航空润滑油4060的研制

贺景坚，梁宇翔，徐 敏，尹开吉

(1.中国石化石油化工科学研究院;2.空军油料研究所)

活塞式航空发动机由于结构的特殊性，润滑油不仅要润滑轴承和齿轮，还要润滑活塞。为了防止泄漏，往往需要使用高黏度的油品，一般使用的是100 ℃黏度不小于20 mm2/s 的航空润滑油[1-5]。我国的活塞式航空发动机油先后采用的是符合国家标准GB 440—1977的矿物油型航空润滑油和符合行业标准GJB 1219—1991的合成烃型航空润滑油。由于存在原料来源困难、使用过程中积炭多以及低温启动性差等问题，用户提出了研制新的航空活塞式发动机润滑油替代原用航空润滑油(简称原用油)，提高其使用性能的要求。为此，针对原用油存在的问题，研制了新型15W/50航空活塞式发动机润滑油4060。以下主要介绍航空润滑油4060的研制过程。

1 研制技术方案和技术指标

分析原用航空润滑油在使用过程中存在的积炭较多、低温启动性差等问题的原因，认为研制关键在于提高润滑油的氧化安定性和油泥分散能力、低温动力黏度和低温泵送黏度性能。

1.1 研制油级别选择

1.2 研制技术指标

结合前苏联гост 21743-76、美国SAE J1899(2005)和国内GB 440—1977、GJB 1219—1991相关标准，进行优化和综合考虑，制定了新的活塞式航空发动机润滑油规范GJB 1219A—2009标准(20-15W/50指标)。

2 实 验

2.1 基础油研究

4060基础油采用组合基础油工艺调合而成，可提高对沉积物的溶解性能及与包括橡胶在内的有机材料的相容性，提高氧化安定性，调节黏温性能，降低蒸发损失。4060基础油理化性质数据见表1。

表1 基础油理化性质

2.2 配方研究

2.2.1 分散剂选择分散性能是研制油的关键性能之一，分散性能直接决定了发动机内部的洁净程度，防止结焦和滤网堵塞。通过成焦性能和油泥分散性能试验确定分散剂的类别和组合方式。采用斜板成焦试验对分散剂进行研究，部分试验数据见表2。结果表明分散剂方案3的效果较好。

表2 无灰分散剂成焦试验结果

对不同剂量分散剂加入全配方中的分散效果进行考察，结果见表3。试验数据表明，实验剂量的无灰分散剂的分散效果均较好。

表3 分散剂剂量确定

2.2.2 抗氧剂选择抗氧化性能好可以减少润滑油中油泥、积炭等沉积物的产生，是延长航空发动机油换油期的关键之一，因此抗氧剂的选择至关重要。考虑到发动机的工况和油品的储存，采用不同类别抗氧剂复合使用，利用协同效应，显著改善油品的抗氧化能力。表4为添加不同抗氧剂试样的腐蚀和氧化安定性试验数据。从表4可以看出，023号和024号试样所使用的抗氧剂效果较好，配方选择024号复合抗氧剂。

表4 腐蚀和氧化安定性试验

注：试验方法为SH/T 0450，试验条件为：150 ℃，72 h，空气流速83 mL/min。

2.2.3 配方组成通过性能试验对分散剂、抗氧剂、极压抗磨剂和抗泡剂等进行了选择，结合基础油的研究结果，完成了配方的研究工作。4060的配方组成为：半合成基础油、复合抗氧剂、复合分散剂、极压抗磨剂、功能添加剂、抗泡剂。研制油具有突出的低温启动性、清净分散性、剪切安定性、氧化安定性以及优良的润滑性能和材料相容性等。

3 研制油的性能

3.1 研制油技术性能

研制油与参考油的技术性能对比见表5。从表5可以看出：研制油4060在低温启动性能上优于合成型20号航空润滑油，符合15W/50低温黏度要求，能够保证发动机在冬季低温条件下启动，节能效果与国外 15W/50参考油相当；洁净性、防腐蚀性能、泡沫性能等也优于参考油或相当。

