超聲波對潤滑油黏度影響的試驗(yàn)研究*

(東南大學(xué)火電機(jī)組振動(dòng)國家工程研究中心 江蘇南京 210096)

滑動(dòng)軸承是汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等大型重載旋轉(zhuǎn)機(jī)械中承擔(dān)轉(zhuǎn)子動(dòng)、靜載荷的重要部件[1]，其楔形間隙的潤滑油起到承受轉(zhuǎn)子動(dòng)靜載荷、減小摩擦面間的摩擦、傳遞摩擦產(chǎn)生的熱量等作用。潤滑油的黏性是保證其機(jī)械性能的核心要素，滑動(dòng)軸承入口潤滑油黏度范圍變化較大時(shí)，會(huì)使油膜厚度和轉(zhuǎn)子偏心率產(chǎn)生變化，造成轉(zhuǎn)子不穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備的損壞。若能夠在一定程度上調(diào)節(jié)和控制潤滑油物性參數(shù)，將有利于改善軸承的動(dòng)靜力特性、摩擦功耗等宏觀特性，從而促進(jìn)軸承平穩(wěn)安全運(yùn)行。

超聲波降黏技術(shù)是近些年來快速發(fā)展起來的一種新技術(shù)[2]。隨著對超聲波降黏機(jī)制的深入研究，其不僅在石油化工領(lǐng)域的潛在作用越來越突出，而且在減少滑動(dòng)軸承摩擦副間的摩擦磨損方面也有一定作用。陳維山、喬玉林等[3-4]通過超聲微波減摩試驗(yàn)和超聲影響潤滑油摩擦學(xué)性能試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)具有優(yōu)異減摩抗磨效果。黃序韜和梁淑寰[5]的超聲防蠟降黏室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同溫度點(diǎn)下，超聲作用后原油黏度比作用前下降了30%左右。

本文作者搭建潤滑油超聲降黏試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)研究了潤滑油在超聲和水浴作用條件下的黏溫關(guān)系，探討超聲降黏的具體機(jī)制，分析熱作用、機(jī)械效應(yīng)和超聲空化對潤滑油樣黏溫關(guān)系的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 超聲降黏試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)設(shè)備包括：BROOKFIELD-DV1型黏度計(jì)，超聲波發(fā)生裝置(頻率42 kHz、超聲功率70 W)，熱電偶溫度計(jì)，數(shù)顯恒溫水浴，F(xiàn)LUKE熱成像儀，體視顯微鏡，秒表和燒杯等。

圖1 超聲波降低潤滑油黏度實(shí)驗(yàn)裝置圖

潤滑油超聲降黏的測試系統(tǒng)如圖1所示。黏度測試系統(tǒng)由油樣黏度在線測量系統(tǒng)、試樣溫度測量與控制及數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)組成。黏度計(jì)是測試系統(tǒng)的核心，型號為美國Brookfield公司的Brookfield-DV1型旋轉(zhuǎn)型黏度計(jì)，主要原理為，通過測量經(jīng)標(biāo)定好的轉(zhuǎn)子在被測油樣中以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)所受到的黏滯力矩，來計(jì)算液體的運(yùn)動(dòng)黏度。

1.2 試驗(yàn)油樣

試驗(yàn)油樣包括3種不同品質(zhì)的潤滑油，分別是內(nèi)燃機(jī)油10W-50(全合成機(jī)油)、內(nèi)燃機(jī)油10W-40(半合成機(jī)油)和汽輪機(jī)透平油L-TSA32(礦物質(zhì)油)。溫度測量范圍為20～60 ℃，包含了一般汽輪機(jī)組潤滑油的使用溫度(大型汽輪機(jī)組軸承入口油溫標(biāo)準(zhǔn)為35～45 ℃[6])。3種潤滑油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 潤滑油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.3 試驗(yàn)步驟

(1)開啟數(shù)顯恒溫水浴將溫度控制在25 ℃(環(huán)境溫度)；

(2)將裝有潤滑油樣燒杯置于水槽中心位置，燒杯內(nèi)的油樣液面保持與水槽水位平行；

(3)開啟超聲波發(fā)生裝置，通過槽底超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，經(jīng)過水的耦合作用，傳播至燒杯中的潤滑油樣中；

(4)超聲每作用5 min測量潤滑油黏度一次，并記錄熱電偶溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

超聲波與水浴作用下3種潤滑油油樣黏溫關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 超聲波與水浴作用下3種油樣黏溫關(guān)系曲線

