螺杆式空气压缩机油的发展与应用

2022-02-18王一助

科技创新与应用 2022年3期

王一助

（广州国机润滑科技有限公司，广东广州 510700）

螺杆式空气压缩机根据螺杆的个数可以分为单螺杆机和双螺杆机；根据运行方式的不同分为无油压缩机和喷油压缩机，其中无油压缩机又可分为干式和喷液两类；根据被压缩机气体种类和用途的不同，分为空气压缩机、制冷压缩机和工艺压缩机三种。目前，在实际的工矿企业中绝大多数使用的空气压缩机是双螺杆机，因此，一般螺杆式空气压缩机是指双螺杆压缩机，是回转式压缩机的一种，本文对其发展现状、专用油现状和发展趋势进行系统介绍。

双螺杆压缩机是一种双轴容积式回转型压缩机，由两根互相啮合的转子、支撑转子的轴承、密封、垫片及铸铁浇铸的壳体等组成。在机壳内平行配置的两根互相啮合的阳螺杆为主动转子，阴螺杆为从动转子。其工作原理是：利用置于气缸内的具有螺旋状齿槽的阴阳两个转子间相互啮合旋转运动，从而造成由齿、齿槽与机壳内壁所构成的呈“V”字形的一系列齿间容积呈周期性大小变化，从而完成气体的吸入、压缩和排出的整个工作过程。在输送过程中，空压机设备的啮合面会逐渐向排气端移动，随着啮合面与排气口间齿沟间隙的逐渐减小，齿沟内的气体逐渐被压缩，压力提高，就完成了压缩空气的过程[1]。

因螺杆式空气压缩机具有低噪、高效等特点，而在日常生活和工业企业中得到广泛应用，为保证螺杆式空气压缩机的正常、有效、稳定地长期运行，在其运行过程中大多使用专用润滑油进行润滑，其主要起到润滑、冷却、密封和清洁内部部件的功能。

1 螺杆式空气压缩机及压缩机油的发展

压缩机油是一种专用润滑材料，主要应用于压缩机的螺杆啮合、气缸摩擦部位以及进气、排气、轴承、联杆等传动部件的润滑和冷却，同时在气体压缩过程中起到密封作用[2]。

1.1 螺杆式空气压缩机的发展

传统领域的空气动力用螺杆式空气压缩机和新兴市场的工艺流程用螺杆式空气压缩机都呈现出了快速增长的发展态势，而螺杆主机作为螺杆式空气压缩机的核心部件，也伴随着螺杆式空气压缩机市场需求的增长而稳步增长。近年来，先进制造技术、理论和实践中的大量研究成果不断地应用于实际生产，使螺杆式空气压缩机在工矿企业中得到快速发展，应用前景广阔，想象空间非常大。

随着工业技术的不断发展，近年来压缩机在降噪、水润滑技术、机电一体化等方面呈现快速发展趋势。与此同时，压缩机数据化、网络化、信息化也是市场及应用需求发展的方向，目前，已有不少企业在压缩机远程监控、数据信息化服务方面做出了不小的拓展。

1.2 螺杆式空气压缩机用油的种类

螺杆式空气压缩机用油主要由基础油和功能添加剂经工艺调和而成，根据所使用的基础油种类可以分为矿物型、半合成型和全合成型三种类型。

1.2.1 基础油的种类

工业润滑材料使用的基础油种类主要分为以下五类。I 类基础油：硫含量>0.03%，饱和烷烃含量<90%，粘度指数：80-100；II 类基础油：硫含量<0.03%，饱和烷烃含量>90%，粘度指数：100-120；III 类基础油：硫含量<0.03%，饱和烷烃含量：99%，粘度指数：>110；IV 类基础油：聚α-烯烃；V 类基础油：I～IV 类以外的其他基础油，主要有合成酯、聚醚、硅油、含氟油、磷酸酯等。合成基础油是采用基础原材料，通过化学合成的方法生产的基础油。因其具有定向设计的独特化学结构或官能团组合，在很多性能上远优于矿物油或深度加氢精制的矿物油。一般来说，合成基础油与相应功能添加剂调和而成的润滑油称之为合成润滑油。

