孫元寶 阮少軍 姜旭峰 吳 坤

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院航空軍需與燃料系 江蘇徐州 221000；2.空軍勤務(wù)學(xué)院研究生大隊(duì) 江蘇徐州 221000)

俄制АЛ-31Ф航空發(fā)動(dòng)機(jī)是由俄羅斯留卡里設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)并制造的一款渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，具備大推力、低油耗、高可靠性等特點(diǎn)，被廣泛裝配使用在三代戰(zhàn)機(jī)上。按照采購(gòu)規(guī)定，在發(fā)動(dòng)機(jī)保證期內(nèi)必須使用俄制進(jìn)口50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)保證期過(guò)后用油國(guó)產(chǎn)化，某研究所研制了國(guó)產(chǎn)某型航空潤(rùn)滑油，用于該發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)。但是當(dāng)換用國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油以后，發(fā)現(xiàn)滑油系統(tǒng)壓力下降明顯，并存在明顯的壓力波動(dòng)[1]，嚴(yán)重危及飛行安全，而使用進(jìn)口潤(rùn)滑油則沒有出現(xiàn)該問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑系統(tǒng)油壓不穩(wěn)與潤(rùn)滑油抗泡性能有關(guān)[2-4]。如胡榮華[5]通過(guò)對(duì)多種潤(rùn)滑油抗泡性能的評(píng)定實(shí)驗(yàn)，得出汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的潤(rùn)滑油抗泡性直接影響信號(hào)油泵的工作性能；高雯等人[6]通過(guò)對(duì)影響汽油機(jī)油泡沫特性主要因素的研究發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)油在高溫時(shí)的泡沫特性是影響汽油機(jī)性能的決定性因素。基于上述文獻(xiàn)分析，本文作者推測(cè)潤(rùn)滑油系統(tǒng)油壓不穩(wěn)的問(wèn)題極有可能與某型國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油的抗泡性能相關(guān)[7-10]。為了驗(yàn)證這一猜想，本文作者開展某型國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油泡沫特性對(duì)比研究，重點(diǎn)以油壓正常時(shí)所加注的進(jìn)口50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油為參比油樣進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)考察2種潤(rùn)滑油及其潤(rùn)滑基礎(chǔ)油PAO與DOS之間高溫抗泡性能的差異，對(duì)比對(duì)氧化油樣產(chǎn)生泡沫體積及泡沫消失時(shí)間，為解決俄制АЛ-31Ф航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用國(guó)產(chǎn)潤(rùn)滑油時(shí)油壓不穩(wěn)的問(wèn)題提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣和儀器

試驗(yàn)油樣為國(guó)產(chǎn)某型航空潤(rùn)滑油和進(jìn)口50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油。國(guó)產(chǎn)某型航空潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑基礎(chǔ)油為聚α-烯烴(PAO)，為美孚(中國(guó))公司產(chǎn)品；進(jìn)口50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油為進(jìn)口俄制潤(rùn)滑油，其潤(rùn)滑基礎(chǔ)油為癸二酸二異辛酯(DOS)，阿拉丁公司產(chǎn)品。表1給出了2種航空潤(rùn)滑油主要理化性質(zhì)參數(shù)。

表1 某型國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)使用的主要儀器設(shè)備：航空潤(rùn)滑油軸承模擬試驗(yàn)裝置，西安交通大學(xué)研制；潤(rùn)滑油空氣釋放值測(cè)定儀，型號(hào)為FDT-1232，長(zhǎng)沙富蘭德實(shí)驗(yàn)分析儀器有限公司生產(chǎn)，潤(rùn)滑油高溫泡沫特性測(cè)定儀，型號(hào)為JF0722，湖南加法儀器儀表有限公司生產(chǎn)。

試驗(yàn)使用的主要試劑有石油醚、甲醇、乙醇、甲苯、丙酮，均為分析純(AR)，廣東西隴化工股份有限公司產(chǎn)品。

1.2 模擬軸承工況的油樣氧化試驗(yàn)

