基于轴承模拟试验装置的航空润滑油高温氧化安定性能研究*

(空军勤务学院航空军需与燃料系 江苏徐州 221000)

航空发动机润滑油的作用是润滑和冷却轴承及其关键附件传动部位，并能够起到良好的密封效果[1]。由于现代航空发动机润滑部位的工况条件越来越苛刻，如高转速、高负荷和高温等，对润滑油的高温安定性提出了更高的要求。航空润滑油的高温氧化安定性是指润滑油在金属的催化和加热条件下抵抗氧化和变质的能力，温度是其中最重要的因素。润滑油的热氧化稳定性是反映润滑油在运输、储存和实际使用过程中氧化变质或老化趋势的重要特征[2]。航空润滑油氧化后，会产生胶状腐蚀性物质，其理化指标值大幅降低，包括颜色加深、黏度下降、泡沫阻力和酸值增加等，甚至可能引发安全事故。因此，模拟航空发动机轴承实际运行条件下润滑油的热氧化稳定性具有重要意义。

润滑剂的轴承试验是检验其使用性能的必要程序，同时也是工况模拟的有效手段[3]。利用轴承试验机可以模拟航空发动机轴承的运行条件，更加真实地反映润滑油在航空发动机实际工况条件下的性能[4]，分析轴承润滑油膜形成机制、油膜压力分布和润滑部位温度、摩擦因数、磨损等的变化规律[5]，对于研究航空润滑油实际工况下的性能变化有着重要意义。李云峰等[6]针对航空发动机中介轴承的结构特点，研制出一种航空发动机中介轴承试验机，并采用4050合成航空润滑油进行验证试验，结果表明，该试验机可精确控制轴承的载荷、转速和温度参数，准确监测油膜厚度及压力。李智刚等[7]针对单台航空主轴试验机只能模拟单轴的缺点，设计研制了航空发动机轴系轴承试验机，满足了航空发动机主轴轴系的多个重要轴承同时进行试验的要求，并可对同系轴承进行不同设置条件的工况模拟，有效节约了时间及试验成本。

在油液分析手段方面，压差示扫描量热(PDSC)、热重分析法(TG)和薄膜氧化试验法等在润滑油性能评价方面应用最为广泛，具有用量少、时间快、重复性好等优点。SHARMA等[8]采用PDSC测定了不同润滑油的氧化诱导期(OIT)，寻找其与润滑油主要使用指标的关系，所获实验结果与传统ASTMD 943标准试验方法一致度较高。近年来，随着电子技术、计算机技术等信息手段的迅猛发展，现代仪器分析技术发生了深刻变化，并向着快速准确、自动灵敏及适应特殊分析的方向不断改进和完善[9]。目前，利用联用技术的液相色谱-质谱(LC-MS)、气相色谱-质谱(GC-MS)等，具有操作简便、速度快、灵敏度高、检测适用范围广等特点，已广泛应用于各领域[10]。

由于超音速飞机发动机轴承负荷可达到680～900 MPa，而涡桨发动机的减速器齿轮承受的负荷在110～1 200 MPa[11-12]，因此，所采用的轴承模拟试验装置必须能够提供高温、高转速和高载荷等模拟工况条件。本文作者以某型酯类合成航空润滑油为研究对象，通过模拟航空发动机工作环境苛刻，对该型酯类润滑油进行不同工况条件下的高温氧化实验；同时使用LC/MS、GC/MS以及PDSC等现代分析技术监测评估试验油品的结构性能变化，并分析研究该型酯类航空润滑油在苛刻工况环境下的使用温度对其氧化安定性能的影响，为酯类航空润滑油的性能改进提供技术支撑。

1 试验部分

1.1 试验材料和仪器设备

试验对象为某型酯类航空润滑油，该油航空润滑油由某油料研究所提供，外观为浅棕色，基础油为癸二酸二异辛酯，40 ℃运动黏度为11.43 mm2/s，酸值为0.05 mg/g(以KOH计)，抗氧添加剂为N-苯基α-萘胺(T531)。

试验在西安交通大学研发的航空滚子轴承模拟试验装置上进行(如图1所示)，根据试验的实际要求，轴承接口尺寸为d=50 mm，D=80 mm，B=16 mm；试验可提供的径向载荷为0～10 000 N，能够实现的无级调速范围为0～10 000 r/min，提供的轴承基础环境温度范围为室温至300 ℃。试验装置由加载系统、传动系统、温控系统、润滑系统和测控系统5个子系统组成，以实现对轴承系统工况条件的控制和测量。

图1 轴承模拟试验装置结构剖面图Fig 1 Structural profile of bearing simulation test device

高温氧化试验后，对油样组分进行分离分析。分析仪器包括液相色谱-质谱(LC-MS)联用仪，型号为UPLC-CLASS/QTOF G2-XS(美国WATERS公司)，气相色谱-质谱(GC-MS)联用仪(英国PerkinElmer.公司)。

