陳磊，陳聰慧，陳靜

(1.孚迪斯石油化工(葫蘆島)有限公司, 遼寧 葫蘆島 125000；2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所,遼寧 沈陽 110043)

0 引言

根據(jù)美軍規(guī)范MIL-PRF-23699G，航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油分為標(biāo)準(zhǔn)型、防腐型、高熱安定型和增強(qiáng)酯型[1]。目前，美國空軍普遍使用的航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油是高熱安定型航空潤滑油，標(biāo)準(zhǔn)型只有在應(yīng)急狀態(tài)下才使用(如境外加油等)，防腐型主要在海洋環(huán)境普遍使用[2]。國外在21世紀(jì)初已研制成功了高熱安定型航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油[3-4]。

國內(nèi)20 世紀(jì)80 年代開發(fā)的幾種航空潤滑油產(chǎn)品都相當(dāng)于MIL-L-23699C 規(guī)范的產(chǎn)品，因此國內(nèi)只有標(biāo)準(zhǔn)型航空潤滑油產(chǎn)品，高熱安定型航空潤滑油的研制還處于應(yīng)用研究階段[5-6]。

國產(chǎn)三代發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)定型并交付部隊(duì)使用，在發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和使用過程中，尤其是大修返廠的發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)常出現(xiàn)油泥過多和軸承腔結(jié)焦的現(xiàn)象，表明該使用滑油的耐高溫和抗氧化能力難以完全滿足三代發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油系統(tǒng)工況要求[7]。為適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的快速發(fā)展，滿足特殊工況環(huán)境下戰(zhàn)斗機(jī)的用油要求，參照美軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-23699G (High Thermal Stability (HTS)型)，研制了一種高熱安定型航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油。同時(shí)，建立了高溫沉積降解評(píng)定方法，并對(duì)研制產(chǎn)品進(jìn)行了長期儲(chǔ)存性能評(píng)定、高溫結(jié)焦性能評(píng)定和軸承臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定。

1 儲(chǔ)存性能評(píng)定

按MIL-PRF-23699G高熱安定型航空潤滑油性能指標(biāo)要求和國內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)新生產(chǎn)和儲(chǔ)存1年后的研制產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)黏度、閃點(diǎn)、傾點(diǎn)、酸值、泡沫特征、低溫穩(wěn)定性、蒸發(fā)損失、微量元素、沉積物、剪切安定性、潤滑抗磨性、氧化與腐蝕安定性、熱安定性和腐蝕性及橡膠相容性等進(jìn)行了全面評(píng)定，質(zhì)量指標(biāo)及實(shí)測結(jié)果如表1所示。

表1 研制的高熱安定型航空潤滑油長期儲(chǔ)存性能評(píng)定結(jié)果

表1(續(xù))

由表1數(shù)據(jù)可知，研制產(chǎn)品具有優(yōu)異的熱氧化安定性。在175 ℃、204 ℃和218 ℃，72 h氧化試驗(yàn)后，運(yùn)動(dòng)黏度和酸值變化較小，尤其是生成的沉積物很少；研制產(chǎn)品具有優(yōu)異的熱安定型和抗腐蝕性能，在274 ℃，96 h試驗(yàn)條件下，運(yùn)動(dòng)黏度和酸值變化較小，對(duì)15號(hào)鋼的腐蝕性??；研制產(chǎn)品具有良好的潤滑性，在四球試驗(yàn)機(jī)上的最大無卡咬負(fù)荷為784 N，在392 N負(fù)荷下運(yùn)行60 min后的磨痕直徑為0.53 mm，可保證運(yùn)動(dòng)部件得到良好的潤滑；研制產(chǎn)品具有良好的抗泡性和良好的貯存安定型；研制產(chǎn)品與丁腈橡膠材料具有良好的相容性。

2 高溫沉積降解試驗(yàn)評(píng)定

高溫沉積降解試驗(yàn)方法按照FED-STD-791D 3410標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，評(píng)定步驟對(duì)研制產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)中1型苛刻試驗(yàn)條件下(見表2)試驗(yàn)100 h，在試驗(yàn)期間，每隔25 h以及試驗(yàn)結(jié)束，取樣進(jìn)行物理和化學(xué)性質(zhì)測定，然后與新油樣進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)束后，將試驗(yàn)機(jī)分解，對(duì)軸承和軸承套上的結(jié)焦物和沉積物進(jìn)行仔細(xì)的直觀檢查，并對(duì)沉積物的平均深度、覆蓋面積、均勻性和類型進(jìn)行測定和評(píng)級(jí)。通過稱重100目和40目的油濾元件，得到試驗(yàn)油的相對(duì)油泥形成的傾向的數(shù)據(jù)[8 -9]。

表2 高溫沉積降解試驗(yàn)操作條件

在100 h試驗(yàn)周期內(nèi)，每24 h運(yùn)轉(zhuǎn)后，至少有7 h停車時(shí)間，除了緊急停車以外，所有停車都須按照規(guī)定的程序進(jìn)行，停車后的加溫時(shí)間算在100 h試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)間應(yīng)符合如下程序：

