劉 琨，唐彩珍，梁 慧，黃福川

（1.廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西南寧 530004；2.廣西石化資源加工與過程強(qiáng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530004）

螺桿壓縮機(jī)主要由氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。整個(gè)機(jī)組主要部件有壓縮機(jī)主機(jī)、濾清器、冷卻器、油氣分離器［1－2］。螺桿壓縮機(jī)工作時(shí)，氣體在壓縮機(jī)主機(jī)被壓縮，壓縮機(jī)油在壓力差的推動(dòng)下，霧化噴入機(jī)腔。壓縮機(jī)油與壓縮介質(zhì)在機(jī)腔內(nèi)充分混合，隨著轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)，油氣混合物從機(jī)體排出，進(jìn)入油氣分離器進(jìn)行油氣分離。分離出的潤(rùn)滑油進(jìn)入油冷卻器、油過濾器，經(jīng)過泵重新回到主機(jī)，進(jìn)行下一次油路循環(huán)。很顯然，壓縮機(jī)油質(zhì)量的好壞對(duì)螺桿壓縮機(jī)的工作有較大影響。螺桿壓縮機(jī)工作時(shí)，壓縮機(jī)油與壓縮介質(zhì)充分接觸，勢(shì)必會(huì)影響壓縮機(jī)油的性能，使得油品黏度變小、易氧化、易乳化、變質(zhì)快、使用壽命縮短等。中國(guó)對(duì)二氧化硫螺桿壓縮機(jī)油的研究較少，用戶常使用無油壓縮機(jī)，以避免使用壓縮機(jī)油引起的一系列問題［3］。然而，無油自潤(rùn)滑型壓縮機(jī)對(duì)材料、精度要求頗高，造價(jià)昂貴。

綜合上述問題，本文根據(jù)螺桿壓縮機(jī)油的特點(diǎn)，以研制綜合性能優(yōu)良、可滿足壓縮二氧化硫的螺桿壓縮機(jī)專用油為出發(fā)點(diǎn)，采用模糊綜合評(píng)判法，進(jìn)一步加快螺桿壓縮機(jī)油的研制進(jìn)度，也為今后潤(rùn)滑劑的研究提供新的方法和思路［4－5］。

1 基礎(chǔ)油的選擇

螺桿壓縮機(jī)的介質(zhì)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(jī)是以二氧化硫活性氣體為壓縮介質(zhì)，充分考慮到壓縮介質(zhì)與壓縮機(jī)油直接接觸的特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)考察不同特性的基礎(chǔ)油對(duì)壓縮介質(zhì)的物理及化學(xué)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(zhì)以及液體性質(zhì)有關(guān)。表1中列出了二氧化硫在基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)油組分結(jié)構(gòu)的不同而引起的［7］。因?yàn)镻AO 結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(chǔ)油含有酯基，性能較為活潑，能與二氧化硫生成有機(jī)硫化物，導(dǎo)致穩(wěn)定性不佳。礦物油組成較為復(fù)雜，二氧化硫?qū)ζ湫阅艿姆€(wěn)定具有較大影響，不僅造成油品黏度大幅度降低，長(zhǎng)時(shí)間使用后，還會(huì)導(dǎo)致礦物油中有焦油狀的物質(zhì)析出，應(yīng)特別避免選用Ⅲ類礦物油。

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

選擇基礎(chǔ)油時(shí)，還進(jìn)行了基礎(chǔ)油對(duì)金屬的防護(hù)性能比較。在實(shí)驗(yàn)中，選擇經(jīng)打磨至光亮的銅片，完全浸沒于基礎(chǔ)油和二氧化硫的水溶液中。觀察結(jié)果如表2所示。其中，酯類油在酸性的二氧化硫水溶液中發(fā)生水解，破壞酯類油結(jié)構(gòu)，使得油品外觀非常渾濁；礦物型基礎(chǔ)油易發(fā)生乳化，導(dǎo)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(wěn)定，使金屬得到保護(hù)。在銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)中，PAO 和OSP的防護(hù)性能較好，礦物油和酯類油表現(xiàn)較差。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)螺桿壓縮機(jī)潤(rùn)滑特點(diǎn)的綜合分析，確定以聚α－烯烴為本研究的主要基礎(chǔ)油之一，并輔以少量的聚醚型基礎(chǔ)油相復(fù)合。此外，鑒于大多數(shù)添加劑在聚α－烯烴和聚醚中的溶解性能不及優(yōu)質(zhì)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(fù)合，作為本研制的基礎(chǔ)油。

