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航空液压油的技术规范及发展应用
2020.01.06

20世纪40年代早期 , 飞机设计师逐渐认识到相对于机械杆操作系统 ,液压系统操作起来反应迅速 、灵敏,更具优势, 于是以矿物油为基础油的航空液压油迅速发展起来 。美国空军在 50 年代初已广泛使用符合美国军用规范 MIL-H-5606的石油基航空液压油 ,这种油的最大特点是低温性能好 ,满足空军在低温环境下的使用要求 。


航空液压油是飞机液压系统的工作介质,用于对飞机起落架和襟翼的操纵和驱动,对于飞行安全十分重要。根据飞机液压系统的结构与工作特点,综述了航空液压油的性能。介绍了俄罗斯(前苏联),美国和中国航空液压油的现状。随着飞机性能的不断提高,飞机液压系统朝着高温高压方向发展,不燃航空液压油是航空液压油的发展方向。为了提高军事效益,需研制军民通用的航空液压油。随着对环境保护不断增强,要求研制无毒,可生物降解和不对环境产生危害的环保型航空液压油。



前言


飞机液压系统主要用于完成收放起落架及襟翼等的特定操纵和驱动,因此有人把航空液压系统比作飞机的“肌肉”,而液压系统中的工作介质航空液压油,则称为飞机的“血液”。

据统计,飞机液压系统的故障占到飞机机械故障总量的30%左右,其中一半以上都与航空液压油有关,因此航空液压油对于飞行安全十分重要。


1 航空液压油的性能要求

根据飞机液压系统的结构与工作特点,对航空液压油的性能提出了如下要求:


(1)压缩性小 航空液压油作为飞机液压系统的能量传递介质以操纵飞机起落架及襟翼等特定部件,要求航空液压油的压缩性越小越好。压缩性小,则传递的能量损失就越少,就越稳定,准确,迅速,飞机的操纵就越灵敏。


(2)适当的运动黏度以及良好的润滑性能 当航空液压油的运动黏度过大时,液压系统的摩擦力会增加,功率损失增大,伺服机构动作迟缓;当运动黏度过小时容易产生泄漏,或导致液压系统中的运动部件润滑不良,因此航空液压油应具有适当的运动黏度以及良好的润滑性能。


(3)剪切安定性好 航空液压油在高压下通过液压泵或液压阀等元件间隙时会受到机械剪切作用,剪切作用会导致航空液压油的运动黏度下降(若航空液压油中加有黏度指数改进剂时会更为明显),直接影响到航空液压油的使用,因此要求航空液压油的剪切安定性要好。


(4)黏温性要好 航空液压油的工作温度范围很宽,要保证航空液压系统正常工作,就要求航空液压油须具有良好的黏温性能,在温度发生变化时,航空液压油的运动黏度随温度的变化不能太大。


(5)抗燃性好 航空液压系统向高温高压方向发展,要求航空液压油具有良好的抗燃性,避免液压系统因故发生泄漏时,航空液压油飞溅到高热的金属部件上引发火灾,威胁飞机的安全。


(6)抗泡沫性能要好 飞机在高空飞行时外界压力低,溶解在航空液压油中的空气会析出产生泡沫。若泡沫不能及时消除,就会严重影响到航空液压油的压缩性能,使液压操纵失灵,进而影响到飞机的安全飞行,因此要求航空液压油应具有良好的抗泡沫性能。


(7)热氧化安定性要好 航空液压油长期处于高温环境中,容易氧化变质,产生酸以及不溶性胶质,腐蚀或堵塞飞机液压系统,对液压系统造成不良影响,威胁到飞机的安全飞行,因此要求航空液压油的热氧化安定性要好。


(8)水解安定性要好 航空液压油中不可避免地含有一定的溶解水,在高温高压下航空液压油可能会与水发生水解反应,产生腐蚀性物质或者不溶性残渣,对航空液压系统产生不良影响。


