航空潤滑油4060的研制

賀景堅，梁宇翔，徐 敏，尹開吉

(1.中國石化石油化工科學研究院;2.空軍油料研究所)

活塞式航空發(fā)動機由于結(jié)構(gòu)的特殊性，潤滑油不僅要潤滑軸承和齒輪，還要潤滑活塞。為了防止泄漏，往往需要使用高黏度的油品，一般使用的是100 ℃黏度不小于20 mm2/s 的航空潤滑油[1-5]。我國的活塞式航空發(fā)動機油先后采用的是符合國家標準GB 440—1977的礦物油型航空潤滑油和符合行業(yè)標準GJB 1219—1991的合成烴型航空潤滑油。由于存在原料來源困難、使用過程中積炭多以及低溫啟動性差等問題，用戶提出了研制新的航空活塞式發(fā)動機潤滑油替代原用航空潤滑油(簡稱原用油)，提高其使用性能的要求。為此，針對原用油存在的問題，研制了新型15W/50航空活塞式發(fā)動機潤滑油4060。以下主要介紹航空潤滑油4060的研制過程。

1 研制技術(shù)方案和技術(shù)指標

分析原用航空潤滑油在使用過程中存在的積炭較多、低溫啟動性差等問題的原因，認為研制關(guān)鍵在于提高潤滑油的氧化安定性和油泥分散能力、低溫動力黏度和低溫泵送黏度性能。

1.1 研制油級別選擇

1.2 研制技術(shù)指標

結(jié)合前蘇聯(lián)гост 21743-76、美國SAE J1899(2005)和國內(nèi)GB 440—1977、GJB 1219—1991相關(guān)標準，進行優(yōu)化和綜合考慮，制定了新的活塞式航空發(fā)動機潤滑油規(guī)范GJB 1219A—2009標準(20-15W/50指標)。

2 實 驗

2.1 基礎油研究

4060基礎油采用組合基礎油工藝調(diào)合而成，可提高對沉積物的溶解性能及與包括橡膠在內(nèi)的有機材料的相容性，提高氧化安定性，調(diào)節(jié)黏溫性能，降低蒸發(fā)損失。4060基礎油理化性質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 基礎油理化性質(zhì)

2.2 配方研究

2.2.1 分散劑選擇分散性能是研制油的關(guān)鍵性能之一，分散性能直接決定了發(fā)動機內(nèi)部的潔凈程度，防止結(jié)焦和濾網(wǎng)堵塞。通過成焦性能和油泥分散性能試驗確定分散劑的類別和組合方式。采用斜板成焦試驗對分散劑進行研究，部分試驗數(shù)據(jù)見表2。結(jié)果表明分散劑方案3的效果較好。

表2 無灰分散劑成焦試驗結(jié)果

對不同劑量分散劑加入全配方中的分散效果進行考察，結(jié)果見表3。試驗數(shù)據(jù)表明，實驗劑量的無灰分散劑的分散效果均較好。

表3 分散劑劑量確定

2.2.2 抗氧劑選擇抗氧化性能好可以減少潤滑油中油泥、積炭等沉積物的產(chǎn)生，是延長航空發(fā)動機油換油期的關(guān)鍵之一，因此抗氧劑的選擇至關(guān)重要?？紤]到發(fā)動機的工況和油品的儲存，采用不同類別抗氧劑復合使用，利用協(xié)同效應，顯著改善油品的抗氧化能力。表4為添加不同抗氧劑試樣的腐蝕和氧化安定性試驗數(shù)據(jù)。從表4可以看出，023號和024號試樣所使用的抗氧劑效果較好，配方選擇024號復合抗氧劑。

表4 腐蝕和氧化安定性試驗

注：試驗方法為SH/T 0450，試驗條件為：150 ℃，72 h，空氣流速83 mL/min。

2.2.3 配方組成通過性能試驗對分散劑、抗氧劑、極壓抗磨劑和抗泡劑等進行了選擇，結(jié)合基礎油的研究結(jié)果，完成了配方的研究工作。4060的配方組成為：半合成基礎油、復合抗氧劑、復合分散劑、極壓抗磨劑、功能添加劑、抗泡劑。研制油具有突出的低溫啟動性、清凈分散性、剪切安定性、氧化安定性以及優(yōu)良的潤滑性能和材料相容性等。

3 研制油的性能

3.1 研制油技術(shù)性能

研制油與參考油的技術(shù)性能對比見表5。從表5可以看出：研制油4060在低溫啟動性能上優(yōu)于合成型20號航空潤滑油，符合15W/50低溫黏度要求，能夠保證發(fā)動機在冬季低溫條件下啟動，節(jié)能效果與國外 15W/50參考油相當；潔凈性、防腐蝕性能、泡沫性能等也優(yōu)于參考油或相當。