试验油样的高温氧化安定性能测试采用压差示扫描量热仪，型号为PDSC 8000(英国PerkinElmer公司)。

1.2 轴承模拟试验装置试验

轴承模拟试验的参数包括载荷、转速、温度以及润滑流量，不同参数由各子系统独立控制。试验时，向采集室加入200 mL某型酯类航空润滑油，确定设备状态良好后首先设置适当的润滑流量，以保证对试验轴承的充分润滑，接着按照梯度依次设定工况温度(210、230、250、270和290 ℃)，参考该型酯类油在航空发动机上的使用工况，将转速设定为5 000 r/min，试验载荷统一设置为2 000 N。计时开始，到达试验时间2 h后卸载，关闭轴承装置操作系统，将氧化油样冷却至室温，收集待用。对不同工况模拟后的氧化油样编号，依次为S1、S2、S3、S4、S5。

1.3 运动黏度测定

按照石油产品运动黏度GB/T 265标准，对不同温度条件下的氧化油样运动黏度进行测定。

1.4 LC/MS和GC/MS 分析

色谱柱为Waters SymmetryC18，流动相有纯水(A)、乙酸(B)、甲醇(C)、含添加剂的水(D)；柱温为40 ℃，设定为自动进样。质谱采用电喷雾离子源(ESI)，正离子，质核比范围为100～2 500。

气相色谱分析条件：进样量0.1 μL，进样速率1.562 50 pts/s，载气为氦气(He)，分流比50∶1，气压0.5 MPa，速率50 mL/min。色谱分析条件：初始温度50 ℃，以20 ℃/min的升温速率升温至280 ℃，保持18.5 min，GC分析时间为30 min。质谱分析条件：EI源离子化方式，m/z扫描范围45～550，溶剂延迟30 s，扫描时间0.5～30 min。利用积分峰面积的方法，对各物质峰面积进行积分，得到各物质百分含量。

1.5 PDSC分析

测试条件：进样3 μL，起始温度为50 ℃，氧气氛围，流量为20 mL/min，以20 ℃/min速率升温至300 ℃。PPDSC是润滑油热分析方法，即利用油样氧化后会产生热量的特点，通过分析获取热流的变化过程曲线，计算起始氧化温度(IOT)和氧化诱导期(OIT)两项参数，以此来评价油样高温下的氧化安定性能，润滑油的IOT值越高、OIT时间越长，则油样的氧化安定性能越好[13]。

2 结果与讨论

2.1 油样黏度变化分析

对5组油样的40 ℃黏度值进行了测定，图2给出了不同高温条件下氧化后试验油样的运动黏度值变化趋势。

图2 不同温度下氧化后试验油样40 ℃黏度变化趋势Fig 2 Trend of oil samples’ viscosity at 40 ℃ after oxidation at different temperatures

由图2可以看出，油样在高温、高载荷条件下试验后，黏度值明显下降(210～290 ℃下氧化后的40 ℃黏度值为2.96～3.14 mm2/s)，远远低于其氧化前的40 ℃黏度11.43 mm2/s；而随着模拟氧化温度的升高，该型酯类航空润滑油的黏度先升高再逐渐下降。其中210 ℃条件下氧化2 h后的黏度为3.07 mm2/s；氧化温度升高至230和250 ℃时，黏度增加至该油品的最大黏度3.14 mm2/s；但当温度继续升高至270和290 ℃时，黏度却分别降至3.05和2.96 mm2/s，不过下降幅度很小。这是由于基础油分子在高温作用下会相互聚合成分子量较大的物质，导致黏度增加，同时又会发生热裂解生成一系列小分子物质，导致黏度下降，而油品黏度的变化趋势正是两者综合作用的结果。

酯类航空润滑基础油分子中醇端的β碳原子上有活泼氢原子，受热时活泼氢与羧基氧结合形成的六元环发生β位C-H 键断裂，生成易腐蚀金属的烯烃和羧酸[14]。在高温下酯类航空润滑基础油的大分子长链结构会发生破坏，断裂后进而生成大量的短链小分子群，从而使得油样的黏度大幅减小[15]。但在接近300 ℃的极高温度氧化后，油样的黏度却没有急剧地下降，这是由于该型酯类润滑油中添加了高温抗氧剂(T531)，抗氧剂有效地抑制了油品黏度的变化幅度，很大程度地减少了小分子的生成，使油样的黏度得到了维持，保证了较好的使用性能。

2.2 油样LC/MS、GC/MS分析

利用LC/MS技术可以对润滑油氧化后产生的大分子量及不稳定的产物进行有效剖析。以210 ℃高温下氧化2 h后油样为例进行分析，结果如图3所示。该型酯类航空润滑油的基础油为癸二酸二异辛酯(DOS)，相对分子质量为426，经过高温氧化后，色谱中不同分子量峰的数量明显增加，说明其氧化后产生了较多不同分子类型的氧化产物；在保留时间10 min之前和15～20 min之间，出现了大量不同分子量的化合物，其相对分子质量跨度为295～803；在保留时间22 min之后出现的化合物相对分子质量普遍超过450，最高为717。

