楊 穎，宋 巖，陳春茂

（1. 國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 材料工程發(fā)明審查部，北京100086；2. 中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院，北京102249）

主減速器作為直升機(jī)重要的傳動部件[1]，負(fù)責(zé)將發(fā)動機(jī)輸出動力轉(zhuǎn)化為主旋翼的升力以及尾槳的推力。直升機(jī)主減速器由于結(jié)構(gòu)緊湊，而且常處于重載高速的工作條件，導(dǎo)致主減速器內(nèi)的環(huán)境溫度急劇升高[2]，高溫會導(dǎo)致潤滑油膜破裂。為了提高主減速器可靠性，直升機(jī)主減速器潤滑系統(tǒng)對潤滑齒輪和軸承等硬件及其所用潤滑油“軟件”提出了越來越高的要求[3?5]。高性能潤滑油在減速器滑油系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，不僅可以在摩擦副之間形成潤滑油膜，減少摩擦副之間的摩擦和磨損，同時，持續(xù)的供油回油還可以帶走摩擦副之間的熱量，起到降溫的作用，避免齒輪和軸承溫度過高引起材料的軟化和變形，繼而出現(xiàn)膠合、磨損、點(diǎn)蝕之類的常見失效形式[6?8]，因此潤滑油已成為主減速器正常運(yùn)轉(zhuǎn)不可缺少的重要組成部分。多年來，國外一直在改進(jìn)直升機(jī)主減速器潤滑油，美國在2015 年推出一種符合MIL?PRF?32538 規(guī)范的新型9 厘斯油[9]，比以前廣泛使用的、符合MIL?DTL?85734 規(guī)范的5 厘斯油[10]黏度更大，有利于成膜；承載能力更好，可以提高傳動系統(tǒng)可靠性[11]；可降低直升機(jī)傳動系統(tǒng)維護(hù)成本16%。總體來看，主減速器潤滑油的發(fā)展趨勢是由礦物油向合成油轉(zhuǎn)變，黏度逐漸增大[12?13]，承載能力越來越高。

1 直升機(jī)主減速器對潤滑油的要求

直升機(jī)主減速器潤滑系統(tǒng)的主要功能是對減速器動部件（齒輪、軸承、花鍵處[14]）進(jìn)行潤滑，從而減少摩擦、提高效率、降低磨損、解除疲勞，以及改善壽命[15]，并有效排散軸承生熱、各運(yùn)動副摩擦生熱，以及從發(fā)動機(jī)經(jīng)過傳導(dǎo)、輻射而來的熱量，保持滑油系統(tǒng)溫度在允許的范圍內(nèi)[16]。直升機(jī)主減速器滑油系統(tǒng)對潤滑油有如下要求：所用潤滑油在各運(yùn)動摩擦副之間形成具有一定法向承載能力且切向剪切強(qiáng)度低的潤滑膜，這就要求潤滑油黏度不能太小，否則難以成膜；另一方面，黏度不能太大，否則會引起很大的摩擦損失，不利于流動散熱，甚至造成低溫啟動困難。除了黏度這個重要的指標(biāo)外，主減速器對潤滑油通常還有以下要求：

（1）良好的熱氧化安定性。保證在高溫、各種金屬的催化作用下，不易被氧化變質(zhì)，不易產(chǎn)生高分子氧化產(chǎn)物甚至沉淀，從而保持黏度穩(wěn)定。（2）優(yōu)異的材料相容性。潤滑油對密封橡膠的溶漲或侵蝕作用較小，不會引起橡膠件過度的膨脹或收縮，以避免因密封材料損壞而泄漏潤滑油。（3）良好的抗泡性能。潤滑油在高溫和強(qiáng)制循環(huán)的條件下，很容易產(chǎn)生泡沫，過多的泡沫容易妨礙正常的循環(huán)和散熱，甚至引起供油中斷。（4）良好的極壓抗磨性能。在不能獲得流體動壓膜和彈流潤滑膜的條件下，邊界潤滑要靠潤滑油中的極壓抗磨劑來形成吸附膜或化學(xué)反應(yīng)膜，防止摩擦副工作面直接接觸，產(chǎn)生磨損、擦傷、膠合、點(diǎn)蝕，合適的極壓劑中通常含有氯、硫、磷、氮元素，航空油料領(lǐng)域更常見的是硫、磷、氮型極壓劑。

