彭顯才，費逸偉，吳 楠，馬 軍，何 濤

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000；2. 空軍 95631部隊，四川 瀘州 646000）

綜述與進(jìn)展

航空潤滑油性能衰變影響因素的研究進(jìn)展

彭顯才1，費逸偉1，吳 楠1，馬 軍1，何 濤2

（1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空油料物資系，江蘇 徐州 221000；2. 空軍 95631部隊，四川 瀘州 646000）

本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀，根據(jù)航空渦輪發(fā)動機潤滑油的實際工作特點，主要對溫度等外界因素對潤滑油熱氧化安定性等關(guān)鍵性使用指標(biāo)的影響進(jìn)行了綜述。

航空潤滑油；性能；衰變；影響因素

就現(xiàn)役三代機而言，隨著航空渦輪發(fā)動機轉(zhuǎn)速、功率和負(fù)荷的不斷增加，渦輪前溫度、壓力、增壓比和推重比參數(shù)不斷升高，潤滑油需要在非?？量痰沫h(huán)境下工作，導(dǎo)致油品在使用中性能不斷下降[1]。從實際情況來看，某型戰(zhàn)機主潤滑油在使用一段時間后，容易出現(xiàn)顏色加深、酸值增大、物理性能（如黏度、蒸發(fā)性、表面張力和起泡性等）和潤滑性能變差等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)[2]。

圖1 某型航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)工作情況Fig.1 Operation of a certain aero-engine lubrication system

圖1所示為某型航空發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的工作情況。研究表明，潤滑系統(tǒng)的溫度主要取決于熱應(yīng)力持續(xù)時間的長短，此外潤滑油的量、循環(huán)速度、潤滑方式和油耗量也是影響系統(tǒng)溫度的重要因素。高溫是渦輪風(fēng)扇發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的主要特點，在潤滑系統(tǒng)內(nèi)高溫環(huán)境中，潤滑油與金屬部件接觸，金屬作為催化劑容易加速潤滑油的氧化衰變，使其潤滑效果降低，腐蝕能力加強[3]。同時，在外部低溫環(huán)境下，發(fā)動機啟動或再啟動需要克服潤滑油低溫變稠、凝固等一系列問題，因此，本文根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對導(dǎo)致航空潤滑油性能衰變的外界因素進(jìn)行了歸納整理。

1 航空潤滑油熱氧化安定性影響因素分析

對于目前甚至未來航空渦輪發(fā)動機發(fā)展趨勢來講，對潤滑油性能要求最為重要的就是要有良好的熱氧化安定性。航空潤滑油的氧化安定性通常指潤滑油在發(fā)動機內(nèi)部抵抗氧化變質(zhì)的能力。航空潤滑油的熱氧化安定性變化程度（即熱氧化衰變程度）是導(dǎo)致航空潤滑油失效變質(zhì)的最重要因素[4]，也是決定潤滑油使用壽命的關(guān)鍵因素。除此之外，航空潤滑油的關(guān)鍵性使用指標(biāo)還包括潤滑性、低溫流動性和腐蝕性等。對此，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較為深入的研究，其中溫度對油品的影響最為強烈。Siouris等[5]以季戊四醇酯類航空潤滑油為研究對象，利用臺架試驗發(fā)現(xiàn)潤滑油在諸如發(fā)動機內(nèi)高溫?zé)o氧的條件下，易發(fā)生熱氧化降解。Rudnick等[6]對合成油、礦物油和生物基潤滑油某些與溫度相關(guān)的性能進(jìn)行了分析，礦物油在100～150℃之間主要出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，在350～400℃之間主要考慮其熱穩(wěn)定性，如果能避免油品被氧化，其熱穩(wěn)定性會得到較大程度的提高。與礦物油相比，合成油如有機硅聚苯醚、酯類油等具有較高的抗氧化能力和熱穩(wěn)定性。姜克娟等[7]對比國產(chǎn)酯類油與俄制同等級油品的熱氧化安定性發(fā)現(xiàn)，在160℃·(50h)-1時兩者熱氧化安定性均很好，而在190℃·(40h)-1時，俄制同等級油品的熱氧化安定性明顯劣于4109和4010。

除了溫度以外，反應(yīng)時間、金屬催化等因素也對油品熱氧化安定性產(chǎn)生了較大影響。通過歸納文獻(xiàn)可知，隨著金屬的種類、濃度、價態(tài)和金屬間交互作用的不同，油品的氧化速率會受到不同程度的促進(jìn)或抑制，從而影響油品整體的衰變情況。Mousavi等[8]為探究多元醇酯潤滑油的熱降解行為，以季戊四醇四壬酸酯為研究對象，利用凝膠滲透色譜法、TGA、FTIR和GC/MS聯(lián)用技術(shù)等，對其在220℃高溫下0～100 h的反應(yīng)后油樣進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，油品的顏色、黏度和酸值等理化性能均發(fā)生了衰變，從衰變機理分析中發(fā)現(xiàn)，多元醇酯潤滑油出現(xiàn)了不同程度的氧化和裂解。Bartl等[9]為探究合成航空渦輪發(fā)動機潤滑油在使用過程中的氧化衰變情況，采用HPLC、GC/MS和PDSC等技術(shù)，分析了在空氣氛圍和金屬存在條件下的油品氧化情況，并測定了氧化后油樣的抗氧劑濃度。結(jié)果表明，油品氧化安定性整體呈下降趨勢，但中間會有一個增加的過程。費逸偉等[10]運用GC/MS技術(shù)，對比分析了升高反應(yīng)溫度和延長反應(yīng)時間后，PAO結(jié)構(gòu)組成的變化情況，并得出結(jié)論：在200～300℃的溫度范圍內(nèi)和2～100h的時間范圍內(nèi)，溫度升高和時間延長的效果相當(dāng)，時溫具有等效性。潘燕等[11]采用熱氧化法、旋轉(zhuǎn)氧彈法對1-癸烯進(jìn)行研究，結(jié)果表明，相比于80℃，120℃下Cu+/Cu2+對油品的氧化程度較小，當(dāng)反應(yīng)處于誘導(dǎo)期，Cu+/Cu2+的加入會加快氧化速率，且Cu2+的催化效果要強于Cu+；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)一步加深，Cu+/Cu2+對烯烴的氧化速率起抑制作用。利用FTIR技術(shù)分析可知，大部分Cu+對醛、酮及羧酸類物質(zhì)的生成起正催化作用，但存在極少一部分Cu+發(fā)揮抑制作用。郭峰等[12]也認(rèn)為，對于航空潤滑油氧化衰變而言，不同濃度、價態(tài)的金屬既可以起正向催化作用，也可以發(fā)揮逆向催化效果。其他方面，如溶解氧的濃度、空氣流速、紫外光、中間產(chǎn)物及沉淀物等因素[13-15]對航空潤滑油的性能衰變也存在不同程度的影響。