①兩次停車之間最長時(shí)間為17 h。

②最短停車時(shí)間為7 h。

③每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間最少為6 h。

實(shí)際試驗(yàn)按照每天8點(diǎn)開機(jī)，17點(diǎn)關(guān)機(jī)，連續(xù)試驗(yàn)時(shí)間為9 h，持續(xù)進(jìn)行12天完成全部試驗(yàn)工作。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)高溫沉積和降解試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表3所示。

表3 研制產(chǎn)品高溫沉積和降解性檢測數(shù)據(jù)

研制產(chǎn)品的高溫沉積和降解實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)指標(biāo)完全符合MIL-PRF-23699G(HTS)高熱安定型標(biāo)準(zhǔn)要求,研制產(chǎn)品完全能夠通過評(píng)定。

3 高溫結(jié)焦性能對(duì)比

潤滑油使用中會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較高產(chǎn)生油泥過多和軸承腔結(jié)焦的問題，是潤滑油在高溫下被氧化降解造成，因此進(jìn)行高溫斜板結(jié)焦和試管結(jié)焦試驗(yàn)，對(duì)比研制產(chǎn)品與國際某高溫型油品的高溫結(jié)焦特性[10 -11]。

3.1高溫斜板結(jié)焦試驗(yàn)

試驗(yàn)條件:板溫315 ℃,油溫150 ℃,轉(zhuǎn)速(1000±50)r/min,連續(xù)轉(zhuǎn)6 h。整個(gè)試驗(yàn)方法按照SH/T 0300標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖片見表4和圖1。

表4 研制產(chǎn)品與某高溫型油品斜板結(jié)焦數(shù)據(jù)

圖1 研制油品與某高溫型油品結(jié)焦板圖片

從試驗(yàn)結(jié)果可知，研制油品的漆膜評(píng)級(jí)為2級(jí)，膠重在4～5 mg左右，而某高溫型油品膠重5.3 mg，但漆膜評(píng)級(jí)稍高。研制油品潤滑油高溫斜板結(jié)焦性能與某高溫型油品相當(dāng)。

3.2試管結(jié)焦試驗(yàn)

對(duì)研制產(chǎn)品、國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)型油品及混合油品進(jìn)行了204 ℃、72 h條件下的試管結(jié)焦試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按照GJB 563標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，試驗(yàn)后試管結(jié)焦情況見圖2。

研制油品∶國產(chǎn)油品=9∶1和1∶9

試驗(yàn)結(jié)果表明，國產(chǎn)某油品在試驗(yàn)后出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)焦現(xiàn)象，研制產(chǎn)品與國產(chǎn)比例9∶1油品的結(jié)焦現(xiàn)象要明顯輕于國產(chǎn)比例1∶9的油品。

4 軸承臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定

4.1試驗(yàn)狀態(tài)

研制產(chǎn)品在中國航發(fā)動(dòng)力所的A625試驗(yàn)器完成了某型發(fā)動(dòng)機(jī)5個(gè)支點(diǎn)750 h主軸承試驗(yàn)。根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，模擬了發(fā)動(dòng)機(jī)各支點(diǎn)軸承載荷譜，其主要工作條件介紹如下。

4.1.1 轉(zhuǎn)速

NO.3軸承外圈不轉(zhuǎn),內(nèi)圈轉(zhuǎn)速按照某型發(fā)動(dòng)機(jī)各種狀態(tài)時(shí)間分配比例,按最大、中間、巡航、慢車四種狀態(tài)，分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速是14675 r/min的100%、98%、91%和72%。具體轉(zhuǎn)速及所占比例見表 5。

表5 內(nèi)圈轉(zhuǎn)速及所占比例

NO.4軸承內(nèi)圈、外圈和NO.3軸承內(nèi)圈相同，按最大、中間、巡航、慢車四種狀態(tài)，分別設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速是8880 r/min和14675 r/min的100%、98%、91%和72%。具體轉(zhuǎn)速及所占比例見表 6。

表6 內(nèi)圈轉(zhuǎn)速及所占比例

4.1.2 載荷

NO.3軸承：軸承載荷根據(jù)某型發(fā)動(dòng)機(jī)NO.3軸承各種狀態(tài)空中氣動(dòng)負(fù)荷計(jì)算值和實(shí)測載荷數(shù)據(jù)，并兼顧到軸向過載產(chǎn)生的軸向力而確定；徑向載荷根據(jù)過載系數(shù)及過載次數(shù)的時(shí)間分配比例，結(jié)合與轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定，見表7、表8。各種狀態(tài)的載荷值要比實(shí)際情況更為苛刻。

表7 各種軸向載荷及所占時(shí)間比例

表8 各種徑向載荷及所占時(shí)間比例

4.1.3 潤滑條件

試驗(yàn)用潤滑油；高熱安定型航空潤滑油。

潤滑油溫度：每次試驗(yàn)滑油從室溫開始加溫到100 ℃；

供油壓力：0.25 MPa；

供油流量：NO.3軸承10～11.3 L/min，NO.4軸承8～9 L/min；

供油方式：NO.3軸承，端面噴射、環(huán)下供油；NO.4軸承，環(huán)下供油。

4.2試驗(yàn)程序

4.2.1 磨合試驗(yàn)

