李進，劉多強，邵萬昌，梁峪，田文嵐

（1.空軍研究院航空兵研究所，北京100076；2.95626部隊，云南 大理672103；3.95892部隊，江蘇 徐州221005）

0 引言

隨著軍用飛機飛行速度和發(fā)動機推重比的不斷提高，發(fā)動機渦輪前溫度不斷升高，對潤滑油高溫氧化、高溫沉積及潤滑性能的要求越來越嚴(yán)格。航空渦輪發(fā)動機主要潤滑件為滾動軸承，轉(zhuǎn)速快且負(fù)荷大，潤滑油循環(huán)周期短，通常采取噴霧潤滑。當(dāng)渦輪風(fēng)扇發(fā)動機工作時，渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速約為13000～18000r/min，渦輪前燃?xì)馑查g溫度高達1400℃，潤滑油除了對發(fā)動機進行冷卻之外，同時對軸承及渦輪部件起潤滑作用，如果軸承長期處于干摩擦或邊界潤滑，高溫高壓的工作狀態(tài)將會引發(fā)軸承發(fā)生黏著－撕裂－黏著的惡性循環(huán)，最后導(dǎo)致卡死抱軸，發(fā)動機空中停車事故。據(jù)了解，1983年美國TF34發(fā)動機因潤滑故障導(dǎo)致飛行事故占28%，我軍1985年因發(fā)動機潤滑系統(tǒng)故障引起的空中停車事故占43%［1］。

航空潤滑油的潤滑性主要體現(xiàn)在油品黏度、油性和極壓性等三個方面［2］。黏度是潤滑油的基本特性，直接影響摩擦部位的潤滑狀態(tài)，能表征潤滑油在潤滑系統(tǒng)中的流動、低溫快速啟動、冷卻以及防止從密封件中泄漏等使用性能；油性體現(xiàn)了潤滑油在金屬表面形成吸附膜的性質(zhì)，其在金屬表面形成吸附膜厚度越大，強度越高，表明油性越好，其反映了潤滑油在較高負(fù)荷和較低轉(zhuǎn)速條件下的潤滑能力；極壓性則體現(xiàn)了潤滑油在金屬表面形成邊界反應(yīng)膜的性質(zhì)，它反映了油品在苛刻條件下的潤滑能力，油品可在高溫、高負(fù)荷與金屬作用，在摩擦面上形成反應(yīng)膜層，起到降低摩擦阻力，減小燒蝕或擦傷，保證機械的潤滑作用［3］。

1 潤滑油規(guī)范

合成航空潤滑油涉及到航空飛行安全的重要材料，國內(nèi)外都制定了嚴(yán)格的航空潤滑油標(biāo)準(zhǔn)以滿足控制產(chǎn)品質(zhì)量，如前蘇聯(lián)的ГОСТ13076《渦輪發(fā)動機合成潤滑油規(guī)范》、法國的AIR 3514《噴氣發(fā)動機用合成油規(guī)范》和英國的 DEF STAN 91－101/ISSUE2《飛機渦輪發(fā)動機合成潤滑油規(guī)范》等。歐美的現(xiàn)代航空發(fā)動機主要使用MIL－PRF－7808《渦輪發(fā)動機低黏度合成航空潤滑油規(guī)范》、MIL－PRF－23699《航空渦輪發(fā)動機中黏度合成潤滑油規(guī)范》和SAE AS 5780《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機潤滑油規(guī)格》等三種規(guī)范的產(chǎn)品，這些標(biāo)準(zhǔn)自制訂起就經(jīng)歷了一系列對潤滑油質(zhì)量指標(biāo)和試驗方法的從嚴(yán)變化。其中，最具代表性的是美軍MIL－L－7808，不僅在北大西洋公約組織內(nèi)有品種代號（3級油代號為0－148，4級油代號為0－163），國際上廣泛被采用。

美國空軍《渦輪發(fā)動機低黏度合成航空潤滑油規(guī)范》MIL－PRF－7808L和美國海軍《航空渦輪發(fā)動機中黏度合成潤滑油規(guī)范》MIL－PRF－23699F對潤滑性理化指標(biāo)不作要求，但 MIL－PRF－7808L要求通過ASTM D1947方法《石油基和合成基齒輪油載荷性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》的Ryder齒輪試驗和ASTM D5182方法《潤滑劑載荷咬接（劃傷）性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》的FZG齒輪試驗，同時 MILPRF－7808L中4級油還要求205℃的運動黏度不低于1.1mm2/s，而 MIL－PRF－23699F僅要求通過FED－STD－791 6508法的齒輪載荷能力試驗。