在该型润滑油原样中，各组分相对分子质量集中在350～450之间。但是，其分子量在氧化过程发生了明显变化，产生了大量不同分子量的化合物，其产物最小相对分子质量为295，最大相对分子质量为1 043。为了进一步明确该型润滑油高温氧化油样中分子量的分布，利用峰面积积分法，对相对分子质量小于350、大于450和相对分子质量在350～450之间的化合物峰面积进行手动积分。

表1中给出了210 ℃高温下氧化2 h后油样在不同分子量范围内化合物相对面积占比情况。与该型润滑油原油样相比，其氧化产物既包括低于基础油分子量的成分，也产生了高于基础油分子量的成分，且其中大部分为分子量增大的产物。

图3 210 ℃下氧化2 h 油样液相色谱图Fig 3 Liquid chromatogram of the oil sample after oxidation for 2 h at 210 ℃

表1 210 ℃下氧化油样不同分子量范围峰面积占比Table 1 Peak area ratio of different molecular weight range for the oil sample oxidized at 210 ℃

其余温度下氧化油样与210 ℃氧化油样表现出类似的趋势，且生成分子量增大的产物占比呈增加的趋势。为了进一步探究氧化产物的信息，利用GC/MS对氧化油样进行了分析，图4给出了各油样总离子流色谱图。表2给出了不同温度下氧化油样的几种主要氧化产物分布，表3给出了不同温度下氧化油样的氧化产物种类与相对含量。

图4 不同温度下氧化油样的总离子流色谱图Fig 4 Total ion flow chromatogram of the oil samples oxidized at different temperatures

表2 不同温度下氧化油样的几种主要氧化产物分布Table 2 Distribution of several main oxidation products of the oil samples oxidized at different temperatures

表3 不同温度下氧化油样的氧化产物种类与相对含量Table 3 Types and relative contents of oxidation products of the oil samples oxidized at different temperatures %

由表2、表3可以看出，GC-MS检测到的氧化产物以酯类为主，主要为癸二酸二异辛酯基础油分子断裂后所产生的单酯、双酯类化合物，另外还检测到了少量的酮、醇和羧酸类化合物分子。

2.3 油样PDSC分析

图5、图6分别给出了不同温度下氧化油样的热流曲线和IOT值变化趋势。

图5 不同温度下氧化油样的热流曲线Fig 5 Heat flow curves of the oil samples oxidized at different temperatures

图6 不同温度下氧化油样的IOT变化关系Fig 6 IOT variation of the oil samples oxidized at different temperatures

表4 给出了不同温度下氧化油样的抗氧剂含量与IOT变化。

表4 不同温度下氧化油样的抗氧剂含量与IOT变化Table 4 Changes of antioxidant content and IOT of the oil samples oxidized at different temperatures

从图6、表4可以发现：氧化油样的抗氧剂含量随氧化温度升高逐渐降低，IOT值也逐步降低。航空润滑油高温环境下的氧化安定性，一般取决于基础油成分结构以及抗氧剂的作用，从表4可以看出，试验油样在高温氧化过程中抗氧剂含量在降低，且抗氧剂含量随着氧化温度的升高明显降低，即温度越高，抗氧剂消耗越剧烈。抗氧剂用以抑制油样氧化变质，并裂解出大量小分子产物，因而抗氧剂质量分数由210 ℃下氧化油样(S1)的0.334%，下降到290 ℃下氧化油样(S5)的0.103%。从表2可以看出，230 ℃条件下氧化后，试验油样中开始出现不安定成分，如2-乙基-1-己醇等化合物，易氧化成为酸类物质，导致样品的氧化安定性能下降；而随着氧化温度的升高，油样更易产生不安定化合物，进而使得油样的氧化安定性能降低。

温度升高至极高的氧化温度时，抗氧剂的消耗以及不安定化合产物的产生都会使得IOT值降低，即油样的氧化安定性能变差。

3 结论

(1)轴承模拟试结果表明，高转速、高载荷工况条件的剪切作用使得该型酯类油的黏度明显下降，远低于产品初始值；而随氧化温度的升高，基础油分子热氧化和热裂解同时作用，使得其黏度值呈现出先增大后减小的变化趋势，但整体变化幅度较小，表明抗氧剂(T531)能够抑制短链小分子群的生成，防止高温下油品黏度的急剧下降。

(2)该型酯类油在氧化过程中产生的大量化合物中，其分子量分布较为集中，大部分都高于原润滑油及其基础油分子量；各试验油样氧化产物主要为癸二酸二异辛酯基础油分子断裂后所产生的单酯、双酯类化合物；当氧化温度不断升高时，产生的分子量增大的产物的占比也越来越大。

(3)通过对该型酯类航空润滑油的热分析，发现在苛刻的工况条件下，极高的使用温度(200 ℃以上)会造成抗氧剂的大量消耗，随氧化温度升高，油品更易生成不安定化合产物，其多为短链小分子结构；且温度越高，其氧化安定性能下降得越快，导致油品变质越剧烈。