正式試驗(yàn)前，內(nèi)外主軸分別在3000 r/min、5000 r/min和5000 r/min、10000 r/min轉(zhuǎn)速，1960 N負(fù)荷正常潤滑條件下，各進(jìn)行30 min磨合試驗(yàn)。觀察軸承溫度、回油溫度、電流、電壓、振動(dòng)、噪聲等均為正常。

4.2.2 正式試驗(yàn)

正式試驗(yàn)按照某型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)要求進(jìn)行，結(jié)合NO.3、NO.4軸承載荷譜進(jìn)行，即按地面、空中機(jī)動(dòng)狀態(tài)分為8個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包括6個(gè)子循環(huán)，每個(gè)子循環(huán)為一個(gè)周期(狀態(tài))，再按照試驗(yàn)大綱分配順序進(jìn)行試驗(yàn)。每變化一次狀態(tài)記錄一次數(shù)據(jù)。

為模擬真實(shí)變速、起動(dòng)、停車過程，各周期(同一狀態(tài))內(nèi)速度變化時(shí)間為5～10 s；各周期完畢要將載荷、轉(zhuǎn)速回零，即每個(gè)周期重復(fù)一次起動(dòng)、停車過程，時(shí)間均為10～20 s。

本次試驗(yàn)完成總時(shí)數(shù)750 h。

4.2.3 試驗(yàn)要求

錄取參數(shù)：試驗(yàn)軸承轉(zhuǎn)速、溫度、負(fù)荷；供油溫度、供油壓力、回油溫度；環(huán)境溫度。

測試精度：轉(zhuǎn)速 ±0.5%、溫度±1.0%、負(fù)荷 ±1.0%。

每50 h取油樣一次，進(jìn)行黏度、閃點(diǎn)、酸值及金屬含量分析；每50 h分解清洗一次油濾；每150 h分解一次主體，目視檢查試驗(yàn)件狀態(tài)，如無異常則可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)完畢后，對(duì)軸承尺寸、質(zhì)量、光度等參數(shù)進(jìn)行全面測量。

4.3油品監(jiān)控

對(duì)每50 h所取油樣進(jìn)行運(yùn)動(dòng)黏度、閃點(diǎn)、酸值及金屬含量分析，結(jié)果見表9。

表9 試驗(yàn)油樣取樣分析數(shù)據(jù)

主要試驗(yàn)結(jié)果及評(píng)價(jià)如下：

試驗(yàn)過程中潤滑油元素光譜數(shù)據(jù)Fe、Cu、Mo、V、Ni、Ag含量基本維持在一個(gè)穩(wěn)定的正常范圍內(nèi)(例如Cu 、Ag 不大于1 μg/g，F(xiàn)e、Cr、Mg、Ni、Ti、Al等不大于2 μg/g,Sn不大于11μg/g)。試驗(yàn)潤滑油的運(yùn)動(dòng)黏度由5.06 mm2/s變化至5.19 mm2/s，酸值在0.015～0.04 mgKOH/g范圍內(nèi)變化，遠(yuǎn)小于MIL-PRF-23699G(HTS)規(guī)定的0.50 mgKOH/g指標(biāo)要求。試驗(yàn)油理化性能穩(wěn)定，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承750 h耐久性試驗(yàn)使用要求。

試驗(yàn)結(jié)束后，分解檢查發(fā)現(xiàn)軸承跑道、滾動(dòng)體完好，目視檢查軸承工作面光度無明顯變化；主要軸承試驗(yàn)前后各個(gè)軸承的幾何參數(shù)和間隙基本無變化，各支點(diǎn)軸承沒有磨損。軸承環(huán)下供油通道處有輕微的潤滑油結(jié)焦痕跡，跑道處有少量油泥出現(xiàn)，但結(jié)焦和油泥情況均明顯輕于以往采用國產(chǎn)滑油試驗(yàn)后的軸承。

5 結(jié)論

(1)儲(chǔ)存試驗(yàn)評(píng)定結(jié)果表明，研制的高熱安定型航空潤滑油經(jīng)過1年的儲(chǔ)存后，各項(xiàng)性能均無明顯變化，研制產(chǎn)品具有優(yōu)異防腐性能、潤滑抗磨、高溫抗氧化性能和抗泡沫性能等。

(2)高溫沉積降解試驗(yàn)和高溫抗結(jié)焦試驗(yàn)評(píng)定結(jié)果表明，研制的新試驗(yàn)油能夠滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫條件下的工作需求。

(3)軸承臺(tái)架試驗(yàn)表明，研制的高熱安定型航空潤滑油滿足某型發(fā)動(dòng)機(jī)NO.3、NO.4支點(diǎn)軸承750 h耐久性試驗(yàn)要求。試驗(yàn)過程中，潤滑油溫度、供油量、潤滑油壓力等各項(xiàng)參數(shù)符合大綱規(guī)定的要求; 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)部件經(jīng)分解檢查無結(jié)焦和積炭現(xiàn)象。理化指標(biāo)如油品黏度、閃點(diǎn)、酸值、金屬含量等正常，無異常變化。

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