孫啟國，周正輝，王躍飛

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

油氣潤滑是一種新興的潤滑技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的油潤滑和脂潤滑，油氣潤滑具有很多顯著的特點(diǎn)，它使?jié)櫥拖牧看蟠鬁p少，油膜的承載能力加強(qiáng)，同時(shí)冷卻效果也更加明顯。目前國內(nèi)外對于油氣兩相流的研究只停留在流型的觀測上，其中加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)研究了重力對油氣環(huán)狀流油膜特性的影響［1］，加拿大安大略科技大學(xué)對油氣兩相流的分離特性進(jìn)行了仿真研究［2］，臺灣大葉大學(xué)的吳正憲［3］對不同轉(zhuǎn)速下油氣潤滑系統(tǒng)的冷卻效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，國內(nèi)的相關(guān)研究主要有，燕山大學(xué)的趙孟一［4］利用粒子圖像測速技術(shù)對銅管內(nèi)的兩相流流型進(jìn)行了觀察研究，張永峰［5］研究了不同單次供油量下油膜的最遠(yuǎn)輸送距離。目前尚未有人對油氣潤滑系統(tǒng)參數(shù)做系統(tǒng)的分析，筆者利用油氣混合的原理，結(jié)合電容電析成像技術(shù)，基于正交實(shí)驗(yàn)法在油氣潤滑實(shí)驗(yàn)臺上對油膜厚度的影響參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

該實(shí)驗(yàn)采用油氣潤滑測試實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置由控制系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、油氣混合系統(tǒng)、ECT電容電析成像檢測系統(tǒng)等組成?？梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)需求對供油量、供油頻率、供氣壓力、單次供油間歇時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，便于研究各參數(shù)對油氣潤滑效果的影響。圖1為油氣潤滑實(shí)驗(yàn)臺。

圖1 油氣潤滑實(shí)驗(yàn)臺

實(shí)驗(yàn)臺由齒輪泵供油，系統(tǒng)供油時(shí)，需要利用遞進(jìn)式分配器的規(guī)格控制單次供油量的大小，然后由遞進(jìn)式分配器上的接近開關(guān)，控制供油次數(shù)和間歇供油的時(shí)間。系統(tǒng)工作時(shí)，遞進(jìn)式分配器每動作一次會向主控制器發(fā)送一次信號，主控制器對發(fā)來信號計(jì)數(shù)，當(dāng)動作次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，即供油量達(dá)到要求值時(shí)，CPU下達(dá)停泵指令。當(dāng)下一個(gè)周期到來時(shí)，系統(tǒng)清空計(jì)數(shù)器次數(shù)，潤滑泵繼續(xù)工作，計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)，如此反復(fù)循環(huán)。供氣時(shí)空氣由FG75空氣壓縮機(jī)供給，額定排氣壓力為0.7～0.8 MPa，額定排氣量為670 L/min。

正常工作時(shí)，壓縮空氣持續(xù)供給，潤滑油為間歇性供給。油氣在油氣混合器中混合后，輸送到PVC透明軟管中，為了減少柔性管彎曲變形對于局部流型造成的影響，管道固定在專用的觀測面板上，同時(shí)便于觀察和檢測流型［3］。

檢測設(shè)備使用ECT電容電析成像檢測系統(tǒng)。電容層析成像技術(shù)(ECT，Electrical Capacitance Tomography)技術(shù)是目前兩相流參數(shù)測量領(lǐng)域廣泛研究的一種新型檢測技術(shù)。

ECT系統(tǒng)通過設(shè)置于管道壁上的傳感器陣列電極向被測物場注入交流電壓信號，并從測量電極檢測感應(yīng)電流，計(jì)算各電極間的電容值;由于被測物場的介質(zhì)分布與所測電容之間存在確定的關(guān)系，由測量數(shù)據(jù)及圖像重建算法可得到被測物場內(nèi)介質(zhì)的分布情況，實(shí)現(xiàn)流體的可視化檢測。ECT系統(tǒng)是比較復(fù)雜的檢測系統(tǒng)，通常由陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、成像計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分構(gòu)成［4］。