2 國內(nèi)直升機(jī)主減速器潤滑油研究進(jìn)展

根據(jù)100 ℃運(yùn)動黏度，直升機(jī)主減速器潤滑油主要可分為5 厘斯油和9 厘斯油兩大類；根據(jù)添加劑使用情況，分為極壓型和非極壓型；根據(jù)基礎(chǔ)油使用情況，分為合成油型和礦物油型。我國目前沒有成功應(yīng)用9 厘斯直升機(jī)主減速器潤滑油，只有5厘斯直升機(jī)主減速器潤滑油，主要產(chǎn)品有非極壓型合成油、極壓型合成潤滑油、極壓型半合成油。

2.1 非極壓型合成油

國內(nèi)的非極壓型5 厘斯油是指參照MIL ?L ?23699[17]研制的5 厘斯航空發(fā)動機(jī)油，國內(nèi)產(chǎn)品規(guī)范為GJB 1263[18]，使用溫度-40~200 ℃，產(chǎn)品牌號有925、4050 和4106。

2.2 極壓型合成潤滑油

國內(nèi)極壓型5 厘斯合成潤滑油是指參照俄羅斯ТУ38. 101295[19]研 制 的926 油，國 內(nèi) 產(chǎn) 品 規(guī) 范 為GJB 3460-1998[20]，使用溫度-40~200 ℃，以及參照美國DOD?PRF?85734[21]研制的RIPP 555 油，國內(nèi)產(chǎn)品規(guī)范為GJB 8447-2015[22]，使用溫度-40~175 ℃。國內(nèi)極壓型5 厘斯合成潤滑油指標(biāo)及試驗(yàn)方法見表1。

表1 國內(nèi)極壓型5 厘斯合成潤滑油指標(biāo)及試驗(yàn)方法Table 1 The test limits and method of extreme pressure 5 cSt synthetic lubricant of China

續(xù)表1

2.3 極壓型半合成油

國內(nèi)極壓型5 厘斯半合成油是指參照MIL ?PRF ? 6806[23]研 制 的4450 油，其 產(chǎn) 品 規(guī) 范 為GJB 561-1988[24]，使 用 溫 度-40~120 ℃。 國 外MIL ?PRF?6086L 型基礎(chǔ)油原為礦物油，但在后來的生產(chǎn)過程中，為了改善低溫性能，將部分礦物油改為合成烴。4450 油指標(biāo)及試驗(yàn)方法見表2。

表2 4450 油指標(biāo)及試驗(yàn)方法Table 2 The test limits and method of 4450 lubricant

我國參照美俄直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油產(chǎn)品規(guī)范建立了國產(chǎn)直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油產(chǎn)品規(guī)范，但產(chǎn)品規(guī)范中只有理化性能指標(biāo)，缺少軸承和齒輪試驗(yàn)使用性能指標(biāo)。

3 國外直升機(jī)主減速器用油研究進(jìn)展

3.1 美國直升機(jī)主減速器潤滑油研究進(jìn)展

在早期，美國曾使用發(fā)動機(jī)潤滑油作為主減速器潤滑油，但隨著使用過程中出現(xiàn)各種潤滑問題，如花鍵的微震腐蝕，齒輪齒面和軸承的點(diǎn)蝕和微點(diǎn)蝕。美國研究了潤滑油對直升機(jī)傳動系統(tǒng)的影響，發(fā)現(xiàn)潤滑油的黏度、比熱容、密度、油品自身的防腐性能對直升機(jī)傳動系統(tǒng)的影響非常大，美國先后研制了3 種類型的直升機(jī)專用主減速器潤滑油。

3.1.1 早期礦物油 MIL?PRF?6086 規(guī)范規(guī)定了兩種等級的礦物油型潤滑油，按100 ℃運(yùn)動黏度分為5 厘斯油和9 厘斯油，其代表性產(chǎn)品為ROY?CO586L 油和ROYCO586M 油，典型值對比情況見表3。

表3 ROYCO586L 油和ROYCO586M 油性能參數(shù)典型值對比Table 3 The typical value of ROYCO586L and ROYCO586M

