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技术百科

航空润滑油关键性指标分析

浏览:149 发表时间:2020-04-01 09:53:43

  润滑油作为“机械运转的血液”,在飞机发动机中起着润滑、冷却、清净、密封、防锈等重要作用,广泛用于发动机的摩擦部位,主要用于前、中、后轴承和传动装置,对于涡轮螺旋桨发动机来说,还用于螺旋桨减速器。随着航空涡轮发动机转速、功率和负荷的不断增加,涡轮前温度、压力、增压比和推重比参数的不断升高,苛刻的用油环境给航空润滑油的使用带来了新的难题。在发动机内部高温高压的环境中,润滑油与金属部件接触,金属作为催化剂容易加速润滑油的氧化变质,粘度、酸值等理化指标的变化,使其润滑效果降低,腐蚀能力加强;同时,在外部低温环境下,发动机启动或再启动需要克服润滑油低温变稠、凝固等一系列问题,这对润滑油的各项使用指标提出了更为苛刻的要求。


  为达到改进航空润滑油使用性能和改善用油环境的目的,研究航空润滑油的几个关键性使用指标甚为重要。


  航空发动机润滑油关键性使用指标分析

  润滑油是由基础油和添加剂调和而成,基础油大约占90-95%,基础油结构组成直接决定润滑油性质好坏。航空发动机润滑油关键性使用指标主要有润滑性、氧化安定性、低温流动性和防腐性。


润滑性


  润滑可使具有相对运动(包括滚动和滑动)的两个接触物体表面之间形成薄膜,防止表面磨损并减小摩擦系数、减少发热量,是延长轴承寿命的必要保障措施。对于飞机发动机内部转速较高、发热量或外端传人热量较多的轴承,润滑性是确保轴承可靠工作的必要条件。

 

  航空润滑油的润滑性涉及到油品的粘度、油性、极压性三方面性质。粘度是润滑油的基本机械特性,能表征润滑油在润滑系统中的流动、低温快速启动、冷却以及防止从密封件中泄露等使用特征;油性体现了润滑油在金属表面形成吸附膜的性质,其反映了润滑油在较高负荷和较低转速条件下的润滑能力;极压性则体现了润滑油在金属表面形成边界反应膜的性质,它反映了油品在苛刻条件下的润滑能力。


  粘度的影响因素,既包括航空润滑油基础油的结构组成、抗氧剂的类型含量,也包括温度、压力和剪切力等外部诱因,实验室通常按GB/T 265-1988(2004)方法标准,用玻璃毛细管粘度计测定石油产品的运动粘度。


  油性的强弱与所含极性分子相关,不同类型的分子,极性不同,在金属表面的吸附能力不同,从而形成的边界吸附膜层的厚度与稳定性也不同。极压性的大小,与形成边界反应膜的极压添加剂成分有关,润滑油的基础成分烃类不能与金属发生化学反应,因而不具有极压性,通常需要加入一些含活性成分的硫化物、氯化物和磷化物等极压添加剂来使其具有极压性。油品的油性和极压性,由于涉及的影响因素很多,无法用简单的理化指标来表示,因而多采用摩擦-磨损试验机评定,四球机是目前应用最广泛的一种摩擦试验机。


  现代航空涡轮发动机主要润滑件为滚动轴承,轴承转速快、负荷大,润滑油循环周期短,通常采取喷雾润滑。当发动机工作时,涡轮转子的转速约为10200-13300r/min,涡轮的温度瞬间可达1400℃,对润滑油分子有很大的剪切作用,会破坏吸附膜和边界应膜的生成。润滑油长时间工作在150-200℃的条件下,其粘度会增大,当润滑油粘度过大时,其流动性变差,工作阻力增大,零件磨损程度增加;相反,若润滑油的粘度过小,就难以形成足够厚度的油膜,使摩擦面间不能形成正常而连续的润滑层,造成机械的磨损;另外,粘度太小,还会使发动机气缸的密封性变差,造成气缸漏气、功率下降、稀释和污染润滑油等后果。


氧化安定性


  航空润滑油的氧化安定性指在发动机内部长时间高温和金属催化条件下,润滑油抵抗氧化变质的能力。氧化衰变是导致航空润滑油失效变质的最重要因素,也是决定润滑油使用寿命的关键因素。


  航空润滑油长时间的高温高压工作环境,将加速润滑油的氧化、分解和催化反应等,Cu、Fe等金属材料还可能加快润滑油变质速率,将严重缩短发动机使用寿命。润滑油氧化后产生油泥或沉淀物等,使得润滑油部分理化性能发生变化,同时,氧化产生的有机酸能腐蚀金属,羟基酸还能进一步缩合成漆状和焦状沉淀物,造成零件粘结故障,危害飞行安全。

 

