石墨烯润滑油在罗茨风机上的应用

庞东林 孙晓文 邱韶峰

水产养殖行业中风机是其非常重要的一环，基于对水产养殖行业的风机调研，重点对可用于水产养殖增氧风机选型的罗茨鼓风机进行实验对比，通过比较两种不同的润滑油，经过试验得出耗电量的影响区别。对罗茨风机的润滑油选用具有指导意义。

一、润滑油的意义

随着现代养殖业的出现，水产养殖密度和产品品质的不断提高，溶解氧的矛盾凸显。用于水产养殖的机械设备中的风机是非常重要的一环。而润滑油对于罗茨风机来说意义重大，主要对齿轮、轴承等部件起润滑保护作用，对罗茨风机的做功也起到关键性的作用。

二、石墨烯润滑油与普通润滑油对比试验

（一）试验背景

石墨烯属于二维碳材料，是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成的单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，具有优异的光学、电学、力学特征。

本次报告中的石墨烯润滑油是将罗茨风机正常使用的润滑油与石墨烯金属调理剂按照9∶1的比例进行勾兑，石墨烯金属调理剂密度为1.28，润滑油作为它的载体，确保其与润滑油充分混合是重要前提。按以上比例勾兑后在容器内剧烈晃动至均匀，静置数小时后，若没有混浊分层现象发生，即可得到石墨烯润滑油。

石墨烯金属调理剂工作原理是在一定的受力情况下使滚动过的金属区域嵌入抗磨剂。在温度和压力的作用下，将受力过的金属表面改性并在摩擦副表面形成改性层，并维持一定的时间，来达到节能效果。

由于金属调理剂的黏度较大，加入金属调理剂的油黏度会发生变化，因此在油中添加任何一种物质必须进行小试试验，以确定添加剂的性能、对油品理化性能的影响以及添加后是否出现杂质沉淀等，同时还要确定合理的添加量。

（二）試验方案

将山东章鼓的ZG风机专用润滑油（黏度为220）与石墨烯金属调理剂按比例混合勾兑，静置8小时。未发现混浊分层现象，说明两者混合可以得到石墨烯润滑油。然后制定试验方案对使用石墨烯润滑油和ZG风机专用润滑油的轴功率进行对比研究。

具体方案如下：选1台ZG-200风机（三叶罗茨风机，DN200），配套试验南京申马变频电机315M4-

132kW，山东新风光JD-BP32-132kW变频调速器，北京天宇恒创CYT302扭矩传感器5000N.m，杭州爱华仪器有限公司AWA6228+多功能声级计（噪声分析仪），上海华阳检测仪器有限公司HY-441B频闪数字转速表，Raytek手持红外测温仪。试验条件为101.325kPa，10℃。

（三） 试验过程

第一步先选ZG-200风机使用ZG风机专用润滑油在970rpm、1450rpm、1600rpm、1750rpm、1900rpm、2050rpm这六种转速和每种转速的9.8kPa、29.4kPa、39.2kPa、49kPa、78.4kPa、98kPa六种压力下进行试验，并记录相应性能点的轴功率。然后在风机及配套设备不变情况下，放掉ZG风机专用润滑油，更换石墨烯润滑油。风机运行一段时间先将石墨烯润滑油油温达到38℃及以上时，按以上步骤及性能点重复试验并记录轴功率。测得试验数据如上表。

三、理论及数据分析

从试验数据表可以看出，在转速970rpm，升压78.4kPa、98kPa下的石墨烯轴功率节能率最小。使用石墨烯润滑油比使用ZG风机专用润滑油轴功率降低1.2％，即（60.3-59.6）/60.3 （75.1-74.2）/75.1。转速970rpm，升压9.8kPa及转速1750rpm，升压9.8kPa下石墨烯轴功率节能率最大。使用石墨烯润滑油比使用ZG风机专用润滑油轴功率降低8.6％，即（9.3-8.5）/9.3 （23-21）/23。其他性能点轴功率变化均在1.2％～8.6％间。

罗茨风机轴功率中，一部分为压缩气体的理论功率，另一部分是克服同步齿轮及轴承摩擦阻损的机械损失功率。即：Nsh=Nth+Nm （kW）Nsh—轴功率  Nm—机械损失功率。

对于Nth压缩气体的理论功率，罗茨风机气体压缩虽然并不是在容积不变的情况下进行的，但由于每次压缩经历的时间很短，将其近似地视为定容积过程。因此鼓风机的压缩气体理论功率为：

Nth=（？驻P·Qth）/C（kW） C—单位换算系数

可以看出 Nth与？驻P升压、Qth流量成正比关系。而本次试验中的变化条件是更换润滑油与？驻P升压、Qth流量并无实际关联，可以得出相同性能点下更换润滑油前后Nth轴功率是不变的。故变化部分全来自克服同步齿轮及轴承摩擦阻损的Nm机械损失功率。

轴功率测量值的拟合曲线Nsh—？驻P与理论功率曲线Nth—？驻P理论功率直线相平行，就是说当转速n为定值时，机械损失功率Nm近似为定值，轴功率Nsh为升压？驻P的线性增函数。

结合图1可看出两条线性直线接近平行；在同转速、不同升压下，轴功率变化相近；即转速一定，升压再高，轴功率的变化也接近一个定值。

由资料得实测轴功率Nsh-n关系曲线近似为直线，其延长线大致经过坐标原点。可知当升压？驻P定值时，机械效率ηm近似为定值，轴功率Nsh和机械损失功率Nm与转速成正相关关系。得出石墨烯润滑油节省的轴功率全部来自机械损失功率Nm；由图2可看出两条线性直线随转速升高之间的相差越来越大。故升压一定下，转速越高石墨烯润滑油节能更加明显。

四、节电计算

从表1数据中可得出石墨烯润滑油比ZG风机专用润滑油的轴功率平均降低在3.36％。可计算出节电：

按转速2050rpm和49kPa性能点下计算，加注石墨烯润滑油后实测轴功率下降2.9kW。节电率按照平均值3.36％计算，设备年作业率按照95％计算，在此性能点下风机运行一年可节约用电：

2.96kWh×24小时/天×365天×95％=24633.12kWh

节省电费：（按目前公司试验用电价约合1元/kWh计算）

每小时可节省：2.96kWh×1元/kWh=2.96元

每年可节省：24633.12kWh×1元/kWh=

24633.12元

加注石墨烯金属调理剂所需费用：（ZG-200风机实际加注ZG风机专用油13.04L，配套发货15L；加注石墨烯金属调理剂比例10％）

需加注石墨烯金属调理剂数量：15L×10％=1.5L

所需费用：1.5L×512元/L=768元

节电收回成本费用所需时间：768元÷2.96元=259.459小时

约合天数：259.459小时÷24小时/天=10.81天

五、结语

水产养殖中罗茨风机是常见而且重要的组成部分，长时间运行的罗茨风机可以采用加注石墨烯的润滑油，这样提升性能的同时也更加经济耐用，更好地为养殖户减少养殖成本。

（作者单位：山东省农业机械技术推广站）