3.1.2 過渡型合成油 美國從1983 年開始執(zhí)行一項(xiàng)研制直升機(jī)傳動系統(tǒng)專用潤滑油的發(fā)展計劃。計劃分三個階段，第一個階段就是過渡型滑油的研制。這個階段的主要目標(biāo)是改善潤滑油的載荷能力。1986 年美國首次公布此項(xiàng)規(guī)范DOD?L?85734，名稱是直升機(jī)傳動系統(tǒng)合成潤滑油，屬于5 厘斯油。符合DOD?L?85734 規(guī)范的油與符合MIL?L?23699規(guī)范的油相比，提高了Ryder 齒輪評級要求：MIL?L?23699 潤滑油是102，過渡型油是145。同時美國放寬了高溫性能要求，因?yàn)橹鄙龣C(jī)傳動系統(tǒng)工作溫度比發(fā)動機(jī)要低很多。2004 年DOD?L?85734 修訂為DOD?PRF?85734A。英國規(guī)范DEF STAN 91?100與DOD?PRF?85734 基本相當(dāng)。

3.1.3 新型合成油 2006年6月，美國正式提出了“先進(jìn)直升機(jī)傳動系統(tǒng)用油計劃”，希望通過提高運(yùn)動黏度來改善承載能力，研制一種100 ℃運(yùn)動黏度為9厘斯，-32 ℃運(yùn)動黏度不大于13 000厘斯的傳動系統(tǒng)潤滑油，以滿足美國先進(jìn)直升機(jī)傳動系統(tǒng)用油[25]。該油具有以下4 個預(yù)期：（1）取代美國現(xiàn)用的符合DOD?PRF?85734A 規(guī)范的直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油。（2）降低傳動系統(tǒng)潤滑油的高溫性能，留下空間進(jìn)一步改進(jìn)承載 能 力。（3）與 符 合MIL ? PRF ? 23699、MIL ? PRF ?7808、DOD?PRF?85734A 等規(guī)范的潤滑油具有良好的相容性，同時也與直升機(jī)傳動系統(tǒng)的金屬和橡膠材料具有良好的相容性。（4）為未來的直升機(jī)傳動系統(tǒng)選油提供設(shè)計參數(shù)。針對上述需求，美國伊士曼公司研制了一種多元醇酯型9 厘斯油：EastmanTM HA?LO 157油，是一種琥珀色、帶有芳香氣味的潤滑油，與符合MIL?PRF?7808、MIL?PRF?23699、DOD?PRF?85734A 等規(guī)范的潤滑油完全互溶。

EastmanTMHALO 157 油承載能力優(yōu)異，美國航空與航天局（NASA）長時失效試驗(yàn)證明其與符合DOD?PRF?85734 規(guī)范的油相比，可以延長直齒圓柱齒輪壽命（SPUR GEARS）8 倍。EastmanTMHALO 157 油與Eastman TURBINE OIL 25 油（符合DOD?PRF?85734 規(guī)范）的性能參數(shù)典型值對比見表4。

美國在研制重型直升機(jī)“CH?53E 超級種馬”時，主減速器使用了符合MIL?PRF?32538[9]的9 厘斯油，承載能力比現(xiàn)有的符合DOD?PRF?85734的5厘斯油承載能力提高了約23%；同時，還將H?60直升機(jī)主減速器潤滑油系統(tǒng)進(jìn)行了改造，換用了9 厘斯油；另外還在CH?46、SH?60、CH?53、CH?47和UH?1N 等直升機(jī)的傳動軸和齒輪箱進(jìn)行了部件試驗(yàn)。試驗(yàn)后認(rèn)為使用新型9 厘斯油可以提高傳動系統(tǒng)可靠性，對直升機(jī)傳動系統(tǒng)維護(hù)成本降低16%。因?yàn)槭褂? 厘斯油,美國直升機(jī)傳動系統(tǒng)提高了直升機(jī)戰(zhàn)場生存率，并取得了良好的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益[26]。

美國的直升機(jī)傳動系統(tǒng)油料規(guī)范MIL?PRF?6086 除了理化性能之外，使用性能指標(biāo)“承載能力” 僅四球綜合磨損值1 項(xiàng)。但在DOD?PRF?85734 和MIL?PRF?32538 規(guī)范中，使用性能指標(biāo)增加了FZG和Ryder 齒輪載荷能力、軸承沉積等關(guān)鍵指標(biāo)，說明美國越來越重視傳動系統(tǒng)潤滑油的承載能力，而且也建立了相應(yīng)的檢測設(shè)備和方法。

表4 EastmanTM HALO 157 油與Eastman TURBINE OIL 25 油的典型值對比Table 4 The typical value of EastmanTM HALO 157 and Eastman TURBINE OIL 25

