直升機傳動系統潤滑油的研制

梁宇翔，賀景堅，閻 歡，尹開吉，唐紅金

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

與固定翼飛機不同，直升機發動機需要通過傳動系統控制飛機的運動，傳動系統直接影響直升機的操控性能及安全性。伴隨著直升機傳動系統的發展和進步，直升機傳動系統用潤滑油也經歷了幾個階段，早期直升機傳動系統使用與活塞發動機相同的礦物型潤滑油，其后采用了綜合性能更好的合成潤滑油，也就是采用與渦輪發動機相同的酯類合成型航空發動機潤滑油，這些油通常是符合MIL-PRF-23699[1]或MIL-PRF-7808規范的發動機潤滑油[2]。現代直升機的發展使得傳動系統體積變小、質量變輕，但直升機的功率越來越大，因此傳動系統的工作條件越來越苛刻。MIL-PRF-23699或MIL-PRF-7808規范用油已不能滿足先進的直升機傳動系統的使用要求。因為現代直升機傳動系統對潤滑油的要求已明顯不同于航空發動機對潤滑油的要求，傳動系統承載大，容易產生磨損、卡咬和腐蝕，而且直升機在飛行時傳動機械會產生微量的變形，如軸承和齒輪會產生不同軸現象，伴隨產生振動，會加劇磨損、卡咬并產生微振磨損和點蝕[3]。實際上美軍直升機傳動系統采用MIL-L-23699或MIL-L-7808規范用油時，在大修中齒輪和軸承的更換率達到40%～75%，兩次大修的時間間隔也很短，只有500～1 000 h[4-5]。20世紀70、80年代美、英兩國率先研制開發直升機傳動系統潤滑油，并于1986年2月初步制定了專用直升機傳動系統潤滑油標準及合成型直升機傳動系統潤滑油規范DOD-L-85734。該規范于2004年6月升級更新為DOD-PRF-85734A[6]規范。目前，國外先進直升機傳動系統普遍采用傳動系統專用潤滑油。目前符合DOD-PRF-85734A規范的直升機傳動系統潤滑油產品也只有國外幾家著名的大公司生產，如AeroShell Turbine Oil 555，Royco Turbine Oil 555，BP Turbo Oil 25等[7]。由于國內無此類潤滑油，為確保我國先進直升機傳動系統用油需求，避免關鍵潤滑材料受制于人，中國石化石油化工科學研究院與中國人民解放軍空軍油料研究所合作參照DOD-PRF-85734A規范研制了多元醇酯型直升機傳動系統潤滑油RIPP555并制訂了GJB 8447[8]直升機傳動系統合成潤滑油規范。研制先進的傳動系統潤滑油以滿足先進直升機的技術性能要求，對于減少飛行故障，延長飛機使用壽命，提高直升機的安全性和可靠性具有現實意義。

1 研制指標和試驗方法

參照美軍DOD-PRF-85734A規范，確定了傳動系統通用潤滑油研制指標，如表1所示。

本課題研究、考察各項理化性能，包括黏度、密度、傾點、閃點、酸值、蒸發損失等常規測定方法均采用對應的國家標準、國家軍隊標準或行業標準。對潤滑性能采用了多種評定方法，具體如下：潤滑油抗磨損性能測定法(四球機法)SH/T 0189—1992；潤滑劑承載能力測定法(四球法)GB/T 3142—1982(2004)；潤滑劑承載能力測定法(CL-100齒輪機法)SH/T 0306—1992；極壓潤滑油摩擦磨損性能的測定SRV試驗機法SH/T 0847—2010；Standard Test Method for Determining Extreme Pressure Properties of Lubricating Oils Using High-Frequency，Linear-Oscillation(SRV)Test Machine ASTM D7421；潤滑劑極壓性能測定法(法萊克斯法)SH/T 0187—1992；潤滑油磨損性能測定法(法萊克斯軸和V形塊法)SH/T 0188—1992。對橡膠相容性性能的評定方法如下：飛機渦輪潤滑油選用的合成橡膠的膨脹率測定方法 FED-STD-791 3604；飛機渦輪潤滑油與硅橡膠的相容性測定方法 FED-STD-791 3433。

表1 直升機傳動系統潤滑油主要質量指標

2 直升機傳動系統潤滑油RIPP555的研制

2.1 基礎油的選擇

在相同的添加劑配方條件下，不同酯類基礎油的熱安定性和腐蝕性有很大的不同，在試驗過程中發現有的基礎油在試驗后黏度變化率為較大負值，表現出明顯的裂解傾向，有的容易熱氧化生成酸，使得試驗后總酸值很大。經過研究，本課題采用高性能合成多元醇酯基礎油，具有非常好的熱氧化安定性。基礎油的典型數據見表2。