軸承模擬試驗(yàn)裝置，能夠較為真實(shí)地反映航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滑油系統(tǒng)的工作情況。在航空潤(rùn)滑油軸承模擬試驗(yàn)裝置上設(shè)置不同的載荷、轉(zhuǎn)速、溫度以及潤(rùn)滑流量，模擬了滾子軸承的工況參數(shù)，各參數(shù)由各子系統(tǒng)獨(dú)立控制。試驗(yàn)時(shí)，向高溫油箱中加入5 L試驗(yàn)油樣，確定設(shè)備狀態(tài)良好后設(shè)置適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑流量，以保證對(duì)試驗(yàn)軸承的充分潤(rùn)滑；然后在試驗(yàn)設(shè)置界面設(shè)置載荷、轉(zhuǎn)速，并由低到高依次設(shè)置軸承溫度。試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)自動(dòng)采集試驗(yàn)油樣特征信息，在管路系統(tǒng)油樣采集口實(shí)時(shí)采集油樣。

試驗(yàn)時(shí)，將2種航空潤(rùn)滑油的試驗(yàn)溫度設(shè)置在175 ℃以上，一是該溫度較為符合飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜嚴(yán)苛工況條件下潤(rùn)滑系統(tǒng)的溫度下限值，二是該溫度是某型國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油的設(shè)計(jì)溫度上限。為了最大程度模擬實(shí)際工況，試驗(yàn)設(shè)置反應(yīng)溫度分別為175、200、220、240、260、280 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h。

1.3 氧化油樣高溫抗泡性能測(cè)定

航空潤(rùn)滑油出廠時(shí)評(píng)價(jià)油品抗泡性能通常采用的是GB/T 12579-2002《石油產(chǎn)品潤(rùn)滑油泡沫特性測(cè)定法》，該方法的評(píng)價(jià)溫度較低(100 ℃以下)，若按照該標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)的兩款潤(rùn)滑油的抗泡性能均符合要求，顯然無(wú)法評(píng)價(jià)其抗泡性能差異。

針對(duì)航空潤(rùn)滑油工作的高溫條件，文中采用SH/T 0722-2002《潤(rùn)滑油高溫泡沫特性測(cè)定法》對(duì)2種油品在150 ℃測(cè)試條件下的泡沫特性進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)試方法為：將試樣加熱到49 ℃，恒溫30 min后冷卻至室溫；將試樣轉(zhuǎn)移至帶刻度的1 000 mL量筒內(nèi)，并加熱到150 ℃；以200 mL/min的流速向金屬擴(kuò)散頭內(nèi)通干燥空氣，通氣5 min；測(cè)定停止通氣前瞬間的泡沫總體積(靜態(tài)泡沫量以及運(yùn)動(dòng)泡沫量總和)和停止通氣后泡沫消失的時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口潤(rùn)滑油抗泡性能比較

按SH/T 0722-2002測(cè)定了不同反應(yīng)溫度下氧化后的國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油的總體泡沫量以及泡沫消失時(shí)間結(jié)果如圖1與圖2所示。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，在175～260 ℃范圍內(nèi)，隨著氧化溫度的增大，某型國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油產(chǎn)生的泡沫體積總體呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，而在280 ℃下泡沫體積減小可能與油品分子結(jié)構(gòu)在高溫下被破壞有關(guān)。在相同溫度下，國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油產(chǎn)生的泡沫體積均明顯高于進(jìn)口50-1-4Ф航空潤(rùn)滑油。根據(jù)某型國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生的泡沫體積應(yīng)小于60 mL，顯然當(dāng)氧化溫度大于220 ℃以后，該油品產(chǎn)生的泡沫體積均大于60 mL，已無(wú)法滿足使用要求。而進(jìn)口50-1-4Φ潤(rùn)滑油氧化油樣的泡沫體積的最高值僅為35 mL，不同溫度下2種油品差異十分明顯。

從圖2 中也可以看出與圖1大致相同的規(guī)律，隨著氧化時(shí)間升高，2種油品的泡沫消失時(shí)間總體均有所增加，但在280 ℃時(shí)出現(xiàn)了突然下降。某型國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油的最大消泡時(shí)間為22 s，而進(jìn)口50-1-4Φ潤(rùn)滑油則為12 s，并且在相同的反應(yīng)溫度條件下，前者的消泡時(shí)間均要大于后者。

綜上可以得出，某型國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油的泡沫穩(wěn)定性能更高，泡沫很難消除，抗泡性能明顯差于進(jìn)口50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油。

圖1 某型國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口潤(rùn)滑油不同溫度下氧化后泡沫體積比較

圖2 某型國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口潤(rùn)滑油不同溫度下氧化后泡沫消失時(shí)間比較

