二氧化硫螺桿壓縮機油配方優化設計研究

劉 琨，唐彩珍，梁 慧，黃福川

（1.廣西大學化學化工學院，廣西南寧 530004；2.廣西石化資源加工與過程強化重點實驗室，廣西南寧 530004）

螺桿壓縮機主要由氣路系統、油路系統、冷卻系統、調節系統和控制系統組成。整個機組主要部件有壓縮機主機、濾清器、冷卻器、油氣分離器［1－2］。螺桿壓縮機工作時，氣體在壓縮機主機被壓縮，壓縮機油在壓力差的推動下，霧化噴入機腔。壓縮機油與壓縮介質在機腔內充分混合，隨著轉子不斷旋轉，油氣混合物從機體排出，進入油氣分離器進行油氣分離。分離出的潤滑油進入油冷卻器、油過濾器，經過泵重新回到主機，進行下一次油路循環。很顯然，壓縮機油質量的好壞對螺桿壓縮機的工作有較大影響。螺桿壓縮機工作時，壓縮機油與壓縮介質充分接觸，勢必會影響壓縮機油的性能，使得油品黏度變小、易氧化、易乳化、變質快、使用壽命縮短等。中國對二氧化硫螺桿壓縮機油的研究較少，用戶常使用無油壓縮機，以避免使用壓縮機油引起的一系列問題［3］。然而，無油自潤滑型壓縮機對材料、精度要求頗高，造價昂貴。

綜合上述問題，本文根據螺桿壓縮機油的特點，以研制綜合性能優良、可滿足壓縮二氧化硫的螺桿壓縮機專用油為出發點，采用模糊綜合評判法，進一步加快螺桿壓縮機油的研制進度，也為今后潤滑劑的研究提供新的方法和思路［4－5］。

1 基礎油的選擇

螺桿壓縮機的介質一般分為空氣和工藝氣體2類，工藝氣體又分為非活性氣體和活性氣體［6］。本文中的螺桿壓縮機是以二氧化硫活性氣體為壓縮介質，充分考慮到壓縮介質與壓縮機油直接接觸的特點，通過實驗考察不同特性的基礎油對壓縮介質的物理及化學兼容性。

一般而言，被壓縮氣體在液相中具有一定的溶解度，溶解度的大小與氣體性質以及液體性質有關。表1中列出了二氧化硫在基礎油中的溶解性能。從表1中可以看出，通過油品黏度被稀釋的程度，可得知二氧化硫在合成型和礦物型基礎油中都有一定的溶解，其中聚α－烯烴（PAO）的溶解程度較小，多元醇酯的溶解程度最大。其主要原因可能是基礎油組分結構的不同而引起的［7］。因為PAO 結構穩定，組成單一，所以不易受到二氧化硫的影響；而聚醚（OSP）中含有醚鍵，NP 和TM 酯類基礎油含有酯基，性能較為活潑，能與二氧化硫生成有機硫化物，導致穩定性不佳。礦物油組成較為復雜，二氧化硫對其性能的穩定具有較大影響，不僅造成油品黏度大幅度降低，長時間使用后，還會導致礦物油中有焦油狀的物質析出，應特別避免選用Ⅲ類礦物油。

表1 二氧化硫在基礎油中的溶解性能Tab.1 Sulfur dioxide solubility in base oil

選擇基礎油時，還進行了基礎油對金屬的防護性能比較。在實驗中，選擇經打磨至光亮的銅片，完全浸沒于基礎油和二氧化硫的水溶液中。觀察結果如表2所示。其中，酯類油在酸性的二氧化硫水溶液中發生水解，破壞酯類油結構，使得油品外觀非常渾濁；礦物型基礎油易發生乳化，導致渾濁；而OSP外觀也有些渾濁；PAO 的破乳化性能極佳，在二氧化硫水溶液中可迅速與油相分離，保持油層穩定，使金屬得到保護。在銅片腐蝕實驗中，PAO 和OSP的防護性能較好，礦物油和酯類油表現較差。

通過對實驗結果和對螺桿壓縮機潤滑特點的綜合分析，確定以聚α－烯烴為本研究的主要基礎油之一，并輔以少量的聚醚型基礎油相復合。此外，鑒于大多數添加劑在聚α－烯烴和聚醚中的溶解性能不及優質的礦物油，本研制油最終確定以聚α－烯烴、聚醚以及Ⅱ類礦物油三者復合，作為本研制的基礎油。