俄羅斯應(yīng)用最廣泛的潤滑油ИПМ－10（TУ38.1011299－2006《ИПМ－10燃?xì)鉁u輪航空潤滑油規(guī)范》）要求四球摩擦特性試驗室溫下臨界負(fù)荷PB值不小于71kg（696N），磨斑直徑（196N）不大于0.35mm，同時要求通過Ш－3減速裝置齒輪系統(tǒng)試驗；備用油ВНИИНП50－1－4Ф（ГОСТ13076－86《ВНИИНП50－1－4Ф合成潤滑油規(guī)范》）和50－1－4У（TУ38.401－58－12－91修訂3，4《ВНИИ НП50－1－4У合成潤滑油規(guī)范》）分別要求四球摩擦特性試驗室溫下臨界負(fù)荷PB值不小于823N和735N，磨斑直徑（196N）分別不大于0.4mm 和0.45mm，均要求通過 Ш－3減速裝置齒輪系統(tǒng)試驗。

我國5厘斯油標(biāo)準(zhǔn)GJB 1263－91《航空渦輪發(fā)動機用合成潤滑油》要求四球試驗結(jié)果PB、PD、ZMZ和磨斑直徑D（392N，60min）見報告，GJB 3460－1998《直升機用高極壓潤滑油規(guī)范》要求四球臺架試驗室溫下PB不小于890N；4厘斯油Q/SH 303417－2006《合成航空潤滑油規(guī)范》、3厘斯油標(biāo)準(zhǔn)GJB 135A－1998《合成航空潤滑油規(guī)范》和GB 439－1990《航空噴氣機潤滑油》對潤滑性不作要求，GJB 5097－2004《928航空潤滑油規(guī)范》要求四球試驗室溫下PB值不小于696N，磨痕直徑（196N，60 min）不大于0.35mm。

2 試驗方法

2.1 實驗室評價

（1）四球機試驗

四球試驗機原理是點接觸的摩擦試驗機，四個鋼球接觸形成三角錐體，下面三個球固定在油杯內(nèi)，靜止不動，上面一個球固定在轉(zhuǎn)軸上，以一定的速度旋轉(zhuǎn)，試驗結(jié)束后測定上試球的磨斑直徑。俄羅斯采用四球試驗ГОСТ9490《液體和彈性潤滑材料的潤滑性能測定方法》來評定潤滑油的極壓、抗磨性能，美國分別采用ASTM D2783《潤滑液體的極壓性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法（四球機法）》和ASTM D4172《液體潤滑劑抗磨特性標(biāo)準(zhǔn)試驗方法（四球機法）》，而國內(nèi)對應(yīng)等效標(biāo)準(zhǔn)分別是GB/T 12583《潤滑劑承載能力測定法》和SH/T 0189《潤滑油抗磨性能測定法》。表1為國內(nèi)外四球機試驗條件。

表1 國內(nèi)外四球機試驗條件

（2）往復(fù)式摩擦磨損試驗

SRV摩擦磨損試驗機集成了在摩擦機制研究和深入分析中所需要的仿真、測試和分析等功能，使復(fù)雜的摩擦測試系統(tǒng)中往復(fù)運動模塊的組成、測試原理及功能，包括高低溫測試模塊、環(huán)境控制系統(tǒng)、各種適配器及其他外圍設(shè)備，技術(shù)指標(biāo)：載荷1～2000N，頻率1～511Hz，低溫模塊－35～＋290℃，高溫模塊＋900℃，行程0～5mm。首先安裝測試樣品，按程序預(yù)先設(shè)置測試條件，使上試樣在下試樣上擺動。樣品之間的接觸部分可以采用潤滑或干摩擦方式，如往復(fù)式運動下的球/盤、柱/盤、盤/盤摩擦配副，實現(xiàn)點、線、面接觸，還可根據(jù)真實工況要求在0～90°間調(diào)整測量傾斜角度，通過合理的試驗條件設(shè)計可以準(zhǔn)確認(rèn)識摩擦、磨損的發(fā)生機理，可以做大量燃料油、潤滑油、潤滑脂及離子液等材料的摩擦磨損和極壓性能，且有多種國際和國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，如DIN 51834I《潤滑劑檢驗：移動式振動檢驗儀中的摩擦試驗.第一部分一般工作原理》和DIN 51834Ⅱ《潤滑劑檢驗：移動式振動檢驗儀中的摩擦試驗.第二部分測定潤滑油的摩擦值和磨損值》、ASTM D5706《使用高頻線性振蕩（SRV）試驗機測定潤滑脂極端壓力特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》、ASTM D5707《潤滑脂摩擦、磨損性能測量（高頻線性振動試驗機法）標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》和ASTM D6425《用SRV試驗機測量極壓（EP）潤滑油摩擦和磨損特性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》等。國內(nèi)等效采用NB/SH/T 0721－2016《潤滑脂摩擦磨損性能測定法（高頻線性振動試驗機法）》和 NB/SH/T 0920－2016《高赫茲接觸壓力下潤滑脂抗微動磨損能力的測定（高頻線性振動試驗機法）》來測量潤滑脂的摩擦磨損特性。

