二氧化硫螺杆压缩机油配方优化设计研究

刘 琨，唐彩珍，梁 慧，黄福川

（1.广西大学化学化工学院，广西南宁 530004；2.广西石化资源加工与过程强化重点实验室，广西南宁 530004）

螺杆压缩机主要由气路系统、油路系统、冷却系统、调节系统和控制系统组成。整个机组主要部件有压缩机主机、滤清器、冷却器、油气分离器［1－2］。螺杆压缩机工作时，气体在压缩机主机被压缩，压缩机油在压力差的推动下，雾化喷入机腔。压缩机油与压缩介质在机腔内充分混合，随着转子不断旋转，油气混合物从机体排出，进入油气分离器进行油气分离。分离出的润滑油进入油冷却器、油过滤器，经过泵重新回到主机，进行下一次油路循环。很显然，压缩机油质量的好坏对螺杆压缩机的工作有较大影响。螺杆压缩机工作时，压缩机油与压缩介质充分接触，势必会影响压缩机油的性能，使得油品黏度变小、易氧化、易乳化、变质快、使用寿命缩短等。中国对二氧化硫螺杆压缩机油的研究较少，用户常使用无油压缩机，以避免使用压缩机油引起的一系列问题［3］。然而，无油自润滑型压缩机对材料、精度要求颇高，造价昂贵。

综合上述问题，本文根据螺杆压缩机油的特点，以研制综合性能优良、可满足压缩二氧化硫的螺杆压缩机专用油为出发点，采用模糊综合评判法，进一步加快螺杆压缩机油的研制进度，也为今后润滑剂的研究提供新的方法和思路［4－5］。

1 基础油的选择

螺杆压缩机的介质一般分为空气和工艺气体2类，工艺气体又分为非活性气体和活性气体［6］。本文中的螺杆压缩机是以二氧化硫活性气体为压缩介质，充分考虑到压缩介质与压缩机油直接接触的特点，通过实验考察不同特性的基础油对压缩介质的物理及化学兼容性。

一般而言，被压缩气体在液相中具有一定的溶解度，溶解度的大小与气体性质以及液体性质有关。表1中列出了二氧化硫在基础油中的溶解性能。从表1中可以看出，通过油品黏度被稀释的程度，可得知二氧化硫在合成型和矿物型基础油中都有一定的溶解，其中聚α－烯烃（PAO）的溶解程度较小，多元醇酯的溶解程度最大。其主要原因可能是基础油组分结构的不同而引起的［7］。因为PAO 结构稳定，组成单一，所以不易受到二氧化硫的影响；而聚醚（OSP）中含有醚键，NP 和TM 酯类基础油含有酯基，性能较为活泼，能与二氧化硫生成有机硫化物，导致稳定性不佳。矿物油组成较为复杂，二氧化硫对其性能的稳定具有较大影响，不仅造成油品黏度大幅度降低，长时间使用后，还会导致矿物油中有焦油状的物质析出，应特别避免选用Ⅲ类矿物油。

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

选择基础油时，还进行了基础油对金属的防护性能比较。在实验中，选择经打磨至光亮的铜片，完全浸没于基础油和二氧化硫的水溶液中。观察结果如表2所示。其中，酯类油在酸性的二氧化硫水溶液中发生水解，破坏酯类油结构，使得油品外观非常浑浊；矿物型基础油易发生乳化，导致浑浊；而OSP外观也有些浑浊；PAO 的破乳化性能极佳，在二氧化硫水溶液中可迅速与油相分离，保持油层稳定，使金属得到保护。在铜片腐蚀实验中，PAO 和OSP的防护性能较好，矿物油和酯类油表现较差。

通过对实验结果和对螺杆压缩机润滑特点的综合分析，确定以聚α－烯烃为本研究的主要基础油之一，并辅以少量的聚醚型基础油相复合。此外，鉴于大多数添加剂在聚α－烯烃和聚醚中的溶解性能不及优质的矿物油，本研制油最终确定以聚α－烯烃、聚醚以及Ⅱ类矿物油三者复合，作为本研制的基础油。

