模拟工况条件下改性烃类航空润滑油综合性能对比分析*

阮少军 孙元宝 姜旭峰 校云鹏 宗 营

(空军勤务学院航空军需与燃料系 江苏徐州 221000)

某型烃类航空润滑油具有低温流动性好[1]、氧化安定性优[2-3]、润滑性能佳等优点，被广泛用于多类国产涡扇发动机中主轴承部件的润滑[4-6]。但在实际使用中发现该型润滑油使用一段时间后，颜色变化快、程度深[7-9]，容易令人产生该产品质量方面存在问题的担忧。虽然经过多次评估，油品并未出现性能指标不合格的情况，不过基于进一步生产该油品改进型的考虑，研究中提出了一种新的方法[10-12]，对于改善油样氧化后的颜色起到了很好的效果。

为了进一步考察系列改性油样理化指标变化情况，本文作者利用氧化工况标准模拟装置，分别探究了实际工作中，正常使用温度175 ℃、短暂使用温度200 ℃下系列改性油品的理化性能、摩擦学性能以及氧化安定性等指标变化情况，通过对比原油样的相关性能指标，评价了系列改性油品的综合性能，为后续确定最佳改性航空润滑油的扩试及应用提供了基础数据支撑。

1 实验部分

1.1 油样、仪器设备

某烃类航空润滑油：某油料研究所提供。

试验仪器：SYD-0168型石油产品色度测定仪，上海精析仪器制造有限公司生产；DKY-301B型石油产品运动黏度测定仪，大连凯博仪器有限公司生产；MRS-10(G)型杠杆式四球摩擦磨损试验机，济南试验机厂生产；MRS-10P型四球摩擦试验机，济南试验机厂；DSC 8000差示扫描量热仪，PerkinElmer公司生产。

润滑油高温氧化标准试验装置：参考ASTM D4636标准试验方法，依托地方厂家生产部件，自行组装。

1.2 高温氧化实验

(1)分别量取200 mL某型烃类润滑油置于氧化标准试验装置中，采用金属铜催化(经研究金属铜催化效果最为明显)，氧化条件分别设置为：175 ℃下分别氧化0、2、4、6、8、16 h，200 ℃下分别氧化0、2、4 h(氧化时间基于实际使用中各温度段氧化程度所设置)。175、200 ℃下原始油样氧化后分别记为L-175、L-200。

(2)往某型烃类润滑油中分别添加质量分数为1%、2%、3%、4%的T501添加剂(分别记为G-1、G-2、G-3、G-4)，得到4种改性润滑油。同上量取200 mL系列改性润滑油置于氧化标准试验装置中，在金属铜催化下，分别在175、200 ℃反应温度下氧化4 h。

其中金属铜片的规格参照国内行业氧化标准，统一为25 mm×25 mm×3 mm。

1.3 黏度、酸值及倾点测定

黏度测定：按照GB/T 265—1998(2004)《石油产品运动黏度测定法和动力黏度计算法》，对不同氧化温度下油样的40 ℃运动黏度进行测定。

酸值测定：按照GB/T 7304—2014《石油产品和润滑剂酸值测定法(电位滴定法)》，测定各实验油样的酸值。

倾点测定：按照GB/T 3535—2006《石油产品倾点测定法》，测定各实验油样的倾点。

1.4 抗磨性能、承载能力测定

(1)抗磨性能测试：对175、200 ℃氧化条件下得到的L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油样，在济南试验机厂的杠杆式四球摩擦磨损试验机上进行抗磨性能测试，测量钢球磨斑直径。试验钢球由济南润倍试验机有限公司生产，直径12.7 mm，材料GCr15。实验条件为：转速(1 450±50)r/min，载荷490 N，温度为室温，试验时间30 min。

(2)承载能力测试：对175、200 ℃氧化条件下得到的L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油样，采用济南试验机厂的四球摩擦试验机进行最大无卡咬负荷试验。测试钢球同上。实验条件为：转速(1 450±50)r/min，温度为室温，试验时间为10 s。实验根据GB/T 3142—2019《润滑剂承载能力的测定 四球法》，载荷逐级增加，直至测出最大无卡咬负荷。