可以看出：(1)在超聲作用和水浴作用下，3種油樣的黏度均隨著溫度的升高而降低，呈現(xiàn)反相關(guān)，符合液體分子的熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律，特別是在20～40 ℃時(shí)，潤滑油樣黏度急劇下降；(2)當(dāng)溫度超過40 ℃時(shí)，油樣黏度的降低幅度隨著溫度增加趨于緩慢，當(dāng)溫度達(dá)到55 ℃時(shí)，潤滑油黏度基本保持不變；(3)在相同的溫度點(diǎn)下，超聲波對潤滑油黏度的作用比水浴的作用要小，并且隨著溫度升高，2種作用下黏度差值先增大然后逐漸減?。?4)相比于水浴作用，超聲作用下潤滑油樣黏度降低幅度更大。

基于3種油樣在超聲和水浴作用下的溫黏關(guān)系，以降黏率為分析指標(biāo)，研究超聲波和水浴降黏效果。以10W-50油樣為例，研究降黏率隨超聲時(shí)間和水浴溫度的變化關(guān)系。降黏率η計(jì)算公式：

η=μ0-μμ0

(1)

式中：μ0為處理前油樣的黏度，mPa·s；μ為處理后油樣的黏度，mPa·s。

由圖3可見，10W-50潤滑油降黏率隨著超聲波作用時(shí)間而增加，當(dāng)超聲波作用時(shí)間在0～30 min時(shí)，油樣降黏率隨時(shí)間急劇增加到74.1%，隨后油樣降黏率隨著超聲波作用時(shí)間緩慢增加。當(dāng)作用時(shí)間達(dá)到60 min時(shí)，潤滑油降黏率基本穩(wěn)定在81%左右。

圖3 潤滑油10W-50降黏率隨超聲波作用時(shí)間變化關(guān)系

10W-50油樣降黏率隨超聲溫度、水浴溫度變化關(guān)系如圖4所示。超聲作用下潤滑油樣的降黏率大于水浴作用條件下潤滑油降黏率，降黏率差值隨著溫度的升高先增大后逐漸減小，降黏率差值最大值出現(xiàn)在溫度為30 ℃左右。

圖4 潤滑油10W-50降黏率隨超聲和水浴溫度變化關(guān)系

3 超聲波降黏機(jī)制分析

在相同的作用溫度條件下，超聲波作用比水浴作用潤滑油黏度降低幅度更大。因此，根據(jù)超聲波降黏機(jī)制研究來分析黏度降低的原因。

超聲波是指頻率高于20 kHz的聲波，超聲作用效應(yīng)歸納為機(jī)械效應(yīng)、熱學(xué)效應(yīng)和空化效應(yīng)3種，其中空化效應(yīng)是其聲化學(xué)反應(yīng)的主動(dòng)力[7]，它們對潤滑油樣的降黏起著特殊的作用。

3.1 熱作用

在上述超聲波發(fā)生裝置中，對超聲波的熱效應(yīng)做了驗(yàn)證研究。在絕熱良好的試驗(yàn)環(huán)境中，取500 mL潤滑油樣，置于頻率為42 kHz、超聲功率為70 W的超聲波發(fā)生裝置中，得到的潤滑油溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 超聲波熱作用曲線

圖5所示的超聲波作用下溫升曲線表明：超聲波的熱作用效果非常明顯，僅用時(shí)20 min就能將油樣溫度從19 ℃提高到40 ℃左右；再經(jīng)過20 min的超聲輻射作用后，潤滑油樣溫度達(dá)到了50 ℃左右；隨后，潤滑油樣溫度隨著超聲波作用時(shí)間緩慢增加。

3種潤滑油樣降黏率隨溫度變化關(guān)系如圖6所示，潤滑油樣降黏率隨溫度升高而增加。溫度低于30 ℃時(shí)，3種油樣降黏率在相同溫度點(diǎn)下變化比較小。當(dāng)溫度超過30 ℃時(shí)，在相同溫度點(diǎn)下，高黏度油樣(10W-50)的降黏率始終大于低黏度油樣(L-TSA32)降黏率，這表明超聲熱作用對高黏度油樣降黏效果比較好。

