80W-140型無人直升機主減速箱齒輪油臺架性能試驗研究

摘要為了實現(xiàn)無人直升機齒輪油國產(chǎn)化，明確不同性能的齒輪油對齒輪箱性能的影響，從而科學(xué)地提高齒輪箱的可靠性和壽命，鄭州機械研究所有限公司聯(lián)合多家單位自主開發(fā)了80W-140型無人直升機齒輪油。在實驗室對油品性能測試的基礎(chǔ)上，通過齒輪箱綜合性能試驗臺對80W-140型油品和進口油的性能表現(xiàn)進行了對比測試，并對臺架試驗測試得到的振動、噪聲、溫度、效率和膠合轉(zhuǎn)矩等指標(biāo)進行了分析。結(jié)果表明，不同性能油品對齒輪箱的效率和承載能力的影響明顯不同，所研制的80W-140型油品具有較好的抗磨減摩和抗膠合性能，可有效提高齒輪箱的可靠性。

關(guān)鍵詞齒輪油無人直升機齒輪箱臺架試驗潤滑

Bench Performance Test Research of Gear Oil of 80W-140 Type Unmanned Helicopter Main Gearbox

Huang Hongtao1 Xu Wenbo1 Liu Shijun1 Zhang Zhaojun2 Zhang Xiaojun3 Li Jiusheng2

（1 Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.，Ltd.，Zhengzhou 450052，China）

（2 Shanghai Advanced Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200000，China）

（3 Shanxi Lu'an Taihang Lubricating Oil Co.，Ltd.，Changzhi 046011，China）

Abstract In order to realize the localization of unmanned helicopter gear oil，the influence of different performance gear oil on gearbox performance is clarified，so as to improve the reliability and service life of gear-box scientifically. Zhengzhou Research Institute of Mechanical Engineering Co.，Ltd.，jointly developed 80W-140 unmanned helicopter gear oil. Based on the performance test of the oil in the laboratory，the performance of the 80W-140 unmanned gear oil is compared and tested with that of the imported oil through the gearbox com-prehensive test bench. The vibration，noise，temperature，efficiency and gluing torque obtained from the bench test are carried out，the results show that different performance oils have obvious different effects on the efficien-cy and bearing capacity of the gearbox，the 80W-140 oil product has better friction reduction，anti-wear and an-ti gluing performance，which can effectively improve the reliability of the gearbox.

Key words Gear oil Unmanned helicopter Gearbox Bench test Lubrication

0引言

無人直升機具備獨特的飛行特性和實用價值，由于沒有操作人員生理和技能方面的限制，結(jié)合交互較好的飛行控制系統(tǒng)，可大大降低裝備使用門檻。此外，無人直升機具備零傷亡特點，大大降低了裝備應(yīng)用過程中的人員傷亡風(fēng)險。同時，無人直升機起降方便，可在極端惡劣環(huán)境使用，擴大了裝備應(yīng)用領(lǐng)域。無人直升機正部分替代有人機，甚至超越有人機，在軍事和民用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用[1-2]。

無人直升機的載重性能直接決定了其搭載負(fù)重的能力。國外無人直升機技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已開發(fā)出從載重數(shù)噸的重型無人直升機到載重幾千克的微小型無人直升機[3]。我國近年來在無人直升機技術(shù)上也取得較大進步，但是，仍與世界先進水平存在差距。無人直升機動力系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接決定了其載重性能、飛行安全性和續(xù)航能力等多個關(guān)鍵性能指標(biāo)，是無人直升機的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，更是衡量飛機先進性的重要標(biāo)志。因此，國內(nèi)外圍繞無人直升機翼型、先進發(fā)動機和傳動系統(tǒng)等關(guān)鍵部件開展了大量研究[4-5]。我國對直升機傳動系統(tǒng)的研究主要集中在總體設(shè)計[6-9]、齒輪強度[10-12]、關(guān)鍵部件[13-14]、流場及熱分析[15-20]和潤滑系統(tǒng)設(shè)計[21-24]等方面，對直接影響傳動系統(tǒng)可靠性的潤滑劑本身研究較少。管文[25]采用油霧潤滑和油氣潤滑方式，對多種齒輪油極壓抗磨添加劑進行了摩擦學(xué)性能測試，為尋找抗磨性能較好的添加劑和直升機主減速箱微量潤滑方式進行了探索。唐鈺婧等[26]通過數(shù)值仿真研究表明，可以通過改善潤滑條件以及提高表面處理的方法提高直升機減速器浮動花鍵副的抗磨損能力，說明潤滑條件對關(guān)鍵部件性能可靠性有關(guān)鍵作用。李曉濤等[27]針對有人直升機開發(fā)了918航空齒輪油，通過實際試飛表明，新開發(fā)的齒輪油可延長換油周期一倍以上，說明通過選用合理的潤滑產(chǎn)品可有效降低設(shè)備維護成本。