表2 基礎(chǔ)油的防護(hù)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(shí)驗(yàn)可知，復(fù)合基礎(chǔ)油的熱氧化安定性、低溫流動(dòng)性以及空氣釋放性能較好，結(jié)合螺桿壓縮機(jī)工況特點(diǎn)，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(jié)果分析

清凈劑在潤(rùn)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(fù)合清凈劑。

為減少試驗(yàn)次數(shù)、縮短試驗(yàn)時(shí)間、節(jié)約成本、提高工作效率，本研究中應(yīng)用均勻設(shè)計(jì)表U＊10安排10組曲軸箱模擬試驗(yàn)，考察不同加入量的清凈劑對(duì)成焦量的影響，確定復(fù)合清凈劑中3種組分的最佳劑量，其結(jié)果見表3。

表3 清凈劑配比試驗(yàn)表Tab.3 Proportion test of detergent additive

使用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析，剔除不顯著的數(shù)據(jù)（見圖1），并確定回歸方程，見式（1）。

從式（1）可以看出，T12對(duì)成焦量的影響不大，T1和T13對(duì)成焦量的影響較為復(fù)雜。除個(gè)體影響外，還存在添加劑間的交互影響，交互影響機(jī)理較為復(fù)雜，本文不作討論。當(dāng)X1＝1.500 0，X2＝0.600 1，X3＝0.844 3 時(shí)，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(fù)合 劑，X1，X2，X3所占比例分別為50.8%，20.4%，28.8%。通過實(shí)驗(yàn)，確定復(fù)合劑的加劑范圍，清凈劑感受性試驗(yàn)結(jié)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(yàn)Fig.2 Susceptibility testing of detergent additive

復(fù)合基礎(chǔ)油的性能較好，在氧化過程不會(huì)生成或極少生成膠質(zhì)等極性物質(zhì)，曲軸箱模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示的成焦量都較低。隨著復(fù)合清凈劑加入量的增大，成焦量逐漸降低。當(dāng)加入量達(dá)1.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）后，降低的幅度減小。從清凈效果以及成本考慮，確定復(fù)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(chǎn)生協(xié)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(fù)合基礎(chǔ)油進(jìn)行高低溫試驗(yàn)后，采用濾紙法測(cè)定其斑點(diǎn)分散系數(shù)，確定T14的加入量，其結(jié)果見圖3。

鑒于壓縮介質(zhì)二氧化硫能與胺型抗氧劑發(fā)生反應(yīng)，本研究在選擇抗氧劑時(shí)，采用多種氧化抑制劑T21，T22與酚型抗氧劑T2復(fù)合，以滿足研制油對(duì)熱氧化安定性能的需求。其中，T21為油溶性有機(jī)鉬。經(jīng)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著T21 加入量的增大，油品會(huì)出現(xiàn)絮狀物，增大油品黏度。造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于油溶性有機(jī)鉬在復(fù)合基礎(chǔ)油中的感受性不好，當(dāng)油溶性有機(jī)鉬濃度較大時(shí)，在基礎(chǔ)油中析出，出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象。因此，T21 的加入量不應(yīng)過多。研制過程中首先確定T21的加入量，通過配比試驗(yàn)，確定T22 與T2 的最佳配比，其次確定含有T2，T21，T22的復(fù)合抗氧劑的添加量范圍。復(fù)合抗氧劑的加入量見圖4。

