李志恒，栗心明，郭峰，劉牧原

（青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266000）

對滾動軸承進行高效合理的潤滑是保證機械設(shè)備節(jié)能與長期正常運轉(zhuǎn)的基本措施。采用傳統(tǒng)的人工潤滑方式對需多點分布的軸承潤滑時存在時盈時虧、費時費力和潤滑效果差等諸多弊端。作為集中潤滑技術(shù)［1］的一種，油氣潤滑在一定程度上克服了以上不足，在設(shè)備運轉(zhuǎn)時能定時、定點、定量潤滑，大幅減小運動件的磨耗，同時減少潤滑油使用量，因此逐步取代傳統(tǒng)潤滑方式而得到廣泛應(yīng)用。

與傳統(tǒng)潤滑方式相比，油氣潤滑確實減小了供油波動性，但其間斷性供油的本質(zhì)使波動性仍存在，并且限制其潛在優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中大多通過使用合理規(guī)范的潤滑參數(shù)來弱化波動，提高潤滑效果。潤滑效果不僅與供油參數(shù)相關(guān)，還受潤滑方式影響，而噴嘴作為潤滑方式的關(guān)鍵一環(huán)，其對潤滑效果的影響顯得十分重要。目前國內(nèi)外對于潤滑噴嘴的研究集中在傳統(tǒng)孔式噴嘴上。文獻［2］通過數(shù)值計算方法對二維對稱噴嘴內(nèi)部流體的流動狀態(tài)進行了研究，發(fā)現(xiàn)噴嘴角度的改變對過渡流的作用，減小噴嘴角度可更快啟動。文獻［3］基于機床高速電主軸油氣潤滑系統(tǒng)，比較了0°和20°傾角的噴嘴對軸承溫升的影響，發(fā)現(xiàn)當噴嘴有一定傾角時軸承潤滑效果更好。文獻［4］通過對油氣兩相射流的試驗研究，設(shè)計了一種滿足拉橋機傳動裝置的油氣潤滑噴嘴，通過對比得出鏈傳動中扇形噴嘴的潤滑效果更好。文獻［5］建立了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)和液滴的Sauter直徑之間的關(guān)系方程，分析了噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對射流流動狀態(tài)的影響。以上研究均建立在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)噴嘴的基礎(chǔ)上，不能從源頭解決間斷性供油以及潤滑油附壁作用引起的供油波動性。文獻［6］在孔式噴嘴的基礎(chǔ)上增加了導(dǎo)流體，提出新型導(dǎo)流式噴嘴，并認為其在克服供油波動上具有獨特優(yōu)勢，但并未提供可靠的數(shù)據(jù)支持以及進一步開展試驗研究。針對以上問題，通過射流形態(tài)拍攝、液滴分布和尺寸測量及油氣潤滑供油量臺架試驗驗證了導(dǎo)流式噴嘴的優(yōu)越性，另外研究了導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)參數(shù)以及AF涂層對軸承溫升的影響。

1 試驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置示意圖如圖1所示。噴嘴置于玻璃盤上方，玻璃盤以330 r／min旋轉(zhuǎn)一周，通過顯微鏡和圖像采集系統(tǒng)采集不同工況下不同結(jié)構(gòu)噴嘴在固定位置的液滴尺寸及分布圖像，并進行對比。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Diagram of test device

為獲得導(dǎo)流式噴嘴對軸承潤滑性能的影響，采用高速軸承試驗裝置，如圖2所示。驅(qū)動源為動壓潤滑高速電主軸，利用變頻器對其調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速為20 000 r／min。軸承測試單元采用對稱式結(jié)構(gòu)置于電主軸兩側(cè)，噴嘴中心正對球和內(nèi)圈接觸區(qū)，噴嘴結(jié)構(gòu)如圖3所示。軸承的軸向預(yù)緊力由兩端對稱式加載系統(tǒng)施加，通過滾珠絲杠擠壓彈簧實現(xiàn)機械彈簧式加載。采用pt100鉑電阻溫度傳感器測量外圈溫升，測溫范圍為-200～500℃。

圖2 高速軸承試驗裝置Fig.2 Test device for high speed bearing

圖3 導(dǎo)流式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of guide type nozzle

1.2 試驗條件

潤滑油采用長城46＃齒輪油。軸承采用6307深溝球軸承。保持室溫和油氣入口溫度不變，軸承從20℃開始運行約30 min后溫度達到穩(wěn)定，此時溫度與試驗開始時的外圈溫度之差即為軸承溫升。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)流式噴嘴供油優(yōu)越性研究

