基于軸承模擬試驗裝置的航空潤滑油高溫氧化安定性能研究*

(空軍勤務學院航空軍需與燃料系 江蘇徐州 221000)

航空發(fā)動機潤滑油的作用是潤滑和冷卻軸承及其關鍵附件傳動部位，并能夠起到良好的密封效果[1]。由于現(xiàn)代航空發(fā)動機潤滑部位的工況條件越來越苛刻，如高轉速、高負荷和高溫等，對潤滑油的高溫安定性提出了更高的要求。航空潤滑油的高溫氧化安定性是指潤滑油在金屬的催化和加熱條件下抵抗氧化和變質的能力，溫度是其中最重要的因素。潤滑油的熱氧化穩(wěn)定性是反映潤滑油在運輸、儲存和實際使用過程中氧化變質或老化趨勢的重要特征[2]。航空潤滑油氧化后，會產生膠狀腐蝕性物質，其理化指標值大幅降低，包括顏色加深、黏度下降、泡沫阻力和酸值增加等，甚至可能引發(fā)安全事故。因此，模擬航空發(fā)動機軸承實際運行條件下潤滑油的熱氧化穩(wěn)定性具有重要意義。

潤滑劑的軸承試驗是檢驗其使用性能的必要程序，同時也是工況模擬的有效手段[3]。利用軸承試驗機可以模擬航空發(fā)動機軸承的運行條件，更加真實地反映潤滑油在航空發(fā)動機實際工況條件下的性能[4]，分析軸承潤滑油膜形成機制、油膜壓力分布和潤滑部位溫度、摩擦因數(shù)、磨損等的變化規(guī)律[5]，對于研究航空潤滑油實際工況下的性能變化有著重要意義。李云峰等[6]針對航空發(fā)動機中介軸承的結構特點，研制出一種航空發(fā)動機中介軸承試驗機，并采用4050合成航空潤滑油進行驗證試驗，結果表明，該試驗機可精確控制軸承的載荷、轉速和溫度參數(shù)，準確監(jiān)測油膜厚度及壓力。李智剛等[7]針對單臺航空主軸試驗機只能模擬單軸的缺點，設計研制了航空發(fā)動機軸系軸承試驗機，滿足了航空發(fā)動機主軸軸系的多個重要軸承同時進行試驗的要求，并可對同系軸承進行不同設置條件的工況模擬，有效節(jié)約了時間及試驗成本。

在油液分析手段方面，壓差示掃描量熱(PDSC)、熱重分析法(TG)和薄膜氧化試驗法等在潤滑油性能評價方面應用最為廣泛，具有用量少、時間快、重復性好等優(yōu)點。SHARMA等[8]采用PDSC測定了不同潤滑油的氧化誘導期(OIT)，尋找其與潤滑油主要使用指標的關系，所獲實驗結果與傳統(tǒng)ASTMD 943標準試驗方法一致度較高。近年來，隨著電子技術、計算機技術等信息手段的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代儀器分析技術發(fā)生了深刻變化，并向著快速準確、自動靈敏及適應特殊分析的方向不斷改進和完善[9]。目前，利用聯(lián)用技術的液相色譜-質譜(LC-MS)、氣相色譜-質譜(GC-MS)等，具有操作簡便、速度快、靈敏度高、檢測適用范圍廣等特點，已廣泛應用于各領域[10]。

由于超音速飛機發(fā)動機軸承負荷可達到680～900 MPa，而渦槳發(fā)動機的減速器齒輪承受的負荷在110～1 200 MPa[11-12]，因此，所采用的軸承模擬試驗裝置必須能夠提供高溫、高轉速和高載荷等模擬工況條件。本文作者以某型酯類合成航空潤滑油為研究對象，通過模擬航空發(fā)動機工作環(huán)境苛刻，對該型酯類潤滑油進行不同工況條件下的高溫氧化實驗；同時使用LC/MS、GC/MS以及PDSC等現(xiàn)代分析技術監(jiān)測評估試驗油品的結構性能變化，并分析研究該型酯類航空潤滑油在苛刻工況環(huán)境下的使用溫度對其氧化安定性能的影響，為酯類航空潤滑油的性能改進提供技術支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗材料和儀器設備

