某船用中壓空壓機(jī)積碳、滑油乳化原因分析與改進(jìn)措施

唐 鑫，張 燚

（1. 海軍裝備部駐蕪湖地區(qū)軍事代表室，安徽蕪湖 241000；2. 海軍裝備部駐杭州地區(qū)軍事代表室，杭州 310000）

0 引言

壓縮機(jī)[1]各段輸入氣體經(jīng)壓縮、升溫、排放后再通過凈化設(shè)備，同時(shí)也將少量的氧化鐵、油霧、潤(rùn)滑油因高溫裂解析出的炭和金屬細(xì)小顆粒等夾帶到氣體中，與氣體中原來帶入的灰塵混合形成壓縮機(jī)系統(tǒng)分散度很高的導(dǎo)電性粉塵，粘附在壓縮機(jī)各段出入管道、氣閥壁、活塞體工作面，也會(huì)粘附在壓縮機(jī)冷卻器等輔助設(shè)備上，形成壓縮機(jī)系統(tǒng)中的積碳現(xiàn)象。

積碳對(duì)于壓縮機(jī)來說具有毀滅性的傷害，若積碳[2]進(jìn)入部件十分精密的主機(jī)，必然會(huì)對(duì)主機(jī)造成損傷，導(dǎo)致主機(jī)抱死甚至報(bào)廢。當(dāng)壓縮機(jī)在排氣閥及排氣管道處產(chǎn)生較多的積碳時(shí)，排氣閥就會(huì)動(dòng)作不靈敏或者關(guān)閉不嚴(yán)，造成排出去的氣體倒流氣缸并重復(fù)壓縮（即二次壓縮），使氣體溫度迅速上升，高的氣體溫度又加劇了潤(rùn)滑油的氧化反應(yīng)，而反應(yīng)熱又不能及時(shí)排除，使得排氣管道內(nèi)氣體溫度繼續(xù)升溫，當(dāng)溫度達(dá)到潤(rùn)滑油的燃點(diǎn)或閃點(diǎn)時(shí)引發(fā)爆炸。

1 現(xiàn)象描述

某型中壓空壓機(jī)，為V型、單列、單作用、兩級(jí)壓縮、水冷（冷卻器內(nèi)置于氣缸體內(nèi)）空壓機(jī)組，主要用于船舶中壓供氣；三相交流電，功率37 kW，電壓380 V/50 Hz；公稱容積流量為150 m3/h，額定排氣壓力為3 MPa，額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，冷卻水量設(shè)計(jì)為≥30 L/min，采用100號(hào)壓縮機(jī)油，注油量為11 L, 油耗為≤80 g/h；油壓設(shè)定值為0.1～0.4 MPa，兩級(jí)氣閥均為組合閥，僅2級(jí)設(shè)有油水分離器。

該型空壓機(jī)樣機(jī)試制時(shí)，在完成1 000 h（環(huán)境溫度25 ℃）可靠性試驗(yàn)后，拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)各級(jí)氣閥、氣缸蓋、氣缸側(cè)板等與壓縮高溫氣體接觸的零件都有較為嚴(yán)重的積碳現(xiàn)象，且氣缸內(nèi)水腔表面與冷卻器外表面積泥嚴(yán)重，如圖1～圖3所示。

圖1 一級(jí)、二級(jí)氣閥

圖2 氣缸蓋與側(cè)板積碳現(xiàn)象

圖3 氣缸與冷卻器積碳現(xiàn)象

2 原因分析

2.1 壓比過高

壓縮機(jī)的壓縮比是活塞在下止點(diǎn)時(shí)的體積和活塞在上止點(diǎn)時(shí)的體積比，一般以出口壓力除以進(jìn)氣壓得到。在設(shè)計(jì)階段首先考慮的就是壓力比的分配問題，在出口壓力一定且壓縮級(jí)數(shù)較低的情況下通常采用等壓比分配的原則，其次在變工況的條件下可適當(dāng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，可將中間級(jí)壓比適當(dāng)進(jìn)行提高避免因末級(jí)壓比過高而導(dǎo)致排氣溫度過高。本機(jī)型為二級(jí)壓縮，采用等壓比分配。

壓比[3]與溫度的關(guān)系為T2=T1ε(n-1/n)，二級(jí)壓比過高會(huì)使得排氣溫度急劇升高，使油霧達(dá)到碳化的條件，粘結(jié)在管道、氣閥壁、活塞體工作面等。從圖1上看出二級(jí)的積碳現(xiàn)象也是比一級(jí)明顯得多。