表2 基礎油的防護性能比較Tab.2 Comparison of protective properties of base oil

2 添加劑的選擇

2.1 添加劑的選擇

通過實驗可知，復合基礎油的熱氧化安定性、低溫流動性以及空氣釋放性能較好，結合螺桿壓縮機工況特點，選擇的功能性添加劑包括清凈劑、分散劑、緩蝕劑、抗氧劑、極壓抗磨劑、抗泡劑和抗乳化劑等［8－9］。

2.2 結果分析

清凈劑在潤滑油中具有較好的清凈、中和以及分散作用。本研究通過選擇比較，確定中堿值合成磺酸鹽（T1）、高堿值磺酸鹽（T12）以及硫化烷基酚鈣（T13）為研制油配方中的復合清凈劑。

為減少試驗次數、縮短試驗時間、節約成本、提高工作效率，本研究中應用均勻設計表U＊10安排10組曲軸箱模擬試驗，考察不同加入量的清凈劑對成焦量的影響，確定復合清凈劑中3種組分的最佳劑量，其結果見表3。

表3 清凈劑配比試驗表Tab.3 Proportion test of detergent additive

使用Matlab對數據進行非線性回歸分析，剔除不顯著的數據（見圖1），并確定回歸方程，見式（1）。

從式（1）可以看出，T12對成焦量的影響不大，T1和T13對成焦量的影響較為復雜。除個體影響外，還存在添加劑間的交互影響，交互影響機理較為復雜，本文不作討論。當X1＝1.500 0，X2＝0.600 1，X3＝0.844 3 時，方程存在最小值Y＝5.072 3，即成焦量約為0.507 mg。以此含量制備復合 劑，X1，X2，X3所占比例分別為50.8%，20.4%，28.8%。通過實驗，確定復合劑的加劑范圍，清凈劑感受性試驗結果見圖2。

圖1 清凈劑的非線性回歸分析殘差圖Fig.1 Nonlinear regression analysis of detergent residual plots

圖2 清凈劑感受性試驗Fig.2 Susceptibility testing of detergent additive

復合基礎油的性能較好，在氧化過程不會生成或極少生成膠質等極性物質，曲軸箱模擬試驗結果顯示的成焦量都較低。隨著復合清凈劑加入量的增大，成焦量逐漸降低。當加入量達1.5%（質量分數，下同）后，降低的幅度減小。從清凈效果以及成本考慮，確定復合清凈劑的加入量為1.5% ～3.0%。

分散劑最常用的是雙丁二酰亞胺，其清凈分散效果較好，能與磺酸鹽和烷基酚鈣產生協同增效作用，提高油品的分散性能［10］。本文選用雙丁二酰亞胺（T14），將含有T14的復合基礎油進行高低溫試驗后，采用濾紙法測定其斑點分散系數，確定T14的加入量，其結果見圖3。

鑒于壓縮介質二氧化硫能與胺型抗氧劑發生反應，本研究在選擇抗氧劑時，采用多種氧化抑制劑T21，T22與酚型抗氧劑T2復合，以滿足研制油對熱氧化安定性能的需求。其中，T21為油溶性有機鉬。經多次試驗，發現隨著T21 加入量的增大，油品會出現絮狀物，增大油品黏度。造成這一現象的原因可能是由于油溶性有機鉬在復合基礎油中的感受性不好，當油溶性有機鉬濃度較大時，在基礎油中析出，出現絮凝現象。因此，T21 的加入量不應過多。研制過程中首先確定T21的加入量，通過配比試驗，確定T22 與T2 的最佳配比，其次確定含有T2，T21，T22的復合抗氧劑的添加量范圍。復合抗氧劑的加入量見圖4。

