10號航空液壓油在油氣彈簧寒區(qū)工況的應(yīng)用研究

馮棟梁，常豐，寧丹，張旭，蔡文斌，王永麗

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

10號航空液壓油在油氣彈簧寒區(qū)工況的應(yīng)用研究

馮棟梁，常豐，寧丹，張旭，蔡文斌，王永麗

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

為了驗證某車油氣彈簧在寒區(qū)正常工作時所用液壓油的合理性，并給出油液更換標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)該車油氣彈簧寒區(qū)工作特點，依據(jù)寒區(qū)用油性能需求，對其所用的10號航空液壓油的理化參數(shù)做了分析與檢測。結(jié)果表明:10號航空液壓油滿足該車油氣彈簧寒區(qū)用油要求，并給出液壓油更換的依據(jù)。

油氣彈簧；寒區(qū)用油；10號航空液壓油

0 引言

某車采用了油氣懸架這一先進(jìn)的懸架形式，作為其核心部件的油氣彈簧是以油液作為傳力介質(zhì)，同時油液需要對其內(nèi)的高壓橡膠密封件滿足潤滑、冷卻、防腐等作用。該車油氣彈簧需要滿足在寒區(qū)的使用，其中所用液壓油性能的優(yōu)劣，直接影響到油氣彈簧的正常工作狀態(tài)，進(jìn)而影響到車輛懸架的剛度和阻尼特性。為滿足冬季嚴(yán)寒地區(qū)-43 ℃的使用環(huán)境溫度要求，該車油氣彈簧寒區(qū)用油選用了10號航空液壓油。

1 寒區(qū)用油的選用

油氣彈簧寒區(qū)用油需要考慮油氣彈簧的寒區(qū)工況對液壓油相應(yīng)性能的需求。

在寒區(qū)工況下，油氣彈簧用油具有如下工作特點：

(1)工作壓力大[1]。該車在寒區(qū)因為越野速度和不同路況的需求，使得油氣彈簧經(jīng)常處于高頻高振幅的工況，其液壓油的工作壓力能達(dá)到40 MPa以及更高。工作壓力越大，對液壓油黏度性能的要求也越高。低溫會使液壓油黏度變大，而液壓油的黏度增大意味著液壓動作的遲緩，將導(dǎo)致油氣彈簧對位移和力的要求產(chǎn)生滯后。

(2)工作溫度跨度大。根據(jù)該車寒區(qū)跑車采集的具體數(shù)據(jù)統(tǒng)計，該車油氣彈簧液壓油的工作溫度長時間處于-30 ℃(環(huán)境溫度)至80 ℃(40 km/h的跑車溫度)之間，短時間溫度偶爾要到-40 ℃，惡劣工況油液溫度要到100 ℃，這就需要液壓油具備良好的黏溫特性。

(3)工作時承受高剪切力。油氣彈簧中減振閥阻尼孔的縫隙節(jié)流功能，與高轉(zhuǎn)速液壓泵對油氣彈簧供油需求，均使得液壓油經(jīng)常處于高剪切力下工作。因此，液壓油需要具備良好的剪切安定性。低溫會使液壓油黏度增大，從而剪切力也增大，影響油氣彈簧的阻尼特性。

(4)油液清潔度要求高。該車油氣彈簧充放的液壓油會流經(jīng)油箱、液壓管路、各種液壓閥體和油氣彈簧缸內(nèi)，這樣導(dǎo)致該液壓油會與多種金屬和非金屬材料接觸，對該液壓油造成污染，進(jìn)而導(dǎo)致各種閥體和油氣彈簧工作異常。因此對液壓油的清潔度要求很高。

1.1油氣彈簧的寒區(qū)用油，需要滿足以下基本性能要求

為保證油氣彈簧寒區(qū)正常工作，對液壓油的選用，主要需要注意以下幾點[2-7]：

(1)運動黏度: 運動黏度反映的是油品的內(nèi)摩擦力，是表示油品流動性的一項指標(biāo)，用來表征油品的高低溫性能(高低溫性能用黏度指數(shù)表征，而非單純運動黏度)。黏度越高流動性越差，會造成油氣彈簧阻尼力過大；黏度越低潤滑能力越低，油氣彈簧內(nèi)摩擦力增大，密封性能受損，在高壓下會造成液壓油泄漏。

(2)閃點:閃點反映的是油品的蒸發(fā)性能，用以表征油品的易燃程度。閃點越高，高溫性能越好。從油品閃點可判斷其餾分組成的輕重，油品的餾分越輕，揮發(fā)性越大，其閃點越低。反之，油品的餾分越重，揮發(fā)性越小，其閃點越高。油氣彈簧在寒區(qū)工作時，高溫可達(dá)100 ℃左右，油液閃點過低容易造成油液揮發(fā)過度。

(3)凝點:凝點反映的是規(guī)定的冷卻條件下油品停止流動的最高溫度。是表征油品低溫流動性的重要指標(biāo)。凝點過高的油品將使油氣彈簧出現(xiàn)阻尼過大，橡膠密封圈翻轉(zhuǎn)等異常。一般來說，油品的凝點應(yīng)比使用環(huán)境最低溫度低5～7 ℃。