励丽自己是三甲医院内分泌科医生，跟患者和基层医生接触的时间越长，就越发现基层医生诊疗并不规范，尤其是在慢病管理方面。她指出，一部分社区全科医生对药品配伍禁忌掌握不够，医嘱也不规范，应对患者咨询甚至会“打马虎眼”。

表5 研制油与参考油的性能对比

3.2 分散性能

采用斑点试验考察研制油的分散性能。试验方法是将20 g试样与1 g炭黑膏混合，高速搅拌，超声振荡后恒温静置，滴于滤纸上，室温放置24 h后测量扩散圈直径d与油圈直径D，d/D为分散性能参数，此比值越大，油泥分散性能越好。

国外15W/50参考油的d/D为75.97%，研制油的d/D为85.54%，研制油分散效果优于国外15W/50参考油。

3.3 剪切安定性

采用雷范费尔特高温高剪切法和柴油喷嘴法考察研制油的剪切安定性，试验结果见表6。两种试验结果均表明，研制油的剪切安定性显著优于国外15W/50参考油。

表6 研制油和参考油的剪切安定性

3.4 氧化安定性

3.4.1 差示扫描量热法采用差示扫描量热法对研制油与国外15W/50参考油的抗氧化性能进行对比，试验结果见图1～图2。从图1和图2可以看出，国外15W/50参考油的起始分解温度为241.70 ℃。研制油的起始分解温度为247.25 ℃，研制油的氧化安定性优于国外15W/50参考油。

图1 国外15W50参考油的差热曲线

图2 研制油的差热曲线

3.4.2 旋转氧弹试验表7为研制油与国外15W/50参考油的旋转氧弹试验结果。从表7可以看出，研制油具有非常优异的氧化安定性，比国外15W/50参考油效果更好。这一结果与差热法试验结果一致，表明研制油抗氧化性能优于国外15W/50参考油。

表7 氧化安定性(旋转氧弹法)

3.4.3 腐蚀和氧化安定性试验该方法是在温度为150 ℃，空气流量为83 mL/min，分别以钢、铜、镁、铝作为催化剂的条件下，将试样氧化，用氧化前后运动黏度变化率、酸值变化值及金属片的质量变化值来评定试样的氧化安定性。表8为对研制油与国外15W/50参考油的试验结果。运动黏度变化率越小、酸值变化值及金属片的质量变化值越小，氧化安定性越好。从表8可以看出，研制油的黏度变化率、酸值变化值和金属片质量变化值均小于国外15W/50参考油，表明研制油具有更好的腐蚀和氧化安定性。

通过旋转氧弹以及腐蚀和氧化安定性全面评价了研制油的氧化安定性能，结果均显示出研制油具有非常好的氧化安定性，优于国外15W/50参考油。

3.5 润滑性能

分别通过四球试验和SRV试验评价研制油的润滑性能。表9为研制油与国内外各参考油的润滑性能对比结果。从表9可以看出，国外15W/50

表9 研制油与参考油的润滑性能

注：四球试验条件为：转速1 200 r/min，75 ℃，载荷392 N，时间1 h；SRV试验条件为：频率50 Hz，冲程1 mm，温度80 ℃，载荷300 N，时间1 h。

参考油和研制油的润滑性能均较好，两者从四球试验和SRV试验的结果来看均相差不大，但国外15W/50参考油的SRV试验件在试验后出现略明显的磨痕，径向磨损稍大。

3.6 L38台架试验

在确定配方后进行4060研制油的台架试验。润滑油高温氧化形成的酸性物质容易腐蚀铜铅轴瓦，评定该项性能的台架试验有皮特W21和L38两种方法，现在一般采用L38方法进行评定。L38方法用于评定除二冲程汽油机油和船用气缸油以外的所有内燃机油。通过测定连杆铜铅轴瓦的失重以及生成的沉积物和试油的黏度变化等对试油作出评价。对研制油进行L38台架试验，试验条件见表10。

