航空潤滑油氧化衰變影響因素及檢測方法綜述

岳聰偉 姜旭峰 宗營 桂偉

摘 要：航空潤滑油在高速、高溫且有金屬催化的工作條件下極易被氧化，氧化導致的油品理化性能變化將直接影響潤滑系統的正常工作，甚至危及飛機的安全飛行，因此加強對滑油的氧化衰變情況檢測非常重要。論文簡要分析了滑油氧化衰變的機理、危害及影響因素，對常用的檢測方法進行了綜述，并分析比較了檢測方法的優缺點。

關 鍵 詞：航空潤滑油；氧化衰變；影響因素；檢測方法

中圖分類號：TE 624 文獻標識碼：A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1586-03

Review on Influencing Factors and Detecting Methods About

Oxidation Deterioration of Aviation Lubricating Oil

YUE Cong-wei1，JIANG Xv-feng1，ZONG Ying1，GUI Wei2

（1. Air Force Logistics College， Jiangsu Xuzhou 221000，China；2. 94926 Troop 23 Unit， Wuxi Jiangsu 214000，China）

Abstract： The aviation lubricating oil can be easily oxidized under the conditions of high speed， high temperature and metal catalysis. The oil physical and chemical properties change caused by oxidizing will directly affect the normal work of the lubrication system， even endanger the safety of aircraft， so detecting the oxidation deterioration of lubricating oil is very important. In this paper， the lubricating oil oxidation decay mechanism， harms and influencing factors were analyzed， common detection methods were reviewed， and the advantages and disadvantages of these detection methods were compared.

Key words： Aviation lubricating oil； Oxidation deterioration； Influencing factors； Detecting methods

航空潤滑油作為“維持飛機心臟正常運轉的血液”，不但能潤滑航空發動機各運動部件，而且還能為相應的部件提供足夠的密封、散熱、清洗、防銹等作用，從而提高飛機發動機在高速高溫條件下安全、穩定的工作效能。但在使用過程中，潤滑油易受外界因素和內部條件的影響，導致油品的成分發生變化，潤滑油的性能指標也隨之變化。當潤滑油的某一項性能指標低于其工作的極限值時，就會影響摩擦副的正常工作，給飛機安全飛行帶來隱患。

隨著航空發動機性能的不斷提高，潤滑油系統工作溫度不斷提高，潤滑油工作時間延長，這些條件使得發動機潤滑系統工作條件越來越苛刻[1]。

而航空潤滑油就處在這種高速高溫環境中，氧化反應很容易進行，大量實驗顯示，潤滑油在經過高速高溫環境工作一段時間后其閃點、凝點和水含量變化不大，粘度變化較大，酸值變化較小，由此表明熱氧化安定性比其它指標最先超出允許的極限，氧化成為潤滑油衰變的主要原因，因此，分析和研究航空潤滑油的氧化安定性和氧化衰變程度顯得非常重要[2，3]。

1 航空潤滑油氧化衰變的機理及危害

1.1 航空潤滑油氧化衰變的機理

航空潤滑油經常處于苛刻的環境，在高速高溫下與空氣及熱金屬表面接觸形成的強氧化工作條件，使得航空潤滑油極易被氧化。氧化過程首先是由抗氧劑的消耗開始，當抗氧劑消耗到一定程度時，基礎油開始氧化?；A油的氧化是自由基和過氧化物的烴類發生鏈式氧化反應，基礎油首先生成自由基，具有較高能量，與其他分子相接觸，可以把分子鏈“打斷”，產生更多自由基，這樣就形成了連鎖反應，產生酸、醇、醛、酮等一系列氧化產物[2，3]。

1.2 航空潤滑油氧化衰變的危害

隨著氧化過程的引發，隨之而來的鏈反應過程將迅速破壞潤滑油的功效。最終的結果是，潤滑油的酸值增大、顏色加深、易揮發性的組分增多、粘度增大、密度升高、沉淀物增多。這些由潤滑油氧化引起的理化性能變化將直接影響到潤滑系統的正常運行，如粘度的增加會導致潤滑油流動阻力增加，散熱性能降低，發動機的啟動不正常；酸值的增加會加劇設備的腐蝕；沉淀物的形成很容易造成油路、過濾器堵塞，加劇設備的磨損，等等。這些結果都將會降低飛機發動機的工作性能及使用壽命[2，3]。在近幾年空軍飛機、發動機油液監控中，已發現過多起由于潤滑油氧化衰變、污染導致的飛機、發動機故障[4，5]。

2 航空潤滑油氧化衰變的影響因素

影響潤滑油氧化衰變有很多因素，不僅與其化學組成成分有很大關聯，與其使用的外界條件也有著密切關系。

2.1 潤滑油基礎油的影響。

礦物航空潤滑油是各種烷烴、環烷烴和芳烴及其衍生物的混合物。烴類物質的氧化與烴分子的結構有著密切關系，一般情況下，沒有支鏈的烴類物質氧化安定性能是最好的，相反，烴分子支鏈數目越多，其氧化安定性就越差。其中烷烴較易氧化，環烷烴氧化難度較大，芳烴最不易被氧化。