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

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

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合基礎(chǔ)油中的聚α－烯烴和聚醚組分可有效降低油品在運(yùn)動(dòng)副表面的摩擦系數(shù)。根據(jù)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(qiáng)度和承載性能，同時(shí)可避免因使用硫系極壓劑而產(chǎn)生的刺鼻氣味，試驗(yàn)確定其加入量為2.5%。復(fù)合基礎(chǔ)油的防銹性能較好，在未加添加劑的條件下，經(jīng)銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)均為1a等級(jí)。采用液相銹蝕（蒸餾水法）考察緩蝕劑對(duì)復(fù)合基礎(chǔ)油的影響，實(shí)驗(yàn)觀察到不同劑量的復(fù)合緩蝕劑均可保持鋼棒光亮、無銹。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合添加劑廠家提供的技術(shù)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(zhì)量比）復(fù)合，作為螺桿壓縮機(jī)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(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定，本研究在研制油中加入復(fù)合型抗泡劑（0.000 1%）以及胺與環(huán)氧化合物的縮合物（0.1%）。

3 全配方優(yōu)化設(shè)計(jì)

在研制過程中，為簡(jiǎn)化研制進(jìn)程，對(duì)復(fù)合緩蝕劑、極壓劑、抗泡劑以及破乳化劑的加入量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用固定量；復(fù)合清凈劑、分散劑以及復(fù)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(guān)系較為復(fù)雜，包括協(xié)同增效作用、競(jìng)爭(zhēng)吸附、相互抑制作用等。本研究通過采用組合賦權(quán)、模糊綜合評(píng)判法對(duì)全配方設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，評(píng)定功能添加劑之間的相互影響作用，篩選出最優(yōu)配方設(shè)計(jì)方案。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，復(fù)合清凈劑、分散劑以及復(fù)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(shè)計(jì)表安排試驗(yàn)，考察油品的成焦量、斑點(diǎn)分散系數(shù)、黏度變化率等性能指標(biāo)。其中，斑點(diǎn)分散系數(shù)為成本型（數(shù)值越小越好），其余為效益型（數(shù)值越大越好）。其全配方試驗(yàn)結(jié)果見表4。

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

根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果，建立模糊綜合評(píng)判模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)因素集X＝x（ij）n×m，

將評(píng)價(jià)指標(biāo)因素集矩陣通過極差變化進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得指標(biāo)數(shù)值均落在無量綱區(qū)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(jī)效型和成本型的變換公式，變換后所得標(biāo)準(zhǔn)矩陣為X′ij＝x（ij）n×m，1為最優(yōu)，0為最差。

3.1 組合賦權(quán)

權(quán)數(shù)的確定是優(yōu)化模型中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為使得數(shù)值更為客觀有效，本文采用組合賦權(quán)獲得綜合權(quán)重的方法，將熵權(quán)法［10－11］和主成分分析法［12］組合確定權(quán)重，再通過模糊綜合評(píng)判模型［13－16］獲得最優(yōu)配方。

熵權(quán)的確定公式為

其中，k＝1／lnn。

依據(jù)熵權(quán)法計(jì)算所得的權(quán)重為

主成分分析法確定權(quán)重包括將原數(shù)據(jù)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化（見式（6））、確定主成分及線性加權(quán)值（見式（7）），ω＊即為所求權(quán)系數(shù)。其中：S為樣本方差；L，μ為數(shù)據(jù)矩陣的協(xié)方差矩陣對(duì)應(yīng)的特征向量及特征值。

采用Matlab的Princomp命令，計(jì)算得

3.2 模糊綜合評(píng)判法

根據(jù)模糊理論，并依據(jù)以上數(shù)據(jù)，得到研制油品的模糊綜合評(píng)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(yōu)配方，即復(fù)合清凈劑1.5%、分散劑3.0%、復(fù)合抗氧劑2.67%、極壓劑2.5%、復(fù)合抗泡劑0.000 1%、破乳化劑0.1%。

4 結(jié) 語(yǔ)

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

主成分分析法依據(jù)降維原理，將高維問題轉(zhuǎn)化為低維問題，更適用于多維數(shù)樣本。采用熵權(quán)法和主成分分析法為研制配方賦權(quán)，排除了篩選研制配方過程的主觀因素影響，對(duì)螺桿壓縮機(jī)油配方進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，確定了較為優(yōu)化的可行方案。

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