航空润滑油氧化衰变影响因素及检测方法综述

岳聪伟 姜旭峰 宗营 桂伟

摘 要：航空润滑油在高速、高温且有金属催化的工作条件下极易被氧化，氧化导致的油品理化性能变化将直接影响润滑系统的正常工作，甚至危及飞机的安全飞行，因此加强对滑油的氧化衰变情况检测非常重要。论文简要分析了滑油氧化衰變的机理、危害及影响因素，对常用的检测方法进行了综述，并分析比较了检测方法的优缺点。

关 键 词：航空润滑油；氧化衰变；影响因素；检测方法

中图分类号：TE 624 文献标识码：A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1586-03

Review on Influencing Factors and Detecting Methods About

Oxidation Deterioration of Aviation Lubricating Oil

YUE Cong-wei1，JIANG Xv-feng1，ZONG Ying1，GUI Wei2

（1. Air Force Logistics College， Jiangsu Xuzhou 221000，China；2. 94926 Troop 23 Unit， Wuxi Jiangsu 214000，China）

Abstract： The aviation lubricating oil can be easily oxidized under the conditions of high speed， high temperature and metal catalysis. The oil physical and chemical properties change caused by oxidizing will directly affect the normal work of the lubrication system， even endanger the safety of aircraft， so detecting the oxidation deterioration of lubricating oil is very important. In this paper， the lubricating oil oxidation decay mechanism， harms and influencing factors were analyzed， common detection methods were reviewed， and the advantages and disadvantages of these detection methods were compared.

Key words： Aviation lubricating oil； Oxidation deterioration； Influencing factors； Detecting methods

航空润滑油作为“维持飞机心脏正常运转的血液”，不但能润滑航空发动机各运动部件，而且还能为相应的部件提供足够的密封、散热、清洗、防锈等作用，从而提高飞机发动机在高速高温条件下安全、稳定的工作效能。但在使用过程中，润滑油易受外界因素和内部条件的影响，导致油品的成分发生变化，润滑油的性能指标也随之变化。当润滑油的某一项性能指标低于其工作的极限值时，就会影响摩擦副的正常工作，给飞机安全飞行带来隐患。

随着航空发动机性能的不断提高，润滑油系统工作温度不断提高，润滑油工作时间延长，这些条件使得发动机润滑系统工作条件越来越苛刻[1]。

而航空润滑油就处在这种高速高温环境中，氧化反应很容易进行，大量实验显示，润滑油在经过高速高温环境工作一段时间后其闪点、凝点和水含量变化不大，粘度变化较大，酸值变化较小，由此表明热氧化安定性比其它指标最先超出允许的极限，氧化成为润滑油衰变的主要原因，因此，分析和研究航空润滑油的氧化安定性和氧化衰变程度显得非常重要[2，3]。

1 航空润滑油氧化衰变的机理及危害

1.1 航空润滑油氧化衰变的机理

航空润滑油经常处于苛刻的环境，在高速高温下与空气及热金属表面接触形成的强氧化工作条件，使得航空润滑油极易被氧化。氧化过程首先是由抗氧剂的消耗开始，当抗氧剂消耗到一定程度时，基础油开始氧化。基础油的氧化是自由基和过氧化物的烃类发生链式氧化反应，基础油首先生成自由基，具有较高能量，与其他分子相接触，可以把分子链“打断”，产生更多自由基，这样就形成了连锁反应，产生酸、醇、醛、酮等一系列氧化产物[2，3]。

1.2 航空润滑油氧化衰变的危害

随着氧化过程的引发，随之而来的链反应过程将迅速破坏润滑油的功效。最终的结果是，润滑油的酸值增大、颜色加深、易挥发性的组分增多、粘度增大、密度升高、沉淀物增多。这些由润滑油氧化引起的理化性能变化将直接影响到润滑系统的正常运行，如粘度的增加会导致润滑油流动阻力增加，散热性能降低，发动机的启动不正常；酸值的增加会加剧设备的腐蚀；沉淀物的形成很容易造成油路、过滤器堵塞，加剧设备的磨损，等等。这些结果都将会降低飞机发动机的工作性能及使用寿命[2，3]。在近几年空军飞机、发动机油液监控中，已发现过多起由于润滑油氧化衰变、污染导致的飞机、发动机故障[4，5]。

2 航空润滑油氧化衰变的影响因素

影响润滑油氧化衰变有很多因素，不仅与其化学组成成分有很大关联，与其使用的外界条件也有着密切关系。

2.1 润滑油基础油的影响。

矿物航空润滑油是各种烷烃、环烷烃和芳烃及其衍生物的混合物。烃类物质的氧化与烃分子的结构有着密切关系，一般情况下，没有支链的烃类物质氧化安定性能是最好的，相反，烃分子支链数目越多，其氧化安定性就越差。其中烷烃较易氧化，环烷烃氧化难度较大，芳烃最不易被氧化。

