梁宇翔，賀景堅(jiān)，閻 歡，尹開(kāi)吉，唐紅金

(中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083)

與固定翼飛機(jī)不同，直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)需要通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)控制飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)系統(tǒng)直接影響直升機(jī)的操控性能及安全性。伴隨著直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步，直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)用潤(rùn)滑油也經(jīng)歷了幾個(gè)階段，早期直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)使用與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)相同的礦物型潤(rùn)滑油，其后采用了綜合性能更好的合成潤(rùn)滑油，也就是采用與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相同的酯類合成型航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油，這些油通常是符合MIL-PRF-23699[1]或MIL-PRF-7808規(guī)范的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油[2]?，F(xiàn)代直升機(jī)的發(fā)展使得傳動(dòng)系統(tǒng)體積變小、質(zhì)量變輕，但直升機(jī)的功率越來(lái)越大，因此傳動(dòng)系統(tǒng)的工作條件越來(lái)越苛刻。MIL-PRF-23699或MIL-PRF-7808規(guī)范用油已不能滿足先進(jìn)的直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的使用要求。因?yàn)楝F(xiàn)代直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑油的要求已明顯不同于航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)潤(rùn)滑油的要求，傳動(dòng)系統(tǒng)承載大，容易產(chǎn)生磨損、卡咬和腐蝕，而且直升機(jī)在飛行時(shí)傳動(dòng)機(jī)械會(huì)產(chǎn)生微量的變形，如軸承和齒輪會(huì)產(chǎn)生不同軸現(xiàn)象，伴隨產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)加劇磨損、卡咬并產(chǎn)生微振磨損和點(diǎn)蝕[3]。實(shí)際上美軍直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用MIL-L-23699或MIL-L-7808規(guī)范用油時(shí)，在大修中齒輪和軸承的更換率達(dá)到40%～75%，兩次大修的時(shí)間間隔也很短，只有500～1 000 h[4-5]。20世紀(jì)70、80年代美、英兩國(guó)率先研制開(kāi)發(fā)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油，并于1986年2月初步制定了專用直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油標(biāo)準(zhǔn)及合成型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油規(guī)范DOD-L-85734。該規(guī)范于2004年6月升級(jí)更新為DOD-PRF-85734A[6]規(guī)范。目前，國(guó)外先進(jìn)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)普遍采用傳動(dòng)系統(tǒng)專用潤(rùn)滑油。目前符合DOD-PRF-85734A規(guī)范的直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油產(chǎn)品也只有國(guó)外幾家著名的大公司生產(chǎn)，如AeroShell Turbine Oil 555，Royco Turbine Oil 555，BP Turbo Oil 25等[7]。由于國(guó)內(nèi)無(wú)此類潤(rùn)滑油，為確保我國(guó)先進(jìn)直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)用油需求，避免關(guān)鍵潤(rùn)滑材料受制于人，中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院與中國(guó)人民解放軍空軍油料研究所合作參照DOD-PRF-85734A規(guī)范研制了多元醇酯型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油RIPP555并制訂了GJB 8447[8]直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)合成潤(rùn)滑油規(guī)范。研制先進(jìn)的傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油以滿足先進(jìn)直升機(jī)的技術(shù)性能要求，對(duì)于減少飛行故障，延長(zhǎng)飛機(jī)使用壽命，提高直升機(jī)的安全性和可靠性具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 研制指標(biāo)和試驗(yàn)方法

