李永，陳磊，李寶寧，陳靜

(1.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，遼寧 沈陽 110043；2.孚迪斯石油化工(葫蘆島)有限公司，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

國內(nèi)航空工業(yè)迅猛發(fā)展，航空發(fā)動機技術(shù)也在持續(xù)改進，以獲得更高的性能、更好的可靠性及更高的性價比，不斷發(fā)展的渦輪發(fā)動機的工作條件更加苛刻，作為發(fā)動機“血液”的航空潤滑油必然會承受更嚴苛的考核，必須同時發(fā)揮優(yōu)良的潤滑、冷卻、清洗、密封、防銹、緩沖、防震等性能[1-3]。

美國軍用航空潤滑油標準MIL-PRF-23699根據(jù)發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展需求不斷升級換代，最新版MIL-PRF-23699G將5 mm2/s航空潤滑油分為標準型、防腐型、高熱安定型和增強酯型[4]，其中高熱安定型潤滑油是專門為潤滑油系統(tǒng)工作溫度較高的發(fā)動機使用的[5]。國內(nèi)20 世紀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)范的標準型潤滑油產(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[6]。

為滿足特殊工況環(huán)境下航空發(fā)動機的用油要求，參照美軍MIL-PRF-23699G中高熱安定型標準要求，研制了一種高熱安定型航空潤滑油[7]，通過前期研究，完成了配方設(shè)計，并對研制配方進行了全面性能評定，同時，在生產(chǎn)工藝研究的基礎(chǔ)上對研制產(chǎn)品進行了中試放大，對新生產(chǎn)及儲存一年后的研制產(chǎn)品進行了第三方評定，開展了航空潤滑油耐高溫性能機理研究，并完成了某型發(fā)動機750 h的軸承臺架評定[8]，在此基礎(chǔ)上開展全尺寸發(fā)動機臺架評定。

1 全尺寸發(fā)動機臺架試車

研制的高熱安定型航空潤滑油在中國航發(fā)動力所以某型發(fā)動機為平臺進行全尺寸臺架試驗考核，發(fā)動機整機試車是在地面臺架進行，試車考核嚴格按照GJB 241A要求的試驗循環(huán)次、試車程序、載荷要求進行，試車程序包括了增推、慢車、空中巡航、著陸、最大加力、加減速及遭遇等所有發(fā)動機狀態(tài)點，累計試車時間500 h 32 min，425個整機試驗循環(huán),具體試車程序如圖1所示。

圖1 發(fā)動機試車程序

2 潤滑油系統(tǒng)試車參數(shù)

為考核研制的高熱安定型航空潤滑油在發(fā)動機試車中的潤滑性能，在發(fā)動機整機試車過程中，監(jiān)測了潤滑油供油壓力、供油壓差、軸承腔壓力以及各支點的供回油溫度，判斷該潤滑油的潤滑冷卻性能以及對潤滑油系統(tǒng)工況的適應(yīng)性。試車過程潤滑油系統(tǒng)測試參數(shù)見表1。

表1 潤滑油系統(tǒng)測量參數(shù)

2.1 潤滑油壓力

正常工作時供油壓力和軸承腔壓隨主機工作狀態(tài)變化，而供油壓差保持穩(wěn)定，一般在247～324 kPa，在該壓差值下保證潤滑部件有足夠的潤滑流量。表2列舉出了采用高熱安定型潤滑油的某型發(fā)動機在中間狀態(tài)下的供油壓力和供油壓差數(shù)據(jù)。

表2 某型發(fā)動機潤滑油壓力數(shù)據(jù)

由數(shù)據(jù)可知，長試發(fā)動機在試車過程中潤滑油供油壓差均符合設(shè)計要求，壓力穩(wěn)定供油平穩(wěn)，滿足發(fā)動機試車需求，表明研制的高熱安定型潤滑油運動黏度能夠適應(yīng)發(fā)動機潤滑油供油系統(tǒng)工況，不會產(chǎn)生供油壓力超限或波動情況。