（3）FALEX摩擦磨損試驗

Falex摩擦磨損試驗機主要用于測試潤滑劑的抗極壓、抗磨損特性和金屬材料的抗膠合、抗磨損性能，可模擬工業(yè)應(yīng)用中齒輪、凸輪等線接觸傳動高副機構(gòu)的摩擦磨損特性及膠合失效狀況，對潤滑劑或接觸材料作出摩擦、磨損和極壓性能方面的評定。美國采用ASTM D2670《液體潤滑劑耐磨性能的測定法（潤滑劑耐熱耐壓法）》和ASTM D3233《液體潤滑劑極壓性能的試驗方法（潤滑油耐熱耐壓法）》來測量液體潤滑劑耐熱耐壓方面的性能，國內(nèi)主要采用SH/T 0201《液體潤滑劑摩擦系數(shù)測定法（法萊克斯銷與 V形塊法）》、SH/T 0187《潤滑油極壓性能測定法（法萊克斯法）》和SH/T 0188《潤滑油磨損性能測定法（法萊克斯軸和V形塊法）》。

2.2 齒輪試驗

航空潤滑油在航空裝置中的主要潤滑部件是齒輪和軸承，而齒輪上的負(fù)荷又要比軸承大得多，因此評定潤滑油在齒輪齒面上的潤滑效果是至關(guān)重要的。標(biāo)準(zhǔn)齒輪在一定負(fù)荷及溫度和流率的噴油量下，以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)固定時間，然后逐級增加負(fù)荷，直到齒輪失效時的負(fù)荷來評價。

（1）IAE齒輪試驗

英國采用IAE齒輪試驗，該試驗機中主動齒輪齒數(shù)為15，從動齒輪齒數(shù)為16。試驗條件為溫度110℃，試驗流率0.3L/min，轉(zhuǎn)速為2000r/min，4000r/min，6000r/min；每5min加一級負(fù)荷。試驗結(jié)果以齒面破壞60%的負(fù)荷為失效負(fù)荷來評定。后經(jīng)過改進，試驗溫度可達200℃，轉(zhuǎn)速可提高為10000r/min。

（2）Ryder齒輪試驗

20世紀(jì)50年代早期，美軍《低黏度合成航空潤滑油規(guī)范》MIL－L－7808要求采用Ryder齒輪試驗臺架來評定潤滑油的載荷能力，此后在《中黏度合成航空渦輪發(fā)動機潤滑油規(guī)范》MIL－L－23699中也規(guī)定采用該臺架試驗，同時也是DOD－L－85734《直升機傳動齒輪油規(guī)范》的載荷能力模擬評定手段。

該臺架由兩根平行軸上裝的兩個傳動齒輪和兩個試驗齒輪組成的一個四方形封閉系統(tǒng)，試驗齒輪為正齒輪，齒數(shù)相同均為28，轉(zhuǎn)速為10000r/min；試驗負(fù)載由兩個加載腔內(nèi)可控制的油壓，使兩軸之間產(chǎn)生軸向相對運動而實現(xiàn)，油箱內(nèi)加有0.5L試驗潤滑油，開動油泵保持油量流率0.27L/min，加熱至試驗溫度74℃；初始加載油壓為34kPa，每10 min加一級油壓負(fù)荷，并紀(jì)錄各個齒面劃傷、磨損、刻痕面積和總面積之比，當(dāng)全部28個齒的平均值達22.5%時，用其加載壓力來計算承載能力P（＝KL/W，其中K為齒輪試驗機常數(shù)，Ryder齒輪試驗為18.55，WADD齒輪試驗為11.50，L為加載油壓，W為有效齒寬）。