合成烃滑油聚α-烯烃（PAO）由于其独特的排列整齐的长侧链结构，使其比矿物润滑油具有较好的高温氧化安定性好。

合成酯类航空润滑油是除合成烃油外用量最多的合成润滑油，有双酯、多元醇酯、复酯等，具有优良的良好的高温性能，如合成新戊基多元醇酯航空润滑油的主链短，官能团多，分子成球状结构，其热安定性可以达到315 ℃。具有较好的高温氧化安定性好[6， 7]。

2.2 使用温度、氧溶解度的影响

润滑油的氧化是油品与溶解在油品中的氧进行反应的。在常温常压条件下，润滑油的氧化速率非常慢。但在高温下，油中的氧的溶解度会变大，油品的氧化就会加剧，而且温度越高，氧化就越剧烈。根据范托夫法则，当温度升高10 ℃时，其氧化反应速率就会相应的加快1～2倍，因此，温度能在很大程度上影响润滑油氧化反应速率[7]。

2.3 金属的影响

通常的情况下，航空润滑油是用在系统之间减少金属的磨损，而金属具有的催化作用会促进润滑油发生氧化反应。在金属的众多种类中，按照金属材料催化作用的大小有如下排序：Pb>Cu>Xn>Fe>Al[8]。

2.4 其他因素的影响

润滑油在氧化过程中产生的自由基、醛类化合物、酮类化合物等中间产物以及氧化最终生成的沉淀物都会对润滑油的氧化反应产生较强的促进作用，能够促使润滑油加速氧化。

3润滑油氧化衰变情况的常用检测方法

润滑油抗氧化衰变情况的常用检测方法比较多，通常可分为两类，一类是通过氧化试验检测润滑油抗氧化的能力，从而表征润滑油的氧化安定性；另一种是利用现代检测技术比较分析在用油和新油中某组成成分的含量变化来表征润滑油的氧化衰变程度。

3.1 氧化安定性的检测方法

3.1.1 高压差热扫描分析技术（PDSC）

高压差热扫描分析技术（PDSC）是在差示扫描量热技术（DSC）的基础上改进的。差示扫描量热试验是在空气或氧气条件下加热金属样品池（一般为铝材料）中的薄层油膜，测定被检测的油样氧化过程中释放的热量，能较好的实现对模拟边界润滑条件下油品氧化的检测，通常可选用控制温度后检测油品氧化反应开始发生时的氧化诱导时间（OIT）的方法或控制程序升温后检测油品发生氧化反应的起始温度（IOT）来评定油品氧化安定性，OIT越高或IOT越长，油品氧化安定性越好。但由于DSC是在常压高温条件下进行的，大量润滑油蒸发吸热会对分析造成很大误差，而PDSC选用高温和氧压条件，避免了常温常压条件下的蒸发损耗影响，现正被广泛应用于评价润滑油的热氧化安定性[9，10]。

3.1.2 腐蚀与氧化安定性法

腐蚀与氧化安定性法是指在相关金属催化剂催化和一定温度的条件下，为滑油提供72 h某流速的氧气，利用实验室常规试验方法测定润滑油在氧化前后总酸值变化、40 ℃粘度变化率、金属单位面积质量变化、每100 mL润滑油所生成沉淀物质量，用这些数据来表征航空润滑油的氧化安定性。

唐红金等[11]通过腐蚀与氧化安定性试验发现航空润滑油总酸值变化、粘度变化率、沉积物生成量的变化趋势三者之间存在一定的相关性，实现了通过检测某一数据来表征滑油抗氧化安定性。

3.1.3 旋转氧弹法

旋转氧弹法在实际工作中被广泛运用，其试验方法采用ASTM D2272标准。旋转氧弹法通过将一定量的润滑油装在放有铜丝的密闭容器中，充入一定压力的氧气，放在150 ℃的油浴中不断旋转。氧气随润滑油的氧化而不断消耗，当容器中的氧气压力下降到一定值时试验结束。通过测试时间来表征润滑油的抗氧化能力，时间越长，抗氧化能力越强[12]。

3.2 氧化衰变程度的检测方法

3.2.1 介电常数法

随着氧化反应的进行，自由基和氧化产物不断增多，导致了润滑油的极性变化，介电常数也随之变化。介电常数法利用在不同频率的电压对恒温条件下氧化前后的润滑油进行扫描，测定润滑油氧化前后不同的介電常数，并将测量值与对应的频率数值绘制成谱图。计算11 MHz频率点下氧化前后润滑油介电常数之差，用该差值表征润滑油的氧化程度[13]。