勵麗自己是三甲醫(yī)院內(nèi)分泌科醫(yī)生，跟患者和基層醫(yī)生接觸的時間越長，就越發(fā)現(xiàn)基層醫(yī)生診療并不規(guī)范，尤其是在慢病管理方面。她指出，一部分社區(qū)全科醫(yī)生對藥品配伍禁忌掌握不夠，醫(yī)囑也不規(guī)范，應對患者咨詢甚至會“打馬虎眼”。

表5 研制油與參考油的性能對比

3.2 分散性能

采用斑點試驗考察研制油的分散性能。試驗方法是將20 g試樣與1 g炭黑膏混合，高速攪拌，超聲振蕩后恒溫靜置，滴于濾紙上，室溫放置24 h后測量擴散圈直徑d與油圈直徑D，d/D為分散性能參數(shù)，此比值越大，油泥分散性能越好。

國外15W/50參考油的d/D為75.97%，研制油的d/D為85.54%，研制油分散效果優(yōu)于國外15W/50參考油。

3.3 剪切安定性

采用雷范費爾特高溫高剪切法和柴油噴嘴法考察研制油的剪切安定性，試驗結(jié)果見表6。兩種試驗結(jié)果均表明，研制油的剪切安定性顯著優(yōu)于國外15W/50參考油。

表6 研制油和參考油的剪切安定性

3.4 氧化安定性

3.4.1 差示掃描量熱法采用差示掃描量熱法對研制油與國外15W/50參考油的抗氧化性能進行對比，試驗結(jié)果見圖1～圖2。從圖1和圖2可以看出，國外15W/50參考油的起始分解溫度為241.70 ℃。研制油的起始分解溫度為247.25 ℃，研制油的氧化安定性優(yōu)于國外15W/50參考油。

圖1 國外15W50參考油的差熱曲線

圖2 研制油的差熱曲線

3.4.2 旋轉(zhuǎn)氧彈試驗表7為研制油與國外15W/50參考油的旋轉(zhuǎn)氧彈試驗結(jié)果。從表7可以看出，研制油具有非常優(yōu)異的氧化安定性，比國外15W/50參考油效果更好。這一結(jié)果與差熱法試驗結(jié)果一致，表明研制油抗氧化性能優(yōu)于國外15W/50參考油。

表7 氧化安定性(旋轉(zhuǎn)氧彈法)

3.4.3 腐蝕和氧化安定性試驗該方法是在溫度為150 ℃，空氣流量為83 mL/min，分別以鋼、銅、鎂、鋁作為催化劑的條件下，將試樣氧化，用氧化前后運動黏度變化率、酸值變化值及金屬片的質(zhì)量變化值來評定試樣的氧化安定性。表8為對研制油與國外15W/50參考油的試驗結(jié)果。運動黏度變化率越小、酸值變化值及金屬片的質(zhì)量變化值越小，氧化安定性越好。從表8可以看出，研制油的黏度變化率、酸值變化值和金屬片質(zhì)量變化值均小于國外15W/50參考油，表明研制油具有更好的腐蝕和氧化安定性。

通過旋轉(zhuǎn)氧彈以及腐蝕和氧化安定性全面評價了研制油的氧化安定性能，結(jié)果均顯示出研制油具有非常好的氧化安定性，優(yōu)于國外15W/50參考油。

3.5 潤滑性能

分別通過四球試驗和SRV試驗評價研制油的潤滑性能。表9為研制油與國內(nèi)外各參考油的潤滑性能對比結(jié)果。從表9可以看出，國外15W/50

表9 研制油與參考油的潤滑性能

注：四球試驗條件為：轉(zhuǎn)速1 200 r/min，75 ℃，載荷392 N，時間1 h；SRV試驗條件為：頻率50 Hz，沖程1 mm，溫度80 ℃，載荷300 N，時間1 h。

參考油和研制油的潤滑性能均較好，兩者從四球試驗和SRV試驗的結(jié)果來看均相差不大，但國外15W/50參考油的SRV試驗件在試驗后出現(xiàn)略明顯的磨痕，徑向磨損稍大。

3.6 L38臺架試驗

在確定配方后進行4060研制油的臺架試驗。潤滑油高溫氧化形成的酸性物質(zhì)容易腐蝕銅鉛軸瓦，評定該項性能的臺架試驗有皮特W21和L38兩種方法，現(xiàn)在一般采用L38方法進行評定。L38方法用于評定除二沖程汽油機油和船用氣缸油以外的所有內(nèi)燃機油。通過測定連桿銅鉛軸瓦的失重以及生成的沉積物和試油的黏度變化等對試油作出評價。對研制油進行L38臺架試驗，試驗條件見表10。