2.2 潤滑油供回油溫度

潤滑油供回油溫度是發(fā)動機試車過程中的重要監(jiān)控參數(shù)，潤滑油給軸承、齒輪等零部件進行潤滑及冷卻，同時潤滑油自身溫度升高。供油和回油溫度既反映了潤滑油自身的熱量承載能力，也在一定程度上反映出軸承和齒輪構(gòu)件是否存在異常發(fā)熱或磨損。在某型發(fā)動機試車過程監(jiān)控的潤滑油溫度數(shù)據(jù)包括：供油溫度、中軸承腔回油溫度、后軸承腔回油溫度及總回油溫度。潤滑油供回油溫度隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和工作狀態(tài)變化，發(fā)動機處于地面臺架試車的最大載荷和熱負荷狀態(tài)(發(fā)動機中間狀態(tài))下，工作轉(zhuǎn)速最高，附件提取功率最大，各支點軸承軸向和徑向載荷最大，發(fā)熱量最高，因此表3列舉了每間隔100 h檢測的中間狀態(tài)下的供回油溫度。

表3 某型發(fā)動機潤滑油溫度相關(guān)數(shù)據(jù)

由供回油溫度數(shù)據(jù)可知，研制的高熱安定型潤滑油在隨某型發(fā)動機進行試車時，發(fā)動機中間狀態(tài)下最高供油溫度為112 ℃，滿足潤滑油供油溫度≯150 ℃要求；最高回油溫度為188 ℃，滿足發(fā)動機潤滑油回油溫度≯212 ℃的要求，能夠滿足軸承和齒輪部件的冷卻散熱需求；其次試車的供回油溫度穩(wěn)定，說明潤滑油在工作中對軸承、齒輪的冷卻和散熱的效果穩(wěn)定。

采用新研制的高熱安定型潤滑油進行整機試車中，未發(fā)現(xiàn)軸承腔或齒輪異常發(fā)熱問題，同時潤滑油在高溫工作段依然表現(xiàn)出良好且穩(wěn)定的散熱能力、熱承載能力和潤滑特性。

3 潤滑油光譜結(jié)果分析

定期進行潤滑油取樣光譜分析是某型發(fā)動機監(jiān)控其內(nèi)部結(jié)構(gòu)件摩擦磨損的重要手段，采用MOA型潤滑油光譜分析儀，測量每單位質(zhì)量潤滑油中所含有的各種金屬元素質(zhì)量，精度達到百萬分之一(μg/g)。在整個發(fā)動機試車過程中，發(fā)動機每工作(80±5)h潤滑油取樣進行光譜分析，取樣部位為潤滑油箱、發(fā)附機匣、飛附機匣等部位，取樣量為1 mL。

從表4～6可知，所有的金屬元素濃度均處于較低水平，其中Fe元素最高為1.65 μg/g，其他Cr、Ni、Ag、Mo、Al等五種元素均未檢出，表明摩擦副不含這些元素或此類元件未見磨損。

表4 潤滑油箱取樣主要金屬含量 μg/g

表5 發(fā)附機匣取樣主要金屬含量 μg/g

表6 飛附機匣取樣主要金屬含量 μg/g

光譜分析結(jié)果表明，整個長試階段某型發(fā)動機潤滑油中所含的軸承、齒輪等傳動和承力結(jié)構(gòu)件的主要金屬元素濃度穩(wěn)定，沒有異常的增長趨勢，表明軸承、齒輪等結(jié)構(gòu)件均未發(fā)生異常磨損，因此初步認為研制的高熱安定型潤滑油可以滿足對發(fā)動機軸承和傳動齒輪的潤滑需求。

4 潤滑油理化性能變化

潤滑油的酸值、黏度和閃點隨著發(fā)動機工作時間的增加、潤滑油持續(xù)工作的時間增長而變化，能夠在長時間的使用后仍維持三項理化性能指標的穩(wěn)定是潤滑油的重要性能之一。研制的高熱安定型潤滑油在隨某型發(fā)動機完成的持久試車考核中，結(jié)合發(fā)動機的定期檢查進行潤滑油取樣化驗酸值、黏度、閃點理化性能，共取樣7次，具體取樣檢測理化指標數(shù)據(jù)見表7。

表7 某型發(fā)動機長試潤滑油理化指標

從長試潤滑油理化指標數(shù)據(jù)可知，兩次潤滑油的持續(xù)工作期間運動黏度值均處于正常范圍(5.06～5.19 mm2/s)且非常穩(wěn)定，隨著使用時間增加略有升高趨勢，在工作500余小時后仍能滿足潤滑需求；潤滑油酸值一直處于較低范圍，最高為0.14 mgKOH/g，滿足潤滑油的使用酸值要求(≤2 mgKOH/g)，潤滑油使用性能穩(wěn)定；整個長試中潤滑油閃點都在要求值(≥246 ℃)以上，無變低趨勢。

