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        兩種航空潤(rùn)滑油潤(rùn)滑性能對(duì)比研究*

        2019-11-27 07:13:44
        潤(rùn)滑與密封 2019年11期
        關(guān)鍵詞:新油抗磨性磨斑

        (空軍勤務(wù)學(xué)院航空軍需與燃料系 江蘇徐州 221006)

        航空潤(rùn)滑油在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中起到密封、散熱、清洗、防銹的作用,以保證飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫高速條件下安全、穩(wěn)定地工作[1-3]。但在使用過程中,航空潤(rùn)滑油受到外界因素和內(nèi)部條件的影響,導(dǎo)致其成分發(fā)生變化,其性能也隨之變化[4-6]。50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油(B)是我國(guó)進(jìn)口的航空潤(rùn)滑油品種,具有較高的熱氧化安定性能、良好的黏溫性能和低溫性能、較低的蒸發(fā)性以及優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。某型航空潤(rùn)滑油(A)為國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油。許多學(xué)者對(duì)A和B及其基礎(chǔ)油的性能進(jìn)行了深入的探討[7-12]。但對(duì)于A氧化后的潤(rùn)滑性能究竟如何變化,與B相比有何差異卻鮮見報(bào)道。本文作者以A和B為研究對(duì)象,利用ASTM D4636標(biāo)準(zhǔn)氧化安定性模擬氧化裝置,對(duì)A和B在不同溫度下進(jìn)行了模擬氧化試驗(yàn),對(duì)比分析了氧化后油樣的運(yùn)動(dòng)黏度、抗磨性能和承載能力的變化規(guī)律,為國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油的合理使用和進(jìn)一步改進(jìn)提供參考依據(jù)。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 油品與儀器試劑

        試驗(yàn)所用油品為某航空兵場(chǎng)站所提供的A新油和B新油,經(jīng)化驗(yàn)均合格。

        試驗(yàn)所使用的儀器有根據(jù)美國(guó)材料學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D4636《液壓油、飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油和其他深度精制油品的腐蝕和氧化安定性標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)的潤(rùn)滑油模擬氧化裝置;大連凱博儀器有限公司生產(chǎn)的DKY-301B石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定儀;濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)制造廠生產(chǎn)的MRS-10(G)杠桿式四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),濟(jì)南潤(rùn)倍試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的直徑12.7 mm、材料GCr15鋼球。

        試驗(yàn)所用的試劑有60~90 ℃的石油醚,無水乙醇,均為分析純,經(jīng)精制后使用。

        1.2 試驗(yàn)油樣準(zhǔn)備

        針對(duì)航空潤(rùn)滑油的主要使用溫度,兼顧可能出現(xiàn)的極限溫度情況以及便于試驗(yàn)研究需要,將試驗(yàn)溫度分為中高溫(150、175 ℃)、高溫(200 ℃)和超高溫(210、230、250、270、290 ℃)3個(gè)溫度范圍。

        在中高溫下,選擇24、48、72、96、120 h的氧化試驗(yàn);在高溫下,氧化速率加快,試驗(yàn)時(shí)間分別為1、2、4、8、12、24、36、48、60 h;由于航空潤(rùn)滑油在超高溫下不會(huì)持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間,為了便于試驗(yàn)研究,將反應(yīng)時(shí)間統(tǒng)一為2 h。

        模擬氧化試驗(yàn)裝置包括2個(gè)氧化管,同時(shí)進(jìn)行兩組相同溫度的氧化試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)2個(gè)氧化管分別盛裝200 mL的A新油和B新油,放入油浴中,接好空氣管路和冷凝管,迅速升溫至試驗(yàn)溫度,待溫度到達(dá)設(shè)定值,以20 mL/min的流速通入干燥空氣,計(jì)時(shí)開始,到達(dá)試驗(yàn)時(shí)間后取出氧化管,冷卻至室溫,收集氧化油樣待用[13-15]。