1.2.2 矿物型

矿物型螺杆式空气压缩机油，即以矿物油基润滑油馏分为原料，经溶剂脱蜡、溶剂精制和白土处理或加氢补充精制等工艺，并根据需要加入各种添加剂调配而成的压缩机专用润滑油。

基础油的分子结构，对压缩机排气系统的积炭有很大的影响。石蜡基油挥发性差，薄膜残炭倾向大，故生成的积炭比较坚硬，不易除去。但石蜡基油经过恰当深度精制，并加入合适的添加剂后，有较好的抗氧化安定性和较小的薄膜残炭倾向。因此，目前市售的矿物型压缩机油多是由精制的石蜡基矿物油调和而成的。

1.2.3 半合成型

半合成螺杆式空气压缩机油是在以矿物油为基础，添加一定量的合成基础油，因而可以满足较重负荷或工况相对恶劣的压缩机使用，较之矿物型而言能够有效延长换油周期，且相对经济、降低使用成本。目前，在市面流通的产品中，普遍接受以三次加氢基础油调配而成的润滑产品也称之为半合成型。

1.2.4 全合成型

随着压缩机技术的不断进步，对压缩机润滑油的要求也越来越严格，矿物油基压缩机油由于分子结构缺陷在一些特定的应用场合无法满足实际需要。为了确保这些压缩机可靠且长久地运行，需要研发更高质量的压缩机润滑油来替代普通的矿物型和半合成型产品。全合成型压缩机油是指用合成基础油调配的产品，它具有高温稳定性好、残炭少、低倾点和使用寿命长等优点，适用于环境温差大、工况条件苛刻的应用场合，能减少对设备的维修和停产带来的经济损失。

合成基础油大部分是聚合物或高分子有机化合物，主要有合成烃（PAO）、聚乙二醇（PAG）、多元醇酯基础油等。

（1）合成烃（PAO）

合成烃（PAO）是合成聚α-烯烃，主要由碳氢两个元素组成，具有与石蜡基矿物油相类似的化学结构，但基本性能更加优异。PAO 是最常用的合成基础油，由α-烯烃在催化剂作用下聚合而成，综合使用性能优良。PAO 的优点是有很好的低温流动性、低挥发性、高粘度指数，加抗氧剂后氧化稳定性和高温稳定性好，高粘度等级产品与密封材料相容性较好、摩擦性能好、与矿物油/酯类油无限相容、抗腐蚀性好、无毒；缺点是抗摩擦磨损性能不如酯类和聚醚产品，低粘度等级产品对密封材料有收缩/变硬作用，对某些极性强的添加剂溶解性或感受性差，需要辅加多元醇酯类助溶剂。

（2）聚乙二醇（PAG）

聚乙二醇（PAG）是一种高性能合成基础油，传统的PAG 在起始剂存在条件下，环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷等原料在催化剂作用下，通过开环均聚或共聚制得的线性共聚物，主要有水溶性聚醚、水不溶性聚醚和油溶性聚醚等类型。因其具有极高的粘度指数，优异的低温性能，良好的润滑性能和耐高温清净性能，所以在工业润滑油产品中得到广泛应用。特别是聚醚型合成螺杆式空气压缩机油，因为可提供极佳的润滑性能，在减少设备发热的同时具有良好的冷却性能，能有效降低设备的运行温度，达到整体延长设备保养周期和使用寿命。

PAG 的优点是粘度等级广泛、粘度指数高、低温性能优异、沉积控制和设备清洁性优异、水解安定性优异、使用安全性高，其缺点是部分品种油溶性差，弹性体相容性差以及高吸湿性。

（3）多元醇酯基础油

POE 全称是Polyolester，中文称为多元醇酯，是一种合成油，在API 的基础油分类中属于五类基础油，主要用于压缩机油、冷冻机油、航空润滑油、可生物降解液压油。POE 合成油具有出色的耐高温性能、高温清净性、优异的低温性能、抗磨性、添加剂相容性、抗水解性，超高的粘度指数：一般在150 以上，有的甚至可以达到200 以上。

多元醇酯型压缩机油具有良好的生物降解性、低毒性，其生物降解率大多在80%以上，是环境友好型产品，因而也越来越得到广大油品研发机构和使用单位的认可。由于具有超高的粘度指数，选用较低粘度等级的产品就能满足实际使用要求，从而能收到较好的节能效果。