2 航空潤滑油其它性能影響因素分析

溫度、金屬等因素還對油品潤滑性、低溫流動性、腐蝕性以及載荷等有較大的影響。Maier[16]發(fā)現(xiàn)，合成酯類航空潤滑油會在200～250℃的高溫下發(fā)生較大變化，溫度每上升10℃，油品氧化、分解和催化等化學(xué)反應(yīng)速率將會加倍，油品黏度、蒸發(fā)性、表面張力、起泡性、氧化安定性等性能通常會下降。不同分子量的氧化產(chǎn)物產(chǎn)生，通常從不穩(wěn)定物質(zhì)產(chǎn)生開始，以高分子產(chǎn)物結(jié)束，如酸、醇、酯、酮、醛、聚合物產(chǎn)品等，并得出如下結(jié)論：溫度的升高會造成不穩(wěn)定產(chǎn)物的增多和高分子量產(chǎn)物的形成，油品將出現(xiàn)顏色加深、黏度增加、酸值增大、部件腐蝕等現(xiàn)象，潤滑油在潤滑系統(tǒng)高溫區(qū)停留的時間越長，將可能會形成固體沉積物。吳艷霞等[17]利用FTIR和GC-MS聯(lián)用技術(shù)等，對癸二酸二(2-乙基己基)酯的氧化衰變過程和氧化機理進(jìn)行了探究，結(jié)果表明，2-乙基己醇和單（2-乙基己基）酯是衰變的主要產(chǎn)物，初始氧化過程中氫過氧化物的形成會降低油品的潤滑性能，但隨著氧化的進(jìn)行，酸、醇、酯等高極性產(chǎn)物的形成會提高油品的抗磨減摩性能，酯的氧化和水解是油品摩擦學(xué)性能衰變的主要原因。Lansdown[18]認(rèn)為，在導(dǎo)致硅油潤滑性變差的各類因素中，其中一個重要的原因是有色金屬。試驗表明，當(dāng)材料表面溫度達(dá)到95℃或以上時，二甲基硅油開始氧化，會造成接觸面的無氧接觸，將導(dǎo)致嚴(yán)重的粘著磨損，氧化產(chǎn)物較差的潤滑油不能有效地減輕磨損和摩擦。姚婷等[19]發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)溫度升高，雙酯的酸值衰變程度明顯大于PAO，而PAO的運動黏度的下降幅度則高于雙酯，且PAO的傾點也提高顯著，高溫對PAO的運動黏度影響較大。劉強等[20]研究發(fā)現(xiàn)，氧化時間越長，多元醇酯的運動黏度和酸值變化越大，兩者均在15 h后發(fā)生突變。 Maier發(fā)現(xiàn)，酯類油衰變后產(chǎn)生的易揮發(fā)產(chǎn)物的自燃點和安全性都較低，高溫衰變后油品的載荷能力也大大降低。

3 結(jié)語

航空發(fā)動機內(nèi)部溫度、氧氣、運行時間、金屬接觸、存在雜質(zhì)等不同工況對油品性能變化的影響密切，機務(wù)人員需要根據(jù)潤滑油的質(zhì)量狀況判斷發(fā)動機的各類故障，因此，掌握油品性能變化與運行工況的關(guān)聯(lián)性至關(guān)重要，對在用潤滑油的配方改善和視情換油意義重大。

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Abstract:Combined the research status in China and abroad, according to the actual working characteristics of aero turbine engine oil, the effects of external factors such as temperature on the key used indicators such as thermal oxidation stability of lubricants were reviewed in this paper.

Key words:aviation lubricating oil; performance; degradation; in fl uence factor

Research Progress of Influence Factors of Performance Deterioration of Aviation Lubricating Oil

PENG Xiancai1, FEI Yiwei1, WU Nan1, MA Jun1, HE Tao2
(1. Department of Aviation Oil and Material, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China;2. 95631 Air Force Troops, Luzhou 646000, China)

TE 626.3

A

1671-9905(2017)09-0022-03

江蘇省自然科學(xué)基金項目（BK20161187）；江蘇省青年基金項目（BK20150166）

彭顯才（1992-），男，四川省蒼溪縣人，碩士研究生，電話 13225291235，E-mail: 332952344@qq.com

費逸偉（1961-），男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向：航空油料應(yīng)用與軍用功能新材料技術(shù)

2017-06-07