谷運(yùn)龍 楊丹峰 趙俊宏 馬德鋒 趙偉樺

摘 要

針對(duì)軸承試驗(yàn)機(jī)中潤(rùn)滑油出現(xiàn)碳化結(jié)焦的現(xiàn)象，分析其原因，提出了潤(rùn)滑系統(tǒng)改進(jìn)措施，包括加熱棒結(jié)構(gòu)，保溫措施以及控制方式等，有效地解決了潤(rùn)滑油碳化結(jié)焦的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞

軸承試驗(yàn)機(jī);高溫潤(rùn)滑系統(tǒng);碳化結(jié)焦

中圖分類號(hào)： TH133.33;TH117.2 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.021

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承在進(jìn)行部件試驗(yàn)時(shí)，采用將潤(rùn)滑油加熱到一定溫度用于模擬其工作環(huán)境溫度，航空潤(rùn)滑油使用溫度可達(dá)180～200℃[1]。在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)器上對(duì)某型號(hào)軸承進(jìn)行1500h壽命試驗(yàn)時(shí)，將潤(rùn)滑油加熱到100℃模擬其高溫工作環(huán)境，采用4106航空潤(rùn)滑油，供油流量為1.5L/min，試驗(yàn)運(yùn)行455h時(shí)，潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力報(bào)警停機(jī)，拆解高溫過(guò)濾器后，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器濾芯發(fā)生嚴(yán)重堵塞，加熱棒表面有大量黑色焦炭。本文從滑油碳化結(jié)焦的機(jī)理分析，針對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其存在的問(wèn)題，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 高溫潤(rùn)滑系統(tǒng)介紹

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承試驗(yàn)機(jī)高溫潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖如圖1所示，供油泵將1#油箱的油經(jīng)過(guò)溢流閥、濾油器送入2#油箱，2#油箱內(nèi)有一組加熱棒（6根）將潤(rùn)滑油加熱至所需的溫度。在封閉的試驗(yàn)軸承箱體里，通過(guò)回油泵把油抽回到1#油箱。為了保護(hù)回油泵及調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，在管路上設(shè)置了冷卻器和濾油器。溫度控制原理是以供油溫度為目標(biāo)溫度，控制加熱器工作，潤(rùn)滑油與加熱器表面進(jìn)行換熱，使?jié)櫥偷臏囟壬摺?/p>

2 問(wèn)題分析及驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

潤(rùn)滑系統(tǒng)發(fā)生壓力降低后，拆解潤(rùn)滑系統(tǒng)中的加熱棒，發(fā)現(xiàn)加熱棒表面出現(xiàn)大量的黑色物質(zhì)，為滑油碳化結(jié)焦的產(chǎn)物，如圖2所示。

2.2 問(wèn)題分析

潤(rùn)滑油碳化結(jié)焦的原理是潤(rùn)滑油在高溫、氧氣及金屬催化的條件下，逐步氧化、碳化最終結(jié)焦[2]。4106航空潤(rùn)滑油從使用溫度上劃分屬于Ⅱ型油，使用溫度范圍為-40～+220℃，在250℃左右條件下就開(kāi)始分解[3]，在320℃條件下開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象[4]。

從潤(rùn)滑油碳化結(jié)焦的原理上進(jìn)行分析，造成滑油碳化結(jié)焦的主要因素是加熱棒與潤(rùn)滑油接觸處的表面溫度過(guò)高。由于采用電加熱管對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行直接加熱，依靠電加熱管表面的高溫與其周圍的潤(rùn)滑油進(jìn)行換熱的方式將潤(rùn)滑油進(jìn)行加熱，往往是電加熱管表面溫度很高，而油箱內(nèi)的潤(rùn)滑油溫度梯度變化很大，會(huì)造成各處潤(rùn)滑油的品質(zhì)不一，電加熱管附近的潤(rùn)滑油碳化嚴(yán)重。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證滑油碳化結(jié)焦的原因是因加熱棒與潤(rùn)滑油接觸處的表面溫度過(guò)高，在原有潤(rùn)滑系統(tǒng)中的加熱棒上加裝溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量。如圖3所示。

將加裝溫度傳感器的加熱棒重新裝到潤(rùn)滑系統(tǒng)中，打開(kāi)潤(rùn)滑系統(tǒng)，進(jìn)行加熱試驗(yàn)，并監(jiān)測(cè)溫度傳感器的溫度值。設(shè)置供油溫度，打開(kāi)潤(rùn)滑系統(tǒng)，記錄供油溫度及加熱棒表面溫度，曲線對(duì)比圖如圖4所示。

從圖4中，可以看出，加熱棒表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于供油溫度，且在供油溫度沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)值前，加熱棒表面溫度已經(jīng)超過(guò)250℃。