參照美軍DOD-PRF-85734A規(guī)范，確定了傳動(dòng)系統(tǒng)通用潤(rùn)滑油研制指標(biāo)，如表1所示。

本課題研究、考察各項(xiàng)理化性能，包括黏度、密度、傾點(diǎn)、閃點(diǎn)、酸值、蒸發(fā)損失等常規(guī)測(cè)定方法均采用對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家軍隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)潤(rùn)滑性能采用了多種評(píng)定方法，具體如下：潤(rùn)滑油抗磨損性能測(cè)定法(四球機(jī)法)SH/T 0189—1992；潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法(四球法)GB/T 3142—1982(2004)；潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法(CL-100齒輪機(jī)法)SH/T 0306—1992；極壓潤(rùn)滑油摩擦磨損性能的測(cè)定SRV試驗(yàn)機(jī)法SH/T 0847—2010；Standard Test Method for Determining Extreme Pressure Properties of Lubricating Oils Using High-Frequency，Linear-Oscillation(SRV)Test Machine ASTM D7421；潤(rùn)滑劑極壓性能測(cè)定法(法萊克斯法)SH/T 0187—1992；潤(rùn)滑油磨損性能測(cè)定法(法萊克斯軸和V形塊法)SH/T 0188—1992。對(duì)橡膠相容性性能的評(píng)定方法如下：飛機(jī)渦輪潤(rùn)滑油選用的合成橡膠的膨脹率測(cè)定方法 FED-STD-791 3604；飛機(jī)渦輪潤(rùn)滑油與硅橡膠的相容性測(cè)定方法 FED-STD-791 3433。

表1 直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油主要質(zhì)量指標(biāo)

2 直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油RIPP555的研制

2.1 基礎(chǔ)油的選擇

在相同的添加劑配方條件下，不同酯類基礎(chǔ)油的熱安定性和腐蝕性有很大的不同，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有的基礎(chǔ)油在試驗(yàn)后黏度變化率為較大負(fù)值，表現(xiàn)出明顯的裂解傾向，有的容易熱氧化生成酸，使得試驗(yàn)后總酸值很大。經(jīng)過(guò)研究，本課題采用高性能合成多元醇酯基礎(chǔ)油，具有非常好的熱氧化安定性?；A(chǔ)油的典型數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用基礎(chǔ)油的理化性能

2.2 添加劑和配方研究

2.2.1 抗氧劑航空潤(rùn)滑油的使用溫度一般較高，通常采用芳胺類抗氧劑作為主抗氧劑。在相同的配方條件下(配方中含極壓抗磨劑和金屬腐蝕抑制劑等)，不同商品胺類抗氧劑對(duì)油品腐蝕和氧化安定性的影響見(jiàn)表3。表3數(shù)據(jù)以及更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，用傳統(tǒng)的高溫抗氧劑不能滿足研制的指標(biāo)要求，必須采用新的高溫抗氧劑。課題組自合成了新型低聚抗氧劑應(yīng)用于本課題的研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，使用自合成抗氧劑后沉積物量明顯減少。

2.2.2 極壓抗磨劑研制油指標(biāo)要求符合美軍DOD-PRF-85734A技術(shù)規(guī)范。該規(guī)范在理化指標(biāo)上基本覆蓋MIL-PRF-23699F航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油標(biāo)準(zhǔn)，但是在潤(rùn)滑承載能力上大幅度提高，DOD-PRF-85734A規(guī)范中油品技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)難度和水平高于最新的航空潤(rùn)滑油標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-23699F(STD)，是航空潤(rùn)滑油中研制技術(shù)指標(biāo)要求最高的潤(rùn)滑油之一。因此研制油與普通發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油最主要的區(qū)別在于潤(rùn)滑性能及承載性能非常突出，同時(shí)要保持優(yōu)良的腐蝕和氧化安定性，這也是課題研發(fā)的難點(diǎn)。

表3 不同商品胺類抗氧劑對(duì)油品腐蝕和氧化安定性的影響

通過(guò)系統(tǒng)地研究和考察不同類別、不同用量的市售商品極壓抗磨劑，考察其承載能力及其對(duì)油品腐蝕和氧化安定性的影響、對(duì)熱氧化安定性和腐蝕性的影響，得出國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的商品極壓抗磨劑及其各種組合均無(wú)法同時(shí)滿足MIL-DOD-85734A規(guī)范要求的承載能力和腐蝕與氧化安定性的結(jié)論。課題組決定自行研制承載性能高、腐蝕和氧化安定性更好的極壓抗磨劑?？紤]到應(yīng)用于極性較強(qiáng)的酯類油，所以在極壓抗磨劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)從分子整體結(jié)構(gòu)的極性和穩(wěn)定性方面著重進(jìn)行考慮，并合理結(jié)合了有效基團(tuán)。自合成的極壓抗磨劑FZ-10順利解決了直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油研制過(guò)程中油品承載能力和氧化與腐蝕安定性性能之間的矛盾，研制油完全符合研制指標(biāo)要求。