圖3 分散劑的感受性試驗Fig.3 Susceptibility testing of dispersant additive

圖4 抗氧劑感受性試驗Fig.4 Susceptibility testing of antioxidant additive

試驗中發現，復合基礎油中的聚α－烯烴和聚醚組分可有效降低油品在運動副表面的摩擦系數。根據這一性能，本研究選用的極壓抗磨劑為磷酸三甲酚酯（T3），保證油品具有足夠的油膜強度和承載性能，同時可避免因使用硫系極壓劑而產生的刺鼻氣味，試驗確定其加入量為2.5%。復合基礎油的防銹性能較好，在未加添加劑的條件下，經銅片腐蝕實驗均為1a等級。采用液相銹蝕（蒸餾水法）考察緩蝕劑對復合基礎油的影響，實驗觀察到不同劑量的復合緩蝕劑均可保持鋼棒光亮、無銹。綜合實驗結果并結合添加劑廠家提供的技術信息，本研制確定將烯基丁二酸酯和噻二唑衍生物按1∶1（質量比）復合，作為螺桿壓縮機油中的緩蝕劑，并固定0.5%的加入量。此外，為保持油品較好的抗泡性能和抗乳化性能，經過實驗確定，本研究在研制油中加入復合型抗泡劑（0.000 1%）以及胺與環氧化合物的縮合物（0.1%）。

3 全配方優化設計

在研制過程中，為簡化研制進程，對復合緩蝕劑、極壓劑、抗泡劑以及破乳化劑的加入量根據經驗采用固定量；復合清凈劑、分散劑以及復合抗氧劑均為可變量。在添加劑配方中，多種添加劑相互作用的關系較為復雜，包括協同增效作用、競爭吸附、相互抑制作用等。本研究通過采用組合賦權、模糊綜合評判法對全配方設計進行分析，評定功能添加劑之間的相互影響作用，篩選出最優配方設計方案。根據試驗結果，復合清凈劑、分散劑以及復合抗氧劑的添加范圍分別如下：1.5%～3.0%，2.0%～3.5%，2.0%～3.0%，采用U＊10均勻設計表安排試驗，考察油品的成焦量、斑點分散系數、黏度變化率等性能指標。其中，斑點分散系數為成本型（數值越小越好），其余為效益型（數值越大越好）。其全配方試驗結果見表4。

表4 研制油全配方試驗Tab.4 Testing results of fully formulation for developed oil

根據表4試驗結果，建立模糊綜合評判模型的評價指標因素集X＝x（ij）n×m，

將評價指標因素集矩陣通過極差變化進行標準化處理，使得指標數值均落在無量綱區間，具備可比性。所采用的極差變換法如下：

式（2）和式（3）分別為績效型和成本型的變換公式，變換后所得標準矩陣為X′ij＝x（ij）n×m，1為最優，0為最差。

3.1 組合賦權

權數的確定是優化模型中的關鍵環節。為使得數值更為客觀有效，本文采用組合賦權獲得綜合權重的方法，將熵權法［10－11］和主成分分析法［12］組合確定權重，再通過模糊綜合評判模型［13－16］獲得最優配方。

熵權的確定公式為

其中，k＝1／lnn。

依據熵權法計算所得的權重為

主成分分析法確定權重包括將原數據矩陣標準化（見式（6））、確定主成分及線性加權值（見式（7）），ω＊即為所求權系數。其中：S為樣本方差；L，μ為數據矩陣的協方差矩陣對應的特征向量及特征值。

采用Matlab的Princomp命令，計算得

3.2 模糊綜合評判法

根據模糊理論，并依據以上數據，得到研制油品的模糊綜合評判模型為

B＝ωX′T＝（0.823 7，0.570 1，0.371 4，0.634 2，0.330 5，0.761 0，0.440 0，0.166 0，0.210 5，0.266 0）。

由此可知，方案1 為較優配方，即復合清凈劑1.5%、分散劑3.0%、復合抗氧劑2.67%、極壓劑2.5%、復合抗泡劑0.000 1%、破乳化劑0.1%。

4 結 語

將聚醚型基礎油（OSP）與低黏度聚α－烯烴（PAO）復合，并加入Ⅱ類礦物油，以改善兩者對添加劑的感受性能，研制配方的復合基礎油綜合性能良好，在螺桿壓縮機油配方的研制中起到突出的作用。

主成分分析法依據降維原理，將高維問題轉化為低維問題，更適用于多維數樣本。采用熵權法和主成分分析法為研制配方賦權，排除了篩選研制配方過程的主觀因素影響，對螺桿壓縮機油配方進行客觀評價，確定了較為優化的可行方案。

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