两种航空润滑油热氧化性能对比研究

彭宏业 方建华 谷科城

摘      要：利用高温模拟氧化装置，考察了某型国产航空润滑油和进口航空润滑油在不同温度下氧化后运动黏度、酸值、抗氧剂质量分数和抗磨性能与氧化时间的变化规律。结果表明：在175 ℃氧化时，两种航空润滑油的黏度、酸值、磨斑直径和抗氧剂质量分数随氧化时间的变化都比较小，可以长期使用;在200 ℃氧化温度以上，两种航空润滑油的各项指标随温度变化幅度较大，可以短期使用;短时间的氧化作用有利于提高航空润滑油的抗磨性能，磨斑直径有明显减小趋势;在所有氧化温度条件下，国产航空润滑油的各项性能指标均优于进口航空润滑油。

关  键  词：航空润滑油;热氧化;运动黏度;酸值;抗磨性能

中图分类号：TE626.3+4        文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）10-2116-05

Abstract： The variation of viscosity， acid value， antiwear property and antioxidant content of domestic and imported aviation lubricating oils after oxidation at different temperatures was investigated by using high temperature simulated oxidation device. The results showed that the viscosity， acid value， antioxidant content and wear spot diameter of the two kinds of aviation lubricating oil changed gently at 175 ℃，and could be used for a long time. Above 200 ℃， the indexes of the two kinds of aviation lubricating oil changed greatly with the temperature， and could be used for a short time; short time oxidation was beneficial to improve the antiwear performance of aviation lubricating oil， and the wear spot diameter tended to decrease obviously;At all oxidation temperatures， the performance indexes of domestic aviation lubricating oil were better than those of imported aviation lubricating oil.

Key words： Aviation lubricating oil; Thermal oxidation; Kinematic viscosity; Acid number; Antiwear property

航空潤滑油是保证直升机涡轴发动机及其他动力结构正常工作的重要材料，起到润滑、冷却、密封、防锈、清洗和缓冲作用，保证直升机发动机在高温高速工况下稳定地工作[1-2]。随着我国直升机种类不断完善，每种直升机各使用一种航空润滑油，造成航空润滑油品种繁多，给维护保养的工作人员带来沉重的工作负担。为简化油品种类，降低管理和维护成本，拟对在用的两种航空油品的高温氧化性能进行评价分析，选出一种通用化的航空润滑油替代其他油品。

在航空发动机高速、高负荷运转时，发动机油长期在150 ℃温度以上的条件下工作，会发生氧化、聚合等反应，一部分形成稳定的氧化物沉积为胶质，另一部分则以油蒸气的形式溢出，造成黏度变大、酸值增大[3-4]。因此，航空发动机润滑油的高温热氧化安定性是其性能指标中最关键的性能之一，许多学者对航空润滑油的高温热氧化性能进行了深入的研究探讨[5-10]。为研究航空润滑油的高温热氧化安定性能，将航空润滑油先进行热氧化处理，模拟航空润滑油使用的高温工况，并对热氧化后的航空润滑油的理化性能和抗磨性能进行测试，分析航空润滑油的高温热氧化安定性能，为航空润滑油国产化及品种简化提供理论依据。

1  实验部分

1.1  实验油样及设备

实验所用油品为某陆航旅所提供的某国产航空润滑油新油（X）、进口航空润滑油新油（Y）。经化验均为合格产品，其典型理化性能对比见表1。

仪器：参照GB/T 563《轻质航空润滑油腐蚀和氧化安定性测定法（金属片法）》设计的航空润滑油氧化试验装置;湖南津市市石油化工仪器有限公司生产的JSR1104运动黏度测定器;MSR-1立式摩擦磨损试验机;美国斯派超公司生产的Fluidscan Q1000型便携式油液状态分析仪，使用标准ASTM D7889。

耗材：石油化工科学研究院生产的直径    12.7 mm、GCr15材质四球机专用钢球;60～90 ℃石油醚和无水乙醇，均为分析纯。

1.2  油样处理方法

根据航空发动机润滑油的实际工作温度以及《航空涡轮发动机用合成润滑油》标准中的氧化腐蚀试验规定，将润滑油分别在静态温度（150、175、200 ℃）和动态温度（200、220、240、260、280 ℃）下氧化。在静态温度150 ℃和175 ℃下，进行   120  h氧化试验，分别在24、48、72、96、120 h取样进行相关理化指标项目检测;在静态温度200 ℃下，进行60 h氧化试验，分别在1、2、4、8、12、24、48、60 h取样进行相关理化指标项目检测;而在动态温度下，反应时间均设置为2 h，检测油样在氧化后的理化指标项目。

