高溫潤滑系統的改進設計

谷運龍 楊丹峰 趙俊宏 馬德鋒 趙偉樺

摘 要

針對軸承試驗機中潤滑油出現碳化結焦的現象，分析其原因，提出了潤滑系統改進措施，包括加熱棒結構，保溫措施以及控制方式等，有效地解決了潤滑油碳化結焦的問題。

關鍵詞

軸承試驗機;高溫潤滑系統;碳化結焦

中圖分類號： TH133.33;TH117.2 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.021

航空發動機軸承在進行部件試驗時，采用將潤滑油加熱到一定溫度用于模擬其工作環境溫度，航空潤滑油使用溫度可達180～200℃[1]。在某型航空發動機軸承試驗器上對某型號軸承進行1500h壽命試驗時，將潤滑油加熱到100℃模擬其高溫工作環境，采用4106航空潤滑油，供油流量為1.5L/min，試驗運行455h時，潤滑系統壓力報警停機，拆解高溫過濾器后，發現過濾器濾芯發生嚴重堵塞，加熱棒表面有大量黑色焦炭。本文從滑油碳化結焦的機理分析，針對潤滑系統的結構及其存在的問題，進行改進設計。

1 高溫潤滑系統介紹

航空發動機軸承試驗機高溫潤滑系統原理圖如圖1所示，供油泵將1#油箱的油經過溢流閥、濾油器送入2#油箱，2#油箱內有一組加熱棒（6根）將潤滑油加熱至所需的溫度。在封閉的試驗軸承箱體里，通過回油泵把油抽回到1#油箱。為了保護回油泵及調節系統溫度，在管路上設置了冷卻器和濾油器。溫度控制原理是以供油溫度為目標溫度，控制加熱器工作，潤滑油與加熱器表面進行換熱，使潤滑油的溫度升高。

2 問題分析及驗證

2.1 試驗現象

潤滑系統發生壓力降低后，拆解潤滑系統中的加熱棒，發現加熱棒表面出現大量的黑色物質，為滑油碳化結焦的產物，如圖2所示。

2.2 問題分析

潤滑油碳化結焦的原理是潤滑油在高溫、氧氣及金屬催化的條件下，逐步氧化、碳化最終結焦[2]。4106航空潤滑油從使用溫度上劃分屬于Ⅱ型油，使用溫度范圍為-40～+220℃，在250℃左右條件下就開始分解[3]，在320℃條件下開始出現結焦現象[4]。

從潤滑油碳化結焦的原理上進行分析，造成滑油碳化結焦的主要因素是加熱棒與潤滑油接觸處的表面溫度過高。由于采用電加熱管對潤滑油進行直接加熱，依靠電加熱管表面的高溫與其周圍的潤滑油進行換熱的方式將潤滑油進行加熱，往往是電加熱管表面溫度很高，而油箱內的潤滑油溫度梯度變化很大，會造成各處潤滑油的品質不一，電加熱管附近的潤滑油碳化嚴重。

2.3 試驗驗證

為驗證滑油碳化結焦的原因是因加熱棒與潤滑油接觸處的表面溫度過高，在原有潤滑系統中的加熱棒上加裝溫度傳感器進行測量。如圖3所示。

將加裝溫度傳感器的加熱棒重新裝到潤滑系統中，打開潤滑系統，進行加熱試驗，并監測溫度傳感器的溫度值。設置供油溫度，打開潤滑系統，記錄供油溫度及加熱棒表面溫度，曲線對比圖如圖4所示。

從圖4中，可以看出，加熱棒表面溫度遠遠高于供油溫度，且在供油溫度沒有達到目標值前，加熱棒表面溫度已經超過250℃。

由此可見，潤滑系統中加熱棒表面溫度過高是導致潤滑油碳化結焦的主要原因。

3 潤滑系統結構設計改進

結合滑油碳化結焦的原因，對原有的潤滑系統進行改進，主要著手于控制加熱棒表面溫度，系統的保溫及控制方式等三個方面。

潤滑油的加熱方式分為直接加熱和間接加熱，直接加熱方式包括加熱棒直接加熱、電磁感應加熱[5]等，間接加熱包括導熱油電加熱等。其中，直接加熱的方式從效率及能耗上均比間接加熱更優越。本系統改進采用原有的潤滑系統，針對加熱棒的結構進行改進。