2 實(shí)驗(yàn)方案［6］

油氣潤滑系統(tǒng)中，供氣壓力是油氣兩相環(huán)狀流形成過程中一個(gè)非常重要的參數(shù)，它不僅是將油滴吹散形成油氣兩相流的動力，而且能夠在潤滑過程中帶走大量的熱量，減小溫升;單次供油量的取值決定了整體油量的大小，單次供油間歇時(shí)間決定了供油的頻率，它們對于油膜的厚度和連續(xù)性有著直接的影響，考慮到以上各因素對油膜特性的重要作用，本實(shí)驗(yàn)就一定的油壓、一定的管徑、管長條件下，利用正交實(shí)驗(yàn)法分別研究不同空氣壓力、單次供油的時(shí)間間隔、單次供油量情況下水平管內(nèi)油氣兩相流油膜的分布情況。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置表

表1為實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置表，實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)用油均為L－HM46號液壓油，水平油管的內(nèi)徑為6 mm，只是對供氣壓力、單次供油量、單次供油時(shí)間間隔進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性，將每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采樣時(shí)間統(tǒng)一設(shè)置為30 s(9 000幀)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置所提供的供氣壓力范圍選擇0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa三種供油壓力分別記為A1、A2、A3;單次供油量1 mL、2 mL、4 mL，分別記為B1、B2、B3;單次供油時(shí)間間隔5 s、10 s、15 s，分別記為C1、C2、C3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案中所確定的各實(shí)驗(yàn)因素變量的取值，結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)表設(shè)計(jì)出A1B1C1～A3B3C2九組實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)安排如表2所列。

表2 正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

油氣潤滑系統(tǒng)中，油氣在混合器中混合，氣體在水平油管中將油滴沿管壁吹散形成連續(xù)均勻的油氣環(huán)狀流，并推動油膜向前流動。通過ECT監(jiān)測試驗(yàn)裝置，提取出的油膜厚度監(jiān)測圖像如圖2所示。

圖2 油膜厚度監(jiān)測圖像

雖然實(shí)驗(yàn)中不同的實(shí)驗(yàn)組設(shè)置的參數(shù)不同，但油膜整體分布均勻，且流型較穩(wěn)定，說明九組實(shí)驗(yàn)條件均能滿足實(shí)驗(yàn)的要求，形成油氣兩相流。只是由圖2中油膜厚度圖形的比較可以看出不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)組中，由于參數(shù)設(shè)置的不同，油膜的厚度存在明顯的差異，A2B3C1的油膜厚度明顯比其它組的油膜厚度要大，說明雖然相對于前三組實(shí)驗(yàn)，A2B3C1的氣壓有所增大，但是當(dāng)單次供油量增大且單次供油間歇時(shí)間減小時(shí)，油膜厚度反而增大，這是由于不同的參數(shù)對于油氣環(huán)狀流油膜厚度的影響作用大小不同。

正交實(shí)驗(yàn)中用極差R的大小用來衡量試驗(yàn)中相應(yīng)因素的作用大小，極差大的因素，意味著它的三個(gè)位級對于評價(jià)指標(biāo)的影響較大，通常是重要因素，由表2下端R的數(shù)值可以看出本實(shí)驗(yàn)研究的對油膜厚度影響的作用因素中，供氣壓力A是最重要的因素，單次供油時(shí)間間隔C次之，單次供油量B對油膜厚的作用最小，因此實(shí)驗(yàn)涉及的三個(gè)因素的主次排列順序是:A，C，B。

表2右側(cè)是分別從正交實(shí)驗(yàn)的九組實(shí)驗(yàn)中所提取的油膜厚度的平均值，油膜厚度的大小與圖2中ECT檢測到的水平管截面的油膜厚度圖像相一致，單一參數(shù)下的油膜厚度平均值的和分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。比較各列的平均值的和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的大小，第一列的Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，這說明空氣壓力這個(gè)因素中以Ⅲ最佳，即空氣壓力選0.4 MPa時(shí)油膜最薄，效果較好;同樣第二列中Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ，說明單次供油量因素以Ⅰ最好，即選擇單次供油量1 mL時(shí)油膜最薄;第三列中Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，說明單次供油時(shí)間間隔因素以Ⅲ最好，即選擇單次供油時(shí)間間隔為15 s時(shí)油膜最薄。綜合上面油膜厚度的三個(gè)影響因素推測油膜厚度最小的實(shí)驗(yàn)條件是A3B1C3。

由正交試驗(yàn)表2右側(cè)油膜厚度的測量值，可以觀察得出油膜厚度最薄的實(shí)驗(yàn)條件是:A3B2C3;與上面通過油膜厚度均值最小得出的試驗(yàn)最佳條件A3B1C3不同，為了準(zhǔn)確的得到油膜厚度最薄的實(shí)驗(yàn)條件，需要對A3B2C3、A3B1C3條件下的油膜分布進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 驗(yàn) 證