(9)洁净性要好 飞机液压系统(含附件)构造精密,对于机械杂质十分敏感,如果航空液压油的洁净性不好,含有机械杂质,就会造成液压系统严重磨损,甚至堵塞,对液压系统造成极大的损害。


(10)相容性要好 在飞机液压系统中,航空液压油会与多种材料直接接触(包括金属与非金属),要保证液压系统正常工作,要求航空液压油既不腐蚀金属部件,也不溶解非金属密封材料,即与直接接触材料的相容性要好。


2 航空液压油的应用现状


2.1 俄罗斯(前苏联)航空液压油的应用现状俄罗斯(前苏联)航空液压油包括醇系航空液压油,石油基航空液压油和合成航空液压油,目前使用后两种,且以石油基航空液压油为主。


2.1.1 醇系航空液压油

俄罗斯(前苏联)在20世纪40年代使用的醇系航空液压油包括СГ液体(乙醇和甘油)和СВГ液体(乙醇,甘油和水),分别在夏季和冬季使用。由于СГ 液体和 СВГ 液体的黏温性能与润滑性能不好,不能实现全年通用,且对金属有腐蚀性,被弃用,由此发展了石油基航空液压油。


2.1.2 石油基航空液压油

俄罗斯(前苏联)在20世纪50年代发展了石油基航空液压油,主要包括凡士林液压油 МВП 与АМГ-10液压油。凡士林液压油 МВП 是硫酸精制的石油基油,低温性能差,现作为仪表油使用。АМГ-10 航空液压油是 210 ℃~300 ℃的重煤油馏分添加黏度指数改进剂和抗氧剂制成的红色透明液体。

АМГ-10 航空液压油的 50 ℃运动黏度不小于10 mm2/s,闪点(开口)不低于 93 ℃,使用温度范围为-60 ℃~127 ℃,短期可达150 ℃,具有良好的低温性能和润滑性能,不腐蚀橡胶,缺点是抗燃性能,抗剪切性能和热氧化安定性不够好,目前广泛应用于俄制运输机和战斗机的液压系统。


2.1.3 合成航空液压油

俄罗斯(前苏联)在20世纪70年代研制出了合成航空液压油(7-50С-3合成航空液压油)。该合成航空液压油是以硅油和双酯为基础油制成的黄色透明液体,并添加了抗氧剂和抗磨剂,20 ℃运动黏度不小于22 mm2/s,闪点(开口)不低于200 ℃,使用温度范围为-60 ℃~175 ℃,短期可达200 ℃。

7-50С-3合成航空液压油的黏温性能、低温性能和热安定性均优于石油基航空液压油,挥发性小、抗水解性好、抗燃性好,不足的是与液压系统密封材料的相容性差,主要用于超音速飞机的液压系统。


2.2 美国航空液压油的应用现状

美国的航空液压油包括石油基航空液压油和合成航空液压油。

美国自 20世纪 40年代起 ,采用以矿物油为基础油的石油基航空液压油 MIL-H-5606, 但由于矿物油的闪点低 ,当液压油泄漏时, 易发生飞机着火等事故 ,于是从 50年代开始进行磷酸酯航空液压油的研制 。磷酸酯液压油的抗燃性好, 但缺点是与原有的飞机液压系统部件不相容, 因此从 60年代末美国开始研制以 PAO为基础油的耐燃液压油 MIL-H-83282, 80年代研制成功并投入使用。虽然 MIL-H-83282大大降低了飞机着火的几率, 但由于其最低使用温度为 -40 ℃, 而 MIL-H-5606却能在-54 ℃的环境中使用 ,因此 MIL-H-83282只能部分替代 MIL-H-5606。从 20 世纪 80 年代末美国又开始研制低温合成烃耐燃液压油 MIL-H-87257。该油兼具耐燃与低温的优势 , 于 1998 年