在國外，隨著直升機發(fā)動機由活塞發(fā)動機向渦輪發(fā)動機的轉(zhuǎn)變，直升機發(fā)動機運行溫度大幅提高，對油品的耐熱抗氧能力提出了較大挑戰(zhàn)，直升機傳動系統(tǒng)用油跟隨動力系統(tǒng)用油需求變化，經(jīng)歷了從烴類油向酯類油的轉(zhuǎn)變。20世紀(jì)70～ 80年代，美、英兩國結(jié)合渦輪軸發(fā)動機用油需求率，研制開發(fā)了直升飛機傳動系統(tǒng)專用潤滑油，并于1986年 2月制定了專用油指標(biāo)及合成型直升飛機傳動系統(tǒng)潤滑油規(guī)范 DOD-L-85734，該規(guī)范于2004年 6月升級更新為 DOD-PRF-85734A[28]。長期以來，只有國外幾家大公司有符合 DOD-L-85734規(guī)范的直升飛機傳動潤滑油產(chǎn)品，如 AeroShell TurbineOil 555、Royco Tur- bine Oil 555、BP Turbo Oil 25、Exxon Turbo Oil 25、 Castrol Aero 5734等[29]。2012年左右，我國也根據(jù)最新的 DOD-PRF-85734A 規(guī)范成功研制了直升機傳動系統(tǒng)合成潤滑油用于新型直升機[30]，并提出了相應(yīng)的國家軍用標(biāo)準(zhǔn) GJB 8447—2015《直升機傳動系統(tǒng)合成潤滑油規(guī)范》[31]。而國外針對直升機傳動系統(tǒng)用油仍在持續(xù)升級，并進一步提升了其承載能力，如美國伊士曼公司2015年推出了符合 MIL-PRF-32538規(guī)范[32]的新型 9 cSt 油品——Eastman HALO 157，同時， MIL-PRF-32538規(guī)范也是超越 MIL- PRF-23699和 DOD-PRF-85734A 規(guī)范的美軍航空渦輪發(fā)動機油和直升機油的最新規(guī)范。HALO 157比以前廣泛使用的、符合 MIL-DTL-85734規(guī)范的5 cSt 油品黏度更大，有利于成膜，其承載能力提高了23%， FZG 通過等級大于13級，可以顯著提高傳動系統(tǒng)的可靠性。NASA 測試表明，其可延長直齒圓柱齒輪壽命達8 倍，降低直升機傳動系統(tǒng)維護成本16%[33-34]。高承載能力油品的使用，可有力提高直升機的戰(zhàn)場生存率，同時減輕后勤保障負(fù)擔(dān)，提升軍方戰(zhàn)斗力。

潤滑油的性能優(yōu)劣對齒輪箱的承載能力和壽命有較大影響，尤其是無人直升機齒輪箱作為高功率密度齒輪箱，其承受的載荷相較有人機更加苛刻，對齒輪油的承載能力提出了較高要求。我國直升機動力傳動系統(tǒng)受金屬材料、鍛造技術(shù)、加工工藝、整機裝配和系統(tǒng)設(shè)計等方面的技術(shù)水平制約，導(dǎo)致直升機傳動系統(tǒng)壽命總體低于國外。為了彌補上述不足，國產(chǎn)傳動系統(tǒng)對潤滑油的極壓抗磨能力提出了比國外油品更高的要求。

在國產(chǎn)無人直升機上若使用國外直升機傳動系統(tǒng)潤滑油，一方面會面臨斷供風(fēng)險，更為重要的是，進口油對國產(chǎn)裝備的適應(yīng)性和匹配性值得深入研究考察，此外，也不利于油品的長期迭代升級和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。因此，國產(chǎn)無人直升機傳動系統(tǒng)用油必須結(jié)合國產(chǎn)設(shè)備的實際需求和制造工藝水平，擺脫對國外產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)和測試方法的依賴與跟隨，采用正向研發(fā)、逐步優(yōu)化的技術(shù)路線，建立自主可控的產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)體系。