表2 試驗用基礎油的理化性能

2.2 添加劑和配方研究

2.2.1 抗氧劑航空潤滑油的使用溫度一般較高，通常采用芳胺類抗氧劑作為主抗氧劑。在相同的配方條件下(配方中含極壓抗磨劑和金屬腐蝕抑制劑等)，不同商品胺類抗氧劑對油品腐蝕和氧化安定性的影響見表3。表3數據以及更多的試驗數據表明，用傳統的高溫抗氧劑不能滿足研制的指標要求，必須采用新的高溫抗氧劑。課題組自合成了新型低聚抗氧劑應用于本課題的研究，試驗結果表明，使用自合成抗氧劑后沉積物量明顯減少。

2.2.2 極壓抗磨劑研制油指標要求符合美軍DOD-PRF-85734A技術規范。該規范在理化指標上基本覆蓋MIL-PRF-23699F航空發動機潤滑油標準，但是在潤滑承載能力上大幅度提高，DOD-PRF-85734A規范中油品技術指標的實現難度和水平高于最新的航空潤滑油標準MIL-PRF-23699F(STD)，是航空潤滑油中研制技術指標要求最高的潤滑油之一。因此研制油與普通發動機潤滑油最主要的區別在于潤滑性能及承載性能非常突出，同時要保持優良的腐蝕和氧化安定性，這也是課題研發的難點。

表3 不同商品胺類抗氧劑對油品腐蝕和氧化安定性的影響

通過系統地研究和考察不同類別、不同用量的市售商品極壓抗磨劑，考察其承載能力及其對油品腐蝕和氧化安定性的影響、對熱氧化安定性和腐蝕性的影響，得出國內外現有的商品極壓抗磨劑及其各種組合均無法同時滿足MIL-DOD-85734A規范要求的承載能力和腐蝕與氧化安定性的結論。課題組決定自行研制承載性能高、腐蝕和氧化安定性更好的極壓抗磨劑。考慮到應用于極性較強的酯類油，所以在極壓抗磨劑的分子結構設計時從分子整體結構的極性和穩定性方面著重進行考慮，并合理結合了有效基團。自合成的極壓抗磨劑FZ-10順利解決了直升機傳動系統潤滑油研制過程中油品承載能力和氧化與腐蝕安定性性能之間的矛盾，研制油完全符合研制指標要求。

分別選用了酯類油常用的極壓抗磨劑、國內外有代表性的磷酸胺類極壓抗磨劑以及一些含硫極壓抗磨劑，與本課題所研制的極壓抗磨劑FZ-10進行潤滑性能和腐蝕與氧化安定性的對比，結果見圖1～圖3和表4。PB指最大無卡咬負荷，PD指燒結負荷，WSD指鋼球磨斑直徑。從圖1～圖3和表4可以看出，加入自合成的極壓抗磨劑FZ-10后油品具有突出的高承載性能和優良的腐蝕和氧化安定性。

圖4為自合成極壓抗磨劑FZ-10的紅外光譜。

為了規范自合成極壓抗磨劑FZ-10的產品質量，制定了產品質量指標，對元素含量、酸值、銅片腐蝕及紅外光譜作了要求，具體見表5。

生產了多個批次的極壓抗磨劑FZ-10，對其批次穩定性進行了考察，結果見表6。

生產的3個批次極壓抗磨劑FZ-10加入油品后腐蝕和氧化安定性數據、法萊克斯失效負荷數據見表7。表7數據表明極壓抗磨劑的FZ-10批次穩定性良好。

圖1 不同極壓抗磨劑條件下四球試驗的PB和PD對比■—PB； ■—PD

圖2 不同極壓抗磨劑條件下法萊克斯失效負荷對比

圖3 不同極壓抗磨劑條件下四球試驗的WSD對比

表4 不同極壓抗磨劑條件下油品的腐蝕和氧化安定性試驗結果對比

圖4 極壓抗磨劑FZ-10的紅外光譜

2.2.3 腐蝕抑制劑配方中加入適量的腐蝕抑制劑可以降低油品對銅片等金屬的腐蝕，提高潤滑油抗裂解的能力，能夠有效地提高油品的腐蝕和氧化安定性。表8和表9分別為腐蝕抑制劑對油品的腐蝕和氧化安定性、熱安定性和腐蝕性的影響。

