直升机主减速器润滑油研究进展

杨 颖，宋 岩，陈春茂

（1. 国家知识产权局专利局 材料工程发明审查部，北京100086；2. 中国石油大学（北京）化学工程与环境学院，北京102249）

主减速器作为直升机重要的传动部件[1]，负责将发动机输出动力转化为主旋翼的升力以及尾桨的推力。直升机主减速器由于结构紧凑，而且常处于重载高速的工作条件，导致主减速器内的环境温度急剧升高[2]，高温会导致润滑油膜破裂。为了提高主减速器可靠性，直升机主减速器润滑系统对润滑齿轮和轴承等硬件及其所用润滑油“软件”提出了越来越高的要求[3⁃5]。高性能润滑油在减速器滑油系统内循环，不仅可以在摩擦副之间形成润滑油膜，减少摩擦副之间的摩擦和磨损，同时，持续的供油回油还可以带走摩擦副之间的热量，起到降温的作用，避免齿轮和轴承温度过高引起材料的软化和变形，继而出现胶合、磨损、点蚀之类的常见失效形式[6⁃8]，因此润滑油已成为主减速器正常运转不可缺少的重要组成部分。多年来，国外一直在改进直升机主减速器润滑油，美国在2015 年推出一种符合MIL⁃PRF⁃32538 规范的新型9 厘斯油[9]，比以前广泛使用的、符合MIL⁃DTL⁃85734 规范的5 厘斯油[10]黏度更大，有利于成膜；承载能力更好，可以提高传动系统可靠性[11]；可降低直升机传动系统维护成本16%。总体来看，主减速器润滑油的发展趋势是由矿物油向合成油转变，黏度逐渐增大[12⁃13]，承载能力越来越高。

1 直升机主减速器对润滑油的要求

直升机主减速器润滑系统的主要功能是对减速器动部件（齿轮、轴承、花键处[14]）进行润滑，从而减少摩擦、提高效率、降低磨损、解除疲劳，以及改善寿命[15]，并有效排散轴承生热、各运动副摩擦生热，以及从发动机经过传导、辐射而来的热量，保持滑油系统温度在允许的范围内[16]。直升机主减速器滑油系统对润滑油有如下要求：所用润滑油在各运动摩擦副之间形成具有一定法向承载能力且切向剪切强度低的润滑膜，这就要求润滑油黏度不能太小，否则难以成膜；另一方面，黏度不能太大，否则会引起很大的摩擦损失，不利于流动散热，甚至造成低温启动困难。除了黏度这个重要的指标外，主减速器对润滑油通常还有以下要求：

（1）良好的热氧化安定性。保证在高温、各种金属的催化作用下，不易被氧化变质，不易产生高分子氧化产物甚至沉淀，从而保持黏度稳定。（2）优异的材料相容性。润滑油对密封橡胶的溶涨或侵蚀作用较小，不会引起橡胶件过度的膨胀或收缩，以避免因密封材料损坏而泄漏润滑油。（3）良好的抗泡性能。润滑油在高温和强制循环的条件下，很容易产生泡沫，过多的泡沫容易妨碍正常的循环和散热，甚至引起供油中断。（4）良好的极压抗磨性能。在不能获得流体动压膜和弹流润滑膜的条件下，边界润滑要靠润滑油中的极压抗磨剂来形成吸附膜或化学反应膜，防止摩擦副工作面直接接触，产生磨损、擦伤、胶合、点蚀，合适的极压剂中通常含有氯、硫、磷、氮元素，航空油料领域更常见的是硫、磷、氮型极压剂。

2 国内直升机主减速器润滑油研究进展

根据100 ℃运动黏度，直升机主减速器润滑油主要可分为5 厘斯油和9 厘斯油两大类；根据添加剂使用情况，分为极压型和非极压型；根据基础油使用情况，分为合成油型和矿物油型。我国目前没有成功应用9 厘斯直升机主减速器润滑油，只有5厘斯直升机主减速器润滑油，主要产品有非极压型合成油、极压型合成润滑油、极压型半合成油。

2.1 非极压型合成油

国内的非极压型5 厘斯油是指参照MIL ⁃L ⁃23699[17]研制的5 厘斯航空发动机油，国内产品规范为GJB 1263[18]，使用温度-40~200 ℃，产品牌号有925、4050 和4106。