  润滑油的氧化安定性很大程度上取决于其结构组成。润滑油既含有烷烃、环烷烃和芳烃等烃类物质,也含有硫醇、硫醚等非烃类化合物,其中,烃类物质是润滑油中最主要的组成部分,其支链数目和链长度等分子结构对油品热氧化影响很大。通常情况下,不含支链的链烃类氧化安定性***,支链越多,安定性越差;不含内环的芳烃热氧化安定性***,内环数目越多,其氧化安定性越差;此外也与航空润滑油使用条件如温度、氧压、接触金属、接触面积、氧化时间等有关,因而评价各种润滑油的氧化安定性的氧化试验条件各不相同,须根据所测定润滑油的使用情况来选择合适的试验条件。

 

  目前,除了改善合成油工艺和油品工作环境来提高航空润滑油安定性外,通常加入抗氧化添加剂来改善其性能,常见的抗氧剂有T501和TZ516等。润滑油的氧化试验,通常与检测油品腐蚀性结合起来,通过处理油品后测定粘度、酸值等理化指标来判定润滑油是否达标,通常是在一定量的试油中,放入金属片作为催化剂,在一定温度下,通入一定量的空气(或氧气),经过规定的试验时间后,测定试油氧化后的酸值、粘度、沉淀物和金属片的质量变化,或者是测定酸值达到规定值所经过的试验时间。



低温流动性


  低温流动性主要考查低温条件下航空润滑油对飞机发动机启动过程的影响,此外,航空润滑油良好的流动性还用于发动机零部件清洁和散热作用。具有良好流动性的润滑油,可以从设备的润滑系统中顺利地输送到零件的摩擦表面去。油品在低温下失去流动性主要分为结构凝固和粘温凝固。


  航润滑油的低温流动性主要涉及到低温粘度和凝点两个方面因素。寒冷的季节使用粘度较大的润滑油还会使润滑系统受到损坏。同时,航空润滑油必须保证多发飞机在高空飞行时再启动时低温粘度符合指标,不能凝固,因此,航空润滑油必须具有较小的低温粘度和较低的凝点。


  实验室润滑油凝点测定通常按GB/T 510-1983(1991)方法标准进行,目前,除了用凝点指标表示航空润滑油失去流动的温度外,多数油品还使用倾点表示。倾点是指在规定条件下被冷却的试样能流动的***温度,其测定通常按照GB/T 3535方法标准进行,将试样先预热后,在规定速度下冷却,每间隔3检查一次试样的流动性,记录观察到试样能流动的***温度作为倾点。对于航空润滑油来讲,如果倾点或凝点过高,会造成发动机启动困难,因此,一般选用比使用温度低10-20℃倾点或凝点的润滑油。为了改善航空润滑油的低温流动性,除改进油品结构组成外,通常使用不同的添加剂来达到效果,如粘度指数改进剂、降凝剂等。



腐蚀性


  航空润滑油的腐蚀性主要指在实际工况中,发动机金属零部件与润滑油中某介质相接触时,由于发生化学作用或电化学作用而引起金属的破坏。纯净的航空润滑油在机械使用过程中可在金属表面形成吸附油层,阻止和减少外界腐蚀性物质与金属的直接接触,减少机械零部件的腐蚀。如果润滑油中存在腐蚀性物质,其中的有机酸(或酸性氧化物)、硫化物等在温度过高时对金属产生化学腐蚀;有机酸金属盐类混入润滑油中的水分,则可对金属产生电化学腐蚀。


  腐蚀会对设备的寿命带来严重的威胁,润滑油对金属的腐蚀主要是酸的腐蚀。润滑油在贮存和使用过程中,由于受到热、氧和光线等因素的作用,会发生氧化和分解,生成酸性物质,从而使油品的酸值不断的增大。酸的腐蚀受温度的影响较大,在较低的温度下腐蚀不严重,而在230℃-400℃范围内腐蚀最为严重,而腐蚀产物又能加剧润滑油的氧化,进一步增加油品的酸值。


  润滑油的酸值是表明油品中含有有机酸性物质的重要指标,同时,也是用来衡量润滑油腐蚀性的一项重要指标,实验室常用方法标准是GB/T 7304—2000(2004)。酸值是中和1g润滑油中的酸所需的氢氧化钾的毫克数,根据酸值的大小可以判断油品中酸性物质的量,酸值越大,则表明油品中所含酸性物质愈多。除了测量油品的酸值,常见的润滑油腐蚀性测量方法还有水溶性酸或碱、润滑油腐蚀试验、发动机润滑油腐蚀度测定法等,其方法标准分别是GB/T 259-1988(2004)、GJB 497、GB/T 391-1977(1988)。在实际工况中,通常加入防腐添加剂来改善航空润滑油的防腐性能。


  航空润滑油各项使用指标的合格与否直接关系到飞机能否正常运转。全面、准确、精细的评价航空润滑油的关键性指标,并根据发动机实际工况及时更换用油,在保障飞机用油安全中及其重要。随着现代航空发动机各方面性能的不断提高,改善机械用油环境,提升航空润滑油质量在当下愈显重要。


资料来源:彭显才,费逸伟,姚婷,航空润滑油关键性使用指标分析[J].化工时刊,2016,30(04):36-40.

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