分別選用了酯類油常用的極壓抗磨劑、國(guó)內(nèi)外有代表性的磷酸胺類極壓抗磨劑以及一些含硫極壓抗磨劑，與本課題所研制的極壓抗磨劑FZ-10進(jìn)行潤(rùn)滑性能和腐蝕與氧化安定性的對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖3和表4。PB指最大無(wú)卡咬負(fù)荷，PD指燒結(jié)負(fù)荷，WSD指鋼球磨斑直徑。從圖1～圖3和表4可以看出，加入自合成的極壓抗磨劑FZ-10后油品具有突出的高承載性能和優(yōu)良的腐蝕和氧化安定性。

圖4為自合成極壓抗磨劑FZ-10的紅外光譜。

為了規(guī)范自合成極壓抗磨劑FZ-10的產(chǎn)品質(zhì)量，制定了產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)元素含量、酸值、銅片腐蝕及紅外光譜作了要求，具體見(jiàn)表5。

生產(chǎn)了多個(gè)批次的極壓抗磨劑FZ-10，對(duì)其批次穩(wěn)定性進(jìn)行了考察，結(jié)果見(jiàn)表6。

生產(chǎn)的3個(gè)批次極壓抗磨劑FZ-10加入油品后腐蝕和氧化安定性數(shù)據(jù)、法萊克斯失效負(fù)荷數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。表7數(shù)據(jù)表明極壓抗磨劑的FZ-10批次穩(wěn)定性良好。

圖1 不同極壓抗磨劑條件下四球試驗(yàn)的PB和PD對(duì)比■—PB； ■—PD

圖2 不同極壓抗磨劑條件下法萊克斯失效負(fù)荷對(duì)比

圖3 不同極壓抗磨劑條件下四球試驗(yàn)的WSD對(duì)比

表4 不同極壓抗磨劑條件下油品的腐蝕和氧化安定性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4 極壓抗磨劑FZ-10的紅外光譜

2.2.3 腐蝕抑制劑配方中加入適量的腐蝕抑制劑可以降低油品對(duì)銅片等金屬的腐蝕，提高潤(rùn)滑油抗裂解的能力，能夠有效地提高油品的腐蝕和氧化安定性。表8和表9分別為腐蝕抑制劑對(duì)油品的腐蝕和氧化安定性、熱安定性和腐蝕性的影響。

表5 極壓抗磨劑FZ-10的質(zhì)量指標(biāo)

表6 極壓抗磨劑FZ-10的生產(chǎn)批次穩(wěn)定性

表7 不同批次極壓抗磨劑FZ-10對(duì)油品性能的影響

表8 腐蝕抑制劑對(duì)腐蝕和氧化安定性的影響

表9 腐蝕抑制劑對(duì)油品熱安定性和腐蝕性的影響

從表8可以看出，加入腐蝕抑制劑后油品的酸值變化值、黏度變化率和沉積物量等數(shù)據(jù)通常會(huì)變好，但是也有例外，如表7中配方33加入腐蝕抑制劑后黏度變化率反而明顯增大。

從表9可以看出，油品中加入腐蝕抑制劑時(shí)，黏度變化率變小，酸值變化值和鋼片質(zhì)量變化量均增加，所以加入腐蝕抑制劑對(duì)油品熱安定性和腐蝕性的影響并不確定。

3 研制油RIPP555的性能

3.1 理化性能

研制油的主要理化性能見(jiàn)表10。

表10 研制油RIPP555的理化性能

3.2 研制油RIPP555的潤(rùn)滑性能

本課題通過(guò)大量試驗(yàn)對(duì)潤(rùn)滑油承載性能的不同評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，最終確定了對(duì)本課題適用的潤(rùn)滑性能評(píng)定方法。分別采用四球試驗(yàn)機(jī)、SRV、法萊克斯試驗(yàn)機(jī)和FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)對(duì)研制油RIPP555和參考油的潤(rùn)滑性能進(jìn)行對(duì)比。

3.2.1 四球試驗(yàn)用四球機(jī)對(duì)研制油和參考油進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表11。從表11可以看出，研制油和參考油作用下的WSD和PB值相當(dāng)，研制油作用下的PD值高于參考油。

表11 研制油RIPP555和參考油的四球試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2.2 SRV試驗(yàn)用SRV試驗(yàn)機(jī)對(duì)研制油和參考油進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表12，表明各載荷下的WSD和極壓性能相當(dāng)。

