樣的OIT值增大；另外，原油樣(L)和改性油樣的IOT值相差較大，油樣改性后其OIT值增加明顯。仍以175 ℃下氧化反應(yīng)2 h為例，改性油樣G-1、G-2、G-3、G-4的OIT值分別為18.5、27.4、36.4、48.2 min，相比原油樣(L)的14.4 min，分別增加了4.1、13.0、22.0、33.8 min。200 ℃反應(yīng)條件下的改性油樣也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。因此可以認為油樣改性后提高了其OIT值，同樣明顯地提高了油品的氧化安定性。

3 結(jié)論

采用氧化工況模擬標(biāo)準(zhǔn)裝置，對某烴類航空潤滑油改性后的理化性能、抗磨性能、承載能力進行分析。主要結(jié)論如下：

(1)氧化溫度越高，改性油品延緩氧化導(dǎo)致油樣顏色變化的效果更明顯。對于油品的理化指標(biāo)而言，改性系列油樣并未對原油樣氧化的黏度、傾點產(chǎn)生不良影響；值得注意的是，改性油品更加有利于改善油品的腐蝕性能，控制酸值的增加。

(2)該烴類航空潤滑油改性后，對其抗磨性能并未產(chǎn)生不良影響，但油品承載能力降低，不過降幅不大，總體影響可控。

(3)該烴類航空潤滑油改性后，起始氧化溫度(IOT)以及氧化誘導(dǎo)期(OIT)均出現(xiàn)了明顯的升高，可見油品改性后，其氧化安定性明顯提高。