表5 極壓抗磨劑FZ-10的質量指標

表6 極壓抗磨劑FZ-10的生產批次穩定性

表7 不同批次極壓抗磨劑FZ-10對油品性能的影響

表8 腐蝕抑制劑對腐蝕和氧化安定性的影響

表9 腐蝕抑制劑對油品熱安定性和腐蝕性的影響

從表8可以看出，加入腐蝕抑制劑后油品的酸值變化值、黏度變化率和沉積物量等數據通常會變好，但是也有例外，如表7中配方33加入腐蝕抑制劑后黏度變化率反而明顯增大。

從表9可以看出，油品中加入腐蝕抑制劑時，黏度變化率變小，酸值變化值和鋼片質量變化量均增加，所以加入腐蝕抑制劑對油品熱安定性和腐蝕性的影響并不確定。

3 研制油RIPP555的性能

3.1 理化性能

研制油的主要理化性能見表10。

表10 研制油RIPP555的理化性能

3.2 研制油RIPP555的潤滑性能

本課題通過大量試驗對潤滑油承載性能的不同評價方法進行了研究，最終確定了對本課題適用的潤滑性能評定方法。分別采用四球試驗機、SRV、法萊克斯試驗機和FZG齒輪試驗機對研制油RIPP555和參考油的潤滑性能進行對比。

3.2.1 四球試驗用四球機對研制油和參考油進行對比，試驗數據見表11。從表11可以看出，研制油和參考油作用下的WSD和PB值相當，研制油作用下的PD值高于參考油。

表11 研制油RIPP555和參考油的四球試驗結果對比

3.2.2 SRV試驗用SRV試驗機對研制油和參考油進行對比，試驗數據見表12，表明各載荷下的WSD和極壓性能相當。

表12 研制油RIPP555和參考油的SRV試驗結果對比

3.2.3 法萊克斯試驗用法萊克斯試驗機對研制油和參考油進行對比，采用潤滑油磨損性能測定法(法萊克斯軸和V形塊法)SH/T 0188—1992對磨損性能進行對比，試驗數據見表13，研制油RIPP555在不同載荷下的磨損性能均優于國外參考油。

表13 研制油RIPP555和參考油的法萊克斯磨損性能對比

采用潤滑劑極壓性能測定法(法萊克斯法)SH/T 0187—1992中A法對研制油和參考油的極壓性能進行對比，試驗數據見表14，研制油的極壓性能優于參考油。另外還測定了5種典型的符合MIL-PRF-23699F規范的航空發動機潤滑油的法萊克斯失效載荷在6 222～8 399之間，與符合DOD-PRF-85734A的直升機傳動系統潤滑油有明顯的差距。

表14 研制油RIPP555和參考油的法萊克斯極壓性能對比

3.2.4 FZG齒輪試驗采用潤滑劑承載能力測定法(CL-100齒輪機法)SH/T 0306—1992對研制油和參考油的極壓性能進行對比，研試驗數據見表15，研制油和國外參考油的FZG失效載荷均大于12級，承載能力相當。評價4種具有代表性的符合MIL-PRF-23699F標準的航空發動機潤滑油，發現其失效級為8～9級，說明航空發動機潤滑油與直升機傳動系統潤滑油在承載能力上有明顯的區別。

表15 研制油RIPP555和參考油的CL-100齒輪機法極壓性能對比

3.3 橡膠相容性

根據美軍標DOD-PRF-85734A規范要求，橡膠相容性試驗需測定丁腈橡膠、氟橡膠和標準硅橡膠3種橡膠。研制油和參考油與3種橡膠的相容性試驗結果見表16，表明研制油和參考油的橡膠相容性相當。

表16 研制油RIPP555和參考油的橡膠相容性對比

3.4 研制油RIPP555與參考油的相容性試驗

按照FED-STD-791 3403要求對3個不同比例的研制油與參考油的混合油進行相容性試驗，結果見表17，表明研制油與參考油的相容性符合要求。

表17 研制油RIPP555與參考油的相容性

4 生產批次穩定性

生產了多個批次的RIPP555直升機傳動系統潤滑油，對其批次穩定性進行考察。各批次產品質量穩定，各項分析結果均達到質量指標要求。

5 應用研究

研制油RIPP555先后通過了兩種型號軸承的150 h軸承試驗、2個階段各140 h的中間減速器臺架試驗和主減速器50 h TBO試驗，并于2012年9月進行了3架直升機共計451.93 h的試飛試用試驗。試驗結論為，研制油性能與進口油相當，可以滿足直升機使用要求。

6 結 論

參照美軍DOD-PRF-85734A規范研制了直升機傳動系統潤滑油RIPP555，合成、篩選了基礎油和添加劑，特別是合成的極壓抗磨劑性能突出。研制油RIPP555具有良好的腐蝕和熱氧化安定性、熱穩定性和優良的極壓載荷能力，性能與國外參考油相當。 研制油分別通過了兩種型號軸承的150 h軸承試驗、兩個階段各140 h的中間減速器臺架試驗、主減速器50 h TBO試驗和3架直升機共計451.93 h的試飛試用試驗，研制油各階段試驗效果良好，性能與進口油相當，滿足直升機使用要求。