        1.3 潤(rùn)滑性能測(cè)定

        按GB/T 265-1998(2004)《石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度測(cè)定法和動(dòng)力黏度計(jì)算法》測(cè)定各油樣100 ℃的運(yùn)動(dòng)黏度;按SH/T 0189-1992《潤(rùn)滑油抗磨性能測(cè)定法(四球機(jī)法)》測(cè)定各油樣的磨斑直徑(WSD);按GB/T 3142-1982《潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法》測(cè)定各油樣的最大無卡咬負(fù)荷(pB)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 運(yùn)動(dòng)黏度

        圖1所示為A和B在不同溫度(中高溫和高溫)條件下氧化不同時(shí)間后100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度(以下簡(jiǎn)稱黏度)的變化趨勢(shì)。A和B新油的黏度分別為3.84和3.11 mm2/s,A的黏度比B稍大,但均能滿足某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。從圖1(a)中可以看出,隨著氧化時(shí)間的增加,二者的黏度呈上升趨勢(shì)。在150 ℃條件下氧化,二者黏度均比較穩(wěn)定,只有微弱的上升,其中A黏度的上升趨勢(shì)比B明顯。氧化120 h后,A的黏度由3.84 mm2/s增加到3.93 mm2/s,增幅為2.29%,而B在150 ℃下氧化120 h后黏度由3.11 mm2/s增加到3.14 mm2/s,增加幅度僅為0.96%??梢?種潤(rùn)滑油在150 ℃下長(zhǎng)期使用黏度均比較穩(wěn)定。

        圖1 A和B在不同溫度下氧化不同時(shí) 間的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢(shì)Fig 1 100 ℃ kinematic viscosity trends of A and B oxidized at different temperatures and different times(a)at medium-high temperature;(b)at high temperature

        從圖1(a)中還可看出,175 ℃條件下氧化后2種潤(rùn)滑油的黏度增大趨勢(shì)比150 ℃明顯,且A的黏度增大幅度要比B大得多。A在氧化48 h內(nèi)黏度變化比較平緩,24和48 h氧化油樣黏度增幅分別為0.21%和0.99%;隨著氧化時(shí)間的增加,黏度增大速度加快,72 h后達(dá)到4.01 mm2/s;氧化96 h后,增幅超過10%,達(dá)到4.23 mm2/s;氧化120 h后,繼續(xù)增大到4.52 mm2/s,增幅達(dá)17.65%。B在氧化后的黏度變化則要緩慢得多,在氧化72 h后,其黏度增幅始終沒有超過1%;氧化96和120 h的油樣黏度增幅分別為2.57%和7.40%,而同樣氧化時(shí)間A的黏度增幅分別為10.10%和17.65%,其增幅接近B增幅的3倍,可見,在175 ℃下B的黏度比A穩(wěn)定。

        從圖1(b)可看出,200 ℃條件下氧化4 h后,2種潤(rùn)滑油的黏度變化均不大。24 h氧化后,2種潤(rùn)滑油黏度增幅均超過10%,其中A增幅為10.4%,B增幅為11.3%,二者相差無幾;當(dāng)氧化時(shí)間超過24 h,油樣黏度增速加快,氧化36 h后,A與B黏度增幅分別為23.1%和21.5%,氧化48 h后二者增幅已經(jīng)達(dá)到45.4%和46.6%,此時(shí)A的黏度達(dá)到5.59 mm2/s,已經(jīng)超出極限黏度值,由于B新油的黏度低于A新油,氧化48 h后其黏度為4.56 mm2/s,沒有超出極限黏度值。氧化60 h后,A的黏度增幅達(dá)到74.5%,為6.70 mm2/s,已經(jīng)大大超過可使用的最高黏度,而此時(shí)B的黏度增幅為62.7%,達(dá)到5.26 mm2/s,也接近最高值。以上情況表明A與B均很難在200 ℃下長(zhǎng)時(shí)間工作。