1.3  性能测试方法

按GB/T 265—1998（2004）《石油产品运动黏度测定法和动力黏度计算法》测定油样的40 ℃运动黏度;按GB/T 7304—2014《石油产品酸值的测定（电位滴定法）》测定油样的酸值;按NB/SH/T  0189—2017《润滑油抗磨损性能的测定（四球法）》测定油样的磨斑直径;按ASTM D7889—2013《采用IR光谱法现场测定进行中流体特性的标准试验方法》测定油样的抗氧剂质量分数。

根据《航空涡轮发动机润滑油试验方法——热安定性和腐蚀性测定》（GJB 1264.1—1991）40 ℃运动黏度变化百分数和总酸值变化计算公式，可计算航空润滑油在氧化前后40 ℃运动黏度变化率Δν和总酸值变化ΔΝ。

2  结果与讨论

2.1  运动黏度

黏度表示油液内部产生相对运动时内摩擦阻力的大小。运动黏度是航空润滑油重要的性能指标之一，也是润滑油选用的主要依据[11-12]。两种新油的40 ℃运动黏度分别为24.39 mm2·s-1和      24.57 mm2·s-1，属于该油标准规范要求的范围（不大于30 mm2·s-1）之内，满足使用要求。图1为两种航空润滑油在不同温度氧化后，40 ℃运动黏度随氧化时间的变化趋势。

由图1可以看出，在150 ℃氧化条件下，两种油的黏度增长较为平缓，增长幅度不超过1 mm2·s-1，黏度增长率也没有超过4%，可见两种润滑油的黏度在150 ℃条件下均比较稳定。在175 ℃条件下氧化，润滑油的黏度增长趋势比150 ℃明显变快，两种油在120 h氧化后黏度增长幅度均为2 mm2·s-1以上，其中Y油黏度由24.57 mm2·s-1 增长到     27.03 mm2·s-1，增長率为9.44%，黏度和黏度增长率均比X油高，说明在175 ℃条件下使用，X油黏度比Y油相对稳定。

图2为两种航空润滑油在200 ℃以上温度下氧化后黏度变化趋势。图2（a）显示，当氧化温度达到200 ℃时，油品黏度在短时间内变化均不大，但在氧化48 h后，两种油的黏度增长率达到10%以上，当氧化时长为60 h时，两种油的黏度增长率分别为12.10%和13.59%，其黏度值已经接近可使用的最高黏度限值。图2（b）显示，在不同高温条件下氧化2 h，两种油的黏度均迅速增长，在280 ℃下氧化2 h相当于200 ℃下氧化24 h。由此也可以说明两种航空润滑油均不适合在超过200 ℃温度下长期使用。

以上结果表明，两种航空润滑油的黏度随氧化时长呈上升趋势;而在不同的氧化温度下，油品黏度随温度升高增长速率不同，且在氧化过程中，X的黏度和黏度增长率都比Y低，说明X在氧化过程中黏度稳定性较Y好。黏度的增长说明被加热的润滑油组分发生了变化，一方面是由于高温作用使得轻质组分被蒸发造成润滑油密度增大，另一方面则是由于高温氧化反应生成了相对分子质量较大的氧化产物，二者共同作用使润滑油在高温氧化后黏度增大。

2.2  酸值

酸值表示润滑油含有酸性物质的指标，一定程度上反映航空润滑油的氧化降解及变质程度，可对润滑油的腐蚀性进行评价，作为润滑油是否需要更换的依据之一。试验前，测得新油X和Y的酸值分别为0.05 mgKOH·g-1和0.02 mgKOH·g-1，均满足质量指标规定的不超过0.1 mgKOH·g-1要求。

图3 为两种航空润滑油在不同温度条件下，氧化一定时间后的酸值和酸值增长变化趋势。从图3可以看出，在不同温度下氧化120 h，两种润滑油的酸值在150 ℃氧化后有增长较为缓慢，增长幅度在0.3 mgKOH·g-1上下，而在 175 ℃氧化后增长幅度较大，增幅达到了1 mgKOH·g-1左右。

图4为两种航空润滑油在200 ℃以上温度下氧化后酸值变化趋势。图4（a）显示，当氧化温度达到200 ℃时，油品酸值在短时间内仅有小幅度增长，氧化8 h以后，油品酸值增长加快，在60 h氧化后，两种油品的酸值增幅均在2 mgKOH·g-1以上，其中X的酸值在24 h氧化后的增幅变大，略高于Y。图4（b）显示，两种润滑油在260 ℃以下氧化2 h后的酸值变化趋势相当，增长幅度为0.5 mgKOH·g-1，但当氧化温度为280 ℃时，X的酸值增幅明显高于Y。