1.5 氧化安定性测定

关于航空润滑油氧化安定性的测定，国内外标准方法较多，受限于实验室条件，文中使用PerkinElmer公司的DSC 8000差示扫描量热仪，通过测定油样的起始氧化温度(IOT)及氧化诱导期(OIT)，来间接评价航空润滑油的氧化安定性。采用上述方法在理论上是完全可行的，因为油品的氧化反应本身与自由基链式反应(经典氧化理论)密切相关，油品中含有的自由基数量越多，则更容易引发自由基链式反应，使得油品的氧化安定性变差，而油品的IOT以及OIT能间接反映自由基的多少，所以也就能评价油品的氧化安定性优劣[13-15]。

使用差示扫描量热仪，分别对175、200 ℃氧化条件下得到的L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油样的起始氧化温度(IOT)进行了测定。测试条件为：进样3 μL，起始温度为50 ℃，氧气氛围，流量为20 mL/min，以20 ℃/min速率升温至300 ℃。

2 结果与讨论

2.1 改性油样高温氧化颜色分析

部分改性油样高温氧化颜色变化情况如图1所示。可以看出，正常使用温度175 ℃下进行模拟氧化后，改性油样颜色色度有所下降，G-1至G-4改性油样较之原油样氧化后色号分别下降4、4、2、3；短暂使用温度200 ℃下进行模拟氧化后，改性油样颜色色度降幅明显，G-1至G-4改性油样较之原油样氧化后色号分别下降4、9、8、7。因此，油样改性后均具有延缓(降低)颜色色度变化的能力，只是效果对于不同氧化情况各不相同，尤其是氧化温度越高，油样改性后起到延缓(下降)氧化油样颜色变化的效果更为明显。

图1 改性油样及原油样在不同温度下氧化4 h后颜色色度值

2.2 改性油样高温氧化后理化性能分析

2.2.1 油样黏度、酸值变化分析

175、200 ℃氧化条件下，L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油样的运动黏度、酸值等理化指标变化情况如图2所示。

如图2(a)所示，随着氧化时间的增加，175 ℃下氧化后油样运动黏度呈现出先减小后增大的趋势；但对比具体数值发现，改性油样与原油样氧化后黏度相差并不大，例如175 ℃下氧化8 h后，L、G-1、G-2、G-3、G-4的黏度分别为3.89、3.88、3.87、3.88、3.88 mm2/s，各油样间相差幅度小于0.3%，可认为该温度条件下改性油样黏度并未发生明显变化。同样200 ℃氧化条件下油样的黏度变化幅度也很小，如图2(b)所示。因此，在175、200 ℃温度下氧化后改性油样与原油样的黏度变化差别并不大，可认为油样改性后对其黏度并未产生不良影响。

图 2 改性油样及原油样在不同氧化条件下黏度、酸值变化

如图2(c)、(d)所示，随着氧化时间的增加，175、200 ℃氧化条件下L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油样的酸值均出现明显升高趋势，但是在相同氧化条件下，G-1、G-2、G-3、G-4等改性油样的酸值上升幅度明显小于原油样。以175 ℃下反应0～16 h为例，原油样(L)酸值(以KOH计)从0.07 mg/g增至0.41 mg/g，增幅达到485.71%；而改性油样G-1、G-2、G-3、G-4酸值的增幅则分别为387.50%、325.00%、314.28%、212.50%。此外，从图中还可看出，G-2改性油样在200 ℃下氧化后酸值增幅小，而在175 ℃下氧化后，G-4改性油样的酸值控制效果好。之所以会出现这种结果，主要在于T501添加剂的最高使用温度为175 ℃，满足该条件下自然是添加剂含量越大延缓氧化作用愈发明显；但当温度达到200 ℃后，造成添加剂部分失效，且该温度下T501会与油样中另一种添加剂Tz516发生复配效应，其中的变化较为复杂，规律性不强。

综上，经过改性后的某型烃类航空润滑油，氧化后产生的酸性物质减小，说明油样改性后更改善了油品的腐蚀性能，控制酸值的能力增加。

2.2.2 油品倾点变化分析

175、200 ℃氧化条件下L、G-1、G-2、G-3、G-4等系列油样的倾点变化如表1所示。可见，G-1、G-2、G-3、G-4等改性油样较原油样L的倾点几乎无明显变化，同等温度相同反应时间下不同氧化油样的倾点相差不超过3 ℃，且规律性不强。因此可以认定G-1、G-2、G-3、G-4列改性油样对原油样的倾点指标并未造成不良影响。