為了實現(xiàn)該類油品的國產(chǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)化，前期工作中，鄭州機械研究所有限公司聯(lián)合多家單位，結(jié)合齒輪傳動設(shè)計和油品開發(fā)，完成了國產(chǎn)型無人直升機齒輪油的研制。為了驗證該油品實際性能，本文中在無人直升機齒輪箱綜合試驗臺上就自主開發(fā)的 80W-140型油品和進口油的性能進行了對比測試，分析了不同性能齒輪油對齒輪箱運行的影響，初步驗證了油品后續(xù)服役使用情況，為提高齒輪箱的可靠性和耐久性奠定了基礎(chǔ)，也為今后無人直升機主減速箱油品性能臺架測試提供了參考。

1試驗?zāi)康?、設(shè)備與油樣

1.1 試驗?zāi)康?/p>

為了實現(xiàn)我國重載無人直升機傳動系統(tǒng)齒輪箱及其潤滑油的國產(chǎn)化，充分了解和掌握不同性能潤滑劑對齒輪箱傳動性能和可靠性的影響，從而進一步提高其使用壽命，增強其抗膠合能力，提高其功率密度，降低使用成本，并初步驗證油品的服役使用情況，本文中分別選用鄭州機械研究所有限公司聯(lián)合中國科學(xué)院上海高等研究院和山西潞安太行潤滑油有限公司，基于齒輪傳動設(shè)計而研發(fā)的80W-140型無人直升機齒輪油和國內(nèi)外普遍在用的進口同類油品進行臺架性能對比測試。測試項目包括：齒輪箱傳動效率、軸承溫升、工作油溫、潤滑油熱平衡溫度、齒輪箱振動和噪聲等。根據(jù)臺架綜合性能測試結(jié)果，明確不同油品對設(shè)備性能的影響，并最終確定無人直升機齒輪箱實際運行用油。

1.2 試驗齒輪箱

本次臺架試驗在鄭州機械研究所有限公司研制的無人直升機傳動系統(tǒng)疲勞試驗臺上進行。試驗用齒輪箱為鄭州機械研究所有限公司開發(fā)研制的某型直升機齒輪箱。

直升機傳動系統(tǒng)疲勞試驗臺能真實模擬直升機傳動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，具有超轉(zhuǎn)、超扭、超溫和振動超限等報警功能，可為直升機地面試驗、試飛及產(chǎn)品交付提供必要的試驗依據(jù)。開發(fā)的傳動疲勞試驗系統(tǒng)可以同時開展無人直升機主傳動箱和尾傳動箱疲勞試驗。本試驗臺已成功交付中國人民解放軍總參謀部某所，已通過項目驗收并正常使用。試驗齒輪箱的主要參數(shù)如表1 所示。

1.3 試驗油樣

基于摩擦學(xué)原理，通過對工作過程中齒輪表面的受力和運動狀態(tài)分析，采用線接觸彈性流體潤滑最小油膜厚度計算公式，得出潤滑油100℃黏度理論上不低于18 cSt 。結(jié)合進口油的實際應(yīng)用效果和安全系數(shù)，初步設(shè)定開發(fā)油品100℃運動黏度為24cSt 至27cSt ，以山西潞安太行潤滑油有限公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)煤基全合成基礎(chǔ)油 PAO150和普通加氫礦物基礎(chǔ)油500 N 作為基礎(chǔ)油主要成分。通過測試油品的布氏黏度和100℃黏度，按車輛齒輪油黏度等級，研制油的黏度等級劃分為80W-140。

對齒輪運行工況分析發(fā)現(xiàn)，受限于齒輪尺寸較小，在額定轉(zhuǎn)速條件下，表面滑移線速度約為4.65 m/s，平均接觸應(yīng)力可達1.4 GPa ，最大可達3.4 GPa 。由于齒輪轉(zhuǎn)速相對較低，同時，接觸應(yīng)力較大，結(jié)合線接觸潤滑的 Stribeck 曲線分析，可知其不易進入彈流潤滑狀態(tài)，這對油品的添加劑配方組成提出了較高要求。

