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[1]各段輸入氣體經(jīng)壓縮、升溫、排放后再通過凈化設(shè)備，同時也將少量的氧化鐵、油霧、潤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系統(tǒng)分散度很高的導(dǎo)電性粉塵，粘附在壓縮機各段出入管道、氣閥壁、活塞體工作面，也會粘附在壓縮機冷卻器等輔助設(shè)備上，形成壓縮機系統(tǒng)中的積碳現(xiàn)象。

積碳對于壓縮機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，必然會對主機造成損傷，導(dǎo)致主機抱死甚至報廢。當(dāng)壓縮機在排氣閥及排氣管道處產(chǎn)生較多的積碳時，排氣閥就會動作不靈敏或者關(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滑油的氧化反應(yīng)，而反應(yīng)熱又不能及時排除，使得排氣管道內(nèi)氣體溫度繼續(xù)升溫，當(dāng)溫度達(dá)到潤滑油的燃點或閃點時引發(fā)爆炸。

1 現(xiàn)象描述

某型中壓空壓機，為V型、單列、單作用、兩級壓縮、水冷（冷卻器內(nèi)置于氣缸體內(nèi)）空壓機組，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)計為≥30 L/min，采用100號壓縮機油，注油量為11 L, 油耗為≤80 g/h；油壓設(shè)定值為0.1～0.4 MPa，兩級氣閥均為組合閥，僅2級設(shè)有油水分離器。

該型空壓機樣機試制時，在完成1 000 h（環(huán)境溫度25 ℃）可靠性試驗后，拆檢時發(fā)現(xiàn)各級氣閥、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、二級氣閥

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

壓縮機的壓縮比是活塞在下止點時的體積和活塞在上止點時的體積比，一般以出口壓力除以進(jìn)氣壓得到。在設(shè)計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)對其進(jìn)行調(diào)整，可將中間級壓比適當(dāng)進(jìn)行提高避免因末級壓比過高而導(dǎo)致排氣溫度過高。本機型為二級壓縮，采用等壓比分配。

壓比[3]與溫度的關(guān)系為T2=T1ε(n-1/n)，二級壓比過高會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上看出二級的積碳現(xiàn)象也是比一級明顯得多。

2.2 油壓過高（注油量）

本型空壓機采用內(nèi)置齒輪油泵將壓縮機油從曲軸箱直接經(jīng)過油過濾器吸入，輸給曲軸軸承、連桿大頭等潤滑部位。油壓過低會導(dǎo)致潤滑不足使各運動件摩擦磨損嚴(yán)重。因此設(shè)計時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地流走，滯留在各潤滑部位，失去了帶走摩擦熱的功能，就會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 潤滑油質(zhì)量不好

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

潤滑油如果質(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，會粘附在管道、氣閥、活塞壁等地，不僅失去了潤滑效果，而且還會加劇摩擦磨損導(dǎo)致溫度升高，隨著不斷積累形成積碳。

2.4 冷卻不足

此款壓縮機冷卻器部件與氣缸體部件為組合一體式，整個部件內(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)計圖與實物圖

此機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，那么將會導(dǎo)致二級進(jìn)氣溫度過高，根據(jù)T2=T1ε(n-1/n)，得出二級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

壓縮機油從曲軸箱中通過飛濺潤滑進(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。

3.1 調(diào)節(jié)壓力比

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

3.2 降低油壓和注油量試驗

此款機型的設(shè)計油壓額定值為0.1～0.4 MPa，有低壓保護(hù)，當(dāng)潤滑油壓力≤0.06 MPa時報警停機。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?，并設(shè)置了高壓保護(hù)裝置，當(dāng)油壓超過0.4 MPa時報警，并保證其他設(shè)計理念不變，進(jìn)行1 000 h耐久性試驗觀察各零部件積碳情況。

3.3 更換潤滑油試驗

100號壓縮機油是很多通用壓縮機使用的壓縮機油，在40 ℃時其黏度為100 mm2/s，我們已經(jīng)及時更換新油以避免壓縮機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號油來替代原來的100號壓縮機油，對其他條件不作任何改變，進(jìn)行1 000 h耐久性試驗觀察各零部件積碳情況。

3.4 增強冷卻水量試驗

此款機型在冷卻水進(jìn)口處設(shè)置了一個進(jìn)水閥和一個過濾器，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耐久性試驗觀察各零部件積碳情況。

3.5 降低氣體含油量試驗

此款機型僅在二級設(shè)有油水分離器，一級通過在排氣口處設(shè)計一個凸起的部分實現(xiàn)油水分離并儲存，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)計理念不變，進(jìn)行1 000 h耐久性試驗觀察各零部件積碳情況。

4 試驗驗證結(jié)果

上述試驗除第1個周期較長，其他4個試驗可同時進(jìn)行，從后4個進(jìn)行了1 000 h耐久性試驗的效果來看，除了第5個試驗效果突出外，其他3個試驗中積碳現(xiàn)象依然存在。在生產(chǎn)完成后對第1個試驗進(jìn)行驗證后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)象有所改善，但是仍然存在少量積碳。

5 結(jié)論

通過上述試驗和結(jié)論得出：導(dǎo)致此款機型產(chǎn)生大量積碳的原因是在1級排氣管后沒有增設(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)論僅僅適用于此機型，若其他機型也出現(xiàn)類似情況，可以在分析、驗證后確認(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待?！皩嵺`是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，只有強有力的試驗結(jié)果才能得出有說服力的結(jié)論，從設(shè)計方面也得到了寶貴的經(jīng)驗和教訓(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。