某型国产与进口航空发动机润滑油泡沫特性对比研究*

孙元宝 阮少军 姜旭峰 吴 坤

(1.空军勤务学院航空军需与燃料系 江苏徐州 221000；2.空军勤务学院研究生大队 江苏徐州 221000)

俄制АЛ-31Ф航空发动机是由俄罗斯留卡里设计局设计并制造的一款涡轮风扇发动机，具备大推力、低油耗、高可靠性等特点，被广泛装配使用在三代战机上。按照采购规定，在发动机保证期内必须使用俄制进口50-1-4Ф航空润滑油。为了实现发动机保证期过后用油国产化，某研究所研制了国产某型航空润滑油，用于该发动机润滑系统。但是当换用国产航空润滑油以后，发现滑油系统压力下降明显，并存在明显的压力波动[1]，严重危及飞行安全，而使用进口润滑油则没有出现该问题。

经过查阅文献，发现润滑系统油压不稳与润滑油抗泡性能有关[2-4]。如胡荣华[5]通过对多种润滑油抗泡性能的评定实验，得出汽轮机发电机组的润滑油抗泡性直接影响信号油泵的工作性能；高雯等人[6]通过对影响汽油机油泡沫特性主要因素的研究发现，基础油在高温时的泡沫特性是影响汽油机性能的决定性因素。基于上述文献分析，本文作者推测润滑油系统油压不稳的问题极有可能与某型国产航空润滑油的抗泡性能相关[7-10]。为了验证这一猜想，本文作者开展某型国产与进口航空发动机润滑油泡沫特性对比研究，重点以油压正常时所加注的进口50-1-4Φ航空润滑油为参比油样进行试验，通过考察2种润滑油及其润滑基础油PAO与DOS之间高温抗泡性能的差异，对比对氧化油样产生泡沫体积及泡沫消失时间，为解决俄制АЛ-31Ф航空发动机使用国产润滑油时油压不稳的问题提供技术支撑。

1 试验部分

1.1 试样和仪器

试验油样为国产某型航空润滑油和进口50-1-4Φ航空润滑油。国产某型航空润滑油的润滑基础油为聚α-烯烃(PAO)，为美孚(中国)公司产品；进口50-1-4Φ航空润滑油为进口俄制润滑油，其润滑基础油为癸二酸二异辛酯(DOS)，阿拉丁公司产品。表1给出了2种航空润滑油主要理化性质参数。

表1 某型国产与进口50-1-4Ф航空润滑油主要技术参数

试验使用的主要仪器设备：航空润滑油轴承模拟试验装置，西安交通大学研制；润滑油空气释放值测定仪，型号为FDT-1232，长沙富兰德实验分析仪器有限公司生产，润滑油高温泡沫特性测定仪，型号为JF0722，湖南加法仪器仪表有限公司生产。

试验使用的主要试剂有石油醚、甲醇、乙醇、甲苯、丙酮，均为分析纯(AR)，广东西陇化工股份有限公司产品。

1.2 模拟轴承工况的油样氧化试验

轴承模拟试验装置，能够较为真实地反映航空发动机运转时滑油系统的工作情况。在航空润滑油轴承模拟试验装置上设置不同的载荷、转速、温度以及润滑流量，模拟了滚子轴承的工况参数，各参数由各子系统独立控制。试验时，向高温油箱中加入5 L试验油样，确定设备状态良好后设置适当的润滑流量，以保证对试验轴承的充分润滑；然后在试验设置界面设置载荷、转速，并由低到高依次设置轴承温度。试验过程中系统自动采集试验油样特征信息，在管路系统油样采集口实时采集油样。

试验时，将2种航空润滑油的试验温度设置在175 ℃以上，一是该温度较为符合飞机发动机复杂严苛工况条件下润滑系统的温度下限值，二是该温度是某型国产航空润滑油的设计温度上限。为了最大程度模拟实际工况，试验设置反应温度分别为175、200、220、240、260、280 ℃，反应时间为2 h。

1.3 氧化油样高温抗泡性能测定

航空润滑油出厂时评价油品抗泡性能通常采用的是GB/T 12579-2002《石油产品润滑油泡沫特性测定法》，该方法的评价温度较低(100 ℃以下)，若按照该标准，试验的两款润滑油的抗泡性能均符合要求，显然无法评价其抗泡性能差异。

针对航空润滑油工作的高温条件，文中采用SH/T 0722-2002《润滑油高温泡沫特性测定法》对2种油品在150 ℃测试条件下的泡沫特性进行对比分析。测试方法为：将试样加热到49 ℃，恒温30 min后冷却至室温；将试样转移至带刻度的1 000 mL量筒内，并加热到150 ℃；以200 mL/min的流速向金属扩散头内通干燥空气，通气5 min；测定停止通气前瞬间的泡沫总体积(静态泡沫量以及运动泡沫量总和)和停止通气后泡沫消失的时间。

