谷运龙 杨丹峰 赵俊宏 马德锋 赵伟桦
摘 要
针对轴承试验机中润滑油出现碳化结焦的现象，分析其原因，提出了润滑系统改进措施，包括加热棒结构，保温措施以及控制方式等，有效地解决了润滑油碳化结焦的问题。
关键词
轴承试验机;高温润滑系统;碳化结焦
中图分类号： TH133.33;TH117.2 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.021
航空发动机轴承在进行部件试验时，采用将润滑油加热到一定温度用于模拟其工作环境温度，航空润滑油使用温度可达180～200℃[1]。在某型航空发动机轴承试验器上对某型号轴承进行1500h寿命试验时，将润滑油加热到100℃模拟其高温工作环境，采用4106航空润滑油，供油流量为1.5L/min，试验运行455h时，润滑系统压力报警停机，拆解高温过滤器后，发现过滤器滤芯发生严重堵塞，加热棒表面有大量黑色焦炭。本文从滑油碳化结焦的机理分析，针对润滑系统的结构及其存在的问题，进行改进设计。
1 高温润滑系统介绍
航空发动机轴承试验机高温润滑系统原理图如图1所示，供油泵将1#油箱的油经过溢流阀、滤油器送入2#油箱，2#油箱内有一组加热棒（6根）将润滑油加热至所需的温度。在封闭的试验轴承箱体里，通过回油泵把油抽回到1#油箱。为了保护回油泵及调节系统温度，在管路上设置了冷却器和滤油器。温度控制原理是以供油温度为目标温度，控制加热器工作，润滑油与加热器表面进行换热，使润滑油的温度升高。
2 问题分析及验证
2.1 试验现象
润滑系统发生压力降低后，拆解润滑系统中的加热棒，发现加热棒表面出现大量的黑色物质，为滑油碳化结焦的产物，如图2所示。
2.2 问题分析
润滑油碳化结焦的原理是润滑油在高温、氧气及金属催化的条件下，逐步氧化、碳化最终结焦[2]。4106航空润滑油从使用温度上划分属于Ⅱ型油，使用温度范围为-40～+220℃，在250℃左右条件下就开始分解[3]，在320℃条件下开始出现结焦现象[4]。
從润滑油碳化结焦的原理上进行分析，造成滑油碳化结焦的主要因素是加热棒与润滑油接触处的表面温度过高。由于采用电加热管对润滑油进行直接加热，依靠电加热管表面的高温与其周围的润滑油进行换热的方式将润滑油进行加热，往往是电加热管表面温度很高，而油箱内的润滑油温度梯度变化很大，会造成各处润滑油的品质不一，电加热管附近的润滑油碳化严重。
2.3 试验验证
为验证滑油碳化结焦的原因是因加热棒与润滑油接触处的表面温度过高，在原有润滑系统中的加热棒上加装温度传感器进行测量。如图3所示。
将加装温度传感器的加热棒重新装到润滑系统中，打开润滑系统，进行加热试验，并监测温度传感器的温度值。设置供油温度，打开润滑系统，记录供油温度及加热棒表面温度，曲线对比图如图4所示。
从图4中，可以看出，加热棒表面温度远远高于供油温度，且在供油温度没有达到目标值前，加热棒表面温度已经超过250℃。
由此可见，润滑系统中加热棒表面温度过高是导致润滑油碳化结焦的主要原因。
3 润滑系统结构设计改进
结合滑油碳化结焦的原因，对原有的润滑系统进行改进，主要着手于控制加热棒表面温度，系统的保温及控制方式等三个方面。
润滑油的加热方式分为直接加热和间接加热，直接加热方式包括加热棒直接加热、电磁感应加热[5]等，间接加热包括导热油电加热等。其中，直接加热的方式从效率及能耗上均比间接加热更优越。本系统改进采用原有的润滑系统，针对加热棒的结构进行改进。
控制加热棒表面温度是控制滑油碳化结焦的关键，结构上从两个方面对加热棒进行改进，一是加热棒的结构从原有的U型结构改为与润滑油接触面积更大的圆柱形加热棒，二是在将温度传感器封装到加热棒中，监测加热棒温度（以下简称加热棒内部温度）。加热棒的功率根据加热温度以及润滑油流量、润滑油的比热容及换热系数等计算，本文不在此进行详述。改进后的加热棒结构如图5所示。
系统保温主要在管路上加装保温棉进行保温，减小系统热量损耗。
控制方式以供油温度为目标值，采用控制加热棒内部温度不超过某一规定值作为控制方式的限定值的方式，对润滑油进行加热。具体控制方式不在此进行详述。
由于本次改进的加热棒中的温度传感器是安装在加热棒里面，不能准确地反映与润滑油接触处的加热棒表面温度，因此，首先测试加热棒表面温度与改进的加热棒内部温度的差别，评估控制加热棒温度的范围。测试方式如图6所示。将加热棒放置空气中，在加热棒表面安装温度传感器，测量与加热棒内部温度的差别。测试结果曲线图如图7所示。
从上图可知，加热棒表面温度与加热棒内部的温度传感器测量的温度差值较大，当加热棒内部温度达到330℃时，加热棒表面温度约110℃。
因此，可将加热棒内部温度330℃作为控制加热棒工作的限定值。
4 试验验证
将改进后的加热棒安装到润滑系统中，将润滑系统中相应的管路加装保温棉，编制加热方式控制软件，设置供油温度100℃作为目标值，进行润滑加热试验。试验过程中监测供油温度以及加热棒内部温度，数据曲线如图8所示。
从以上数据曲线可知，在满足供油温度前提下，加热棒内部温度值不超过330℃，能够保证加热棒表面与润滑油接触区域温度不超过碳化结焦温度。
采用改进后的润滑系统结构以及温度控制方式，继续进行本文提到的轴承试验，直至试验结束后，不再出现滑油滤芯堵塞现象。试验后拆解加热棒，加热棒表面未出现黑色碳化物质，表面附着黄色润滑油色，属正常现象。试验后加热棒外观如图9所示。
5 结论
根据轴承试验过程中润滑油出现碳化结焦的现象，分析高温润滑系统的原理及润滑油碳化结焦的原理，得出因加热棒表面温度过高造成润滑油碳化结焦的结论。提出了润滑系统改进措施，包括加热棒结构，保温措施以及控制方式等，通过试验验证，表明该改进措施能够解决润滑油碳化结焦的问题。
参考文献
[1]聂龙宣，马纯民.国外航空发动机主轴轴承[Z].洛阳：洛阳轴承研究所，1998.
[2]陈磊，陈聪慧，陈静.高热安定型航空发动机润滑油性能评定研究[J].润滑油，2018，33（02）：28-34.
[3]陈卫兵，王德岩.航空涡轮发动机润滑油的发展趋势[J].黑龙江科技信息，2007（02）：11.
[4]张丙伍，李静，吕丙琴，汪利平，李桂云.航空发动机润滑油抗结焦性能研究[J].润滑油，2013，28（03）：1-3.
[5]谷运龙，范围广，许冬冬，贾虹，杨丹峰.轴承试验机高温润滑系统的改进[J].轴承，2016（05）：37-39.