        圖2所示為A和B在不同溫度(超高溫)下氧化2 h的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢(shì)??梢钥闯?,當(dāng)氧化溫度從210 ℃升高到290 ℃,氧化時(shí)間固定為2 h時(shí),2種潤(rùn)滑油的黏度表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)。A在250 ℃氧化時(shí)黏度達(dá)到最大,為4.14 mm2/s,較新油黏度提高了0.3 mm2/s,增幅為7.76%;氧化溫度為270 ℃時(shí),黏度為3.95 mm2/s,相比新油只增加了0.11 mm2/s,增幅為2.76%;氧化溫度為290 ℃時(shí),黏度為3.79 mm2/s,相比于新油反而降低了1.3%。B在210 ℃下氧化2 h后,黏度下降了0.96%,為3.08 mm2/s;氧化溫度為230和250 ℃時(shí),黏度均為2.13 mm2/s,為該系列最大黏度,相比新油黏度有微弱的增加;氧化溫度為270和290 ℃時(shí),黏度分別降至3.07和2.97 mm2/s,降幅分別為1.29%和4.57%。

        以上結(jié)果表明,不同溫度下氧化,潤(rùn)滑油黏度會(huì)出現(xiàn)不同的變化情況。在超高溫度環(huán)境中,航空潤(rùn)滑油可能出現(xiàn)黏度下降的情況,將不利于流體潤(rùn)滑油膜的產(chǎn)生。相比之下,A比B更能適應(yīng)短時(shí)間的超高溫環(huán)境。

        圖2 A和B在不同溫度(超高溫)下氧化 2 h的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度變化趨勢(shì)Fig 2 100 ℃ kinematic viscosity trends of A and B oxidized for 2 hours at different temperatures(ultrahigh temperature)

        2.2 抗磨性能

        潤(rùn)滑油的抗磨性能是指潤(rùn)滑油避免摩擦副因摩擦而磨損的能力。航空潤(rùn)滑油通常采用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)其抗磨性能,四球磨斑直徑的大小代表了其抗磨性能的好壞,磨斑直徑越小,抗磨性能越好,越有利于減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦部件的磨損。

        在490 N的載荷下進(jìn)行30 min長(zhǎng)磨試驗(yàn)后,A潤(rùn)滑下的磨斑直徑為0.473 mm,B潤(rùn)滑下的磨斑直徑為0.488 mm,A磨斑直徑略小于B,說明A抗磨性能優(yōu)于B,但二者差距不大。A和B在不同溫度下氧化不同時(shí)間后,四球試驗(yàn)測(cè)得的磨斑直徑如表1所示。

        A和B在 150和175 ℃條件下氧化后,磨斑直徑相比新油均略大,但增大不明顯。A氧化后磨斑直徑最大為0.484 mm,與新油相比增加了0.011 mm。B氧化后磨斑直徑最大為0.502 mm,與新油相比增加了0.014 mm。氧化前后磨斑直徑變化很小,甚至比允許的測(cè)量誤差還小,因此認(rèn)為中高溫條件下氧化對(duì)2種潤(rùn)滑油的抗磨性能沒有影響。

        在200 ℃條件下氧化48 h內(nèi),2種潤(rùn)滑油的磨斑直徑均隨氧化時(shí)間的增大而緩慢增大,但增大幅度仍然比較小。在氧化時(shí)間48 h附近,2種潤(rùn)滑油的磨斑直徑達(dá)到最大,此時(shí)A的磨斑直徑為0.516 mm,與新油相比增幅為9.1%,B的磨斑直徑為0.528 mm,與新油相比增幅為8.2%,2種潤(rùn)滑油的磨斑直徑增幅均不超過10%,說明抗磨性能惡化程度不大。且A的磨斑直徑始終小于B,說明在相同條件下氧化后A的抗磨性能比B好。氧化60 h后,2種潤(rùn)滑油的磨斑直徑迅速降低,A的磨斑直徑降低到0.405 mm,比新油低14.4%,B的磨斑直徑也降低到0.463 mm,比新油低5.1%,說明其抗磨能力有所提高,但幅度同樣比較低??傮w來看,200 ℃條件下A的抗磨性能不低于B。