(4)水分:水分反映的是油品中含水量的百分?jǐn)?shù)，通常是質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。油品中水分過高，會破壞油膜厚度，使?jié)櫥Ч儾睿Σ亮υ龃螅瑴囟壬撸铀儆袡C(jī)酸對金屬的腐蝕作用，導(dǎo)致油氣彈簧漏油漏氣。寒區(qū)低溫下，液壓油中水分凝固，附著在油氣彈簧缸筒、活塞和減振閥表面上，可能導(dǎo)致減振閥卡死，密封失效，使油氣彈簧不能正常工作。因此，油品中水分越少越好。

(5)酸值:酸值反映的是油品中含有酸值物質(zhì)的多少，用以表征油品中各種添加劑混合后的總酸度總酸值。酸值過高意味著液壓油中添加劑降解嚴(yán)重，油氣彈簧對液壓油性能的需求不再滿足。

(6)剪切安定性：剪切安定性反映的是油品抵抗剪切的作用，用以表征油品受到機(jī)械剪切力時，抵抗黏度變化的能力。抗剪切能力差意味著油品中的大分子容易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致油品黏度下降，使用壽命短。

根據(jù)以上分析同時借鑒相關(guān)車型實際使用經(jīng)驗，該車油氣彈簧寒區(qū)用油選用了10號航空液壓油，其基礎(chǔ)油為石油基液壓油，是用98%硫酸精制的基礎(chǔ)油，其中加入了黏度指數(shù)改進(jìn)劑聚正丁基乙烯醚、抗氧劑2, 6-二叔丁基對甲酚、染色劑蘇丹IV調(diào)合而成。

10號航空液壓油遵循SH 0358-1995(2005)標(biāo)準(zhǔn)，表1所示是標(biāo)準(zhǔn)中的部分基本技術(shù)要求。

表1 10號航空液壓油技術(shù)要求

對照表1所示，對實車所用新油進(jìn)行了相關(guān)項目的檢測，可得表2所示測試結(jié)果，結(jié)果顯示新油的技術(shù)要求全部滿足。

表2 10號航空液壓油新油測試結(jié)果

1.2油氣彈簧的寒區(qū)用油，需要滿足油液清潔性要求

顆粒污染度是反映油品清潔程度的指標(biāo)之一，它是通過測定油品中顆粒的分布情況來反映油品的顆粒污染程度。對新油而言，顆粒污染物主要是來自于難以溶解的固體添加劑顆粒、調(diào)油設(shè)備及包裝物中的固體顆粒、空氣中的灰塵等。對在用油而言，顆粒污染度則反映了油品自身氧化變質(zhì)、外界污染和設(shè)備磨損的程度，是油液監(jiān)測過程中必不可少的檢測項目之一。顆粒污染度的測定方法有ISO 4406(對應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 14039)和美國的NAS 1638。這兩個標(biāo)準(zhǔn)的測定原理基本相同的。根據(jù)該車油氣彈簧的使用工況，要求其所用液壓油的污染度等級在NAS 8級以下。如果污染度等級過高，油液中混有過多雜質(zhì)，容易引起油氣彈簧缸體的劃傷以及密封的損壞，進(jìn)而導(dǎo)致油氣彈簧失效。對新油取樣25 mL，采用φ25 mm孔徑1.2 μm的微孔濾膜進(jìn)行濾膜分析同時測試其油液污染度。圖1至圖3所示是對10號航空液壓油的新油進(jìn)行濾膜分析的結(jié)果。

圖1 100×鐵系顆粒等

圖2 100×非金屬顆粒等

圖3 100×纖維等

根據(jù)對濾膜的觀察分析可知10號航空液壓油新油中有個別小于20 μm的鐵系顆粒、少量非金屬顆粒和個別纖維等，元素分析結(jié)果該油液污染度等級為NAS 8級。滿足油氣彈簧對該10號航空液壓油的使用要求。顆粒污染度也是反映油品清潔程度的指標(biāo)之一，它是通過測定油品中顆粒的分布情況來反映油品的顆粒污染程度。對新油而言，顆粒污染物主要是來自于難以溶解的固體添加劑顆粒、調(diào)油設(shè)備及包裝物中的固體顆粒、空氣中的灰塵等。對在用油而言，顆粒污染度則反映了油品自身氧化變質(zhì)、外界污染和設(shè)備磨損的程度，是油液監(jiān)測過程中必不可少的檢測項目之一。顆粒污染度的測定方法有ISO 4406(對應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 14039)和美國的NAS 1638。這兩個標(biāo)準(zhǔn)的測定原理基本相同的。

2 寒區(qū)用油的更換

10號航空液壓油在油氣彈簧寒區(qū)使用過程中由于受到機(jī)械、物理和化學(xué)的作用，其性能逐漸劣化。當(dāng)油液主要性能劣化到對油氣彈簧正常工作有危害的程度時，應(yīng)及時更換油液[8]。