2.2 國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油抗泡性能比較

某型國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油為聚α-烯烴(PAO)，進(jìn)口50-1-4Ф航空潤(rùn)滑基礎(chǔ)油為癸二酸二異辛酯(DOS)。潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油一般會(huì)占到潤(rùn)滑油的 90%以上，對(duì)潤(rùn)滑油的抗泡性能影響很大，所以進(jìn)一步對(duì)2種航空潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的抗泡性能進(jìn)行了分析，以期找出他們之間抗泡性能存在較大差異的原因[11-13]。

表2給出了PAO與DOS基礎(chǔ)油不同溫度下氧化后油樣的泡沫體積和泡沫消失時(shí)間?？梢钥闯?，PAO與DOS基礎(chǔ)油氧化后油樣產(chǎn)生泡沫體積以及泡沫消失時(shí)間與對(duì)應(yīng)成品油具有相同的變化趨勢(shì)，即在175～260 ℃之間隨著反應(yīng)溫度的升高，油樣產(chǎn)生的泡沫體積以及泡沫消失時(shí)間均增加，其中PAO產(chǎn)生泡沫體積以及消泡時(shí)間均要大于DOS。不同溫度下PAO的泡沫特性變化幅度更大，其在175 ℃時(shí)泡沫體積已達(dá)到了40 mL，260 ℃時(shí)泡沫體積更是高達(dá)80 mL，而DOS最大泡沫體積僅為35 mL。從泡沫消失時(shí)間來(lái)看，PAO氧化油樣的最長(zhǎng)消泡時(shí)間為21 s，DOS氧化油樣則為11 s，兩者相差較大。可見，PAO基礎(chǔ)油的抗泡性能要比DOS基礎(chǔ)油差，這也就解釋了成品油之間存在差異的原因。

表2 PAO與DOS基礎(chǔ)油不同溫度下氧化后泡沫特性比較

2.3 基礎(chǔ)油與成品油抗泡性能的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步分析影響潤(rùn)滑油系統(tǒng)油壓的關(guān)鍵因素。對(duì)基礎(chǔ)油與成品油抗泡性能的相關(guān)性進(jìn)行了分析。圖3和圖4分別比較了不同反應(yīng)溫度下某型國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口航空潤(rùn)滑油成品油與基礎(chǔ)油的泡沫體積以及泡沫消失時(shí)間?？芍?，不同反應(yīng)溫度下氧化后，國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油與進(jìn)口航空潤(rùn)滑油成品油產(chǎn)生泡沫體積以及泡沫消失時(shí)間，與其基礎(chǔ)油產(chǎn)生泡沫體積以及泡沫消失時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，而且彼此之間相差很小。因此可以認(rèn)為，某型國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口航空潤(rùn)滑油的抗泡性能主要取決于其潤(rùn)滑基礎(chǔ)油，正是由于潤(rùn)滑基礎(chǔ)油PAO比DOS的抗泡性能差，所以國(guó)產(chǎn)某型航空潤(rùn)滑油的抗泡性能較差。

圖3 某型國(guó)產(chǎn)潤(rùn)滑油及其基礎(chǔ)油PAO不同溫度下氧化后泡沫特性

圖4 50-1-4Ф潤(rùn)滑油及其基礎(chǔ)油DOS不同溫度下氧化后泡沫特性

3 結(jié)論

(1)對(duì)某型國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油與進(jìn)口50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油的抗泡性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，與進(jìn)口50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油相比，某型國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油泡沫穩(wěn)定性更高，泡沫消失比較困難，即其抗泡性能明顯差于進(jìn)口50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油。

(2)對(duì)某型國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油與進(jìn)口50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油的基礎(chǔ)油PAO與DOS的高溫抗泡性能進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)PAO氧化油樣產(chǎn)生的泡沫體積大于相同氧化溫度時(shí)的DOS氧化油樣，且泡沫消失時(shí)間更長(zhǎng)。

(3)通過(guò)比較某型國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油與進(jìn)口50-1-4Φ航空潤(rùn)滑油成品油與其基礎(chǔ)油PAO與DOS抗泡性能變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)兩者變化趨勢(shì)基本一致，而且彼此之間相差很小。因此可以認(rèn)為，某型國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口航空潤(rùn)滑油的抗泡性能主要取決于其潤(rùn)滑基礎(chǔ)油。即國(guó)產(chǎn)航空潤(rùn)滑油存在油壓不穩(wěn)的問(wèn)題，極有可能是其采用的基礎(chǔ)油聚α-烯烴(PAO)屬于非極性油品，而進(jìn)口油品使用了極性潤(rùn)滑基礎(chǔ)油DOS，所以才表現(xiàn)出了更好的抗泡性能。