正式投入使用 , 并将采用逐步换油的方式完全取代MIL-H-5606和 MIL-H-83282。


2.2.1 石油基航空液压油

美国石油基航空液压油的军用规格主要包括MIL-H-81019D标准的航空液压油。

符合美军MIL-H-5606

标准的航空液压油是美国空军使用最广泛的航空液压油,为轻柴油馏分。其最大特点是低温性能好,不 足 之 处 在 于 可 燃 性 强[闪 点(闭 口)略 高 于

82 ℃],火焰扩散速度快。


符合美军:MIL-H-6083 标准的航空液压油是防锈液压油,用于液压系统库存时的防锈,不用作液压系统的工作介质,对液压系统和密封垫无不良影响,使用温度为-54 ℃~71 ℃,与其他型号的液压油不能互换使用。


符合美军:MIL-H-81019D标准的航空液压油是超低温液压油,工作温度为-70 ℃~100 ℃,低温性能优良。并且只有符合MIL-H-5606 标准的航空液压油可以作为其应急航空液压油,不能与其他航空液压油互换使用。


2.2.2 合成航空液压油

美国合成航空液压油主要包括磷酸酯航空液压油和合成烃航空液压油。磷酸酯航空液压油最突出的特点是抗燃性明显优于石油基液压油,其他性能也满足MIL-H-5606标准的要求,但磷酸酯航空液压油与许多液压系统密封材料不相容,而军机的改装成本太高,故多用于民用航空。


目前磷酸酯航空液压油的主要标准有美国空军与汽车工程师协会(SAE)的SAE AS-1241D 规范及与波音公司的BMS 3-11规范。

合成烃航空液压油的规格主要有MIL - H-83282 标 准 、MIL-H-46170B 标 准 、MIL-H-87257 标准和MILH-27601标准等。符合MIL-H83282 标准的 PAO 合成烃航空液压油的主要特点是抗燃性较好[闪点(闭口)不低于205 ℃],热氧化安定性好(工作温度上限为 205 ℃),比磷酸酯航空液压油具有更好的材料相容性,不足之处是抗燃性有限,着火后能够继续燃烧,低温性不够好(工作温度下限为-40 ℃)。


美海陆军均采用PAO(聚α-烯烃)合成烃航空液压油,MIL-H-87257 标准和MIL-H-27601 标准都是在 MIL-H-83282标准的基础上进一步改进而来,分别提高了 PAO合成烃航空液压油的防腐性、低温性和高温性。


2.3 国产航空液压油的应用现状


国产航空液压油包括石油基液压油和合成航空液压油。


2.3.1 国产石油基航空液压油

我国石油基航空液压油包括 10 号航空液压油,12号航空液压油和15号航空液压油,军用航空液压油主要为15号航空液压油。

10 号航空液压油以 230 ℃~305 ℃馏分为基础油,并添加有黏度指数改进剂、抗氧剂和染色剂(苏丹红)等。10 号航空液压油的使用温度为-55 ℃~100 ℃,低温性好,但高温性不足,并且长期使用后黏度会下降。

12号航空液压油采用240 ℃~300 ℃的馏分为基础油,能满足美军MIL-H-5606B标准。与 10 号航空液压油相比,12 号航空液压油更换了黏度指数改进剂,提高了抗氧剂的含量,使用温度为-54 ℃~125 ℃,短期可达150 ℃。

由于国际通航的需要,15号航空液压油是参照美军MIL-H-5606E标准研制的。与 10 号航空液压油和 12 号航空液压油相比,15号航空液压油增加了黏度指数改进剂的含量,提出了颗粒污染控制的要求,增加了抗氧剂的含量,使用温度范围为-54 ℃~135 ℃,短期可达150 ℃。


2.3.2 国产合成航空液压油

我国合成航空液压油主要包括 RP-4350 号航空液压油、HFS N15合成烃抗燃航空液压油和昆仑HFDU合成酯抗燃液压油等。

RP-4350 号 合 成 烃 航 空 液 压 油 满 足MIL-H-83282D 标准,具有一定的抗燃性,使用温度范围为-40 ℃~205 ℃,目前用于直-9等直升机的液压系统。