2.2 极压型合成润滑油

国内极压型5 厘斯合成润滑油是指参照俄罗斯ТУ38. 101295[19]研 制 的926 油，国 内 产 品 规 范 为GJB 3460-1998[20]，使用温度-40~200 ℃，以及参照美国DOD⁃PRF⁃85734[21]研制的RIPP 555 油，国内产品规范为GJB 8447-2015[22]，使用温度-40~175 ℃。国内极压型5 厘斯合成润滑油指标及试验方法见表1。

表1 国内极压型5 厘斯合成润滑油指标及试验方法Table 1 The test limits and method of extreme pressure 5 cSt synthetic lubricant of China

续表1

2.3 极压型半合成油

国内极压型5 厘斯半合成油是指参照MIL ⁃PRF ⁃ 6806[23]研 制 的4450 油，其 产 品 规 范 为GJB 561-1988[24]，使 用 温 度-40~120 ℃。 国 外MIL ⁃PRF⁃6086L 型基础油原为矿物油，但在后来的生产过程中，为了改善低温性能，将部分矿物油改为合成烃。4450 油指标及试验方法见表2。

表2 4450 油指标及试验方法Table 2 The test limits and method of 4450 lubricant

我国参照美俄直升机传动系统润滑油产品规范建立了国产直升机传动系统润滑油产品规范，但产品规范中只有理化性能指标，缺少轴承和齿轮试验使用性能指标。

3 国外直升机主减速器用油研究进展

3.1 美国直升机主减速器润滑油研究进展

在早期，美国曾使用发动机润滑油作为主减速器润滑油，但随着使用过程中出现各种润滑问题，如花键的微震腐蚀，齿轮齿面和轴承的点蚀和微点蚀。美国研究了润滑油对直升机传动系统的影响，发现润滑油的黏度、比热容、密度、油品自身的防腐性能对直升机传动系统的影响非常大，美国先后研制了3 种类型的直升机专用主减速器润滑油。

3.1.1 早期矿物油 MIL⁃PRF⁃6086 规范规定了两种等级的矿物油型润滑油，按100 ℃运动黏度分为5 厘斯油和9 厘斯油，其代表性产品为ROY⁃CO586L 油和ROYCO586M 油，典型值对比情况见表3。

表3 ROYCO586L 油和ROYCO586M 油性能参数典型值对比Table 3 The typical value of ROYCO586L and ROYCO586M

3.1.2 过渡型合成油 美国从1983 年开始执行一项研制直升机传动系统专用润滑油的发展计划。计划分三个阶段，第一个阶段就是过渡型滑油的研制。这个阶段的主要目标是改善润滑油的载荷能力。1986 年美国首次公布此项规范DOD⁃L⁃85734，名称是直升机传动系统合成润滑油，属于5 厘斯油。符合DOD⁃L⁃85734 规范的油与符合MIL⁃L⁃23699规范的油相比，提高了Ryder 齿轮评级要求：MIL⁃L⁃23699 润滑油是102，过渡型油是145。同时美国放宽了高温性能要求，因为直升机传动系统工作温度比发动机要低很多。2004 年DOD⁃L⁃85734 修订为DOD⁃PRF⁃85734A。英国规范DEF STAN 91⁃100与DOD⁃PRF⁃85734 基本相当。

3.1.3 新型合成油 2006年6月，美国正式提出了“先进直升机传动系统用油计划”，希望通过提高运动黏度来改善承载能力，研制一种100 ℃运动黏度为9厘斯，-32 ℃运动黏度不大于13 000厘斯的传动系统润滑油，以满足美国先进直升机传动系统用油[25]。该油具有以下4 个预期：（1）取代美国现用的符合DOD⁃PRF⁃85734A 规范的直升机传动系统润滑油。（2）降低传动系统润滑油的高温性能，留下空间进一步改进承载 能 力。（3）与 符 合MIL ⁃ PRF ⁃ 23699、MIL ⁃ PRF ⁃7808、DOD⁃PRF⁃85734A 等规范的润滑油具有良好的相容性，同时也与直升机传动系统的金属和橡胶材料具有良好的相容性。（4）为未来的直升机传动系统选油提供设计参数。针对上述需求，美国伊士曼公司研制了一种多元醇酯型9 厘斯油：EastmanTM HA⁃LO 157油，是一种琥珀色、带有芳香气味的润滑油，与符合MIL⁃PRF⁃7808、MIL⁃PRF⁃23699、DOD⁃PRF⁃85734A 等规范的润滑油完全互溶。