綜上可知，研制的高熱安定型潤滑油在發(fā)動機持久試車中酸值、運動黏度和閃點的性能非常穩(wěn)定，持續(xù)工作后的潤滑油品質(zhì)基本沒有變化，滿足發(fā)動機在此工況下長期不更換潤滑油的使用需求。

5 發(fā)動機分解檢查情況

持久試車后進行了分解檢查，主軸承、齒輪、密封件、潤滑油泵和發(fā)附機匣在分解中均未發(fā)現(xiàn)異常的磨損情況，零部件檢查情況良好。著重檢查軸承腔內(nèi)部、軸承收油環(huán)、低壓渦輪軸、空氣導(dǎo)管等容易產(chǎn)生結(jié)焦和積炭的部位，并與使用國產(chǎn)某潤滑油的大修發(fā)動機進行對比檢查，該臺大修發(fā)動機按照GJB 241A要求的試驗循環(huán)次、試車程序、載荷要求進行，試驗時間為500 h。部分發(fā)動機分解件對比見圖2～圖5。

圖2 采用高熱安定型潤滑油(左)和某國產(chǎn)型潤滑油的空氣導(dǎo)管內(nèi)壁(右)

圖3 采用高熱安定型潤滑油(左)和某國產(chǎn)潤滑油軸承調(diào)整墊(右)

圖4 采用高熱安定型潤滑油(左)和某國產(chǎn)型潤滑油軸承外圈(右)

圖5 采用高熱安定型潤滑油(左)和某國產(chǎn)型潤滑油軸承內(nèi)圈(右)

使用國產(chǎn)某潤滑油的發(fā)動機空氣導(dǎo)管內(nèi)部存在大量潤滑油積炭，而使用新研制的高熱安定型潤滑油的發(fā)動機空氣導(dǎo)管內(nèi)壁則無結(jié)焦或積炭。

采用新研制的高熱安定型潤滑油的軸承調(diào)整墊可以看出金屬原貌，而采用國產(chǎn)某潤滑油的軸承調(diào)整墊表面已經(jīng)完全被結(jié)焦物覆蓋而變色。

根據(jù)軸承內(nèi)外圈的結(jié)焦情況對比，使用國產(chǎn)某潤滑油的軸承內(nèi)圈供油孔溝槽附近區(qū)域存在明顯油泥，軸承外圈結(jié)焦也較為嚴重；而采用新研制的高熱安定型潤滑油的軸承內(nèi)圈供油孔溝槽內(nèi)無油泥沉積，軸承內(nèi)圈金屬顏色清晰可見，外圈也無結(jié)焦現(xiàn)象。

采用新研制的高熱安定型潤滑油發(fā)動機在長期試車后，潤滑油流過部件表面的結(jié)焦和積炭情況明顯少于采用國產(chǎn)某型潤滑油的發(fā)動機，這表明新研制的高熱安定型在發(fā)動機整機試車中有更好的耐高溫能力和熱氧化安定性。

6 結(jié)論

根據(jù)某型發(fā)動機臺架試車和分解檢查情況，結(jié)論如下：

(1)在某型發(fā)動機試車中，潤滑油壓力、溫度等潤滑油系統(tǒng)性能參數(shù)正常，高熱安定型航空潤滑油能夠滿足航空發(fā)動機內(nèi)軸承、齒輪等結(jié)構(gòu)件的潤滑冷卻需求。

(2)試車過程中潤滑油中金屬元素含量均保持在較低水平，沒有發(fā)生軸承、傳動齒輪等構(gòu)件的異常磨損，能夠滿足發(fā)動機長期試車時的工作需求。

(3)試車過程中對潤滑油的理化性能的定期檢測表明，高熱安定型航空潤滑油理化指標穩(wěn)定，其使用壽命可以滿足發(fā)動機長期工作需求。

(4)對比采用高熱安定型航空潤滑油和某國產(chǎn)潤滑油的發(fā)動機分解檢查情況，零部件表面無任何油泥和結(jié)焦情況，高熱安定型航空潤滑油具有更好的耐高溫能力和熱氧化安定性，能夠解決某型發(fā)動機自研制以來一直存在的潤滑油結(jié)焦和積炭較重的問題。