除74℃常溫下測定外，還有204℃、220℃下最高工作溫度下的評定，方法基本相同。74℃下齒輪載荷能力試驗的方法為FED－STD－791 6508《航空潤滑油品的載荷能力（Ryder齒輪試驗機）》（ASTM D1947《石油基和合成基齒輪油載荷性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》），204℃下齒輪載荷能力試驗的方法為FED－STD－791 6511《在204℃下潤滑油載荷能力測定法》，204℃下齒輪疲勞試驗的方法為FED－STD－791 6509《在204℃下航空燃?xì)獍l(fā)動機潤滑劑齒輪疲勞特性測定法》（測定齒輪疲勞時，以疲勞點出現(xiàn)的負(fù)荷來判斷）。一般在此試驗機上先用參考油得出其平均承載能力，然后試出試油的平均承載能力，以其相對百分比來評定。在此基礎(chǔ)上發(fā)展的WADD齒輪試驗，由于更改了齒輪材料，試油溫度得到了提高。目前只有美國海軍擁有一臺Ryder齒輪試驗機，由于試驗件的問題面臨停用，同時ASTM D1947《石油基和合成基齒輪油載荷性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》也已經(jīng)廢除，其他行業(yè)該試驗機被FZG齒輪試驗所替代已近10年。

（3）Ш－3齒輪試驗

俄羅斯采用Ш－3齒輪試驗方法來比較和評定航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機潤滑油與標(biāo)準(zhǔn)潤滑油在Ш－3減速裝置齒輪系統(tǒng)中的工作性能。Ш－3減速裝置是模擬航空裝置內(nèi)部齒輪和軸承的實際工作條件，完全按照航空潤滑油的最高工作溫度和實際工作壓力、潤滑方式，綜合評定潤滑油高溫沉積和潤滑性能的一種齒輪臺架試驗機。工作原理是Ш－3減速裝置主要由四大部分組成，主試驗油路循環(huán)系統(tǒng)、變速箱潤滑油路循環(huán)系統(tǒng)、液壓加載油路循環(huán)系統(tǒng)、動力傳動及試驗單元，其工作作用原理是經(jīng)加熱并恒溫的潤滑油在油泵作用下噴入一對轉(zhuǎn)速為11600r/min的試驗齒輪，試驗從動齒輪的軸上由液壓油泵施加扭矩，以便在嚙合齒面上得到所需要的試驗負(fù)荷，試驗結(jié)束后測定試驗齒輪齒面的平均偏差，如果大于規(guī)定值，則認(rèn)為潤滑油的潤滑性能不能滿足要求。對于發(fā)動機潤滑油，試驗允許在最高工作溫度下進行，如亞音速渦噴發(fā)動機為150℃、跨音速渦扇發(fā)動機為175℃、第三代機發(fā)動機為200℃，對于直升機傳動系統(tǒng)齒輪油為85℃。試驗滑油壓力為實際工作壓力2.0kg/cm2，用噴嘴從徑向向嚙合面壓力供油。

Ш－3齒輪試驗主要根據(jù)潤滑性能（磨損、卡咬、齒輪齒工作表面疲勞斷裂）和潤滑油熱氧化安定性來評定。潤滑油試驗50h后，可用目視和儀器評定齒輪齒的工作狀態(tài)，與允許的和規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)相比較。除此之外，將試驗時間內(nèi)潤滑油試樣的物理化學(xué)性能的變化，用ГОСТ23797－79《航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機潤滑油：熱氧化安定性測定法》標(biāo)準(zhǔn)和在最高允許工作溫度下，以新油和氧化后的潤滑油的性能比較。

該試驗機中主動齒輪齒數(shù)為44，從動齒輪齒數(shù)為22；進油溫度為80～90℃；試油流率為0.3L/min；圓周速度為33.4m/s（相應(yīng)齒面的滑動速度為16m/s）。其試驗過程見表2。