2.2 油壓過高（注油量）

本型空壓機(jī)采用內(nèi)置齒輪油泵將壓縮機(jī)油從曲軸箱直接經(jīng)過油過濾器吸入，輸給曲軸軸承、連桿大頭等潤(rùn)滑部位。油壓過低會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑不足使各運(yùn)動(dòng)件摩擦磨損嚴(yán)重。因此設(shè)計(jì)時(shí)一般采取一定的低壓保護(hù)裝置，但是很少有高壓保護(hù)裝置，本機(jī)型沒有超壓保護(hù)。

油壓過高直接導(dǎo)致油注入量過多，如果這些油不能及時(shí)地流走，滯留在各潤(rùn)滑部位，失去了帶走摩擦熱的功能，就會(huì)使得這些部位冷卻效果下降，溫度上升，導(dǎo)致高溫油霧集結(jié)。加上油霧的大量存在，使得形成積碳的概率增高。

2.3 潤(rùn)滑油質(zhì)量不好

壓縮機(jī)各摩擦表面處除采用自潤(rùn)滑材料外還需進(jìn)行外在潤(rùn)滑，液體潤(rùn)滑不僅能潤(rùn)滑摩擦副表面，減少摩擦和磨損，而且還能對(duì)摩擦表面進(jìn)行清洗和冷卻。一個(gè)適合的壓縮機(jī)油不僅要有足夠的黏度，同時(shí)還要考慮到其具有油性、閃點(diǎn)燃點(diǎn)和氧化性等性質(zhì)，本機(jī)采用100號(hào)壓縮機(jī)油。

潤(rùn)滑油如果質(zhì)量不好，不僅不能起到清洗和冷卻的作用，而且還有可能增大磨損。潤(rùn)滑油中若是含有大量雜質(zhì)，雜質(zhì)在高溫高壓的條件下相互融合形成分散度很高的導(dǎo)電性粉塵，粘性很大不易流走，會(huì)粘附在管道、氣閥、活塞壁等地，不僅失去了潤(rùn)滑效果，而且還會(huì)加劇摩擦磨損導(dǎo)致溫度升高，隨著不斷積累形成積碳。

2.4 冷卻不足

此款壓縮機(jī)冷卻器部件與氣缸體部件為組合一體式，整個(gè)部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。氣缸體內(nèi)部設(shè)有多層缸壁，配置壓縮空氣通道和冷卻水通道。冷卻器上的U形冷卻管脹接在冷卻器板上，整個(gè)管組浸沒在氣缸體冷卻水腔。冷卻器進(jìn)、出氣口在氣缸同一側(cè)，要求冷卻器板具有足夠的強(qiáng)度和良好的脹接工藝性。氣缸部件結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 氣缸的設(shè)計(jì)圖與實(shí)物圖

此機(jī)型冷卻水既可以是海水也可以是淡水。

冷卻水量直接影響冷卻效果，如果排量不足，那么將會(huì)導(dǎo)致二級(jí)進(jìn)氣溫度過高，根據(jù)T2=T1ε(n-1/n)，得出二級(jí)排氣溫度和氣缸壁溫度急劇上升，達(dá)到油霧積碳的溫度，從圖中我們也可以看出二級(jí)閥片和閥蓋都有嚴(yán)重的積碳現(xiàn)象。

2.5 氣體含油量過高

壓縮機(jī)油從曲軸箱中通過飛濺潤(rùn)滑進(jìn)入到活塞外壁，少量油再以油霧或者油分子的形式進(jìn)入到壓縮腔與空氣混合，一起壓縮、排放，然后進(jìn)入氣閥、空氣管道等部位。

經(jīng)過壓縮后的氣體溫度很高，與霧狀或者分子狀壓縮機(jī)油混合，相互接觸面很大，加大了傳熱面積，大量的熱量直接傳遞給了霧狀油和分子油，加快了油霧碳化，使之附注在活塞頂部、氣閥和空氣管道內(nèi)壁等部位上，大大加劇了積碳的形成。

3 處理措施

因可能產(chǎn)生積碳的因素太多，故采用控制變量法[4]進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 調(diào)節(jié)壓力比

