微量潤(rùn)滑系統(tǒng)油霧調(diào)控及霧粒特性研究

梁賜樂 袁堯輝， 王成勇 李偉秋 楊簡(jiǎn)彰 吳華藝

1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州，5100062.科益展智能裝備有限公司，廣州，510530

0 引言

微量潤(rùn)滑(minimum quantity lubrication, MQL)技術(shù)因具有切削液用量少、利于增長(zhǎng)刀具壽命和提高加工質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于鋁合金、不銹鋼、鈦合金等典型金屬材料切削加工[1]。由于微量潤(rùn)滑切削是采用極少量潤(rùn)滑油(10～100 mL/h)來實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域的冷卻潤(rùn)滑，因此對(duì)霧化效果及油霧調(diào)控要求較高。

現(xiàn)有微量潤(rùn)滑按照霧化方式可分為外置式霧化和內(nèi)置式霧化兩種[2]。外置式霧化是將定量的潤(rùn)滑油輸送至噴嘴出口端，并利用壓縮空氣將其霧化形成微細(xì)油霧。內(nèi)置式霧化是在霧化室內(nèi)產(chǎn)生，霧化室內(nèi)部安裝有潤(rùn)滑油霧化器，用于將儲(chǔ)油室中的微量潤(rùn)滑油抽出并將其霧化形成微細(xì)油霧。按照油霧應(yīng)用形式，微量潤(rùn)滑又可分為外部傳輸和內(nèi)部傳輸兩種[2]。外部傳輸是通過外接噴嘴將油霧噴射至加工區(qū)域，而內(nèi)部傳輸是將油霧經(jīng)主軸和刀柄內(nèi)冷卻通道，將油霧傳輸至刀具內(nèi)冷孔中，實(shí)現(xiàn)切削刀具的微量潤(rùn)滑[3]。內(nèi)置式霧化設(shè)備主要通過調(diào)控霧化室內(nèi)部壓差和油霧壓力進(jìn)行油霧輸出調(diào)節(jié)，具有油霧供給連續(xù)性好、傳輸簡(jiǎn)單、無復(fù)雜運(yùn)動(dòng)部件、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于微量潤(rùn)滑內(nèi)部傳輸中[3-4]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞微量潤(rùn)滑霧化參數(shù)及霧化效果進(jìn)行了較多研究，但主要集中在外置式霧化設(shè)備和油霧外部傳輸應(yīng)用，對(duì)內(nèi)置式霧化設(shè)備和內(nèi)部傳輸應(yīng)用特點(diǎn)尚缺乏深入研究。劉曉麗等[5]分析了潤(rùn)滑油用量、供氣壓力、噴射靶距及潤(rùn)滑油理化性質(zhì)對(duì)霧化特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著噴油量的增加，霧粒體積分布峰值先增大后減小，噴射靶距對(duì)霧粒體積分布影響不大，黏度越大的油品霧化時(shí)霧粒直徑也較大。孔曉瑤等[6]利用激光衍射原理測(cè)量了微量潤(rùn)滑系統(tǒng)參數(shù)下的霧粒尺寸，并建立了霧粒直徑的預(yù)測(cè)模型，揭示了空氣流量、噴射距離、切削液用量等因素與霧粒尺寸的關(guān)聯(lián)關(guān)系。EMAMI 等[7]研究了載氣速度、液滴大小、液滴速度等霧化參數(shù)對(duì)霧粒特性的影響，并對(duì)噴嘴角度、潤(rùn)滑油流量及氣體流量等霧化參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明采用最優(yōu)的霧化參數(shù)能夠得到高效的潤(rùn)滑效果。部分學(xué)者針對(duì)微量潤(rùn)滑內(nèi)部傳輸應(yīng)用的霧粒特性進(jìn)行了初步研究。DUCHOSAL 等[8]通過不同結(jié)構(gòu)、幾何形狀的內(nèi)通道模型來模擬主軸內(nèi)通道，研究了內(nèi)部傳輸應(yīng)用的傳輸霧粒特性。CABANETTES 等[9]研究了不同黏度油品對(duì)噴油量及霧粒特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)霧化器產(chǎn)生的油霧在管路輸送過程中，受管道內(nèi)油霧碰撞凝結(jié)、破碎以及油膜形成等現(xiàn)象影響，霧粒粒徑分布會(huì)發(fā)生顯著變化。