HFS N15 合成烃抗燃航空液压油用于海豚直升机液压系统,其质量指标符合美军MIL-H-83282标准,具有一定的抗燃性,但是其低温性能稍差。

昆仑 HFDU 合成酯抗燃液压油具有良好的抗燃性、抗磨性以及高温性能。


3 发展方向


3.1 航空液压油通用化


随着飞机性能不断地提高,飞机液压系统朝着高温高压方向发展,对于航空液压油抗燃性的要求也将越来越高。由于石油基液压油本身不具备抗燃性的缺陷以及目前合成航空液压油的抗燃性还存在一定的局限性等,研制新型不燃航空液压油来替代现有的可燃型航空液压油是航空液压油发展的必然趋势,航空液压油将向不燃化方向发展。

考虑到军民融合,军用航空液压油和民用航空液压油也应当通用,这样才能在紧急情况下尽可能地提高军事效益。由于军机的改装花费极高,因此应当基于军机液压系统的现状和发展趋势研制能够军民通用的航空液压油,使航空液压油向通用化方向发展。


3.2 生物降解型航空液压油


随着对环境保护的不断增强,要求研制无毒,可生物降解,不对环境产生危害的环保型航空液压油也是航空液压油发展的必然趋势。

1996年 ,美国空军开始研制一种既可直接替代MIL-H-5606和 MIL-H-83282又具有生物降解性能的航空液压油 。这种可生物降解的液压油使用温度范围应在 -40 ~ 135 ℃或 -54 ~ 135 ℃之间, 并与现在的液压油相容 , 与现在的系统设计相一致 。

换句话说,要有相似的体积模数 、密度、粘压性能等 。同时希望它兼具 MIL-H-5606和 MIL-H-83282的优点 ,即低温性能 ,耐燃性, 以及 135 ℃、168 h的氧化腐蚀安定性 。MIL-H-87257以及所有的候选油都通过了生物降解性能测试。实际上 , MIL-H-83282也接近指标 。最初的试验结果表明虽然这些油都只能部分满足军用规范的要求 , 但是通过配方改进和进一步的研究, 未来研制可直接替换 MIL-H-5606和 MIL-H-83282、并同时具有生物降解性能的航空液压油仍具有可行性。


3.3 航空液压油取代防锈液压油作为零件储存用油成为未来发展方向


二壬基萘磺酸钡 (BaSN)作为腐蚀抑制剂成功应用于两种军用防锈液压油 MIL-H-6083和 MIL-H-46170 中。这两种油被美国空军和海军用作零件储存用油。一方面, 使用后的含钡防锈液压油是危险的废料 ,处理起来花费巨大 ;另一方面 , 当储存零件被重新安装到飞机上, 残存的防锈液压油遇高温(>121 ℃)而分解, 分解产物会导致液压系统产生一系列运作问题 。如飞机阀门粘连 、过滤器阻塞 、油泵腐蚀等。 1995年 , 相关部门建议用航空液压油 MIL-H-83282取代防锈液压油来储存零件 。

为了考察可行性, 美国空军实验室与美国 Dayton大学研究院共同进行了航空液压油与防锈液压油对于液压系统零件储存性能的对比试验。将轴承 、活塞和液压泵分别用航空液压油和防锈液压油存放(其中, 由于 MIL-PRF-5606和 MIL-PRF-6083将逐步从军事航空应用中淘汰 , 所以在液压泵储存试验中没有选用这两种油。)。储存 3年 , 每年检查轴承、活塞和油泵腐蚀情况 , 3年后储存油泵进行耐久性测试。结果发现, 无论储存在哪种液压油中的轴承、活塞和液压泵都没有腐蚀 ,储存在航空液压油中的液压泵比储存在防锈油中的液压泵甚至处于更好的状况。