表10 L38台架试验条件

表11为轴瓦失重数据。轴瓦失重量很小，表明研制油中没有产生明显的腐蚀性物质。发动机沉积物数据见表12，漆膜和油泥均很少。试验期间研制油黏度变化见表13，黏度变化很小。台架试验结果显示，研制油顺利通过L38台架试验。

表11 L38台架试验轴瓦失重结果

表12 L38台架试验发动机沉积物评定结果

表13 L38台架试验机油黏度

3.7 油品相容性试验

根据研制指标要求，按照GJB562方法将研制油分别与国内原用油和国外15W/50参考油进行相容性试验。该方法是按照标准配制3种不同比例的研制油与参考油的混合液，混合液在105 ℃温度条件下保持7天，然后将混合液进行离心分离，每10 min记录沉淀体积，直到沉淀物的体积不再变化为止。研制油与2种参考油的相容性试验结果见表14，数据表明，研制油与两种参考油均有非常好的相容性。试验中全部试验管外观无肉眼可见明显沉淀。

表14 研制油与参考油的相容性

3.8 材料相容性试验

按照SH/T 0436方法考察研制油对标准橡胶的相容性。该方法是将橡胶浸泡在航空润滑油样品中，根据浸泡前后橡胶性能变化评定润滑油与橡胶的相容性，试验结果见表15。从表15可以看出：原用油对各种橡胶材料的膨胀率影响均最小，有一定收缩作用；研制油对高丙烯腈丁腈橡胶和氟橡胶的膨胀率影响比国外15W/50参考油小；研制油对硅橡胶的影响与国外15W/50参考油相当，对氟硅橡胶的膨胀率影响比国外15W/50参考油略大；3种油品作用下的4种橡胶的体积膨胀率和质量变化率均在要求范围内。研制油与试验用各种橡胶的相容性均合格。

表15 研制油的橡胶相容性

此外，发动机厂商根据实际使用情况，考察了研制油与多种材料的相容性，实验结果显示研制油与某发动机润滑油系统所用的多种非金属材料的相容性均符合要求。

4 发动机试验和试飞试验

4.1 发动机长期试车考核试验

研制油一次性通过了某发动机厂商的长期试车考核试验，试验后发动机部件拆解结果显示，用研制油进行试验的发动机各主要部件外观清洁度好，积炭较少，研制油与该型发动机的适应性比原用油更好。图3和图4为研制油与原用油发动机长期试车试验后，试验部件润滑油油滤外观情况。

图3 研制油发动机长期试车后润滑油油滤外观

图4 原用油发动机长期试车后润滑油油滤外观

4.2 实机试飞试验

研制油实机试飞累计飞行时间在300 h以上，每飞行100 h进行换油。试飞试用结果表明：研制油满足发动机使用要求，在低温(-25 ℃)下直接启动一次成功，使用中油泥、积炭大大减少，换油周期由原执行的25 h延长至100 h，使用寿命延长至原来的4倍。

5 批次稳定性研究

2009年中型试验生产了多个批次的航空润滑油4060，对其批次稳定性的研究结果表明，各批次产品质量稳定，各项分析结果均达到质量指标要求。航空润滑油4060从2012年起正式供应用户，多年来进行了多个批次的生产，产品质量稳定。

6 结 论

采用组合基础油研制出符合新的活塞式航空发动机润滑油规范(GJB 1219A—2009)的航空润滑油4060。研制油通过L38台架试验，主要性能指标与国外15W/50参考油相当。研制油具有突出的清净分散性能和氧化安定性、优异的剪切安定性、优良的黏温性能(包括高温黏度和低温启动性，以及低温泵送性能)和良好的润滑性能。对航空润滑油4060进行了生产工艺研究，批次稳定性良好。研制油通过了飞机发动机厂商的发动机长期试车考核试验，并进行了实机试飞试用。目前已稳定供应用户使用多年，很好地解决了低温启动的问题，并延长换油周期至原用油的4倍。