2 结果与讨论

2.1 国产与进口润滑油抗泡性能比较

按SH/T 0722-2002测定了不同反应温度下氧化后的国产与进口50-1-4Ф航空润滑油的总体泡沫量以及泡沫消失时间结果如图1与图2所示。

从图1中可以发现，在175～260 ℃范围内，随着氧化温度的增大，某型国产与进口50-1-4Ф航空润滑油产生的泡沫体积总体呈现出增加趋势，而在280 ℃下泡沫体积减小可能与油品分子结构在高温下被破坏有关。在相同温度下，国产航空润滑油产生的泡沫体积均明显高于进口50-1-4Ф航空润滑油。根据某型国产航空润滑油的质量标准，产生的泡沫体积应小于60 mL，显然当氧化温度大于220 ℃以后，该油品产生的泡沫体积均大于60 mL，已无法满足使用要求。而进口50-1-4Φ润滑油氧化油样的泡沫体积的最高值仅为35 mL，不同温度下2种油品差异十分明显。

从图2 中也可以看出与图1大致相同的规律，随着氧化时间升高，2种油品的泡沫消失时间总体均有所增加，但在280 ℃时出现了突然下降。某型国产航空润滑油的最大消泡时间为22 s，而进口50-1-4Φ润滑油则为12 s，并且在相同的反应温度条件下，前者的消泡时间均要大于后者。

综上可以得出，某型国产航空润滑油的泡沫稳定性能更高，泡沫很难消除，抗泡性能明显差于进口50-1-4Φ航空润滑油。

图1 某型国产与进口润滑油不同温度下氧化后泡沫体积比较

图2 某型国产与进口润滑油不同温度下氧化后泡沫消失时间比较

2.2 国产与进口润滑油基础油抗泡性能比较

某型国产航空润滑油基础油为聚α-烯烃(PAO)，进口50-1-4Ф航空润滑基础油为癸二酸二异辛酯(DOS)。润滑油基础油一般会占到润滑油的 90%以上，对润滑油的抗泡性能影响很大，所以进一步对2种航空润滑油基础油的抗泡性能进行了分析，以期找出他们之间抗泡性能存在较大差异的原因[11-13]。

表2给出了PAO与DOS基础油不同温度下氧化后油样的泡沫体积和泡沫消失时间。可以看出，PAO与DOS基础油氧化后油样产生泡沫体积以及泡沫消失时间与对应成品油具有相同的变化趋势，即在175～260 ℃之间随着反应温度的升高，油样产生的泡沫体积以及泡沫消失时间均增加，其中PAO产生泡沫体积以及消泡时间均要大于DOS。不同温度下PAO的泡沫特性变化幅度更大，其在175 ℃时泡沫体积已达到了40 mL，260 ℃时泡沫体积更是高达80 mL，而DOS最大泡沫体积仅为35 mL。从泡沫消失时间来看，PAO氧化油样的最长消泡时间为21 s，DOS氧化油样则为11 s，两者相差较大。可见，PAO基础油的抗泡性能要比DOS基础油差，这也就解释了成品油之间存在差异的原因。

表2 PAO与DOS基础油不同温度下氧化后泡沫特性比较

2.3 基础油与成品油抗泡性能的相关性分析

为进一步分析影响润滑油系统油压的关键因素。对基础油与成品油抗泡性能的相关性进行了分析。图3和图4分别比较了不同反应温度下某型国产与进口航空润滑油成品油与基础油的泡沫体积以及泡沫消失时间。可知，不同反应温度下氧化后，国产航空润滑油与进口航空润滑油成品油产生泡沫体积以及泡沫消失时间，与其基础油产生泡沫体积以及泡沫消失时间的变化趋势基本一致，而且彼此之间相差很小。因此可以认为，某型国产与进口航空润滑油的抗泡性能主要取决于其润滑基础油，正是由于润滑基础油PAO比DOS的抗泡性能差，所以国产某型航空润滑油的抗泡性能较差。

图3 某型国产润滑油及其基础油PAO不同温度下氧化后泡沫特性

图4 50-1-4Ф润滑油及其基础油DOS不同温度下氧化后泡沫特性

3 结论

(1)对某型国产航空润滑油与进口50-1-4Φ航空润滑油的抗泡性能进行对比分析，结果表明，与进口50-1-4Φ航空润滑油相比，某型国产航空润滑油泡沫稳定性更高，泡沫消失比较困难，即其抗泡性能明显差于进口50-1-4Φ航空润滑油。

(2)对某型国产航空润滑油与进口50-1-4Φ航空润滑油的基础油PAO与DOS的高温抗泡性能进行对比分析，发现PAO氧化油样产生的泡沫体积大于相同氧化温度时的DOS氧化油样，且泡沫消失时间更长。

(3)通过比较某型国产航空润滑油与进口50-1-4Φ航空润滑油成品油与其基础油PAO与DOS抗泡性能变化趋势，发现两者变化趋势基本一致，而且彼此之间相差很小。因此可以认为，某型国产与进口航空润滑油的抗泡性能主要取决于其润滑基础油。即国产航空润滑油存在油压不稳的问题，极有可能是其采用的基础油聚α-烯烃(PAO)属于非极性油品，而进口油品使用了极性润滑基础油DOS，所以才表现出了更好的抗泡性能。