此外，經(jīng)霧化器霧化作用產(chǎn)生的微量潤(rùn)滑油霧為黏性霧狀流，油霧顆粒在傳輸管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是一種有壁面存在的受限運(yùn)動(dòng)。由氣力輸送理論[10]可知，油霧顆粒在管路中傳輸是復(fù)雜的兩相流傳輸過程，其中連續(xù)的壓縮空氣為分散介質(zhì)，離散分布的油霧顆粒為離散相。油霧顆粒在傳輸管道中大多以懸浮方式向前傳輸，存在顆粒間碰撞以及顆粒與管壁間碰撞，并伴隨霧粒破碎、吸附以及沉聚等復(fù)雜現(xiàn)象[11]。已有研究表明，油霧在內(nèi)通道傳輸時(shí)，主要以懸浮霧粒的形式進(jìn)行傳輸。懸浮霧粒來自于霧化器霧化的原始霧粒和傳輸過程中發(fā)生反復(fù)碰撞或凝聚產(chǎn)生的霧粒，部分油霧還會(huì)在管道內(nèi)壁積聚流動(dòng)，并在油霧出口處形成飛濺霧粒[9]。

基于上述分析，采用內(nèi)置式霧化微量潤(rùn)滑裝置進(jìn)行切削加工時(shí)，微細(xì)油霧顆粒經(jīng)內(nèi)冷通道傳輸至加工區(qū)域，其油霧調(diào)控、霧粒特性與霧化參數(shù)、霧化器開啟數(shù)量以及傳輸管路等密切相關(guān)[12-13]。本文基于內(nèi)置式微量潤(rùn)滑霧化技術(shù)與內(nèi)部傳輸應(yīng)用特點(diǎn)，開展霧化參數(shù)及油霧傳輸方式對(duì)油霧調(diào)控及霧粒特性的影響規(guī)律研究，為微量潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用及技術(shù)優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 微量潤(rùn)滑裝置

圖1為微量潤(rùn)滑裝置實(shí)物圖及其霧化原理圖,該裝置為廣東工業(yè)大學(xué)與科益展智能裝備有限公司(匯?？萍技瘓F(tuán))合作開發(fā)的MIA101型微量潤(rùn)滑裝置[14-15]。如圖1b所示，該微量潤(rùn)滑裝置包含霧化室及其頂部安置的若干文丘里霧化器。壓縮空氣經(jīng)文丘里霧化器進(jìn)入霧化室時(shí)，同步產(chǎn)生一定負(fù)壓吸附效應(yīng)，將微量潤(rùn)滑油吸附至文丘里霧化器內(nèi)部并實(shí)現(xiàn)霧化。霧化器在霧化室工作時(shí)，吸油能力取決于霧化室壓差pd(pd=pi-po)，其中,pi為進(jìn)氣壓力，po為霧化室油霧壓力。壓差pd越大，吸油量越大，霧化室產(chǎn)生的油霧濃度越高。在此基礎(chǔ)上，增加霧化器的開啟數(shù)量Na可進(jìn)一步提高油霧濃度。此外，油霧傳輸流量也與內(nèi)冷孔出口截面積Ak大小相關(guān)。因此，可通過對(duì)霧化室壓差pd的控制以及配合合適大小的油霧出口截面積Ak來進(jìn)行油霧輸出流量調(diào)控及霧粒尺寸的控制。

(a)微量潤(rùn)滑裝置 (b)霧化原理圖1 微量潤(rùn)滑裝置實(shí)物及其霧化原理[14-15]Fig.1 MQL device and principle of MQL device[14-15]

1.2 微量潤(rùn)滑油霧調(diào)控試驗(yàn)