2 螺杆式空气压缩机油用主要功能添加剂

螺杆式空气压缩机在工作运行时，机头内温度高、转速快，夹杂着吸入空气中可能的水分或尘埃物质，其工况相对一般润滑油品来说较为复杂，对油品在润滑、密封、冷却、抗氧化、油水分离等性能方面也提出了更高的要求。与此同时，基础油耐高温抗氧化老化、清净分散、防锈等方面显然难以满足，因此需要添加相关的功能添加剂以提升压缩机油性能，来满足实际使用要求。下面对螺杆式空气压缩机油用主要功能添加剂予以介绍。

2.1 抗氧剂

压缩机油在贮存和使用过程中，油品与氧气接触后因光线或高温作用，并在细微金属粉体的催化或诱导下，发生一个先慢后快的氧化反应，温度的提高会使反应速度加快，反应过程生成的过氧化物和自由基对进一步推进氧化反应的发生也有重要作用[3-4]。

油品氧化后会带来一系列不良结果，如产生酸性物质增加对金属产生腐蚀的可能性，油品粘度增加消耗机械功率并降低冷却性能；严重氧化时还将产生油泥、沉淀或漆状薄膜，使机械零部件运转不顺或堵死过滤系统等。这些现象的出现，不仅会使机器效率降低，而且还可能造成设备的损坏，增加停工或设备维修的成本。因此，在压缩机油中必须加入抗氧化剂，以提升抗氧化性能，减缓在贮存和使用中的氧化老化现象。

抗氧化添加剂主要通过自由基中止和氢过氧化物清除起到抗氧化作用，自由基中止型主要是含有酚基和胺基的有机化合物，它能够消耗油品氧化时所产生的自由基，而使氧化反应中断。

2.2 防锈剂

压缩机系统一般处在有水或含有水汽的空气环境中，进入系统中的水主要是由于空气中水汽冷凝而成的，尤其在高湿度的气候条件下更是如此。因此，即使经过脱除水分的润滑油，在这种情况下也会逐渐吸收水分。当压缩机在满载下作连续运转时，机内润滑油温度一般较高，能使油中的水分蒸发并随压缩空气一起排出，但当压缩机在部分载荷下运转，或不断作间歇运转时，由于机内温度较低，润滑油中含有水分的情况就无法避免，这就可能导致对金属部件的锈蚀。

压缩机油中加入防锈剂的目的，是利用防锈剂能置换水气的特性，在金属表面形成一层薄膜，隔绝周围水汽与金属接触，从而起到防护金属机件免受锈蚀的作用。除了轻负荷的往复压缩机油（ISO-L-DAA）外，其他类型压缩机油都要求加有防锈剂。

2.3 极压抗磨剂

极压抗磨剂是润滑油产品中一种常用且十分重要的功能添加剂，主要在摩擦副载荷达到一定程度，摩擦副间连续的油膜被破坏，局部表面相接触时发生作用形成致密的化学反应膜，起到防止接触面烧结或擦伤的效果。一般来说，极压抗磨剂有硫、磷、氯等三大类产品，随着载荷和温度等极压条件的不断变化，氯系、磷系、硫系极压抗磨剂分别与摩擦副表面发生反应形成稳定的化学反应膜，以弥补边界润滑条件下流体润滑的不足。

3 螺杆式空气压缩机油的发展趋势

随着工业生产的飞速发展和制造工艺的不断变革，螺杆式空气压缩机也在向高效、智能、紧凑等方向发展，这也将预示着压缩机运行工况会向高温、高压、高速等方向发展，对润滑油性能要求也在逐渐提升。但目前由于价格因素，市面上还是由矿物油型产品占领着大部分压缩机油市场，而半合成或合成型压缩机油只用于矿物型产品不能承受的各种苛刻工况下的压缩机，随着压缩机工业水平的不断发展，高性能的全合成产品需求将不断旺盛。

作为螺杆式空气压缩机正常运行不可或缺的辅助材料，高温稳定性好、高温下不易生成积炭、使用温度范围宽、使用寿命长等都是压缩机油的应用发展方向，以满足不同应用、不同设计的压缩机润滑特点及润滑要求；其次，随着人们环保意识的加强，以及国家碳中和的实际需求，节能、环保也是压缩机油未来发展的一个很重要方向。总而言之，不论是矿物型、半合成型还是全合成型压缩机油产品，都将随着压缩机及其应用场景的发展而进行性能升级，高效、节能、使用寿命长和环保是主要方向，全合成型产品能很好顺应发展趋势，在未来市场占有率上应该会有较大的提升。