導流式油氣潤滑噴嘴試驗研究

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)上增加了導流體，提出新型導流式噴嘴，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流式噴嘴的優(yōu)越性，另外研究了導流體結(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，導流式噴嘴由于導流體的作用，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。導流體為60根毛刷，根據(jù)軸承端面到球的實際間距，導流體長度分別為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 導流體長度

無論何種材料和直徑的導流體，長度對軸承溫升的影響都十分明顯。軸承溫升隨導流體長度增加呈線性下降的主要原因是導流體長度不同導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。導流體越長，噴射面積越小，射流越能集中到達入射區(qū)域；導流體過短，噴射面積變大，導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 不同導流體長度時的液滴分布Fig.8 Droplet distribution for different lengths of guiding fibers

2.2.2 導流體直徑

通過對比圖7中使用PA0.1 mm和PA0.07 mm導流體的軸承溫升可知，導流體直徑為0.07 mm的軸承溫升要高，也就是說，在導流體數(shù)量、材料和長度一定的情況下，導流體直徑為0.1 mm時軸承潤滑效果更優(yōu)。這是因為當數(shù)量一定的導流體過細時，導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的規(guī)避作用減弱。不同導流體直徑時的液滴分布如圖9所示。導流體直徑為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 不同導流體直徑時的液滴分布Fig.9 Droplet distribution for different diameters of guiding fibers

2.2.3 導流體材料

通過對比圖7中使用PA0.1 mm和Cu0.1 mm導流體的軸承溫升可知，導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，選擇銅作為導流體材料時，潤滑油在導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 導流體AF 涂層對軸承潤滑效果的影響

導流體材料均為PA，長度為5 mm，直徑為0.1 mm，其中一個導流體鍍有防指紋油（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。導流式噴嘴液滴分布如圖12所示。有AF涂層比無AF涂層導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涂層的導流體對潤滑油的黏附作用減弱，使液滴快速脫離導流體，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，導流體材料表面能并非越小越好。

圖12 導流式噴嘴液滴分布Fig.12 Droplet distribution of guide type nozzle

3 結(jié)論

1）導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）導流體結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承潤滑效果具有一定影響。導流體越長，軸承溫升越低；導流體直徑為0.1 mm時，軸承可達到更優(yōu)的潤滑效果；導流體材料為銅時，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流體對軸承潤滑效果的影響可知，導流體材料表面能并非越小越好。