圖6 潤滑油樣降黏率隨溫度變化關(guān)系

超聲波熱作用的產(chǎn)生機(jī)制分為以下3種情形：(1)超聲波作用潤滑油樣時(shí)，潤滑油吸收超聲波聲能轉(zhuǎn)化成熱能；(2)在不同介質(zhì)的分界處存在振動(dòng)速度上的差異，導(dǎo)致邊界之間摩擦產(chǎn)生熱量，提高潤滑油樣溫度[8]；(3)空化作用在氣泡崩潰的瞬間，產(chǎn)生高壓高溫，使?jié)櫥蜆訙囟壬?，從而使?jié)櫥宛ざ冉档蚚9]。

3.2 空化作用

超聲空化現(xiàn)象[10]是指在一定頻率超聲波輻射作用下，液體中的微小氣泡核被激活；當(dāng)介質(zhì)內(nèi)部的聲壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，微小氣泡就會(huì)迅速膨脹并且很快收縮閉合，表現(xiàn)出氣泡核的振蕩、生長、收縮、崩潰等一系列動(dòng)力學(xué)過程。超聲空化打斷潤滑油樣分子鏈，使部分大分子斷裂成小分子，致使其黏度降低[11]。

利用體視顯微鏡觀察潤滑油超聲空化氣泡的發(fā)展變化，如圖7所示，可觀測至燒杯內(nèi)壁超聲空化形成氣泡到潰滅的現(xiàn)象。

圖7 超聲空化效應(yīng)

對于強(qiáng)度為I的聲波，它作用于媒質(zhì)的聲壓公式為

I=P2A2ρc

(2)

pa=PAsinωt

(3)

式中：ω為角頻率；pa為聲壓;PA為聲壓振幅；ρ和c分別為介質(zhì)的密度和聲速。

空化閾值用來衡量潤滑油發(fā)生超聲空化難易程度，其大小還與潤滑油樣的黏性有關(guān)。空化閾值是指超聲媒體介質(zhì)產(chǎn)生空化的最低聲強(qiáng)或聲壓幅值，空化閾值Pc與液體黏度的關(guān)系[12]為

Pc=0.8(logμ+5)

(4)

式中:μ為黏滯系數(shù)或黏度，Pa·s。

黏性大的油樣，其空化閾值也大，發(fā)生超聲空化越難。從表2可看出，溫度為30 ℃時(shí)內(nèi)燃機(jī)油10W-50黏度比較大，其空化閾值也較大，發(fā)生超聲空化困難。

表2 溫度為30 ℃時(shí)各潤滑油的空化閾值

3.3 機(jī)械作用

機(jī)械作用是指超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，可使得彈性粒子的振幅、速度及加速度顯著提高，使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生激烈的機(jī)械振動(dòng)。從微觀上來看，機(jī)械振動(dòng)作用可加速潤滑油樣中較小分子與惰性大分子鏈之間的相對運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)分子間的摩擦力，使其剪切變稀，從而起到降黏作用[13]。

圖8 電加熱作用(a)和超聲波機(jī)械作用(b)下潤滑油 溫度場紅外熱成像圖

從宏觀上來看，超聲波的機(jī)械振動(dòng)可以起到攪拌和均化的作用。采用FLUKE熱成像儀，觀察得到的電加熱作用和超聲波機(jī)械作用下，潤滑油溫度場熱成像圖如圖8所示。電加熱作用潤滑油樣，在局部地區(qū)產(chǎn)生了高溫，然后通過介質(zhì)將熱量傳遞到其他區(qū)域，因而溫度不均勻。而超聲高頻振動(dòng)，可在潤滑油樣中形成有效的機(jī)械攪動(dòng)，使得潤滑油油溫趨于一致。

4 結(jié)論

(1)在溫度點(diǎn)相同情況下，超聲作用下潤滑油油樣黏度降低幅度比水浴作用下更大。超聲波的降黏機(jī)制，除了超聲熱作用外，超聲空化和機(jī)械效應(yīng)對潤滑油樣降黏有一定促進(jìn)作用。

(2)潤滑油降黏率隨著超聲作用時(shí)間的增加先增大而后趨于穩(wěn)定，超聲作用時(shí)間在30 min左右，10W-50潤滑油降黏率就達(dá)74.1%。超聲作用相比于水浴加熱的降黏幅度更大。

(3)在超聲作用相同的溫度條件下，超聲波的熱作用對高黏度油的降黏效果好于低黏度油。

(4)超聲機(jī)械效應(yīng)可以起到攪拌和均化的作用，促進(jìn)潤滑油溫度的均勻化，避免傳統(tǒng)電加熱導(dǎo)致潤滑油局部溫度過高而使其變性。