3.4 高温航空液压油

未来,随着液压系统操作温度的不断提高 ,如果还用相对不稳定的防锈液压油来储存零件 , 势必会给液压系统带来更多的运作问题。用航空液压油取代防锈液压油储存零件, 不仅可以解决这个隐患 ,还能减少防锈液压油给环境带来的污染 。

高温液压油的研制主要为了满足高性能飞机的需要,用以改善整个飞机的热控制,减少所需要的冷却或绝热系统 。允许在这样高的温度下工作的液体需要有热稳定性和润滑性。候选的高温液压油包括高精制矿物油 , 合成加氢 PAO、硅烃 (SiHC)和全氟聚醚(PFPAE)。以前两种为基础油的航空液压油最终有相应的军用规范 MIL-H-27601A和MIL-H-27601B,这两种航空液压油的使用温度范围为 -40~ 288 ℃,而 SiHC和 PFPAE可持续使用于温度范围为 -54 ~ 357 ℃的环境中 ,但这两种油产量较小, 价格较高 。前三种都属于抗燃液压油 ,而 PFPAE属于不燃液压油 ,并且它的体积模数较小 ,密度较大 , 需要专用的液压系统与之匹配。


3.5 航空液压油性能需要提升


长期以来, 为了尽可能减少由于液压油着火引起的飞行事故,提高军用飞机的安全性能 ,美国空军一直致力于航空液压油耐燃性的提高 。由于环保意识的日益增强 , 在兼顾液压油

耐燃性的同时, 油品的生物降解性和低毒性也变得越来越重要 。液压系统零件储存试验表明 , 用航空液压油取代防锈液压油储存零件不仅防锈效果好 ,而且可以防止残存的防锈剂给飞机带来的运作问题 ,还能减少对环境的污染 。

未来 ,随着高性能飞机的不断发展, 为了在压力增加、电流刺激、温度升高的情况下油品的性能不会受到影响, 液压油热稳定性的提高也成为发展方向。



4 常用航空液压油


航空液压油主要用作航空液压系统传动机构的工作液,也是各种要求较高的液压机械的理想工作介质。具有良好的高低温性能、粘温性、抗剪切性、氧化安定性和液压传递性能,使用温度为-54℃-135℃。抗氧化安定性可满足各种新型飞机液压系统的使用要求。


4.1 15号航空液压油GJB1177-1991

主要用作航空液压传动机构的工作液,可替代国产10号、12号航空液压油和美国MIL-H-5606E液压油。

2013年对标准进行修订为GJB1177A-2013,本次修改将名称改为:15号航空液压油规范。同时增加周期性检验的检验周期为2年,对钡含量要求不大于10 mg/kg,并且对基础油的密度耍求,与鉴定时的样品相比,密度变化不应大于0.008kg/m3;对腐蚀和氧化安定性金厲片,增加了阳极镉,删除了腐蚀和氧化安定性试验条件为135°C、168h的A型产品,还将防锈剂含量由适量改为0.05%±0.01%(质量分数)。


   GJB1177A-2013规范



4.2 10号航空液压油(天空)SH0358-1995

主要用作航空液压传动机构的工作液,同时还可用于其它高性能液压系统的工作液。如数控机床、乙酰胺循环泵、高压乙烯输送泵及船舶起重机、甲板机械、挖掘机、起锚机、大型吊车、雷达车和铁路、电器开关等。由于本产品有很低的凝点,所以还可用于极寒地区的上述各种设备并可替代倒冷油使用。使用温度为-70℃以上。


     SH0358-1995规范



4.3 10号航空液压油(地面用油)Q/SYYM0024-2000

10号航空液压油(地面用油)主要用作各种要求较高的液压系统的工作液,以及严寒地带与机场地面的各种液压机械设备。如数控机床、乙醇胺循环泵、高压乙烯输送泵及船舶起重机,甲板机械、

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