EastmanTMHALO 157 油承载能力优异，美国航空与航天局（NASA）长时失效试验证明其与符合DOD⁃PRF⁃85734 规范的油相比，可以延长直齿圆柱齿轮寿命（SPUR GEARS）8 倍。EastmanTMHALO 157 油与Eastman TURBINE OIL 25 油（符合DOD⁃PRF⁃85734 规范）的性能参数典型值对比见表4。

美国在研制重型直升机“CH⁃53E 超级种马”时，主减速器使用了符合MIL⁃PRF⁃32538[9]的9 厘斯油，承载能力比现有的符合DOD⁃PRF⁃85734的5厘斯油承载能力提高了约23%；同时，还将H⁃60直升机主减速器润滑油系统进行了改造，换用了9 厘斯油；另外还在CH⁃46、SH⁃60、CH⁃53、CH⁃47和UH⁃1N 等直升机的传动轴和齿轮箱进行了部件试验。试验后认为使用新型9 厘斯油可以提高传动系统可靠性，对直升机传动系统维护成本降低16%。因为使用9 厘斯油,美国直升机传动系统提高了直升机战场生存率，并取得了良好的军事效益和经济效益[26]。

美国的直升机传动系统油料规范MIL⁃PRF⁃6086 除了理化性能之外，使用性能指标“承载能力” 仅四球综合磨损值1 项。但在DOD⁃PRF⁃85734 和MIL⁃PRF⁃32538 规范中，使用性能指标增加了FZG和Ryder 齿轮载荷能力、轴承沉积等关键指标，说明美国越来越重视传动系统润滑油的承载能力，而且也建立了相应的检测设备和方法。

表4 EastmanTM HALO 157 油与Eastman TURBINE OIL 25 油的典型值对比Table 4 The typical value of EastmanTM HALO 157 and Eastman TURBINE OIL 25

3.2 俄罗斯直升机主减速器润滑油研究进展

3.2.1 矿物油 俄罗斯早期的主减速器润滑油 由 符 合ГОСТ 4003[27]的2/3 双 曲 线 齿 轮 油 和1/3АМГ⁃10 液压油混合而成，100 ℃运动黏度不小于9 厘斯，也可称之为9 厘斯矿物油。俄罗斯还有7.5 厘 斯 矿 物 油МН ⁃ 7.5У，其 技 术 规 范 为ТУ 38101722⁃85[28]。另外，俄罗斯还将8 号和20 号航滑按质量比1∶1 或1∶3 混合后用作主减速器润滑油。此外，RU2004125241A[29]公开了一种高黏度环烷基油和低黏度环烷基油的调和油，RU2001129327A[30]公开了一种高黏度油和低黏度油的调和油。上述调和油用于直升机主减速器具有提高寿命、改进抗磨性能以及黏温性能的优点。

3.2.2 极压型合成酯类油 该油是由季戊四醇酯和包括极压剂在内的添加剂调和而成，属于5 厘斯合成油。目前俄罗斯使用最广泛的直升机发动机润滑油用作直升机主减速器润滑油，我国的926润滑油即参照该油研制，主要区别在于将Б⁃3В 油中使用的α⁃巯基苯并噻唑换成了硫代磷酸三苯酯。在前苏联时期，Б⁃3В 油是直升机减速器主要使用润滑油。

PCT/RU2011/000879[31]公开了一种用于涡轮螺旋桨直升机发动机的润滑油组合物，基础油为季戊四醇与单羧酸的脂肪酸的复合酯与二聚季戊四醇单酯的混合酯，抗氧剂为烷基苯胺、高分子烷基酚，抗磨剂为磷酸三甲苯酯与Irgalube 353 二硫代磷酸酯以质量比3∶1 混合的混合物，腐蚀抑制剂为1,2,3⁃苯并三唑和甲苯三唑以质量比1∶10 混合的混合物。该润滑油具有较好的300 ℃以上的热稳定性、230~240 ℃的热氧化安定性以及高温抗磨和抗腐蚀性能。3.2.3 其他类型合成油 聚烯烃合成油被用于润滑直升机发动机，PCT/RU2005/000655[32]公开了将100 ℃运动黏度为10~20 厘斯的难以消耗的高分子聚烯烃解聚成在100 ℃为2~8 厘斯的目标聚烯烃作为聚烯烃基合成油。