試驗對象為某型酯類航空潤滑油，該油航空潤滑油由某油料研究所提供，外觀為淺棕色，基礎油為癸二酸二異辛酯，40 ℃運動黏度為11.43 mm2/s，酸值為0.05 mg/g(以KOH計)，抗氧添加劑為N-苯基α-萘胺(T531)。

試驗在西安交通大學研發(fā)的航空滾子軸承模擬試驗裝置上進行(如圖1所示)，根據試驗的實際要求，軸承接口尺寸為d=50 mm，D=80 mm，B=16 mm；試驗可提供的徑向載荷為0～10 000 N，能夠實現(xiàn)的無級調速范圍為0～10 000 r/min，提供的軸承基礎環(huán)境溫度范圍為室溫至300 ℃。試驗裝置由加載系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和測控系統(tǒng)5個子系統(tǒng)組成，以實現(xiàn)對軸承系統(tǒng)工況條件的控制和測量。

圖1 軸承模擬試驗裝置結構剖面圖Fig 1 Structural profile of bearing simulation test device

高溫氧化試驗后，對油樣組分進行分離分析。分析儀器包括液相色譜-質譜(LC-MS)聯(lián)用儀，型號為UPLC-CLASS/QTOF G2-XS(美國WATERS公司)，氣相色譜-質譜(GC-MS)聯(lián)用儀(英國PerkinElmer.公司)。

試驗油樣的高溫氧化安定性能測試采用壓差示掃描量熱儀，型號為PDSC 8000(英國PerkinElmer公司)。

1.2 軸承模擬試驗裝置試驗

軸承模擬試驗的參數(shù)包括載荷、轉速、溫度以及潤滑流量，不同參數(shù)由各子系統(tǒng)獨立控制。試驗時，向采集室加入200 mL某型酯類航空潤滑油，確定設備狀態(tài)良好后首先設置適當?shù)臐櫥髁浚员ＷC對試驗軸承的充分潤滑，接著按照梯度依次設定工況溫度(210、230、250、270和290 ℃)，參考該型酯類油在航空發(fā)動機上的使用工況，將轉速設定為5 000 r/min，試驗載荷統(tǒng)一設置為2 000 N。計時開始，到達試驗時間2 h后卸載，關閉軸承裝置操作系統(tǒng)，將氧化油樣冷卻至室溫，收集待用。對不同工況模擬后的氧化油樣編號，依次為S1、S2、S3、S4、S5。

1.3 運動黏度測定

按照石油產品運動黏度GB/T 265標準，對不同溫度條件下的氧化油樣運動黏度進行測定。

1.4 LC/MS和GC/MS 分析

色譜柱為Waters SymmetryC18，流動相有純水(A)、乙酸(B)、甲醇(C)、含添加劑的水(D)；柱溫為40 ℃，設定為自動進樣。質譜采用電噴霧離子源(ESI)，正離子，質核比范圍為100～2 500。

氣相色譜分析條件：進樣量0.1 μL，進樣速率1.562 50 pts/s，載氣為氦氣(He)，分流比50∶1，氣壓0.5 MPa，速率50 mL/min。色譜分析條件：初始溫度50 ℃，以20 ℃/min的升溫速率升溫至280 ℃，保持18.5 min，GC分析時間為30 min。質譜分析條件：EI源離子化方式，m/z掃描范圍45～550，溶劑延遲30 s，掃描時間0.5～30 min。利用積分峰面積的方法，對各物質峰面積進行積分，得到各物質百分含量。

1.5 PDSC分析

測試條件：進樣3 μL，起始溫度為50 ℃，氧氣氛圍，流量為20 mL/min，以20 ℃/min速率升溫至300 ℃。PPDSC是潤滑油熱分析方法，即利用油樣氧化后會產生熱量的特點，通過分析獲取熱流的變化過程曲線，計算起始氧化溫度(IOT)和氧化誘導期(OIT)兩項參數(shù)，以此來評價油樣高溫下的氧化安定性能，潤滑油的IOT值越高、OIT時間越長，則油樣的氧化安定性能越好[13]。