表1 改性油样及原油样在不同氧化条件下倾点变化

2.3 改性油样高温氧化后摩擦学性能分析

由于改性油样高温氧化后油样数量较多，逐一测定该系列样品摩擦学性能耗时较多且没有必要，因此文中仅对氧化程度最为剧烈的2个反应条件样本，即175 ℃下反应16 h、200 ℃下反应4 h的L、G-1、G-2、G-3、G-4油样进行抗磨性能分析，分别测定钢球对应的磨斑直径、承载能力大小，以此来说明改性油样抗磨性能的优劣。

2.3.1 油品抗磨性能变化分析

表2给出了175 ℃下反应16 h、200 ℃下反应4 h的L、G-1、G-2、G-3、G-4油样润滑下钢球磨斑直径。为了增加实验结果的精确性，对各个氧化油样润滑下的磨斑直径均测定3次，并以平均值作为最终结果。可以看出，2种反应条件下原油样(L)、改性油样(G-1、G-2、G-3、G-4)的磨斑直径平均值相差很小，因此可以认定改性后对油品的抗磨性能并未产生不良影响。

表2 改性油样及原油样在不同氧化条件下磨斑直径变化单位：mm

2.3.2 油品承载能力变化分析

图3给出了175、200 ℃氧化温度下，L、G-1、G-2、G-3、G-4系列氧化油样承载能力变化趋势。可以看出，随着氧化时间的增加，油样的承载能力及最大无卡咬负荷均呈现增大趋势。其中175 ℃氧化温度下，原油样(L)的pB值增加了2.79%，增幅最高，而改性油样G-1、G-2、G-3、G-4的增幅较小，并且依次呈现下降趋势，其增幅分别为1.95%、1.67%、1.25%、0.97%；而200 ℃氧化温度下，系列氧化油样的pB值变化也呈现出相同的规律。由此说明，油样改性后可能会导致承载能力降低，不过降幅不大、影响可控，至于具体原因则需要进一步研究明确。

图3 改性油样及原油样在不同氧化条件下承载能力对比

2.4 改性油样高温氧化后氧化安定性分析

2.4.1 油品起始氧化温度(IOT)分析

图4给出了175、200 ℃氧化温度下，L、G-1、G-2、G-3、G-4系列氧化油样起始氧化温度(IOT)变化趋势。

图4 改性油样及原油样在不同氧化条件下IOT测定值变化情况

由图4可以看出，随着T501添加量的增加，相同氧化条件下改性油样的IOT值增大；另外，原油样(L)和改性油样的IOT值相差较大，油样改性后其IOT值增加明显。以175 ℃下氧化反应2 h为例，改性油样G-1、G-2、G-3、G-4的IOT值分别为267.2、272.1、285.8、291.1 ℃，与原油样(L)的261.8 ℃相比，分别增加了5.4、10.3、24.0、29.3 ℃。200 ℃氧化条件下的改性油样也呈现出相同的规律。因此可以认定油样改性后提高了其IOT值，提高了油品的氧化安定性。

2.4.2 油品氧化诱导期(OIT)分析

图5给出了175、200 ℃氧化温度下，L、G-1、G-2、G-3、G-4系列氧化油样氧化诱导期(OIT)变化趋势。

图5 改性油样及原油样在不同氧化条件下OIT测定值变化情况

由图5可以看出，随着T501添加量的增加，相同氧化条件下改性油样的OIT值增大；另外，原油样(L)和改性油样的IOT值相差较大，油样改性后其OIT值增加明显。仍以175 ℃下氧化反应2 h为例，改性油样G-1、G-2、G-3、G-4的OIT值分别为18.5、27.4、36.4、48.2 min，相比原油样(L)的14.4 min，分别增加了4.1、13.0、22.0、33.8 min。200 ℃反应条件下的改性油样也呈现出相同的规律。因此可以认为油样改性后提高了其OIT值，同样明显地提高了油品的氧化安定性。

3 结论

采用氧化工况模拟标准装置，对某烃类航空润滑油改性后的理化性能、抗磨性能、承载能力进行分析。主要结论如下：

(1)氧化温度越高，改性油品延缓氧化导致油样颜色变化的效果更明显。对于油品的理化指标而言，改性系列油样并未对原油样氧化的黏度、倾点产生不良影响；值得注意的是，改性油品更加有利于改善油品的腐蚀性能，控制酸值的增加。

(2)该烃类航空润滑油改性后，对其抗磨性能并未产生不良影响，但油品承载能力降低，不过降幅不大，总体影响可控。

(3)该烃类航空润滑油改性后，起始氧化温度(IOT)以及氧化诱导期(OIT)均出现了明显的升高，可见油品改性后，其氧化安定性明显提高。