根據(jù)上述原因，查資料得出此款機(jī)型的一級(jí)氣缸直徑為195 mm，二級(jí)氣缸的直徑為88 mm，一級(jí)壓比為5，二級(jí)壓比為6?，F(xiàn)根據(jù)已有條件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，重新進(jìn)行熱動(dòng)力計(jì)算將一級(jí)壓比調(diào)為6，二級(jí)壓比調(diào)為5。一級(jí)氣缸直徑變?yōu)?00 mm，二級(jí)氣缸直徑變?yōu)?0 mm，改換原先電機(jī)達(dá)到設(shè)計(jì)排量，其他設(shè)計(jì)理念不變。進(jìn)行1 000 h耐久性試驗(yàn)觀察各零部件積碳情況[5]。

3.2 降低油壓和注油量試驗(yàn)

此款機(jī)型的設(shè)計(jì)油壓額定值為0.1～0.4 MPa，有低壓保護(hù)，當(dāng)潤(rùn)滑油壓力≤0.06 MPa時(shí)報(bào)警停機(jī)。在此基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)油壓調(diào)節(jié)閥和油壓卸荷閥，適當(dāng)?shù)亟档陀蛪海⒃O(shè)置了高壓保護(hù)裝置，當(dāng)油壓超過0.4 MPa時(shí)報(bào)警，并保證其他設(shè)計(jì)理念不變，進(jìn)行1 000 h耐久性試驗(yàn)觀察各零部件積碳情況。

3.3 更換潤(rùn)滑油試驗(yàn)

100號(hào)壓縮機(jī)油是很多通用壓縮機(jī)使用的壓縮機(jī)油，在40 ℃時(shí)其黏度為100 mm2/s，我們已經(jīng)及時(shí)更換新油以避免壓縮機(jī)在受污染后依舊在新使用狀態(tài)下出現(xiàn)上述積碳現(xiàn)象。此外還使用了質(zhì)量較好的DAB150號(hào)油來替代原來的100號(hào)壓縮機(jī)油，對(duì)其他條件不作任何改變，進(jìn)行1 000 h耐久性試驗(yàn)觀察各零部件積碳情況。

3.4 增強(qiáng)冷卻水量試驗(yàn)

此款機(jī)型在冷卻水進(jìn)口處設(shè)置了一個(gè)進(jìn)水閥和一個(gè)過濾器，保證了水的質(zhì)量，為了增大冷卻水閥的進(jìn)水壓力和排量，更換了一個(gè)更大功率的供水系統(tǒng)。此外還增大了一些接頭的通徑，以增大流通面積，其次本次試驗(yàn)以淡水為主，另外還將冷卻器管組材料換成了傳熱性能更好的紫銅管，使得冷卻效果更好，進(jìn)行1 000 h耐久性試驗(yàn)觀察各零部件積碳情況。

3.5 降低氣體含油量試驗(yàn)

此款機(jī)型僅在二級(jí)設(shè)有油水分離器，一級(jí)通過在排氣口處設(shè)計(jì)一個(gè)凸起的部分實(shí)現(xiàn)油水分離并儲(chǔ)存，通過電磁閥定期排放，油水分離效果不明顯。在原來的基礎(chǔ)上去除了原先的凸起部分，增設(shè)一級(jí)油水分離器，來降低氣體含油量。僅作此優(yōu)化處理，其他設(shè)計(jì)理念不變，進(jìn)行1 000 h耐久性試驗(yàn)觀察各零部件積碳情況。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

上述試驗(yàn)除第1個(gè)周期較長(zhǎng)，其他4個(gè)試驗(yàn)可同時(shí)進(jìn)行，從后4個(gè)進(jìn)行了1 000 h耐久性試驗(yàn)的效果來看，除了第5個(gè)試驗(yàn)效果突出外，其他3個(gè)試驗(yàn)中積碳現(xiàn)象依然存在。在生產(chǎn)完成后對(duì)第1個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)象有所改善，但是仍然存在少量積碳。

5 結(jié)論

通過上述試驗(yàn)和結(jié)論得出：導(dǎo)致此款機(jī)型產(chǎn)生大量積碳的原因是在1級(jí)排氣管后沒有增設(shè)油水分離器，從而使得氣體含油量過高造成積碳形成率增大。該結(jié)論僅僅適用于此機(jī)型，若其他機(jī)型也出現(xiàn)類似情況，可以在分析、驗(yàn)證后確認(rèn)是否也是由于相同原因從而導(dǎo)致該現(xiàn)象，但具體是何原因仍需要具體對(duì)待?！皩?shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，只有強(qiáng)有力的試驗(yàn)結(jié)果才能得出有說服力的結(jié)論，從設(shè)計(jì)方面也得到了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，只有不斷的從問題中進(jìn)行探索和研究，才能更上一層樓。