表2 Ш－3齒輪試驗的試驗過程

如果在上述第四階段試驗之前已出現(xiàn)輕微卡滯現(xiàn)象，則不必像表中20N一級加負(fù)荷，而只加10 N。如果上述四個階段試驗順利完成，則每1h加10N負(fù)荷繼續(xù)試驗。試驗時每20min紀(jì)錄一次參數(shù)，每1h后檢查被試齒輪無擦傷、磨損及腐蝕。最終以齒牙被破壞的最大可能負(fù)荷來評定潤滑油的載荷能力。此外，試驗時要觀察滑油的發(fā)泡情況；檢查與滑油接觸的所有零件的腐蝕、沉積、積炭情況；并與標(biāo)準(zhǔn)齒牙比較工作表面的外形，確定有無卡滯及卡滯的程度。試驗前取50mL油樣，化驗其100℃黏度。試驗后取500mL油樣，化驗其100℃、－40℃黏度、酸值、閃點和在四球機上的潤滑性。取樣需在系統(tǒng)循環(huán)時進行。

（4）FZG齒輪試驗

FZG齒輪試驗機是由德國人提出來的一種齒輪臺架試驗裝置，試驗方法為ASTM D5182《潤滑劑載荷咬接（劃傷）性能標(biāo)準(zhǔn)試驗方法（FZG目視法）》，以試驗后小齒輪齒面上所有損傷累計值大于2個齒寬作為失效判斷標(biāo)準(zhǔn)。其工作原理基本與Ryder齒輪試驗機相同，包括一個驅(qū)動齒輪箱和一個試驗齒輪箱，用兩根扭力軸將它們連接起來，但加載方式不同，F(xiàn)ZG齒輪試驗是在軸上裝有一個剛性加載離合器，采用杠桿砝碼加載使扭力軸扭轉(zhuǎn)一定角度而使齒面受力。按照規(guī)定安裝好試驗齒輪，往齒輪箱中加入1.25L試驗潤滑油，進油溫度為90℃，其齒輪中心距為91.5mm，滑動速度為8.3m/s，初始加載四級，隨后依次增大一級負(fù)載，運轉(zhuǎn)15 min，轉(zhuǎn)速為1750r/min，每次運轉(zhuǎn)結(jié)束后檢查目視齒面的磨損情況，直至破壞面積達到2個齒寬，所對應(yīng)的負(fù)載即為潤滑油的最大承載能力。當(dāng)然也可根據(jù)試驗對象選擇其他試驗條件。

有時候也采用該儀器來評價潤滑油的長期磨損性能，通常以75%的擦傷負(fù)荷來運轉(zhuǎn)20h、100h和200h，然后根據(jù)齒輪減重來評定。

（5）CH－1齒輪試驗

國內(nèi)有一種CH－1試驗機，其齒輪的最大圓周速度可達24m/s，相應(yīng)的齒面滑動速度為11.1m/s。試油進油溫度可達250℃，試油流率為2L/min，試驗時初始負(fù)荷為30N·m，運轉(zhuǎn)5min后，用顯微鏡測量每個齒輪的磨損、膠合面積。然后，加一級負(fù)荷（30N·m），運轉(zhuǎn)5min檢查，如此循環(huán)直到齒面破壞面積達60%，取此時的負(fù)荷來評價。

3 結(jié)束語

幾十年來，航空潤滑油經(jīng)歷了石油基油、合成烴油、雙酯油、多元醇酯油等發(fā)展階段。至今已形成以酯類油為主、石油基和合成烴潤滑油為補充的格局。石油基油防銹性能好但高溫氧化性能差，酯類油潤滑防銹性能較差而高溫氧化性能較好，目前酯類油的使用溫度極限是204℃，要求高推重比、高超音速巡航的四代機甚至五代機對航空潤滑油的使用溫度要求已經(jīng)超出了酯類油所能承受的高溫極限，因此航空潤滑油以后面臨著發(fā)動機啟動溫度更低、工作溫度更高及更高載荷的挑戰(zhàn)。油品若要克服長時間高溫工作使得黏度降低所帶來的潤滑損失以及具有良好的超高溫?zé)嵫趸捕ㄐ裕藢櫥偷母邷仞ざ戎涤凶畹拖薅ㄍ?，還需開發(fā)能夠承受更高使用溫度的潤滑油基礎(chǔ)油、高溫抗氧化劑和高溫潤滑添加劑。

［1］徐從儒.航空發(fā)動機主軸軸承潤滑冷卻的設(shè)計與試驗研究［J］.航空發(fā)動機，1999，20（3）：8－14.

［2］彭顯才，費逸偉，姚婷，等.航空潤滑油關(guān)鍵性使用指標(biāo)分析［J］.化工時刊，2016，30（4）：36－40.

［3］謝鳳，張寧波.潤滑劑性質(zhì)與應(yīng)用［M］.徐州：空軍勤務(wù)學(xué)院出版社，2014：30－48.