油霧調(diào)控試驗(yàn)方式如圖2所示，將管路出口水平定向，啟動(dòng)設(shè)備并接入氣源。若只打開霧化器而不加壓，壓力表讀數(shù)為進(jìn)氣壓力pi，負(fù)壓表讀數(shù)霧化室壓力po接近于0，此時(shí)霧化室壓差為最大壓差值pdmax；若打開霧化器并加壓，當(dāng)霧化室內(nèi)部壓力達(dá)飽和狀態(tài)時(shí)，霧化室壓力po接近于進(jìn)氣壓力pi，對(duì)應(yīng)的霧化室壓差為最小壓差值pdmin，利用pdmax、pdmin及其差值(壓差可調(diào)范圍)可獲得霧化室壓差調(diào)控規(guī)律。打開設(shè)備后先運(yùn)行2 min以獲得穩(wěn)定油霧再收集，采用毫克級(jí)精密天平秤稱量測(cè)試前后紙張和霧化室油量消耗，以獲得油霧流量。設(shè)備內(nèi)裝配有3個(gè)霧化器，參考在加工中微量潤(rùn)滑系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)，調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力pi在0.4～0.6 MPa范圍內(nèi)，使霧化室壓差pd在0.1～0.5 MPa范圍，試驗(yàn)中以2.72 mm2出油口截面積為對(duì)照組，用0.82 mm2、4.87 mm2兩種尺寸的出油口截面積進(jìn)行對(duì)比。出油口截面積的選擇主要參考市面現(xiàn)有帶油霧傳輸孔刀具的出口截面積[16]。

圖2 油霧調(diào)控試驗(yàn)方式Fig.2 Experimental study on oil mist control

1.3 微量潤(rùn)滑油霧傳輸試驗(yàn)

為了研究傳輸管路對(duì)霧粒特性的影響規(guī)律，采用馬爾文Spraytec激光噴霧粒度儀進(jìn)行油霧粒度測(cè)量。油霧傳輸采用不同內(nèi)徑(2,4,6 mm)的管路，管路為內(nèi)壁光滑的鋁管，分別在10 mm、50 mm、110 mm、180 mm、250 mm、320 mm、390 mm管路行程處進(jìn)行油霧霧粒測(cè)量，管路出口至激光區(qū)域的靶距為30 mm，試驗(yàn)方式如圖3所示。切削液采用金屬加工用潤(rùn)滑油VG-19，該油品黏度為35.5 mm2/s。對(duì)管路油霧出口的表征有助于反映油霧在內(nèi)通道傳輸?shù)淖兓?，表征指?biāo)包括油霧流量、霧粒尺寸及其尺寸分布。

圖3 油霧傳輸試驗(yàn)方式Fig.3 Experimental study on oil mist transport

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 霧化室壓差調(diào)控

2.1.1進(jìn)氣壓力及出口截面積影響

當(dāng)霧化器開啟數(shù)量Na=3時(shí)，三種出口截面積Ak條件下，不同進(jìn)氣壓力pi對(duì)壓差調(diào)控的影響如圖4所示。隨著進(jìn)氣壓力增大，壓差最大值pdmax增大。在較低氣壓到較高氣壓過程中，壓差可調(diào)范圍增幅較大，當(dāng)氣壓增大達(dá)到霧化室飽和氣量時(shí)，霧化室壓差可調(diào)范圍變化減緩或不變。

(a)Ak=0.82 mm2,Na=3

(b)Ak=2.72 mm2,Na=3

(c)Ak=4.87 mm2,Na=3圖4 進(jìn)氣壓力pi對(duì)霧化室壓差pd影響Fig.4 Effect of inlet pressure pi on differentialpressure pd

圖5 不同出口截面積Ak下霧化室壓差可調(diào)范圍對(duì)比Fig.5 Comparison of adjustable range of pd underdifferent outlet cross-sectional area Ak

從油霧調(diào)控角度看，霧化室壓差可調(diào)范圍越大，內(nèi)部油霧濃度的可調(diào)范圍越寬，出口截面積一定時(shí)，增大進(jìn)氣壓力有利于增大壓差可調(diào)范圍，得到更寬的油霧濃度調(diào)節(jié)范圍。由圖5可知，對(duì)比不同的出口截面積，在進(jìn)氣壓力一定情況下，出口截面積越大，能夠獲得更寬的油霧濃度調(diào)節(jié)范圍，但截面積在2.7～4 mm2范圍內(nèi)時(shí)霧化室壓差可調(diào)范圍相差不大，意味著截面積在此范圍內(nèi)能夠調(diào)節(jié)的油霧濃度相差不大。