表2 基础油的防护性能比较Tab.2 Comparison of protective properties of base oil

2 添加剂的选择

2.1 添加剂的选择

通过实验可知，复合基础油的热氧化安定性、低温流动性以及空气释放性能较好，结合螺杆压缩机工况特点，选择的功能性添加剂包括清净剂、分散剂、缓蚀剂、抗氧剂、极压抗磨剂、抗泡剂和抗乳化剂等［8－9］。

2.2 结果分析

清净剂在润滑油中具有较好的清净、中和以及分散作用。本研究通过选择比较，确定中碱值合成磺酸盐（T1）、高碱值磺酸盐（T12）以及硫化烷基酚钙（T13）为研制油配方中的复合清净剂。

为减少试验次数、缩短试验时间、节约成本、提高工作效率，本研究中应用均匀设计表U＊10安排10组曲轴箱模拟试验，考察不同加入量的清净剂对成焦量的影响，确定复合清净剂中3种组分的最佳剂量，其结果见表3。

表3 清净剂配比试验表Tab.3 Proportion test of detergent additive

使用Matlab对数据进行非线性回归分析，剔除不显著的数据（见图1），并确定回归方程，见式（1）。

从式（1）可以看出，T12对成焦量的影响不大，T1和T13对成焦量的影响较为复杂。除个体影响外，还存在添加剂间的交互影响，交互影响机理较为复杂，本文不作讨论。当X1＝1.500 0，X2＝0.600 1，X3＝0.844 3 时，方程存在最小值Y＝5.072 3，即成焦量约为0.507 mg。以此含量制备复合 剂，X1，X2，X3所占比例分别为50.8%，20.4%，28.8%。通过实验，确定复合剂的加剂范围，清净剂感受性试验结果见图2。

图1 清净剂的非线性回归分析残差图Fig.1 Nonlinear regression analysis of detergent residual plots

图2 清净剂感受性试验Fig.2 Susceptibility testing of detergent additive

复合基础油的性能较好，在氧化过程不会生成或极少生成胶质等极性物质，曲轴箱模拟试验结果显示的成焦量都较低。随着复合清净剂加入量的增大，成焦量逐渐降低。当加入量达1.5%（质量分数，下同）后，降低的幅度减小。从清净效果以及成本考虑，确定复合清净剂的加入量为1.5% ～3.0%。

分散剂最常用的是双丁二酰亚胺，其清净分散效果较好，能与磺酸盐和烷基酚钙产生协同增效作用，提高油品的分散性能［10］。本文选用双丁二酰亚胺（T14），将含有T14的复合基础油进行高低温试验后，采用滤纸法测定其斑点分散系数，确定T14的加入量，其结果见图3。

鉴于压缩介质二氧化硫能与胺型抗氧剂发生反应，本研究在选择抗氧剂时，采用多种氧化抑制剂T21，T22与酚型抗氧剂T2复合，以满足研制油对热氧化安定性能的需求。其中，T21为油溶性有机钼。经多次试验，发现随着T21 加入量的增大，油品会出现絮状物，增大油品黏度。造成这一现象的原因可能是由于油溶性有机钼在复合基础油中的感受性不好，当油溶性有机钼浓度较大时，在基础油中析出，出现絮凝现象。因此，T21 的加入量不应过多。研制过程中首先确定T21的加入量，通过配比试验，确定T22 与T2 的最佳配比，其次确定含有T2，T21，T22的复合抗氧剂的添加量范围。复合抗氧剂的加入量见图4。