控制加熱棒表面溫度是控制滑油碳化結焦的關鍵，結構上從兩個方面對加熱棒進行改進，一是加熱棒的結構從原有的U型結構改為與潤滑油接觸面積更大的圓柱形加熱棒，二是在將溫度傳感器封裝到加熱棒中，監測加熱棒溫度（以下簡稱加熱棒內部溫度）。加熱棒的功率根據加熱溫度以及潤滑油流量、潤滑油的比熱容及換熱系數等計算，本文不在此進行詳述。改進后的加熱棒結構如圖5所示。

系統保溫主要在管路上加裝保溫棉進行保溫，減小系統熱量損耗。

控制方式以供油溫度為目標值，采用控制加熱棒內部溫度不超過某一規定值作為控制方式的限定值的方式，對潤滑油進行加熱。具體控制方式不在此進行詳述。

由于本次改進的加熱棒中的溫度傳感器是安裝在加熱棒里面，不能準確地反映與潤滑油接觸處的加熱棒表面溫度，因此，首先測試加熱棒表面溫度與改進的加熱棒內部溫度的差別，評估控制加熱棒溫度的范圍。測試方式如圖6所示。將加熱棒放置空氣中，在加熱棒表面安裝溫度傳感器，測量與加熱棒內部溫度的差別。測試結果曲線圖如圖7所示。

從上圖可知，加熱棒表面溫度與加熱棒內部的溫度傳感器測量的溫度差值較大，當加熱棒內部溫度達到330℃時，加熱棒表面溫度約110℃。

因此，可將加熱棒內部溫度330℃作為控制加熱棒工作的限定值。

4 試驗驗證

將改進后的加熱棒安裝到潤滑系統中，將潤滑系統中相應的管路加裝保溫棉，編制加熱方式控制軟件，設置供油溫度100℃作為目標值，進行潤滑加熱試驗。試驗過程中監測供油溫度以及加熱棒內部溫度，數據曲線如圖8所示。

從以上數據曲線可知，在滿足供油溫度前提下，加熱棒內部溫度值不超過330℃，能夠保證加熱棒表面與潤滑油接觸區域溫度不超過碳化結焦溫度。

采用改進后的潤滑系統結構以及溫度控制方式，繼續進行本文提到的軸承試驗，直至試驗結束后，不再出現滑油濾芯堵塞現象。試驗后拆解加熱棒，加熱棒表面未出現黑色碳化物質，表面附著黃色潤滑油色，屬正常現象。試驗后加熱棒外觀如圖9所示。

5 結論

根據軸承試驗過程中潤滑油出現碳化結焦的現象，分析高溫潤滑系統的原理及潤滑油碳化結焦的原理，得出因加熱棒表面溫度過高造成潤滑油碳化結焦的結論。提出了潤滑系統改進措施，包括加熱棒結構，保溫措施以及控制方式等，通過試驗驗證，表明該改進措施能夠解決潤滑油碳化結焦的問題。

參考文獻

[1]聶龍宣，馬純民.國外航空發動機主軸軸承[Z].洛陽：洛陽軸承研究所，1998.

[2]陳磊，陳聰慧，陳靜.高熱安定型航空發動機潤滑油性能評定研究[J].潤滑油，2018，33（02）：28-34.

[3]陳衛兵，王德巖.航空渦輪發動機潤滑油的發展趨勢[J].黑龍江科技信息，2007（02）：11.

[4]張丙伍，李靜，呂丙琴，汪利平，李桂云.航空發動機潤滑油抗結焦性能研究[J].潤滑油，2013，28（03）：1-3.

[5]谷運龍，范圍廣，許冬冬，賈虹，楊丹峰.軸承試驗機高溫潤滑系統的改進[J].軸承，2016（05）：37-39.