结合油样黏度变化规律，以上结果表明，两种润滑油的酸值曲线变化趋势几乎与黏度变化规律是一致的，在不同的氧化温度下，酸值的增长速率随温度升高而加快，且在大部分氧化过程中，X的酸值和酸值增幅均比Y低。当氧化温度低于175 ℃时，两种润滑油的酸值增长都处于较低水平，说明油品的氧化程度比较低，而氧化温度高于200 ℃时，只需短时间氧化油品酸值就有明显增长，说明高温对油品氧化作用更加显著。酸值曲线显示，经高温氧化反应后，润滑油酸值迅速增加，可以推断润滑油经高温氧化反应后裂解，生成了具有游离酸基团的酸、醇、醛、酮等新产物。

2.3  抗氧剂质量分数

航空润滑油是由基础油和添加剂经过一定工序调和而成。抗氧剂是添加剂的一种，可以延缓或抑制润滑油氧化过程，延长润滑油使用寿命，质量分数越高说明润滑油氧化程度越低。在对氧化后的油样使用红外光谱扫描后，得到其抗氧剂质量分数如表2所示。

表2显示，随着氧化温度和时间的增长，两种润滑油的抗氧剂质量分数都呈现下降趋势，在150 ℃时下降幅度较小，120 h氧化时长内，抗氧剂只减少了11%，说明两种润滑油在150 ℃条件下具有优异的抗氧化性能;175 ℃时，下降幅度略有升高，120 h减少了40%左右;至200 ℃以上时，60 h就已经减少了60%以上。在所有氧化温度和时间范围内，X的抗氧剂质量分数仅稍高于Y，说明X与Y在相同条件下工作时抗氧剂消耗能力相当。

2.4  抗磨性能

润滑油的抗磨性能是指油品抵抗摩擦副相互摩擦磨损的能力[13]。通常采用四球法测定的磨斑直径和平均摩擦系数评价润滑油的抗磨性能。磨斑直径越小，平均摩擦系数越低，代表润滑油的抗磨性能更加优异，越有利于摩擦部位的润滑，降低磨损。

在室温下对氧化后的油样进行四球法摩擦磨损试验，试验条件为1 200 r·min-1，载荷为392 N，时间为30 min。新油X和新油Y润滑下的磨斑直径分别为0.413 mm和0.469 mm，X的磨斑直径比Y小0.056 mm，说明X抗磨性能比Y更加优异。图5为不同温度氧化后各油样的磨斑直径变化趋势。

图5（a）显示，在150 ℃和175 ℃氧化24 h后，两种润滑油四球试验后的磨斑直径均比较稳定，只有微弱的增长。图5（a、b）显示，短时间的高温氧化后，磨斑直径会减小，而后随着氧化时间的延长，磨斑直径会缓慢增大，原因可能是由于高温氧化作用，促进了抗磨添加剂分子与摩擦表面发生化学反应的进程，生成高强度的反应膜，降低摩擦磨损，当氧化一定时间后，抗磨添加剂被逐渐氧化消耗，导致摩擦磨损加剧，使磨斑直径变大。

图5（b、c）显示，经200 ℃以上温度氧化后，两种润滑油的磨斑直径变化趋势呈平缓上升状，说明两种润滑油在200 ℃以上的高温中长期使用会导致摩擦部位磨损加剧，机件使用寿命降低。在所有氧化温度和时间范围内，X的磨斑直径显著低于Y，说明X的抗磨性能比Y更加优异。

3  结 论

1）在150～175 ℃条件下氧化后，两种航空润滑油的黏度和酸值缓慢增长，而在200 ℃以上的温度条件下氧化后，两种航空润滑油的黏度均迅速增长，说明两种航空润滑油在150～175 ℃下均可长期使用;进口航空润滑油Y的增长速度明显快于国产润滑油X，说明国产航空润滑油X在使用过程中黏度和酸值更稳定。

2）高温氧化作用有利于提高两种航空润滑油抗磨性能，经过短暂氧化后，两种润滑油的磨斑直径较新油都出现一定幅度下降;在相同氧化条件下，国产航空润滑油X的磨斑直径始终远低于进口航空润滑油Y，说明其抗磨性能更好，更有利于降低磨损，延长机械使用寿命。

3）在相同氧化试验条件下，从两种润滑油在40 ℃运动黏度、酸值、抗氧剂质量分数以及磨斑直径变化的比较来看，国产航空润滑油X的高温氧化性能明显优于进口润滑油Y。

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