表10 L38臺架試驗條件

表11為軸瓦失重數(shù)據(jù)。軸瓦失重量很小，表明研制油中沒有產(chǎn)生明顯的腐蝕性物質(zhì)。發(fā)動機沉積物數(shù)據(jù)見表12，漆膜和油泥均很少。試驗期間研制油黏度變化見表13，黏度變化很小。臺架試驗結(jié)果顯示，研制油順利通過L38臺架試驗。

表11 L38臺架試驗軸瓦失重結(jié)果

表12 L38臺架試驗發(fā)動機沉積物評定結(jié)果

表13 L38臺架試驗機油黏度

3.7 油品相容性試驗

根據(jù)研制指標要求，按照GJB562方法將研制油分別與國內(nèi)原用油和國外15W/50參考油進行相容性試驗。該方法是按照標準配制3種不同比例的研制油與參考油的混合液，混合液在105 ℃溫度條件下保持7天，然后將混合液進行離心分離，每10 min記錄沉淀體積，直到沉淀物的體積不再變化為止。研制油與2種參考油的相容性試驗結(jié)果見表14，數(shù)據(jù)表明，研制油與兩種參考油均有非常好的相容性。試驗中全部試驗管外觀無肉眼可見明顯沉淀。

表14 研制油與參考油的相容性

3.8 材料相容性試驗

按照SH/T 0436方法考察研制油對標準橡膠的相容性。該方法是將橡膠浸泡在航空潤滑油樣品中，根據(jù)浸泡前后橡膠性能變化評定潤滑油與橡膠的相容性，試驗結(jié)果見表15。從表15可以看出：原用油對各種橡膠材料的膨脹率影響均最小，有一定收縮作用；研制油對高丙烯腈丁腈橡膠和氟橡膠的膨脹率影響比國外15W/50參考油小；研制油對硅橡膠的影響與國外15W/50參考油相當，對氟硅橡膠的膨脹率影響比國外15W/50參考油略大；3種油品作用下的4種橡膠的體積膨脹率和質(zhì)量變化率均在要求范圍內(nèi)。研制油與試驗用各種橡膠的相容性均合格。

表15 研制油的橡膠相容性

此外，發(fā)動機廠商根據(jù)實際使用情況，考察了研制油與多種材料的相容性，實驗結(jié)果顯示研制油與某發(fā)動機潤滑油系統(tǒng)所用的多種非金屬材料的相容性均符合要求。

4 發(fā)動機試驗和試飛試驗

4.1 發(fā)動機長期試車考核試驗

研制油一次性通過了某發(fā)動機廠商的長期試車考核試驗，試驗后發(fā)動機部件拆解結(jié)果顯示，用研制油進行試驗的發(fā)動機各主要部件外觀清潔度好，積炭較少，研制油與該型發(fā)動機的適應性比原用油更好。圖3和圖4為研制油與原用油發(fā)動機長期試車試驗后，試驗部件潤滑油油濾外觀情況。

圖3 研制油發(fā)動機長期試車后潤滑油油濾外觀

圖4 原用油發(fā)動機長期試車后潤滑油油濾外觀

4.2 實機試飛試驗

研制油實機試飛累計飛行時間在300 h以上，每飛行100 h進行換油。試飛試用結(jié)果表明：研制油滿足發(fā)動機使用要求，在低溫(-25 ℃)下直接啟動一次成功，使用中油泥、積炭大大減少，換油周期由原執(zhí)行的25 h延長至100 h，使用壽命延長至原來的4倍。

5 批次穩(wěn)定性研究

2009年中型試驗生產(chǎn)了多個批次的航空潤滑油4060，對其批次穩(wěn)定性的研究結(jié)果表明，各批次產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，各項分析結(jié)果均達到質(zhì)量指標要求。航空潤滑油4060從2012年起正式供應用戶，多年來進行了多個批次的生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

采用組合基礎油研制出符合新的活塞式航空發(fā)動機潤滑油規(guī)范(GJB 1219A—2009)的航空潤滑油4060。研制油通過L38臺架試驗，主要性能指標與國外15W/50參考油相當。研制油具有突出的清凈分散性能和氧化安定性、優(yōu)異的剪切安定性、優(yōu)良的黏溫性能(包括高溫黏度和低溫啟動性，以及低溫泵送性能)和良好的潤滑性能。對航空潤滑油4060進行了生產(chǎn)工藝研究，批次穩(wěn)定性良好。研制油通過了飛機發(fā)動機廠商的發(fā)動機長期試車考核試驗，并進行了實機試飛試用。目前已穩(wěn)定供應用戶使用多年，很好地解決了低溫啟動的問題，并延長換油周期至原用油的4倍。