為了提高油品的抗磨損性、極壓性，改善其承載性能，選擇了多種抗擦傷劑——硫化烯烴和磷酸酯胺鹽抗磨劑，對其抗磨性能、極壓性能、腐蝕性能、氧化安定性等性能進行了綜合評價考察，并最終確定兩種硫化烯烴和3 種磷酸酯胺鹽進行合理復(fù)配，實現(xiàn)了配方性能的平衡。因齒輪箱質(zhì)量輕、體積小，系統(tǒng)所用潤滑油量少，齒輪表面溫度較高，為了防止油泥等沉積物對齒輪傳動產(chǎn)生不良影響，在油品添加劑中加入了高相對分子質(zhì)量聚異丁烯丁二酰亞胺清凈分散劑、屏蔽酚與胺型抗氧劑和噻二唑衍生物金屬鈍化劑，以提高油品的抗氧防腐性能。此外，無人直升機齒輪箱空間較小，齒輪對油品攪拌劇烈，若油品不能及時消泡，則會導(dǎo)致油品滲漏、傳動效率下降、溫升異常等問題，因此，對油品的抗泡性能提出較高要求。通過對多種含硅和非硅抗泡劑的復(fù)配篩選，最終選擇兩種不同類型的抗泡劑進行復(fù)配并結(jié)合調(diào)油工藝的創(chuàng)新，從而保證油品具有較好的抗泡性能。

兩種油品的元素含量分析結(jié)果如表2 所示。從表2 所示數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，80W-140型油品相較于進口油硫含量高35.3%，而磷含量低44.4%。結(jié)合潤滑油添加劑中硫化物的作用， 80W-140型油品硫含量較高，其抗擦傷和抗膠合性能理論上應(yīng)該較強。

在實驗室對80W-140型油品與進口油進行了性能對比測試，結(jié)果（表3）表明，80W-140型油品在低溫流動性和剪切安定性等方面優(yōu)于進口油，尤其是80W-140型油品的最大無卡咬負(fù)荷和燒結(jié)負(fù)荷比進口油分別大2 級和1 級，說明其具有較好的極壓性能。在負(fù)荷為392 N 抗磨試驗中，80W-140型油品的磨痕直徑和摩擦因數(shù)分別比進口油小45.9%和 15.1%;在負(fù)荷為198 N 抗磨試驗中，80W-140型油品的磨痕直徑和摩擦因數(shù)分別比進口油小25.1%和 9.0%，說明不同負(fù)荷條件下，80W-140型油品均具有較好的抗磨減摩性能。

2試驗方法及測試項目

2.1 試驗方法

無人直升機齒輪箱為高功率密度齒輪箱，對齒輪油的承載能力提出了較高要求。試驗時，首先進行兩種潤滑油液的空載和滿負(fù)荷加載試驗，以模擬無人直升機正常工作情況。在滿負(fù)荷加載試驗的基礎(chǔ)上，進一步進行了新研潤滑油與進口潤滑油的強化膠合對比試驗，以模擬無人直升機在超過額定功率條件下潤滑油對其極限性能的影響。具體試驗條件如表4 所示。

2.1.1 全速滿功率空載試驗

旋向為主減面對輸入端順時針，室溫31℃，按500 r/min 、1 000 r/min 、1 500 r/min 、2000 r/min 和2 500 r/min 逐級上調(diào)，各級各連續(xù)運轉(zhuǎn)5 min ，未見異常，上調(diào)輸入轉(zhuǎn)速至2 983.93 r/min ，連續(xù)運轉(zhuǎn)10 min。

2.1.2 全速滿功率負(fù)荷試驗

旋向為主減面對輸入端順時針，室溫31℃，輸入轉(zhuǎn)速為2 983.93 r/min ，輸入轉(zhuǎn)矩按表4 中的條件分別加載，每擋運轉(zhuǎn)15 min。

2.1.3 強化膠合試驗方法

旋向為主減面對輸入端順時針，控制油溫為90±3 ℃，輸入轉(zhuǎn)速為2 983.93 r/min ，輸入轉(zhuǎn)矩按表4 中的條件分別加載，每擋運轉(zhuǎn)15 min ，直至齒輪箱發(fā)生異響或傳動效率突降，表明齒輪發(fā)生膠合。