杨庭栋等[14]通过试验验证了利用介电常数与红外光谱方法测量的氧化值能够反映出油品的抗氧化性能。

3.2.2 傅立叶红外光谱分析法

润滑油在氧化过程中，发生一系列链反应生成的氧化产物都具有共同特征，它们都含有羰基（C=O），其在红外光谱上的特征峰位于1 720 cm-1处，把该处的吸收值称为氧化值。红外光谱法采用差示红外光谱法原理，通过测定用过的油和新油在1 850～1 550 cm-1的差示红外光谱图，计算出该谱带的面积变化值，由此定量计算出该处氧化产物的氧化值，从而表征润滑油的氧化衰变程度[15]。

3.2.3 气相色谱-质谱联用技术（GC/MS）

润滑油中抗氧剂含量的变化能较好的反应润滑油的氧化情况，然而其含量较少，用常规的分析仪器很难实现对其含量的测定。通过将气相色谱仪与质谱仪联用，利用色谱仪很强的分离混合物的能力和质谱仪测定化合物的相对分子质量和化学结构的优势，实现对润滑油中抗氧剂含量变化的测定，从而表征润滑油的氧化衰变程度。

4 结束语

由于航空润滑系统苛刻的工作环境，润滑油极易发生氧化衰变，且润滑油的氧化衰变又是导致其失效的主要原因，因此加强对润滑油氧化衰变情况的监测显得尤为重要。上述的几种常用方法都能表征润滑油氧化衰变情况，在使用过程中也具有各自的优缺点。

高压差热扫描分析技术具有用量少、时间快、重复性好等优点，但检测装备复杂，成本高，检测方法较复杂，无法实现在线检测。

腐蚀与氧化安定性法作为常规的试验方法，成本低，操作简单，但试验时间比较长，重复性不好。

旋转氧弹法能较好的表征润滑油的氧化安定性，但该方法存在样品用量大、操作繁琐、测定时间长和重复性差等缺点。

介电常数法检测的结果可靠，检测装备和实验过程简单，设备便宜，而且能实现在线检测，但实验所需的油样多，受外界干扰大。

傅立叶红外光谱分析法具有检测速度快、用油量少、精确性高、重复性好等优点，但其设备费用高，只能对官能团进行检测分析。

气相色谱-质谱联用仪具有分离效果好（可以使用长达数十米的毛细管色谱柱）、操作简单、分析成本较低、检测灵敏度高、谱图库丰富等优点，能较好的分析组成复杂的混合物，但仪器设备昂贵，且只能分析所得产物中分子量较小的组分，相对分子质量小于500的化合物。

因此在对润滑油氧化衰变情况进行测定时，要根据实际情况选择合适的检测方法。

参考文献：

[1] 姚俊兵.利用差示扫描量热法评价润滑油的高温抗氧化性能[J].润滑与密封，2012，32（5）：35-37.

[2]谢凤，张宁波.润滑油性质与应用[M].徐州：蓝天出版社，2014：328.

[3]吕伯平，陈名华.航空油液监测技术[M].北京：航空工业出版社，2006：81-87.

[4]费逸伟，张冬梅，姜旭峰.润滑油的性质对航空发动机故障影响的研究[J].润滑与密封，2004，1（161）：84-89.

[5] 龚荣亮.航空发动機磨损故障的探究[J].大观周刊，2011，23（527）：101.

[6]李斌.谢凤.航空发动机润滑油简介[J].合成润滑材料，2014，41（1）：24-25

[7]张爽.浅谈润滑油氧化安定性的影响因素[J].黑龙江科技，2013（25）：19.

[8]马玉红，姚婷，郝敬团，等.航空润滑油热氧化安定性研究[J].北京：山东化工，2013（42）：50-53

[9] 姚俊兵.利用差示扫描量热法评价润滑油的高温抗氧化性能[J].润滑与密封，2012，32（5）：35-37.

[10]陈立波，宋兰琪，赵志翔，等.高压差热扫描分析技术在润滑油热氧化研究中的应用[J].润滑与密封，2003，1：51-55.

[11]唐红金，梁宇翔，贺景坚，等.航空润滑油氧化安定性评定指标相互关联性研究[J].石油炼制与化工，2010，41（6）：17-20.

[12]邵丽骅. 油品氧化安定性的快速测定法—旋转氧弹法[J]. 安徽化工，2000（1）：45.

[13]徐敏. 用介电常数监测酯类润滑油[J].军用航油--国外部分，1991 （01）：22-26.

[14]杨庭栋，冯新泸，米红英，等.润滑油抗氧化性能检测方法的研究[J].分析仪器，2004，4：43-45.

[15]冯新泸，史永刚.近红外光谱及其在石油产品分析中的应用[M].北京：中国石化出版社，2002：231.