图3 分散剂的感受性试验Fig.3 Susceptibility testing of dispersant additive

图4 抗氧剂感受性试验Fig.4 Susceptibility testing of antioxidant additive

试验中发现，复合基础油中的聚α－烯烃和聚醚组分可有效降低油品在运动副表面的摩擦系数。根据这一性能，本研究选用的极压抗磨剂为磷酸三甲酚酯（T3），保证油品具有足够的油膜强度和承载性能，同时可避免因使用硫系极压剂而产生的刺鼻气味，试验确定其加入量为2.5%。复合基础油的防锈性能较好，在未加添加剂的条件下，经铜片腐蚀实验均为1a等级。采用液相锈蚀（蒸馏水法）考察缓蚀剂对复合基础油的影响，实验观察到不同剂量的复合缓蚀剂均可保持钢棒光亮、无锈。综合实验结果并结合添加剂厂家提供的技术信息，本研制确定将烯基丁二酸酯和噻二唑衍生物按1∶1（质量比）复合，作为螺杆压缩机油中的缓蚀剂，并固定0.5%的加入量。此外，为保持油品较好的抗泡性能和抗乳化性能，经过实验确定，本研究在研制油中加入复合型抗泡剂（0.000 1%）以及胺与环氧化合物的缩合物（0.1%）。

3 全配方优化设计

在研制过程中，为简化研制进程，对复合缓蚀剂、极压剂、抗泡剂以及破乳化剂的加入量根据经验采用固定量；复合清净剂、分散剂以及复合抗氧剂均为可变量。在添加剂配方中，多种添加剂相互作用的关系较为复杂，包括协同增效作用、竞争吸附、相互抑制作用等。本研究通过采用组合赋权、模糊综合评判法对全配方设计进行分析，评定功能添加剂之间的相互影响作用，筛选出最优配方设计方案。根据试验结果，复合清净剂、分散剂以及复合抗氧剂的添加范围分别如下：1.5%～3.0%，2.0%～3.5%，2.0%～3.0%，采用U＊10均匀设计表安排试验，考察油品的成焦量、斑点分散系数、黏度变化率等性能指标。其中，斑点分散系数为成本型（数值越小越好），其余为效益型（数值越大越好）。其全配方试验结果见表4。

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

根据表4试验结果，建立模糊综合评判模型的评价指标因素集X＝x（ij）n×m，

将评价指标因素集矩阵通过极差变化进行标准化处理，使得指标数值均落在无量纲区间，具备可比性。所采用的极差变换法如下：

式（2）和式（3）分别为绩效型和成本型的变换公式，变换后所得标准矩阵为X′ij＝x（ij）n×m，1为最优，0为最差。

3.1 组合赋权

权数的确定是优化模型中的关键环节。为使得数值更为客观有效，本文采用组合赋权获得综合权重的方法，将熵权法［10－11］和主成分分析法［12］组合确定权重，再通过模糊综合评判模型［13－16］获得最优配方。

熵权的确定公式为

其中，k＝1／lnn。

依据熵权法计算所得的权重为

主成分分析法确定权重包括将原数据矩阵标准化（见式（6））、确定主成分及线性加权值（见式（7）），ω＊即为所求权系数。其中：S为样本方差；L，μ为数据矩阵的协方差矩阵对应的特征向量及特征值。

采用Matlab的Princomp命令，计算得

3.2 模糊综合评判法

根据模糊理论，并依据以上数据，得到研制油品的模糊综合评判模型为

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 为较优配方，即复合清净剂1.5%、分散剂3.0%、复合抗氧剂2.67%、极压剂2.5%、复合抗泡剂0.000 1%、破乳化剂0.1%。

4 结 语

将聚醚型基础油（OSP）与低黏度聚α－烯烃（PAO）复合，并加入Ⅱ类矿物油，以改善两者对添加剂的感受性能，研制配方的复合基础油综合性能良好，在螺杆压缩机油配方的研制中起到突出的作用。

主成分分析法依据降维原理，将高维问题转化为低维问题，更适用于多维数样本。采用熵权法和主成分分析法为研制配方赋权，排除了筛选研制配方过程的主观因素影响，对螺杆压缩机油配方进行客观评价，确定了较为优化的可行方案。

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