2 結果與討論

2.1 油樣黏度變化分析

對5組油樣的40 ℃黏度值進行了測定，圖2給出了不同高溫條件下氧化后試驗油樣的運動黏度值變化趨勢。

圖2 不同溫度下氧化后試驗油樣40 ℃黏度變化趨勢Fig 2 Trend of oil samples’ viscosity at 40 ℃ after oxidation at different temperatures

由圖2可以看出，油樣在高溫、高載荷條件下試驗后，黏度值明顯下降(210～290 ℃下氧化后的40 ℃黏度值為2.96～3.14 mm2/s)，遠遠低于其氧化前的40 ℃黏度11.43 mm2/s；而隨著模擬氧化溫度的升高，該型酯類航空潤滑油的黏度先升高再逐漸下降。其中210 ℃條件下氧化2 h后的黏度為3.07 mm2/s；氧化溫度升高至230和250 ℃時，黏度增加至該油品的最大黏度3.14 mm2/s；但當溫度繼續(xù)升高至270和290 ℃時，黏度卻分別降至3.05和2.96 mm2/s，不過下降幅度很小。這是由于基礎油分子在高溫作用下會相互聚合成分子量較大的物質，導致黏度增加，同時又會發(fā)生熱裂解生成一系列小分子物質，導致黏度下降，而油品黏度的變化趨勢正是兩者綜合作用的結果。

酯類航空潤滑基礎油分子中醇端的β碳原子上有活潑氫原子，受熱時活潑氫與羧基氧結合形成的六元環(huán)發(fā)生β位C-H 鍵斷裂，生成易腐蝕金屬的烯烴和羧酸[14]。在高溫下酯類航空潤滑基礎油的大分子長鏈結構會發(fā)生破壞，斷裂后進而生成大量的短鏈小分子群，從而使得油樣的黏度大幅減小[15]。但在接近300 ℃的極高溫度氧化后，油樣的黏度卻沒有急劇地下降，這是由于該型酯類潤滑油中添加了高溫抗氧劑(T531)，抗氧劑有效地抑制了油品黏度的變化幅度，很大程度地減少了小分子的生成，使油樣的黏度得到了維持，保證了較好的使用性能。

2.2 油樣LC/MS、GC/MS分析

利用LC/MS技術可以對潤滑油氧化后產生的大分子量及不穩(wěn)定的產物進行有效剖析。以210 ℃高溫下氧化2 h后油樣為例進行分析，結果如圖3所示。該型酯類航空潤滑油的基礎油為癸二酸二異辛酯(DOS)，相對分子質量為426，經過高溫氧化后，色譜中不同分子量峰的數(shù)量明顯增加，說明其氧化后產生了較多不同分子類型的氧化產物；在保留時間10 min之前和15～20 min之間，出現(xiàn)了大量不同分子量的化合物，其相對分子質量跨度為295～803；在保留時間22 min之后出現(xiàn)的化合物相對分子質量普遍超過450，最高為717。

在該型潤滑油原樣中，各組分相對分子質量集中在350～450之間。但是，其分子量在氧化過程發(fā)生了明顯變化，產生了大量不同分子量的化合物，其產物最小相對分子質量為295，最大相對分子質量為1 043。為了進一步明確該型潤滑油高溫氧化油樣中分子量的分布，利用峰面積積分法，對相對分子質量小于350、大于450和相對分子質量在350～450之間的化合物峰面積進行手動積分。

表1中給出了210 ℃高溫下氧化2 h后油樣在不同分子量范圍內化合物相對面積占比情況。與該型潤滑油原油樣相比，其氧化產物既包括低于基礎油分子量的成分，也產生了高于基礎油分子量的成分，且其中大部分為分子量增大的產物。

圖3 210 ℃下氧化2 h 油樣液相色譜圖Fig 3 Liquid chromatogram of the oil sample after oxidation for 2 h at 210 ℃

表1 210 ℃下氧化油樣不同分子量范圍峰面積占比Table 1 Peak area ratio of different molecular weight range for the oil sample oxidized at 210 ℃

