石墨烯潤滑油在羅茨風機上的應用

龐東林 孫曉文 邱韶峰

水產養殖行業中風機是其非常重要的一環，基于對水產養殖行業的風機調研，重點對可用于水產養殖增氧風機選型的羅茨鼓風機進行實驗對比，通過比較兩種不同的潤滑油，經過試驗得出耗電量的影響區別。對羅茨風機的潤滑油選用具有指導意義。

一、潤滑油的意義

隨著現代養殖業的出現，水產養殖密度和產品品質的不斷提高，溶解氧的矛盾凸顯。用于水產養殖的機械設備中的風機是非常重要的一環。而潤滑油對于羅茨風機來說意義重大，主要對齒輪、軸承等部件起潤滑保護作用，對羅茨風機的做功也起到關鍵性的作用。

二、石墨烯潤滑油與普通潤滑油對比試驗

（一）試驗背景

石墨烯屬于二維碳材料，是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成的單層二維蜂窩狀晶格結構的新材料，具有優異的光學、電學、力學特征。

本次報告中的石墨烯潤滑油是將羅茨風機正常使用的潤滑油與石墨烯金屬調理劑按照9∶1的比例進行勾兌，石墨烯金屬調理劑密度為1.28，潤滑油作為它的載體，確保其與潤滑油充分混合是重要前提。按以上比例勾兌后在容器內劇烈晃動至均勻，靜置數小時后，若沒有混濁分層現象發生，即可得到石墨烯潤滑油。

石墨烯金屬調理劑工作原理是在一定的受力情況下使滾動過的金屬區域嵌入抗磨劑。在溫度和壓力的作用下，將受力過的金屬表面改性并在摩擦副表面形成改性層，并維持一定的時間，來達到節能效果。

由于金屬調理劑的黏度較大，加入金屬調理劑的油黏度會發生變化，因此在油中添加任何一種物質必須進行小試試驗，以確定添加劑的性能、對油品理化性能的影響以及添加后是否出現雜質沉淀等，同時還要確定合理的添加量。

（二）試驗方案

將山東章鼓的ZG風機專用潤滑油（黏度為220）與石墨烯金屬調理劑按比例混合勾兌，靜置8小時。未發現混濁分層現象，說明兩者混合可以得到石墨烯潤滑油。然后制定試驗方案對使用石墨烯潤滑油和ZG風機專用潤滑油的軸功率進行對比研究。

具體方案如下：選1臺ZG-200風機（三葉羅茨風機，DN200），配套試驗南京申馬變頻電機315M4-

132kW，山東新風光JD-BP32-132kW變頻調速器，北京天宇恒創CYT302扭矩傳感器5000N.m，杭州愛華儀器有限公司AWA6228+多功能聲級計（噪聲分析儀），上海華陽檢測儀器有限公司HY-441B頻閃數字轉速表，Raytek手持紅外測溫儀。試驗條件為101.325kPa，10℃。

（三） 試驗過程

第一步先選ZG-200風機使用ZG風機專用潤滑油在970rpm、1450rpm、1600rpm、1750rpm、1900rpm、2050rpm這六種轉速和每種轉速的9.8kPa、29.4kPa、39.2kPa、49kPa、78.4kPa、98kPa六種壓力下進行試驗，并記錄相應性能點的軸功率。然后在風機及配套設備不變情況下，放掉ZG風機專用潤滑油，更換石墨烯潤滑油。風機運行一段時間先將石墨烯潤滑油油溫達到38℃及以上時，按以上步驟及性能點重復試驗并記錄軸功率。測得試驗數據如上表。

三、理論及數據分析

從試驗數據表可以看出，在轉速970rpm，升壓78.4kPa、98kPa下的石墨烯軸功率節能率最小。使用石墨烯潤滑油比使用ZG風機專用潤滑油軸功率降低1.2％，即（60.3-59.6）/60.3 （75.1-74.2）/75.1。轉速970rpm，升壓9.8kPa及轉速1750rpm，升壓9.8kPa下石墨烯軸功率節能率最大。使用石墨烯潤滑油比使用ZG風機專用潤滑油軸功率降低8.6％，即（9.3-8.5）/9.3 （23-21）/23。其他性能點軸功率變化均在1.2％～8.6％間。

羅茨風機軸功率中，一部分為壓縮氣體的理論功率，另一部分是克服同步齒輪及軸承摩擦阻損的機械損失功率。即：Nsh=Nth+Nm （kW）Nsh—軸功率? Nm—機械損失功率。

對于Nth壓縮氣體的理論功率，羅茨風機氣體壓縮雖然并不是在容積不變的情況下進行的，但由于每次壓縮經歷的時間很短，將其近似地視為定容積過程。因此鼓風機的壓縮氣體理論功率為：

Nth=（？駐P·Qth）/C（kW） C—單位換算系數

可以看出 Nth與？駐P升壓、Qth流量成正比關系。而本次試驗中的變化條件是更換潤滑油與？駐P升壓、Qth流量并無實際關聯，可以得出相同性能點下更換潤滑油前后Nth軸功率是不變的。故變化部分全來自克服同步齒輪及軸承摩擦阻損的Nm機械損失功率。

軸功率測量值的擬合曲線Nsh—？駐P與理論功率曲線Nth—？駐P理論功率直線相平行，就是說當轉速n為定值時，機械損失功率Nm近似為定值，軸功率Nsh為升壓？駐P的線性增函數。

結合圖1可看出兩條線性直線接近平行；在同轉速、不同升壓下，軸功率變化相近；即轉速一定，升壓再高，軸功率的變化也接近一個定值。

由資料得實測軸功率Nsh-n關系曲線近似為直線，其延長線大致經過坐標原點?？芍斏龎?？駐P定值時，機械效率ηm近似為定值，軸功率Nsh和機械損失功率Nm與轉速成正相關關系。得出石墨烯潤滑油節省的軸功率全部來自機械損失功率Nm；由圖2可看出兩條線性直線隨轉速升高之間的相差越來越大。故升壓一定下，轉速越高石墨烯潤滑油節能更加明顯。

四、節電計算

從表1數據中可得出石墨烯潤滑油比ZG風機專用潤滑油的軸功率平均降低在3.36％?？捎嬎愠龉濍姡?/p>

按轉速2050rpm和49kPa性能點下計算，加注石墨烯潤滑油后實測軸功率下降2.9kW。節電率按照平均值3.36％計算，設備年作業率按照95％計算，在此性能點下風機運行一年可節約用電：

2.96kWh×24小時/天×365天×95％=24633.12kWh

節省電費：（按目前公司試驗用電價約合1元/kWh計算）

每小時可節?。?.96kWh×1元/kWh=2.96元

每年可節?。?4633.12kWh×1元/kWh=

24633.12元

加注石墨烯金屬調理劑所需費用：（ZG-200風機實際加注ZG風機專用油13.04L，配套發貨15L；加注石墨烯金屬調理劑比例10％）

需加注石墨烯金屬調理劑數量：15L×10％=1.5L

所需費用：1.5L×512元/L=768元

節電收回成本費用所需時間：768元÷2.96元=259.459小時

約合天數：259.459小時÷24小時/天=10.81天

五、結語

水產養殖中羅茨風機是常見而且重要的組成部分，長時間運行的羅茨風機可以采用加注石墨烯的潤滑油，這樣提升性能的同時也更加經濟耐用，更好地為養殖戶減少養殖成本。

（作者單位：山東省農業機械技術推廣站）