從油霧流量調(diào)節(jié)考慮，進(jìn)氣壓力一定下，壓差值小意味著霧化室內(nèi)油霧壓力大，傳輸管路內(nèi)油霧流速相對(duì)較快，單位時(shí)間內(nèi)可傳輸?shù)挠挽F量增大。結(jié)合圖5進(jìn)氣壓力對(duì)霧化室壓差影響，對(duì)于不同出口截面積油霧量的調(diào)節(jié)，需要結(jié)合進(jìn)氣壓力與霧化室壓差配合調(diào)節(jié)來滿足特定工況下油霧傳輸?shù)囊蟆?/p>

2.1.2霧化器開啟數(shù)量影響

(a)pi=0.4 MPa,Ak=2.72 mm2

(b)pi=0.5 MPa,Ak=2.72 mm2

如圖6所示，霧化室最大壓差值pdmax在進(jìn)氣壓力一定時(shí)，隨著霧化器開啟數(shù)量Na增大而減小。霧化室最小壓差值pdmin在不同進(jìn)氣壓力下有明顯變化，而霧化器開啟數(shù)量對(duì)最小壓差值pdmin影響不大。由于霧化器開啟數(shù)量對(duì)最大壓差值影響程度大于最小壓差值，因此，壓差可調(diào)范圍會(huì)隨著霧化器開啟數(shù)量的增加而減小，且減小的幅度隨進(jìn)氣壓力的增大而增大。

(c)pi=0.6 MPa,Ak=2.72 mm2圖6 霧化器開啟數(shù)量對(duì)霧化室壓差影響Fig.6 Effect of atomizers open on differential pressure

從油霧濃度調(diào)控角度看，在較大進(jìn)氣壓力下，由于霧化室壓差可調(diào)范圍減小幅度大，故通過增加霧化器開啟數(shù)量來提高油霧濃度的方式會(huì)使得油霧濃度的可調(diào)范圍變窄；而在較低進(jìn)氣壓力下，霧化器開啟數(shù)量影響程度較小，能夠在不影響油霧濃度可調(diào)范圍的基礎(chǔ)下進(jìn)行油霧濃度的調(diào)節(jié)。

從油霧流量調(diào)節(jié)考慮，在較大氣壓下增加霧化器開啟數(shù)量，油霧流量可調(diào)節(jié)的最大值會(huì)相對(duì)減小。對(duì)于油霧流量傳輸范圍要求較大的工況，需要結(jié)合考慮進(jìn)氣壓力與霧化器開啟數(shù)量的影響來進(jìn)行油霧流量傳輸?shù)恼{(diào)控。

2.2 傳輸油霧量調(diào)控

2.2.1進(jìn)氣壓力影響

如圖7所示，在各進(jìn)氣壓力pi條件下，傳輸油霧量隨壓差增大而增大，當(dāng)壓差值接近進(jìn)氣壓力時(shí)，霧化室內(nèi)部油霧壓力較低，使得油霧傳輸流速較慢，單位時(shí)間內(nèi)可傳輸油霧量減少，傳輸油霧量增加趨勢(shì)減緩或出現(xiàn)下降。對(duì)于給定出口截面積，霧化室油霧濃度及進(jìn)氣壓力共同影響可傳輸油霧量。

圖7 進(jìn)氣壓力pi及壓差pd對(duì)油霧量傳輸影響Fig.7 Effect of inlet pressure and differential pressureon oil flow rate adjustment

在傳輸油霧量增加時(shí)，當(dāng)霧化室壓差一定時(shí)，增大進(jìn)氣壓力對(duì)油量傳輸油霧量影響不大;而在相同進(jìn)氣壓力下，隨著壓差增大，傳輸油霧量變化趨勢(shì)較為明顯，說明壓差對(duì)可傳輸油霧量的影響程度更大，油霧濃度在油霧傳輸上比油霧傳輸速度作用更明顯。從壓差調(diào)控規(guī)律看，進(jìn)氣壓力增大使得壓差可調(diào)范圍縮減，當(dāng)在較大進(jìn)氣壓力下或壓差接近進(jìn)氣壓力時(shí)，傳輸油霧量增長(zhǎng)速率出現(xiàn)減緩或下降的趨勢(shì)。