表12 研制油RIPP555和參考油的SRV試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2.3 法萊克斯試驗(yàn)用法萊克斯試驗(yàn)機(jī)對(duì)研制油和參考油進(jìn)行對(duì)比，采用潤(rùn)滑油磨損性能測(cè)定法(法萊克斯軸和V形塊法)SH/T 0188—1992對(duì)磨損性能進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表13，研制油RIPP555在不同載荷下的磨損性能均優(yōu)于國(guó)外參考油。

表13 研制油RIPP555和參考油的法萊克斯磨損性能對(duì)比

采用潤(rùn)滑劑極壓性能測(cè)定法(法萊克斯法)SH/T 0187—1992中A法對(duì)研制油和參考油的極壓性能進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表14，研制油的極壓性能優(yōu)于參考油。另外還測(cè)定了5種典型的符合MIL-PRF-23699F規(guī)范的航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油的法萊克斯失效載荷在6 222～8 399之間，與符合DOD-PRF-85734A的直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油有明顯的差距。

表14 研制油RIPP555和參考油的法萊克斯極壓性能對(duì)比

3.2.4 FZG齒輪試驗(yàn)采用潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法(CL-100齒輪機(jī)法)SH/T 0306—1992對(duì)研制油和參考油的極壓性能進(jìn)行對(duì)比，研試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表15，研制油和國(guó)外參考油的FZG失效載荷均大于12級(jí)，承載能力相當(dāng)。評(píng)價(jià)4種具有代表性的符合MIL-PRF-23699F標(biāo)準(zhǔn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油，發(fā)現(xiàn)其失效級(jí)為8～9級(jí)，說(shuō)明航空發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油與直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油在承載能力上有明顯的區(qū)別。

表15 研制油RIPP555和參考油的CL-100齒輪機(jī)法極壓性能對(duì)比

3.3 橡膠相容性

根據(jù)美軍標(biāo)DOD-PRF-85734A規(guī)范要求，橡膠相容性試驗(yàn)需測(cè)定丁腈橡膠、氟橡膠和標(biāo)準(zhǔn)硅橡膠3種橡膠。研制油和參考油與3種橡膠的相容性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表16，表明研制油和參考油的橡膠相容性相當(dāng)。

表16 研制油RIPP555和參考油的橡膠相容性對(duì)比

3.4 研制油RIPP555與參考油的相容性試驗(yàn)

按照FED-STD-791 3403要求對(duì)3個(gè)不同比例的研制油與參考油的混合油進(jìn)行相容性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表17，表明研制油與參考油的相容性符合要求。

表17 研制油RIPP555與參考油的相容性

4 生產(chǎn)批次穩(wěn)定性

生產(chǎn)了多個(gè)批次的RIPP555直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油，對(duì)其批次穩(wěn)定性進(jìn)行考察。各批次產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，各項(xiàng)分析結(jié)果均達(dá)到質(zhì)量指標(biāo)要求。

5 應(yīng)用研究

研制油RIPP555先后通過(guò)了兩種型號(hào)軸承的150 h軸承試驗(yàn)、2個(gè)階段各140 h的中間減速器臺(tái)架試驗(yàn)和主減速器50 h TBO試驗(yàn)，并于2012年9月進(jìn)行了3架直升機(jī)共計(jì)451.93 h的試飛試用試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)論為，研制油性能與進(jìn)口油相當(dāng)，可以滿足直升機(jī)使用要求。

6 結(jié) 論

參照美軍DOD-PRF-85734A規(guī)范研制了直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)潤(rùn)滑油RIPP555，合成、篩選了基礎(chǔ)油和添加劑，特別是合成的極壓抗磨劑性能突出。研制油RIPP555具有良好的腐蝕和熱氧化安定性、熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的極壓載荷能力，性能與國(guó)外參考油相當(dāng)。 研制油分別通過(guò)了兩種型號(hào)軸承的150 h軸承試驗(yàn)、兩個(gè)階段各140 h的中間減速器臺(tái)架試驗(yàn)、主減速器50 h TBO試驗(yàn)和3架直升機(jī)共計(jì)451.93 h的試飛試用試驗(yàn)，研制油各階段試驗(yàn)效果良好，性能與進(jìn)口油相當(dāng)，滿足直升機(jī)使用要求。