根據(jù)該車寒區(qū)跑車觀察，10號航空液壓油寒區(qū)性能下降的主要表現(xiàn)及原因如表3所示。

表3 10號航空液壓油性能劣化表現(xiàn)及原因

10號航空液壓油在寒區(qū)的更換通常采用兩種評判方式：一是根據(jù)經(jīng)驗對油樣觀察確定是否進(jìn)行換油，如液壓油的顏色變黑并且渾濁較嚴(yán)重，用手搓捻感覺油性降低含水量過高，油氣彈簧或液壓閥等出現(xiàn)卡滯等;另一個就是車輛定期檢修時按照規(guī)定對液壓油取樣化驗，根據(jù)化驗結(jié)果確定是否進(jìn)行換油，如液壓油的污染度等級大于NAS 10級，含水量超過標(biāo)準(zhǔn)值，運動黏度等超標(biāo)。

以下是對該車在寒區(qū)跑車4000 km后，油氣彈簧所用10號航空液壓油的化驗分析。

(1) 鐵譜分析與元素分析

圖4至圖6所示為10號航空液壓油鐵譜分析結(jié)果示意圖，表4是元素分析結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖4 100×譜片入口處照片

圖5 500×切削磨粒等

圖6 500×銅合金磨粒等

元素含量/mg·kg-1元素含量/mg·kg-1Mn1.0Fe6Ca2Zn10P201Mg1Pb7Cr10Cu9Si66

舊油中有較多小尺寸的鐵磁性磨粒、個別切削磨粒、少量小于20 μm的滑滾復(fù)合磨粒、個別小于30 μm的銅合金磨粒和少量外界污染顆粒等。分析表明油液污染度等級超過NAS 12級。10號航空液壓油的新油中，Pb、Cu、Fe、Zn、Cr的含量都小于1 mg/kg，元素分析結(jié)果顯示這幾種金屬元素含量均升高。Pb和Zn元素含量升高可能來自于丁腈橡膠所含的硬磷酸脂鉛和氧化鋅的降解，Cu元素含量升高可能來自含有青銅的聚四氟乙烯導(dǎo)向帶的磨損，F(xiàn)e和Cr元素含量升高可能來自金屬缸筒的摩擦磨損等。Si元素含量升高可能是有硅油或外界砂礫混入等。

(2) 理化性能分析(見表5)

表5 10號航空液壓油舊油理化性能分析結(jié)果

對比10號航空液壓油SH 0358-1995的技術(shù)要求，以及新油實測的相關(guān)特性數(shù)據(jù)，可知該油因為氧化使得黏度增加，尤其是-40 ℃對應(yīng)的運動黏度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過許可值。過高的運動黏度會導(dǎo)致油氣彈簧阻尼力增大，剛度阻尼與整車不再匹配，同時過高的黏度導(dǎo)致油液溫升過高，進(jìn)一步導(dǎo)致油液氧化的程度加深。最終導(dǎo)致油氣彈簧無法滿足正常工作需要。

綜合上述分析結(jié)果，可知該車所用10號航空液壓油已經(jīng)失效，必須進(jìn)行更換了。

3 結(jié)論

(1)10號航空液壓油具有良好的質(zhì)量指標(biāo)，適用于該車油氣彈簧在寒區(qū)用油的需要。可滿足工作時油液壓力大、油溫跨度寬、油液承受高剪切力和對油液清潔度有較高要求的油氣彈簧和減振器等的使用需求。

(2)10號航空液壓油的新油一般滿足NAS 8級，如果需要的油液污染度等級小于NAS 8級，需要將新油精濾，若要求低于NAS 7級，則對過濾環(huán)境、包裝物、油品加入方式等均有相關(guān)要求。如果油液污染度大于NAS 10級，建議更換新油。

(3)10號航空液壓油的更換除了采用經(jīng)驗法外，應(yīng)該對其進(jìn)行理化性能檢測，制定更加詳細(xì)的換油指標(biāo)，形成規(guī)范的更換準(zhǔn)則，這樣更能針對實際情況更滑用油，更好地指導(dǎo)實際使用。

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Application Research of No.10 Aviation Hydraulic Oil in Hydro-pneumatic Spring in Cold Area

FENG Dong-liang, CHANG Feng, NING Dan, ZHANG Xu, CAI Wen-bin, WANG Yong-li

(China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China)

To verify the rationality of the hydraulic oil used in the normal operation of a hydro-pneumatic spring in cold area，and give the replacement standards，according to the working characteristics of hydro-pneumatic spring and demands for the oil in cold area, analysis and tests were done for the physical and chemical parameters of No.10 aviation hydraulic oil. The results show that the No.10 aviation hydraulic oil can meet the requirements of the hydro-pneumatic spring in cold area，the replacement basis is also given.

hydro-pneumatic spring; oil in cold area; No.10 aviation hydraulic oil

10.19532/j.cnki.cn21-1265/tq.2017.05.008

1002-3119(2017)05-0036-04

TE626.34

A

2017-04-18。

馮棟梁，碩士，副研究員，2005年畢業(yè)于太原理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，2010年畢業(yè)于中國北方車輛研究所車輛工程專業(yè)，現(xiàn)從事輪式車和履帶車底盤懸架開發(fā)工作,曾公開發(fā)表論文4篇。E-mail:fdl0112201@163.com