油氣潤滑存在供油波動性的原因主要有：1）潤滑油均由定量泵間斷性供給，因此必然不能實現(xiàn)持續(xù)供油；2）在油氣潤滑系統(tǒng)末端由于潤滑油與噴嘴內(nèi)壁面材料之間存在一定黏附力，潤滑油需要一定富集時間，因此會造成供油波動。為驗證導(dǎo)流式噴嘴在減小供油波動、提高供油效率上的優(yōu)越性，采用3種方式進行較為系統(tǒng)的說明。

2.1.1 射流形態(tài)拍攝

通過相機對孔式噴嘴和導(dǎo)流式噴嘴的射流效果進行直接拍攝，如圖4所示。

圖4 噴嘴的射流效果Fig.4 Jet flow effect of nozzles

由圖4a可知，原本沿孔式噴嘴內(nèi)壁流動的潤滑油在離開噴嘴的瞬間快速向四周擴散，射流中心出現(xiàn)沒有潤滑油的情況，噴射面積十分大，但保持架與內(nèi)、外圈的間隙很小，僅約幾毫米，導(dǎo)致大部分潤滑油噴射在保持架或內(nèi)、外圈端面，而沒有進入接觸區(qū)內(nèi)部，從而影響潤滑。由圖4b可知，導(dǎo)流式噴嘴由于導(dǎo)流體的作用，噴射面積縮小，也不會出現(xiàn)射流中心沒有潤滑油的現(xiàn)象，潤滑效果良好。

2.1.2 液滴分布和尺寸測量

油氣潤滑系統(tǒng)的供油量為6 mL／h，供氣氣壓為0.25 MPa時2種噴嘴各位置的液滴分布如圖5所示。試驗階段通過伺服控制玻璃盤轉(zhuǎn)速，每間隔30°取圖，鑒于論文篇幅有限，此處僅選取較有代表性的位置進行說明。由對比可知，導(dǎo)流式噴嘴比孔式噴嘴的液滴小，并且液滴大小變化相對更穩(wěn)定，即導(dǎo)流式噴嘴每次可穩(wěn)定提供體積均勻的液滴，對于形成穩(wěn)定的潤滑膜具有優(yōu)勢。另外，導(dǎo)流式噴嘴的潤滑油分布也相對均勻，不會出現(xiàn)供油振蕩問題，可實現(xiàn)連續(xù)均勻供油。

圖5 液滴分布Fig.5 Distribution of droplets

2.1.3 油氣潤滑供油量臺架試驗

油氣潤滑下隨著供油量的增加，球和內(nèi)外圈之間逐漸由乏油磨損到達最佳潤滑狀態(tài)，繼續(xù)供油又會產(chǎn)生富油摩擦。因此，油氣潤滑下的軸承存在最佳供油范圍，通過此參數(shù)對比2種噴嘴的供油效率。

轉(zhuǎn)速為5 000 r／min，供氣氣壓為0.25 MPa，預(yù)加載荷為100 N時供油量對軸承溫升的影響如圖6所示。使用孔式噴嘴的軸承最佳供油量約為5 mL／h，使用導(dǎo)流式噴嘴的軸承最佳供油量約為2.5 mL／h，減少50%，表明有一定節(jié)能效果。

圖6 供油量對軸承溫升的影響Fig.6 Influence of oil supply amount on temperature rise of bearing

2.2 導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗研究

轉(zhuǎn)速為9 000 r／min，供油量為3.5 mL／h，供氣氣壓為0.25 MPa。導(dǎo)流體為60根毛刷，根據(jù)軸承端面到球的實際間距，導(dǎo)流體長度分別為1，3和5 mm，直徑分別為0.1和0.07 mm，材料選擇尼龍（PA）和金屬銅絲。導(dǎo)流體長度、直徑和材料對軸承溫升影響的試驗結(jié)果如圖7所示。

2.2.1 導(dǎo)流體長度

無論何種材料和直徑的導(dǎo)流體，長度對軸承溫升的影響都十分明顯。軸承溫升隨導(dǎo)流體長度增加呈線性下降的主要原因是導(dǎo)流體長度不同導(dǎo)致入射流到達接觸區(qū)的距離不同，使射流的噴射面積不同。導(dǎo)流體越長，噴射面積越小，射流越能集中到達入射區(qū)域；導(dǎo)流體過短，噴射面積變大，導(dǎo)致潤滑油難以進入球與內(nèi)圈溝道的接觸部位，大部分潤滑油被保持架擋住，造成軸承溫度上升。