3.2 俄羅斯直升機(jī)主減速器潤滑油研究進(jìn)展

3.2.1 礦物油 俄羅斯早期的主減速器潤滑油 由 符 合ГОСТ 4003[27]的2/3 雙 曲 線 齒 輪 油 和1/3АМГ?10 液壓油混合而成，100 ℃運(yùn)動黏度不小于9 厘斯，也可稱之為9 厘斯礦物油。俄羅斯還有7.5 厘 斯 礦 物 油МН ? 7.5У，其 技 術(shù) 規(guī) 范 為ТУ 38101722?85[28]。另外，俄羅斯還將8 號和20 號航滑按質(zhì)量比1∶1 或1∶3 混合后用作主減速器潤滑油。此外，RU2004125241A[29]公開了一種高黏度環(huán)烷基油和低黏度環(huán)烷基油的調(diào)和油，RU2001129327A[30]公開了一種高黏度油和低黏度油的調(diào)和油。上述調(diào)和油用于直升機(jī)主減速器具有提高壽命、改進(jìn)抗磨性能以及黏溫性能的優(yōu)點(diǎn)。

3.2.2 極壓型合成酯類油 該油是由季戊四醇酯和包括極壓劑在內(nèi)的添加劑調(diào)和而成，屬于5 厘斯合成油。目前俄羅斯使用最廣泛的直升機(jī)發(fā)動機(jī)潤滑油用作直升機(jī)主減速器潤滑油，我國的926潤滑油即參照該油研制，主要區(qū)別在于將Б?3В 油中使用的α?巰基苯并噻唑換成了硫代磷酸三苯酯。在前蘇聯(lián)時期，Б?3В 油是直升機(jī)減速器主要使用潤滑油。

PCT/RU2011/000879[31]公開了一種用于渦輪螺旋槳直升機(jī)發(fā)動機(jī)的潤滑油組合物，基礎(chǔ)油為季戊四醇與單羧酸的脂肪酸的復(fù)合酯與二聚季戊四醇單酯的混合酯，抗氧劑為烷基苯胺、高分子烷基酚，抗磨劑為磷酸三甲苯酯與Irgalube 353 二硫代磷酸酯以質(zhì)量比3∶1 混合的混合物，腐蝕抑制劑為1,2,3?苯并三唑和甲苯三唑以質(zhì)量比1∶10 混合的混合物。該潤滑油具有較好的300 ℃以上的熱穩(wěn)定性、230~240 ℃的熱氧化安定性以及高溫抗磨和抗腐蝕性能。3.2.3 其他類型合成油 聚烯烴合成油被用于潤滑直升機(jī)發(fā)動機(jī)，PCT/RU2005/000655[32]公開了將100 ℃運(yùn)動黏度為10~20 厘斯的難以消耗的高分子聚烯烴解聚成在100 ℃為2~8 厘斯的目標(biāo)聚烯烴作為聚烯烴基合成油。

俄羅斯傳動系統(tǒng)潤滑油產(chǎn)品規(guī)范中除了理化性能指標(biāo)外，沒有齒輪和軸承使用性能指標(biāo)，這是因?yàn)槎砹_斯針對所有的航空油料還用綜合鑒定法（KMKO）評定[33]，而綜合鑒定法評定不寫入具體產(chǎn)品規(guī)范，其中潤滑油有Ш?3 齒輪試驗(yàn)機(jī)、УКМ?1 高溫沉積2 項(xiàng)指標(biāo)要求。

3.3 英國直升機(jī)主減速器潤滑油研究進(jìn)展

3.3.1 礦物油 英國DEF STAN 91?112[34]規(guī)范規(guī)定了兩個等級的礦物油型潤滑油，100 ℃運(yùn)動黏度分為5 厘斯油和9 厘斯油，其代表性產(chǎn)品為NY?COLUBE64 油 和NYCOLUBE3525 油。