2.2 測試項目

無人直升機齒輪箱綜合試驗臺采用直流母線電封閉試驗臺系統(tǒng)。試驗臺架的布置示意圖如圖1 所示。試驗過程中每隔相同時間通過效率儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、溫度巡檢儀、振動儀和精密聲級計等傳感器記錄齒輪箱效率、輸入和輸出轉(zhuǎn)矩、輸入和輸出端軸承溫度、油溫及環(huán)境溫度，以及齒輪箱輸入端和輸出端的振動、噪聲值等范應(yīng)齒輪箱工作狀態(tài)的參數(shù)。其中，噪聲測點位置距離被試齒輪箱1 m。

3試驗結(jié)果與討論

3.1 全速滿功率空載試驗

為了模擬無人直升機低載荷工況運行時兩種油品的潤滑效果，對80W-140型油品和進口油兩種試驗油樣分別進行了全速滿功率空載試驗測試，通過測試得到的齒輪箱振動、試驗油熱平衡溫度溫升、噪聲測試值等數(shù)據(jù)，判斷兩種油品在低載荷工況條件下的潤滑性能。

設(shè)備振動速度越快，產(chǎn)生的能量越高，具體表現(xiàn)為振動越劇烈，給設(shè)備造成的損壞也越嚴(yán)重。空載試驗過程中，記錄齒輪箱的垂直、水平和軸向振動速度，對不同轉(zhuǎn)速下對各個方向的振動速度計算平均值，得到圖2 所示的兩種油品在不同輸入轉(zhuǎn)速條件下齒輪箱振動速度變化曲線。從圖2 中曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，齒輪箱的振動速度呈現(xiàn)上升趨勢。但是，使用80W-140型油品潤滑的齒輪箱振動速度上升幅度小于進口油?？蛰d試驗過程中， 80W-140型油品的平均振動幅度比進口油小13.0%;2983 r/min 額定轉(zhuǎn)速條件下，使用80W-140型油品后，齒輪箱振動下降13.8%。說明在空載條件下，使用80W-140型油品后，可降低齒輪箱振動速度，有利于提升設(shè)備的可靠性和壽命。

齒輪傳動噪聲是指嚙合的齒輪對或齒輪組在傳動時，由于相互的碰撞或摩擦激起齒輪體振動而輻射出來的噪聲。圖3 所示為兩種油品不同輸入轉(zhuǎn)速條件下的噪聲變化曲線。從圖3 中可以發(fā)現(xiàn)，空載條件下，隨著輸入轉(zhuǎn)速的上升，齒輪箱的傳動噪聲均呈現(xiàn)增大趨勢。但是，使用自研齒輪油潤滑齒輪副時，其傳動噪聲上升幅度明顯小于進口油。進一步分析發(fā)現(xiàn)，使用80W-140型油品后，齒輪箱噪聲下降約2.6%，這說明對于同一齒輪箱，傳動噪聲大小與油品的潤滑品質(zhì)密切相關(guān)。

齒輪傳動過程中，齒輪副之間的摩擦生熱和齒輪對油品的不斷攪拌會使得油品溫度升高，但是，齒輪對油品的攪拌也會使油品與溫度較低的齒輪箱壁接觸使熱量散失，因此，齒輪箱的平衡油溫為兩者共同作用的結(jié)果。齒輪油的冷卻性能與其黏度有關(guān)[35-37]，黏度越大越不利于散熱。圖4 所示為兩種油品在不同轉(zhuǎn)速空載試驗過程中記錄的平衡油溫隨轉(zhuǎn)速的變化情況。從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，空載條件下齒輪箱的平衡油溫呈現(xiàn)上升趨勢，但是進口油的油溫上升更加明顯，尤其是轉(zhuǎn)速較大時，進口油的平衡油溫與80W-140型油品相差較大，達到額度轉(zhuǎn)速后，進口油平衡油溫比80W-140型油品高4 ℃;空載試驗過程中， 80W-140型油品的平均油溫比進口油低6.4%，說明80W-140型油品具有較好的減摩性能，有利于提高傳動效率，提升燃油經(jīng)濟性，增加飛機巡航里程。結(jié)合油品實驗室的性能測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因可能是進口油黏度偏大，不利于熱量散失，同時，其減摩抗磨性能較差，使得摩擦生熱量較高，兩者共同作用導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速條件下齒輪箱平衡油溫上升明顯。