俄罗斯传动系统润滑油产品规范中除了理化性能指标外，没有齿轮和轴承使用性能指标，这是因为俄罗斯针对所有的航空油料还用综合鉴定法（KMKO）评定[33]，而综合鉴定法评定不写入具体产品规范，其中润滑油有Ш⁃3 齿轮试验机、УКМ⁃1 高温沉积2 项指标要求。

3.3 英国直升机主减速器润滑油研究进展

3.3.1 矿物油 英国DEF STAN 91⁃112[34]规范规定了两个等级的矿物油型润滑油，100 ℃运动黏度分为5 厘斯油和9 厘斯油，其代表性产品为NY⁃COLUBE64 油 和NYCOLUBE3525 油。

3.3.2 合成油 符合DEF STAN91⁃98[35]规范的代表性产品有Turbonycoil98 合成油，不仅用于涡桨发动机，也广泛用于俄产直升机，俄罗斯卡⁃28/31 直升机BP ⁃ 252 减速器建议使用产品规范为DEF STAN 91⁃98 的7.5 厘斯油，因为7.5 厘斯油的黏度比Б⁃3В 润滑油的黏度更大，更有利于减速器齿轮等部件的成膜润滑。PCT/GB95/00941[36]公开了一种用于直升机传动装置的润滑油组合物，包含黏度在100 ℃时为5.0~10.0 厘斯的合成基础油、抗氧剂组分、中性有机磷酸酯组分、二羧酸组分、三唑组分和含磷极压添加剂。该润滑油组合物能够满足英国国防部和美国海军的专用使用标准。

4 我国在直升机传动系统润滑油方面的不足

鉴于我国早期在航空飞机和发动机领域主要以跟随式发展为主，在直升机主减速器润滑油方面，主要学习借鉴美俄这样的航空强国，同时结合我国的特点，初步建立了适应我国直升机主减速器现状和发展要求的产品体系和试验方法。但与美俄这样的航空强国相比，还存在一定的差距。

4.1 理论研究有待深入

我国航空装备和航空油料研制起步较晚，属于典型的跟随式发展。跟随式发展带来的主要问题就是没有厚实的理论基础，集中体现在长期以来对航空装备与油料适配性问题认识不足，而俄罗斯有发动机化学[37]理论指导航空油料的研究、检测与使用，在装备和油料的研制、生产及使用部门共同参与下，油料和装备的发展高度协同。

4.2 关键使用性能评定设备缺少

在油品性能评定方面，虽然我国已基本建立了与国外相当的理化性能检测评定方法和相应设备，但缺少关键使用性能的评定设备，例如类似美国DOD⁃PRF⁃85734 中的轴承沉积实验机和Ryder 齿轮实验机，成功的使用性能试验可以大幅减少润滑油应用试验的持续时间和成本，对润滑油产品的升级换代和新产品研发具有重要意义。

4.3 研究广度不足

不同于地面设备减速器润滑，由于密级较高，近年来国内公开的航空装备及用油研究论文相对较少，某种程度上制约了直升机主减速润滑油方面的深入研究。近年来高铁、风力发电等地面减速器润滑，无论是在润滑理论[38⁃44]，还是新型基础油[45⁃46]和纳米抗磨剂[47⁃48]、离子液体抗磨剂[49⁃50]、石墨烯抗磨剂[51]等方面都取得了重要研究进展，为改进直升机减速器润滑油研究的广度提供相关借鉴。

5 总结与展望

直升机主减速器通常处于高速重载工况下，所用润滑油对其可靠性有很大影响。目前国内外直升机主减速器润滑油：根据100 ℃运动黏度分为5厘斯油和9 厘斯油；根据添加剂使用情况，分为极压型和非极压型；根据基础油使用情况，分为合成油型和矿物油型。以美国为代表的外国主减速器润滑油发展情况来看，9 厘斯合成润滑油是当前和未来的发展主流。

我国目前主要使用黏度较低的5 厘斯合成润滑油，鉴于美国使用9 厘斯直升机传动系统主减速器润滑油的成功经验，我国未来应该研究使用综合性能更加优异的9 厘斯合成润滑油，从油品性能改进方面提高我国直升机主减速器的可靠性，同时加强航空润滑油理论研究和使用性能评定设备研究，进一步促进我国航空油料与航空装备的适配性。