其余溫度下氧化油樣與210 ℃氧化油樣表現(xiàn)出類似的趨勢，且生成分子量增大的產物占比呈增加的趨勢。為了進一步探究氧化產物的信息，利用GC/MS對氧化油樣進行了分析，圖4給出了各油樣總離子流色譜圖。表2給出了不同溫度下氧化油樣的幾種主要氧化產物分布，表3給出了不同溫度下氧化油樣的氧化產物種類與相對含量。

圖4 不同溫度下氧化油樣的總離子流色譜圖Fig 4 Total ion flow chromatogram of the oil samples oxidized at different temperatures

表2 不同溫度下氧化油樣的幾種主要氧化產物分布Table 2 Distribution of several main oxidation products of the oil samples oxidized at different temperatures

表3 不同溫度下氧化油樣的氧化產物種類與相對含量Table 3 Types and relative contents of oxidation products of the oil samples oxidized at different temperatures %

由表2、表3可以看出，GC-MS檢測到的氧化產物以酯類為主，主要為癸二酸二異辛酯基礎油分子斷裂后所產生的單酯、雙酯類化合物，另外還檢測到了少量的酮、醇和羧酸類化合物分子。

2.3 油樣PDSC分析

圖5、圖6分別給出了不同溫度下氧化油樣的熱流曲線和IOT值變化趨勢。

圖5 不同溫度下氧化油樣的熱流曲線Fig 5 Heat flow curves of the oil samples oxidized at different temperatures

圖6 不同溫度下氧化油樣的IOT變化關系Fig 6 IOT variation of the oil samples oxidized at different temperatures

表4 給出了不同溫度下氧化油樣的抗氧劑含量與IOT變化。

表4 不同溫度下氧化油樣的抗氧劑含量與IOT變化Table 4 Changes of antioxidant content and IOT of the oil samples oxidized at different temperatures

從圖6、表4可以發(fā)現(xiàn)：氧化油樣的抗氧劑含量隨氧化溫度升高逐漸降低，IOT值也逐步降低。航空潤滑油高溫環(huán)境下的氧化安定性，一般取決于基礎油成分結構以及抗氧劑的作用，從表4可以看出，試驗油樣在高溫氧化過程中抗氧劑含量在降低，且抗氧劑含量隨著氧化溫度的升高明顯降低，即溫度越高，抗氧劑消耗越劇烈。抗氧劑用以抑制油樣氧化變質，并裂解出大量小分子產物，因而抗氧劑質量分數(shù)由210 ℃下氧化油樣(S1)的0.334%，下降到290 ℃下氧化油樣(S5)的0.103%。從表2可以看出，230 ℃條件下氧化后，試驗油樣中開始出現(xiàn)不安定成分，如2-乙基-1-己醇等化合物，易氧化成為酸類物質，導致樣品的氧化安定性能下降；而隨著氧化溫度的升高，油樣更易產生不安定化合物，進而使得油樣的氧化安定性能降低。

溫度升高至極高的氧化溫度時，抗氧劑的消耗以及不安定化合產物的產生都會使得IOT值降低，即油樣的氧化安定性能變差。

3 結論

(1)軸承模擬試結果表明，高轉速、高載荷工況條件的剪切作用使得該型酯類油的黏度明顯下降，遠低于產品初始值；而隨氧化溫度的升高，基礎油分子熱氧化和熱裂解同時作用，使得其黏度值呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，但整體變化幅度較小，表明抗氧劑(T531)能夠抑制短鏈小分子群的生成，防止高溫下油品黏度的急劇下降。

(2)該型酯類油在氧化過程中產生的大量化合物中，其分子量分布較為集中，大部分都高于原潤滑油及其基礎油分子量；各試驗油樣氧化產物主要為癸二酸二異辛酯基礎油分子斷裂后所產生的單酯、雙酯類化合物；當氧化溫度不斷升高時，產生的分子量增大的產物的占比也越來越大。

(3)通過對該型酯類航空潤滑油的熱分析，發(fā)現(xiàn)在苛刻的工況條件下，極高的使用溫度(200 ℃以上)會造成抗氧劑的大量消耗，隨氧化溫度升高，油品更易生成不安定化合產物，其多為短鏈小分子結構；且溫度越高，其氧化安定性能下降得越快，導致油品變質越劇烈。