3.2 全速滿功率負(fù)荷試驗

為了測試在正常負(fù)載條件下不同油品的潤滑性能表現(xiàn)，在齒輪箱綜合試驗臺架上對80W-140型油品和進口油在同一試驗條件下分別進行了全速滿功率負(fù)荷試驗，得到使用兩種潤滑劑時齒輪箱振動、試驗油熱平衡溫度溫升、噪聲測試值等數(shù)據(jù)，從而進一步判斷兩種油品在飛機工作條件下的潤滑性能。

圖5 所示為兩種油品不同輸入轉(zhuǎn)矩條件下振動速度變化曲線。從圖5 中可以發(fā)現(xiàn)，在6 N ·m 轉(zhuǎn)矩條件下，兩種油品潤滑的齒輪箱振動均較為明顯;6 N ·m 之后，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，振動大幅降低，之后隨著轉(zhuǎn)矩的漸增，齒輪箱振動幅度逐漸增加;轉(zhuǎn)矩小于198 N ·m 時，使用兩種油品潤滑的齒輪箱振動差別不明顯;而當(dāng)轉(zhuǎn)矩為220 N ·m 時，使用進口油潤滑的齒輪箱振動幅度明顯大于使用80W-140型油品潤滑的齒輪箱。在轉(zhuǎn)矩為6 N ·m 時，齒輪箱振動明顯的原因可能是由于低轉(zhuǎn)矩時，齒輪表面的接觸應(yīng)力較小，齒輪接觸點溫度較低，潤滑劑中添加劑不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而使得摩擦劇烈，導(dǎo)致齒輪箱振動明顯。

圖6 所示為全速滿功率負(fù)荷試驗過程中齒輪箱噪聲隨輸入轉(zhuǎn)矩的變化曲線。從圖6 中數(shù)據(jù)可知，使用80W-140型油品和進口油后齒輪箱的噪聲差別不大。

圖7 所示為全速滿功率負(fù)荷試驗過程中測得的傳動效率隨輸入轉(zhuǎn)矩變化曲線和試驗結(jié)束后的油品最大溫升值。從圖7 中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩為6 N ·m 時，齒輪箱的傳動效率相較于其他輸入轉(zhuǎn)矩條件大幅減少;輸入轉(zhuǎn)矩在101 N ·m 以下時， 80W-140型油品和進口油的傳動效率差異不大;當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩大于101 N ·m 后，兩種油品的程度效率差異明顯，且80W-140型油品平均傳動效率比進口油大0.48%。因此，試驗結(jié)束后，其油品溫升比進口油低2.0 ℃，表明其具有較好的減摩性能。較大的傳動效率意味著在實際使用過程中更加節(jié)約燃料，從而提高了飛機燃油經(jīng)濟性，同時也表明，不同油品對齒輪箱的傳動效率有較為明顯的影響。對比實驗室的四球機

試驗中的摩擦因數(shù)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，四球?qū)嶒炛械哪Σ烈驍?shù)可定性反映齒輪油品的減摩性能。

3.3 強化膠合試驗

為了進一步測試在超載、超額定功率飛行條件下不同油品的潤滑性能表現(xiàn)，在全速滿功率負(fù)荷試驗基礎(chǔ)上進一步逐級增加輸入轉(zhuǎn)矩，直至齒輪箱發(fā)生異響、明顯振動或效率突降等膠合現(xiàn)象。試驗過程中，控制齒輪箱油溫為90±3℃，記錄測試兩種潤滑劑時齒輪箱振動、噪聲測試值等數(shù)據(jù)，并就膠合后的齒輪表面進行肉眼觀察，從而判斷兩種油品在極限工況條件下的潤滑性能。