合成烴滑油聚α-烯烴（PAO）由于其獨特的排列整齊的長側鏈結構，使其比礦物潤滑油具有較好的高溫氧化安定性好。

合成酯類航空潤滑油是除合成烴油外用量最多的合成潤滑油，有雙酯、多元醇酯、復酯等，具有優良的良好的高溫性能，如合成新戊基多元醇酯航空潤滑油的主鏈短，官能團多，分子成球狀結構，其熱安定性可以達到315 ℃。具有較好的高溫氧化安定性好[6， 7]。

2.2 使用溫度、氧溶解度的影響

潤滑油的氧化是油品與溶解在油品中的氧進行反應的。在常溫常壓條件下，潤滑油的氧化速率非常慢。但在高溫下，油中的氧的溶解度會變大，油品的氧化就會加劇，而且溫度越高，氧化就越劇烈。根據范托夫法則，當溫度升高10 ℃時，其氧化反應速率就會相應的加快1～2倍，因此，溫度能在很大程度上影響潤滑油氧化反應速率[7]。

2.3 金屬的影響

通常的情況下，航空潤滑油是用在系統之間減少金屬的磨損，而金屬具有的催化作用會促進潤滑油發生氧化反應。在金屬的眾多種類中，按照金屬材料催化作用的大小有如下排序：Pb>Cu>Xn>Fe>Al[8]。

2.4 其他因素的影響

潤滑油在氧化過程中產生的自由基、醛類化合物、酮類化合物等中間產物以及氧化最終生成的沉淀物都會對潤滑油的氧化反應產生較強的促進作用，能夠促使潤滑油加速氧化。

3潤滑油氧化衰變情況的常用檢測方法

潤滑油抗氧化衰變情況的常用檢測方法比較多，通常可分為兩類，一類是通過氧化試驗檢測潤滑油抗氧化的能力，從而表征潤滑油的氧化安定性；另一種是利用現代檢測技術比較分析在用油和新油中某組成成分的含量變化來表征潤滑油的氧化衰變程度。

3.1 氧化安定性的檢測方法

3.1.1 高壓差熱掃描分析技術（PDSC）

高壓差熱掃描分析技術（PDSC）是在差示掃描量熱技術（DSC）的基礎上改進的。差示掃描量熱試驗是在空氣或氧氣條件下加熱金屬樣品池（一般為鋁材料）中的薄層油膜，測定被檢測的油樣氧化過程中釋放的熱量，能較好的實現對模擬邊界潤滑條件下油品氧化的檢測，通?？蛇x用控制溫度后檢測油品氧化反應開始發生時的氧化誘導時間（OIT）的方法或控制程序升溫后檢測油品發生氧化反應的起始溫度（IOT）來評定油品氧化安定性，OIT越高或IOT越長，油品氧化安定性越好。但由于DSC是在常壓高溫條件下進行的，大量潤滑油蒸發吸熱會對分析造成很大誤差，而PDSC選用高溫和氧壓條件，避免了常溫常壓條件下的蒸發損耗影響，現正被廣泛應用于評價潤滑油的熱氧化安定性[9，10]。

3.1.2 腐蝕與氧化安定性法

腐蝕與氧化安定性法是指在相關金屬催化劑催化和一定溫度的條件下，為滑油提供72 h某流速的氧氣，利用實驗室常規試驗方法測定潤滑油在氧化前后總酸值變化、40 ℃粘度變化率、金屬單位面積質量變化、每100 mL潤滑油所生成沉淀物質量，用這些數據來表征航空潤滑油的氧化安定性。

唐紅金等[11]通過腐蝕與氧化安定性試驗發現航空潤滑油總酸值變化、粘度變化率、沉積物生成量的變化趨勢三者之間存在一定的相關性，實現了通過檢測某一數據來表征滑油抗氧化安定性。

3.1.3 旋轉氧彈法

旋轉氧彈法在實際工作中被廣泛運用，其試驗方法采用ASTM D2272標準。旋轉氧彈法通過將一定量的潤滑油裝在放有銅絲的密閉容器中，充入一定壓力的氧氣，放在150 ℃的油浴中不斷旋轉。氧氣隨潤滑油的氧化而不斷消耗，當容器中的氧氣壓力下降到一定值時試驗結束。通過測試時間來表征潤滑油的抗氧化能力，時間越長，抗氧化能力越強[12]。

3.2 氧化衰變程度的檢測方法

3.2.1 介電常數法

隨著氧化反應的進行，自由基和氧化產物不斷增多，導致了潤滑油的極性變化，介電常數也隨之變化。介電常數法利用在不同頻率的電壓對恒溫條件下氧化前后的潤滑油進行掃描，測定潤滑油氧化前后不同的介電常數，并將測量值與對應的頻率數值繪制成譜圖。計算11 MHz頻率點下氧化前后潤滑油介電常數之差，用該差值表征潤滑油的氧化程度[13]。