在原來正交實(shí)驗(yàn)其它條件不變的情況下選取A3B2C3所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件，空氣壓力為0.4 MPa、單次供油量為2 mL、單次供油時(shí)間間隔為15 s;A3B1C3所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件，空氣壓力為0.4 MPa、單次供油量為1 mL、單次供油時(shí)間間隔為15 s，然后分別實(shí)驗(yàn)。

圖3為A3B2C3、A3B1C3兩個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)條件下的油膜厚度分布圖像，從圖中可以清晰地看出，以A3B2C3為實(shí)驗(yàn)條件測得的油膜厚度明顯小于以A3B1C3為實(shí)驗(yàn)條件測得的油膜厚度，且油膜分布更加均勻。表3為實(shí)驗(yàn)提取的油膜厚度的具體數(shù)據(jù)，空氣壓力0.4 MPa、單次供油量2 mL單次供油時(shí)間間隔15 s時(shí)，油膜厚度的平均值為0.056 9 mm;空氣壓力0.4 MPa、單次供油量1 mL、單次供油時(shí)間間隔15 s時(shí)，油膜厚度為0.084 4 mm，與圖2觀察的油膜厚度結(jié)果相一致，說明并不是所有的參數(shù)都設(shè)置為最佳時(shí)油膜的厚度就最小，不同的因素之間相互影響，相互作用，油膜厚度是各因素之間協(xié)調(diào)作用的結(jié)果。

圖3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中油膜厚度圖像

因此該實(shí)驗(yàn)得到的最薄油膜厚度的實(shí)驗(yàn)條件為A3B2C3，即空氣壓力0.4 MPa、單次供油量2 mL、單次供油時(shí)間間隔15 s。

表3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表

4 結(jié)論

利用油氣潤滑實(shí)驗(yàn)臺和ECT電容電析成像檢測系統(tǒng)，對油氣潤滑水平輸送管中油氣兩相流油膜分布進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)研究。在符合工程實(shí)際的條件下，研究了供氣壓力、單次供油量、單次供油時(shí)間間隔三個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對于水平管中油氣兩相流油膜厚度的影響，為油氣潤滑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與使用提供了參考依據(jù)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下。

(1)油氣潤滑系統(tǒng)中，供氣壓力、單次供油量、單次供油時(shí)間間隔對油氣兩相流的油膜形成和分布有著重要的影響，在上述實(shí)驗(yàn)中，不同數(shù)組設(shè)置參數(shù)下的水平油管均能夠形成均勻的油氣兩相環(huán)狀流薄膜，但是油膜的厚度差別明顯。

(2)通過油膜厚度的數(shù)據(jù)分析可知，油膜厚度最薄的最佳實(shí)驗(yàn)條件為:供氣壓力0.4 MPa，單次供油量2 mL，單次供油時(shí)間間隔15 s。

(3)通過不同實(shí)驗(yàn)組油膜厚度的極差得出:實(shí)驗(yàn)研究的影響油膜厚度的參數(shù)中，供氣壓力對于油膜厚度影響作用最大，單次供油間歇時(shí)間次之，單次供油量對油膜厚度的影響作用最小。

［1］ Ryan M.Macgillivray，kamiel S.gabriel.Annular Flow Film Characteristics in Variable Gravity［J］.New York Academy of Sciences，2002(974):306－315.

［2］ Huawei Hua.A Numerical Study of Entrainment Mechanism in Axisymmetric Annular Gas－Liquid Flow［J］.Fluids of Engineering，2007(129):293－301.

［3］ Wu Cheng－Hsien，Kung Yu－Tai.A parametric study on oil/air lubrication of a high－speed spindle［J］.Precisin engineering，2005 (29):162－167.

［4］ 趙孟一.油氣潤滑系統(tǒng)水平管內(nèi)環(huán)狀流形成機(jī)理研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2011.

［5］ 張永峰.油氣潤滑系統(tǒng)應(yīng)用理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2011.

［6］ 汪雄師，孫啟國，王 瑩，等.油氣潤滑系統(tǒng)中環(huán)狀流流過突擴(kuò)管時(shí)的流動特征［J］.機(jī)械，2014(2):10－12，36.