圖8 、圖9 和圖10所示分別為在強化膠合試驗下測得的齒輪箱振動、噪聲和傳動效率數(shù)據(jù)曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著輸入轉(zhuǎn)矩的增加，進口油在輸入轉(zhuǎn)矩為250 N ·m 左右時，振動速度、噪聲和傳動效率發(fā)生明顯變化，傳動出現(xiàn)異常;在輸入轉(zhuǎn)矩為275 N ·m 時，齒輪振動明顯，傳動效率降低，并發(fā)生異響，表明其發(fā)生膠合。而80W-140型油品在輸入轉(zhuǎn)矩在275 N ·m 時未出現(xiàn)明顯異常，在305 N ·m 時出現(xiàn)上述現(xiàn)象，表明其膠合輸入轉(zhuǎn)矩為305 N ·m。發(fā)生膠合時，80W-140型油品的輸出轉(zhuǎn)矩為1521.5 N·m，進口油為1 346.2 N ·m ，80W-140型油品相較于進口油的輸出轉(zhuǎn)矩提升13.0%，這表明硫元素含量更高的80W-140型油品具有更強的極限工作能力，可更好地保證飛機安全飛行。尤其在高空飛行時，由于大氣稀薄，飛機升力不足，往往需要更強的輸出功率，對傳動系統(tǒng)潤滑可靠性提出了較高要求，而較高極限承載能力的潤滑油可提高無人機高空飛行的安全性。此外，使用80W-140型油品后，齒輪箱的平均傳動效率提高了1.14%，當(dāng)轉(zhuǎn)矩大于132 N ·m 時，其平均傳動效率比進口油高1.8%，說明80W-140型油品可提升齒輪箱的傳動效率。

圖11所示為膠合試驗后對齒輪箱拆解得到的齒輪表面形貌圖。從圖11中可以發(fā)現(xiàn)， 80W-140型油品發(fā)生膠合后，主動齒表面出現(xiàn)了明顯的劃傷和剝落，而從動齒未見明顯損傷。使用進口油潤滑的齒輪組主動齒同樣出現(xiàn)了明顯劃痕和剝落，同時在從動齒齒根表面出現(xiàn)了藍色燒灼痕跡，其可能的原因是齒輪副接觸時，表面溫度較高而導(dǎo)致的金屬氧化。通過對膠合后齒輪表面的觀察可以發(fā)現(xiàn)， 80W-140型油品不僅膠合轉(zhuǎn)矩大于進口油，同時，膠合后的齒輪損傷程度也優(yōu)于進口油。這與實驗室測試的極壓性能試驗結(jié)果相對應(yīng)，表明實驗室測試的最大無卡咬負(fù)荷 PB ，燒結(jié)負(fù)荷 PD 等極壓性能指標(biāo)與油品的實際性能具有關(guān)聯(lián)性。

4結(jié)論

通過無人直升機齒輪箱臺架，采用不同齒輪油作為潤滑介質(zhì)進行的空載試驗、負(fù)荷試驗和膠合試驗，對得到的數(shù)據(jù)綜合分析，可以得到以下結(jié)論：

（1 ）不同性能潤滑油對無人直升機齒輪箱的傳動性能和可靠性有明顯影響，齒輪設(shè)計時必須考慮油品性能。

（2 ）通過對空載試驗、負(fù)荷試驗和膠合試驗測試得到的噪聲、振動、油品平衡溫升、傳動效率、膠合轉(zhuǎn)矩等性能指標(biāo)綜合對比分析后發(fā)現(xiàn)，不同工況條件下， 80W-140型油品的傳動效率比進口油高0.48%～ 1.8%，承載能力比進口油提高13.0%，齒輪箱振動速度降低13.8%，噪聲水平降低2.6%，平衡油溫降低6.4%。說明80W-140型油品具有更好的潤滑性能，有利于提升飛機的巡航里程和飛行可靠性，同時，成本優(yōu)勢更加明顯，具備完全替代進口油的可能性。

（3 ）實驗室四球機試驗測試的齒輪油抗磨減摩和極壓性能指標(biāo)，與油品的實際性能具有一定關(guān)聯(lián)性，可初步定性判斷油品性能優(yōu)劣，但油品的真實抗磨減摩性能仍需要臺架試驗驗證。

（4 ）80W-140型油品雖然在臺架測試中性能表現(xiàn)較優(yōu)，但油品服役性能仍需要通過實際應(yīng)用驗證，并在服役過程中不斷跟蹤油液變化，從而明確其合理換油周期等使用性能指標(biāo)，進一步推動油品的不斷迭代優(yōu)化升級，實現(xiàn)油品對傳動系統(tǒng)的最佳保護。

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收稿日期：2021-08-13

作者簡介：黃紅濤（1979—），男，河南漯河人，高級工程師;研究方向為機械設(shè)計、制造及其自動化。

通信作者：李久盛（1974—），男，山東泰安人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師;研究方向為高性能潤滑油基礎(chǔ)油與添加劑。