楊庭棟等[14]通過試驗驗證了利用介電常數與紅外光譜方法測量的氧化值能夠反映出油品的抗氧化性能。

3.2.2 傅立葉紅外光譜分析法

潤滑油在氧化過程中，發生一系列鏈反應生成的氧化產物都具有共同特征，它們都含有羰基（C=O），其在紅外光譜上的特征峰位于1 720 cm-1處，把該處的吸收值稱為氧化值。紅外光譜法采用差示紅外光譜法原理，通過測定用過的油和新油在1 850～1 550 cm-1的差示紅外光譜圖，計算出該譜帶的面積變化值，由此定量計算出該處氧化產物的氧化值，從而表征潤滑油的氧化衰變程度[15]。

3.2.3 氣相色譜-質譜聯用技術（GC/MS）

潤滑油中抗氧劑含量的變化能較好的反應潤滑油的氧化情況，然而其含量較少，用常規的分析儀器很難實現對其含量的測定。通過將氣相色譜儀與質譜儀聯用，利用色譜儀很強的分離混合物的能力和質譜儀測定化合物的相對分子質量和化學結構的優勢，實現對潤滑油中抗氧劑含量變化的測定，從而表征潤滑油的氧化衰變程度。

4 結束語

由于航空潤滑系統苛刻的工作環境，潤滑油極易發生氧化衰變，且潤滑油的氧化衰變又是導致其失效的主要原因，因此加強對潤滑油氧化衰變情況的監測顯得尤為重要。上述的幾種常用方法都能表征潤滑油氧化衰變情況，在使用過程中也具有各自的優缺點。

高壓差熱掃描分析技術具有用量少、時間快、重復性好等優點，但檢測裝備復雜，成本高，檢測方法較復雜，無法實現在線檢測。

腐蝕與氧化安定性法作為常規的試驗方法，成本低，操作簡單，但試驗時間比較長，重復性不好。

旋轉氧彈法能較好的表征潤滑油的氧化安定性，但該方法存在樣品用量大、操作繁瑣、測定時間長和重復性差等缺點。

介電常數法檢測的結果可靠，檢測裝備和實驗過程簡單，設備便宜，而且能實現在線檢測，但實驗所需的油樣多，受外界干擾大。

傅立葉紅外光譜分析法具有檢測速度快、用油量少、精確性高、重復性好等優點，但其設備費用高，只能對官能團進行檢測分析。

氣相色譜-質譜聯用儀具有分離效果好（可以使用長達數十米的毛細管色譜柱）、操作簡單、分析成本較低、檢測靈敏度高、譜圖庫豐富等優點，能較好的分析組成復雜的混合物，但儀器設備昂貴，且只能分析所得產物中分子量較小的組分，相對分子質量小于500的化合物。

因此在對潤滑油氧化衰變情況進行測定時，要根據實際情況選擇合適的檢測方法。

參考文獻：

[1] 姚俊兵.利用差示掃描量熱法評價潤滑油的高溫抗氧化性能[J].潤滑與密封，2012，32（5）：35-37.

[2]謝鳳，張寧波.潤滑油性質與應用[M].徐州：藍天出版社，2014：328.

[3]呂伯平，陳名華.航空油液監測技術[M].北京：航空工業出版社，2006：81-87.

[4]費逸偉，張冬梅，姜旭峰.潤滑油的性質對航空發動機故障影響的研究[J].潤滑與密封，2004，1（161）：84-89.

[5] 龔榮亮.航空發動機磨損故障的探究[J].大觀周刊，2011，23（527）：101.

[6]李斌.謝鳳.航空發動機潤滑油簡介[J].合成潤滑材料，2014，41（1）：24-25

[7]張爽.淺談潤滑油氧化安定性的影響因素[J].黑龍江科技，2013（25）：19.

[8]馬玉紅，姚婷，郝敬團，等.航空潤滑油熱氧化安定性研究[J].北京：山東化工，2013（42）：50-53

[9] 姚俊兵.利用差示掃描量熱法評價潤滑油的高溫抗氧化性能[J].潤滑與密封，2012，32（5）：35-37.

[10]陳立波，宋蘭琪，趙志翔，等.高壓差熱掃描分析技術在潤滑油熱氧化研究中的應用[J].潤滑與密封，2003，1：51-55.

[11]唐紅金，梁宇翔，賀景堅，等.航空潤滑油氧化安定性評定指標相互關聯性研究[J].石油煉制與化工，2010，41（6）：17-20.

[12]邵麗驊. 油品氧化安定性的快速測定法—旋轉氧彈法[J]. 安徽化工，2000（1）：45.

[13]徐敏. 用介電常數監測酯類潤滑油[J].軍用航油--國外部分，1991 （01）：22-26.

[14]楊庭棟，馮新瀘，米紅英，等.潤滑油抗氧化性能檢測方法的研究[J].分析儀器，2004，4：43-45.

[15]馮新瀘，史永剛.近紅外光譜及其在石油產品分析中的應用[M].北京：中國石化出版社，2002：231.