導(dǎo)流體長度對液滴尺寸和分布也有一定影響，噴嘴液滴分布如圖8所示。導(dǎo)流體越長，液滴相對較大也更密集，軸承潤滑效果也相對更好。

圖8 不同導(dǎo)流體長度時的液滴分布Fig.8 Droplet distribution for different lengths of guiding fibers

2.2.2 導(dǎo)流體直徑

通過對比圖7中使用PA0.1 mm和PA0.07 mm導(dǎo)流體的軸承溫升可知，導(dǎo)流體直徑為0.07 mm的軸承溫升要高，也就是說，在導(dǎo)流體數(shù)量、材料和長度一定的情況下，導(dǎo)流體直徑為0.1 mm時軸承潤滑效果更優(yōu)。這是因為當數(shù)量一定的導(dǎo)流體過細時，導(dǎo)流體無法填滿直徑為2 mm的噴嘴出口，其對潤滑油附壁效應(yīng)的規(guī)避作用減弱。不同導(dǎo)流體直徑時的液滴分布如圖9所示。導(dǎo)流體直徑為0.07 mm時，液滴大小不均，引起一定的供油波動，這也是導(dǎo)流體直徑為0.07 mm時軸承溫升較高的重要原因之一。

圖9 不同導(dǎo)流體直徑時的液滴分布Fig.9 Droplet distribution for different diameters of guiding fibers

2.2.3 導(dǎo)流體材料

通過對比圖7中使用PA0.1 mm和Cu0.1 mm導(dǎo)流體的軸承溫升可知，導(dǎo)流體材料為銅的軸承溫升略高。銅的表面能1 103 dynes／cm遠大于PA的表面能38～46 dynes／cm，也就是說，選擇銅作為導(dǎo)流體材料時，潤滑油在導(dǎo)流體上的黏附作用更強，液滴積累到一定程度才能被吹散，其與孔式噴嘴一樣有一定供油波動，但由于導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)原因，其小于孔式噴嘴的供油波動性。

2.3 導(dǎo)流體AF 涂層對軸承潤滑效果的影響

導(dǎo)流體材料均為PA，長度為5 mm，直徑為0.1 mm，其中一個導(dǎo)流體鍍有防指紋油（Anti-Finger Oil，以下簡稱AF涂層），另一個未作任何處理。

采用與前述導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗研究相同的試驗條件，供油量和轉(zhuǎn)速對軸承溫升影響的試驗結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

圖10 供油量對軸承溫升的影響Fig.10 Influence of oil supply amount on temperature rise of bearing

圖11 轉(zhuǎn)速對軸承溫升的影響Fig.11 Influence of rotational speed on temperature rise of bearing

有AF涂層的導(dǎo)流體噴嘴與未作處理的相比，最佳供油位置沒有改變，軸承溫升隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢也基本相同，即AF涂層對最佳供油量和溫升隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢沒有影響。通過對比可知，各供油量下軸承溫升均略微升高。導(dǎo)流式噴嘴液滴分布如圖12所示。有AF涂層比無AF涂層導(dǎo)流體的部分液滴更大，這些大液滴其實是由許多小液滴聚集而成，這是因為有AF涂層的導(dǎo)流體對潤滑油的黏附作用減弱，使液滴快速脫離導(dǎo)流體，進而造成同一位置處液滴重疊后形成大液滴，使黏附在軸承腔內(nèi)部的液滴大小不均，進而影響潤滑油膜的均勻性，最后體現(xiàn)在軸承溫升上，一定情況下減小表面能可改善潤滑效果，但存在一個臨界點，導(dǎo)流體材料表面能并非越小越好。

圖12 導(dǎo)流式噴嘴液滴分布Fig.12 Droplet distribution of guide type nozzle

3 結(jié)論

1）導(dǎo)流式噴嘴不但可減小噴射面積，而且可通過細化均勻液滴來減小供油波動，還可節(jié)約50%左右的潤滑油量。

2）導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承潤滑效果具有一定影響。導(dǎo)流體越長，軸承溫升越低；導(dǎo)流體直徑為0.1 mm時，軸承可達到更優(yōu)的潤滑效果；導(dǎo)流體材料為銅時，供油波動性更大，軸承潤滑效果更差。

3）通過對比有AF涂層和未作任何處理的導(dǎo)流體對軸承潤滑效果的影響可知，導(dǎo)流體材料表面能并非越小越好。