        在超高溫度(210~290 ℃)條件下A經(jīng)過2 h氧化后其磨斑直徑隨著氧化溫度的升高而增大,但總體磨斑直徑增幅依舊比較?。?90 ℃氧化油樣的磨斑直徑比新油增加9.9%,抗磨性能有所下降,但下降程度低。B在超高溫度下氧化后抗磨性能變化情況與A類似,在210和230 ℃條件下氧化2 h后,B的磨斑直徑幾乎沒有變化,而在270、290 ℃這樣的超高溫度下,B的磨斑直徑增大較明顯。在270 ℃時(shí)B的磨斑直徑為0.536 mm,增幅為13.3%,在290 ℃時(shí)磨斑直徑繼續(xù)增大,達(dá)到了0.565 mm,增幅為19.5%,抗磨性能有較為明顯的下滑。對(duì)比A與B的磨斑直徑變化情況,在超高溫度下氧化后,2種潤(rùn)滑油潤(rùn)滑下的磨斑直徑會(huì)出現(xiàn)一定幅度的增加,相同試驗(yàn)條件下,A的磨斑直徑始終小于B,表明在超高溫下A的抗磨性能強(qiáng)于B。

        表1 在不同溫度下氧化不同時(shí)間后A和B的磨斑直徑測(cè)定結(jié)果

        注:磨斑直徑變化幅度為(氧化后油樣磨斑直徑-新油磨斑直徑)/新油磨斑直徑×100%。

        2.3 承載能力

        潤(rùn)滑油承載能力通常用pB和pD表示,其中pB表示在試驗(yàn)條件下鋼球不發(fā)生卡咬的最高負(fù)荷,代表了油膜的強(qiáng)弱;pD是指在試驗(yàn)條件下鋼球發(fā)生燒結(jié)的最低負(fù)荷,代表潤(rùn)滑油的極限工作能力。航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主滑油不在極壓環(huán)境中使用,因而對(duì)pD通常沒有作要求,而對(duì)pB有專門規(guī)定,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中通常都規(guī)定了pB的最低標(biāo)準(zhǔn),因此選擇pB值作為評(píng)價(jià)潤(rùn)滑油承載能力的指標(biāo)。

        A新油的pB值為716 N,B新油的pB值為598 N,因此A比B高出118 N,表明A的承載能力強(qiáng)于B。

        對(duì)2種潤(rùn)滑油及其氧化后的油樣進(jìn)行了pB值的測(cè)定,發(fā)現(xiàn)2種潤(rùn)滑油氧化后pB值都沒有出現(xiàn)下降的現(xiàn)象,氧化作用不但沒有使pB值降低,反而促進(jìn)其升高,表明經(jīng)過氧化后潤(rùn)滑油承載能力提高了。因此不會(huì)對(duì)潤(rùn)滑產(chǎn)生負(fù)面影響。A和B在不同溫度(中高溫和高溫)下氧化不同時(shí)間的pB值變化趨勢(shì)如圖3所示。

        如圖3(a)所示,150 ℃氧化溫度下A的pB值隨氧化時(shí)間的增加逐漸增大,當(dāng)氧化時(shí)間達(dá)到120 h,pB值增高到854 N,比新油增加了137 N,提高了19.2%。當(dāng)氧化溫度提升至175 ℃時(shí),A的pB值提高速度更快,氧化120 h后pB值達(dá)到1 050 N,相比新油提升了235 N,提高了32.9%。A的pB值迅速變化說明A發(fā)生了很大程度的氧化,但氧化產(chǎn)物促進(jìn)了潤(rùn)滑油承載能力的提高。與A相比,B的pB值變化要緩慢得多。150 ℃氧化溫度下,B氧化96 h內(nèi)pB值幾乎沒有變化,始終為598 N,直到氧化120 h后,其pB值增加了29 N,達(dá)到了628 N。當(dāng)氧化溫度提高到175 ℃時(shí),B的pB值并沒有出現(xiàn)A那樣急劇上升的變化情況,在氧化96 h后,才達(dá)到628 N,120 h后pB值僅達(dá)到657 N,比新油提高59 N,增加了9.8%。B在氧化過程中也沒有出現(xiàn)pB值下降的情況,且其變化幅度遠(yuǎn)不及A大,說明中高溫氧化過程中B的承載能力比A穩(wěn)定。