由此可見(jiàn)，潤(rùn)滑系統(tǒng)中加熱棒表面溫度過(guò)高是導(dǎo)致潤(rùn)滑油碳化結(jié)焦的主要原因。

3 潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)

結(jié)合滑油碳化結(jié)焦的原因，對(duì)原有的潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，主要著手于控制加熱棒表面溫度，系統(tǒng)的保溫及控制方式等三個(gè)方面。

潤(rùn)滑油的加熱方式分為直接加熱和間接加熱，直接加熱方式包括加熱棒直接加熱、電磁感應(yīng)加熱[5]等，間接加熱包括導(dǎo)熱油電加熱等。其中，直接加熱的方式從效率及能耗上均比間接加熱更優(yōu)越。本系統(tǒng)改進(jìn)采用原有的潤(rùn)滑系統(tǒng)，針對(duì)加熱棒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

控制加熱棒表面溫度是控制滑油碳化結(jié)焦的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)上從兩個(gè)方面對(duì)加熱棒進(jìn)行改進(jìn)，一是加熱棒的結(jié)構(gòu)從原有的U型結(jié)構(gòu)改為與潤(rùn)滑油接觸面積更大的圓柱形加熱棒，二是在將溫度傳感器封裝到加熱棒中，監(jiān)測(cè)加熱棒溫度（以下簡(jiǎn)稱加熱棒內(nèi)部溫度）。加熱棒的功率根據(jù)加熱溫度以及潤(rùn)滑油流量、潤(rùn)滑油的比熱容及換熱系數(shù)等計(jì)算，本文不在此進(jìn)行詳述。改進(jìn)后的加熱棒結(jié)構(gòu)如圖5所示。

系統(tǒng)保溫主要在管路上加裝保溫棉進(jìn)行保溫，減小系統(tǒng)熱量損耗。

控制方式以供油溫度為目標(biāo)值，采用控制加熱棒內(nèi)部溫度不超過(guò)某一規(guī)定值作為控制方式的限定值的方式，對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行加熱。具體控制方式不在此進(jìn)行詳述。

由于本次改進(jìn)的加熱棒中的溫度傳感器是安裝在加熱棒里面，不能準(zhǔn)確地反映與潤(rùn)滑油接觸處的加熱棒表面溫度，因此，首先測(cè)試加熱棒表面溫度與改進(jìn)的加熱棒內(nèi)部溫度的差別，評(píng)估控制加熱棒溫度的范圍。測(cè)試方式如圖6所示。將加熱棒放置空氣中，在加熱棒表面安裝溫度傳感器，測(cè)量與加熱棒內(nèi)部溫度的差別。測(cè)試結(jié)果曲線圖如圖7所示。

從上圖可知，加熱棒表面溫度與加熱棒內(nèi)部的溫度傳感器測(cè)量的溫度差值較大，當(dāng)加熱棒內(nèi)部溫度達(dá)到330℃時(shí)，加熱棒表面溫度約110℃。

因此，可將加熱棒內(nèi)部溫度330℃作為控制加熱棒工作的限定值。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

將改進(jìn)后的加熱棒安裝到潤(rùn)滑系統(tǒng)中，將潤(rùn)滑系統(tǒng)中相應(yīng)的管路加裝保溫棉，編制加熱方式控制軟件，設(shè)置供油溫度100℃作為目標(biāo)值，進(jìn)行潤(rùn)滑加熱試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)供油溫度以及加熱棒內(nèi)部溫度，數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

從以上數(shù)據(jù)曲線可知，在滿足供油溫度前提下，加熱棒內(nèi)部溫度值不超過(guò)330℃，能夠保證加熱棒表面與潤(rùn)滑油接觸區(qū)域溫度不超過(guò)碳化結(jié)焦溫度。

采用改進(jìn)后的潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及溫度控制方式，繼續(xù)進(jìn)行本文提到的軸承試驗(yàn)，直至試驗(yàn)結(jié)束后，不再出現(xiàn)滑油濾芯堵塞現(xiàn)象。試驗(yàn)后拆解加熱棒，加熱棒表面未出現(xiàn)黑色碳化物質(zhì)，表面附著黃色潤(rùn)滑油色，屬正?，F(xiàn)象。試驗(yàn)后加熱棒外觀如圖9所示。

5 結(jié)論

根據(jù)軸承試驗(yàn)過(guò)程中潤(rùn)滑油出現(xiàn)碳化結(jié)焦的現(xiàn)象，分析高溫潤(rùn)滑系統(tǒng)的原理及潤(rùn)滑油碳化結(jié)焦的原理，得出因加熱棒表面溫度過(guò)高造成潤(rùn)滑油碳化結(jié)焦的結(jié)論。提出了潤(rùn)滑系統(tǒng)改進(jìn)措施，包括加熱棒結(jié)構(gòu)，保溫措施以及控制方式等，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該改進(jìn)措施能夠解決潤(rùn)滑油碳化結(jié)焦的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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