3.3.2 合成油 符合DEF STAN91?98[35]規(guī)范的代表性產(chǎn)品有Turbonycoil98 合成油，不僅用于渦槳發(fā)動機(jī)，也廣泛用于俄產(chǎn)直升機(jī)，俄羅斯卡?28/31 直升機(jī)BP ? 252 減速器建議使用產(chǎn)品規(guī)范為DEF STAN 91?98 的7.5 厘斯油，因?yàn)?.5 厘斯油的黏度比Б?3В 潤滑油的黏度更大，更有利于減速器齒輪等部件的成膜潤滑。PCT/GB95/00941[36]公開了一種用于直升機(jī)傳動裝置的潤滑油組合物，包含黏度在100 ℃時為5.0~10.0 厘斯的合成基礎(chǔ)油、抗氧劑組分、中性有機(jī)磷酸酯組分、二羧酸組分、三唑組分和含磷極壓添加劑。該潤滑油組合物能夠滿足英國國防部和美國海軍的專用使用標(biāo)準(zhǔn)。

4 我國在直升機(jī)傳動系統(tǒng)潤滑油方面的不足

鑒于我國早期在航空飛機(jī)和發(fā)動機(jī)領(lǐng)域主要以跟隨式發(fā)展為主，在直升機(jī)主減速器潤滑油方面，主要學(xué)習(xí)借鑒美俄這樣的航空強(qiáng)國，同時結(jié)合我國的特點(diǎn)，初步建立了適應(yīng)我國直升機(jī)主減速器現(xiàn)狀和發(fā)展要求的產(chǎn)品體系和試驗(yàn)方法。但與美俄這樣的航空強(qiáng)國相比，還存在一定的差距。

4.1 理論研究有待深入

我國航空裝備和航空油料研制起步較晚，屬于典型的跟隨式發(fā)展。跟隨式發(fā)展帶來的主要問題就是沒有厚實(shí)的理論基礎(chǔ)，集中體現(xiàn)在長期以來對航空裝備與油料適配性問題認(rèn)識不足，而俄羅斯有發(fā)動機(jī)化學(xué)[37]理論指導(dǎo)航空油料的研究、檢測與使用，在裝備和油料的研制、生產(chǎn)及使用部門共同參與下，油料和裝備的發(fā)展高度協(xié)同。

4.2 關(guān)鍵使用性能評定設(shè)備缺少

在油品性能評定方面，雖然我國已基本建立了與國外相當(dāng)?shù)睦砘阅軝z測評定方法和相應(yīng)設(shè)備，但缺少關(guān)鍵使用性能的評定設(shè)備，例如類似美國DOD?PRF?85734 中的軸承沉積實(shí)驗(yàn)機(jī)和Ryder 齒輪實(shí)驗(yàn)機(jī)，成功的使用性能試驗(yàn)可以大幅減少潤滑油應(yīng)用試驗(yàn)的持續(xù)時間和成本，對潤滑油產(chǎn)品的升級換代和新產(chǎn)品研發(fā)具有重要意義。

4.3 研究廣度不足

不同于地面設(shè)備減速器潤滑，由于密級較高，近年來國內(nèi)公開的航空裝備及用油研究論文相對較少，某種程度上制約了直升機(jī)主減速潤滑油方面的深入研究。近年來高鐵、風(fēng)力發(fā)電等地面減速器潤滑，無論是在潤滑理論[38?44]，還是新型基礎(chǔ)油[45?46]和納米抗磨劑[47?48]、離子液體抗磨劑[49?50]、石墨烯抗磨劑[51]等方面都取得了重要研究進(jìn)展，為改進(jìn)直升機(jī)減速器潤滑油研究的廣度提供相關(guān)借鑒。

5 總結(jié)與展望

直升機(jī)主減速器通常處于高速重載工況下，所用潤滑油對其可靠性有很大影響。目前國內(nèi)外直升機(jī)主減速器潤滑油：根據(jù)100 ℃運(yùn)動黏度分為5厘斯油和9 厘斯油；根據(jù)添加劑使用情況，分為極壓型和非極壓型；根據(jù)基礎(chǔ)油使用情況，分為合成油型和礦物油型。以美國為代表的外國主減速器潤滑油發(fā)展情況來看，9 厘斯合成潤滑油是當(dāng)前和未來的發(fā)展主流。

我國目前主要使用黏度較低的5 厘斯合成潤滑油，鑒于美國使用9 厘斯直升機(jī)傳動系統(tǒng)主減速器潤滑油的成功經(jīng)驗(yàn)，我國未來應(yīng)該研究使用綜合性能更加優(yōu)異的9 厘斯合成潤滑油，從油品性能改進(jìn)方面提高我國直升機(jī)主減速器的可靠性，同時加強(qiáng)航空潤滑油理論研究和使用性能評定設(shè)備研究，進(jìn)一步促進(jìn)我國航空油料與航空裝備的適配性。