        圖3 A和B在不同溫度下氧化不同時(shí)間的pB值變化趨勢(shì)Fig 3 Trends of pB of A and B oxidized at different temperatures and different time(a)at medium- high temperature;(b)at high temperature

        如圖3(b)所示,在200 ℃條件下,A在氧化2 h后pB值開始發(fā)生變化,B則在氧化4 h后開始發(fā)生變化。隨著氧化時(shí)間的增加,2種潤(rùn)滑油的pB值幾乎呈線性增加,且二者之間的差距也越來越大。在氧化60 h后,A的pB值達(dá)到1 246 N,比新油增加了530 N,增幅高達(dá)74%;此時(shí)B的pB值也增至804 N,比新油增加了206 N,增幅34.4%,此時(shí)A的pB值比B高441 N,是B的1.5倍。以上情況表明200 ℃氧化溫度下2種潤(rùn)滑油均發(fā)生了劇烈氧化,但氧化產(chǎn)物使得潤(rùn)滑油承載能力不斷提高,氧化后A的承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于B。

        圖4所示為A和B在不同溫度(超高溫)下氧化2 h的pB值變化趨勢(shì)??梢钥闯觯诔邷囟?210~290 ℃)氧化2 h后,A和B的pB值均隨氧化溫度的升高而升高,氧化溫度和pB值幾乎呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。當(dāng)氧化溫度達(dá)到290 ℃時(shí),A的pB值達(dá)到922 N,與新油相比提高了216 N,增幅30.1%;B的pB值變化相對(duì)平緩,氧化溫度提高到290 ℃時(shí)其pB值為657 N,與新油相比僅提高59 N,增幅為9.8%。

        從2種潤(rùn)滑油在中高溫、高溫、超高溫下氧化后pB值可以看出,氧化作用不會(huì)造成潤(rùn)滑油承載能力下降,反而有利于提升潤(rùn)滑油的承載能力,氧化程度越深,承載能力越大。在相同條件下氧化后A的承載能力始終強(qiáng)于B,表明A的潤(rùn)滑效果比B更好。

        圖4 A和B在不同溫度(超高溫) 下氧化2 h的pB值變化趨勢(shì)Fig 4 Trends of pB of A and B oxidized for 2 hours at different temperatures(ultrahigh temperature)

        3 結(jié)論

        (1)在中高溫度(150~175 ℃)下,2種航空潤(rùn)滑油均可長(zhǎng)期使用,但50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油的黏度更穩(wěn)定;而在高溫(200 ℃)以及超高溫(210~290 ℃)環(huán)境中2種潤(rùn)滑油都不能長(zhǎng)期使用,但短期使用時(shí)國(guó)產(chǎn)某型航空潤(rùn)滑油更有利于潤(rùn)滑。

        (2)氧化作用對(duì)2種潤(rùn)滑油抗磨性能影響不大,在氧化過程中國(guó)產(chǎn)某型航空潤(rùn)滑油抗磨性能略優(yōu)于50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油。

        (3)氧化作用有利于2種航空潤(rùn)滑油承載能力的提高,經(jīng)過氧化2種潤(rùn)滑油的pB值均出現(xiàn)不同程度的上升,在相同的氧化條件下,國(guó)產(chǎn)某型航空潤(rùn)滑油的pB值始終遠(yuǎn)高于50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油,其承載能力更強(qiáng),更有利于潤(rùn)滑。

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