2.2.2霧化器開啟數(shù)量影響

如圖8a所示，在相同進(jìn)氣壓力下，霧化器開啟數(shù)量Na從1增至2時(shí)，傳輸油霧量增加明顯，且隨著進(jìn)氣壓力增大，傳輸油霧量增幅增大。當(dāng)Na為3時(shí)，較低進(jìn)氣壓下傳輸油霧量增加幅度不大，進(jìn)氣壓達(dá)到0.6 MPa時(shí)，傳輸油霧量變化明顯。試驗(yàn)中霧化室壓差保持在0.3 MPa，此時(shí)霧化室油霧濃度主要取決于Na。Na從1增至3時(shí)，油霧濃度大幅增加，可見傳輸油霧量增幅的變化主要來自油霧濃度的影響；在霧化器全開條件下，傳輸油霧量的差異更多取決于油霧傳輸速度。如圖8b所示，在給定霧化器開啟數(shù)量Na條件下，傳輸油霧量隨壓差增大而增加，當(dāng)壓差較大時(shí)傳輸油霧量增加幅度減緩。Na增加有利于油霧量傳輸，但從壓差調(diào)控規(guī)律看，開啟數(shù)量增加使得壓差可調(diào)范圍縮減，油霧濃度調(diào)控范圍變窄。對(duì)于Na較少的情況，霧化室油霧濃度通過壓差調(diào)節(jié)更加有利，在Na較多時(shí)，油霧濃度可調(diào)范圍減小，傳輸油霧量更多來自進(jìn)氣壓力的影響。

(a)不同進(jìn)氣壓力情況(pd=0.3 MPa,Ab=2.72 mm2,油品為VG-19)

(b)不同霧化室壓差情況(pi=0.6 MPa,Ak=2.72 mm2,油品為VG-19)圖8 霧化器開啟數(shù)量Na對(duì)油霧量傳輸影響Fig.8 Effect of atomizers open Na on oil flowrate adjustment

2.2.3出口截面積影響

如圖9所示，在給定進(jìn)氣壓力及壓差條件下，傳輸油霧量隨出口截面積Ak增大而增加，當(dāng)Ak相同時(shí)，霧化室壓差對(duì)傳輸油霧量的影響程度更大。從圖9中可看出，相同進(jìn)氣壓下，對(duì)于給定Ak，壓差越大，傳輸油霧量越多。然而在較大壓差下，當(dāng)傳輸油霧量已達(dá)到該出口截面積所允許通過的最大油霧量時(shí)，會(huì)出現(xiàn)傳輸油霧量不變或下降的情況。從壓差調(diào)控規(guī)律看，Ak越小對(duì)應(yīng)的壓差可調(diào)范圍越小，在油量調(diào)節(jié)方面，Ak達(dá)到4.87 mm2比Ak在0.82 mm2條件下能獲得更寬的油量調(diào)節(jié)范圍。結(jié)合圖7結(jié)果，可認(rèn)為對(duì)于不同出口截面積，壓差對(duì)傳輸油霧量影響要明顯大于進(jìn)氣壓力的影響。在實(shí)際加工應(yīng)用中，相同傳輸油霧量情況下，增大進(jìn)氣壓力能夠增強(qiáng)油霧的傳輸強(qiáng)度，但會(huì)使傳輸油霧量可調(diào)范圍變窄。在需要更寬油霧量調(diào)節(jié)范圍的工況下，采用較大的出口截面積Ak，在合適的進(jìn)氣壓力下，通過壓差調(diào)節(jié)能夠滿足特定工況下的不同油霧量的需求。

(a)不同進(jìn)氣壓力情況(pd=0.3 MPa,Na=1,油品為VG-19)

(b)不同霧化室壓差情況(pi=0.6 MPa,Na=1,油品為VG-19)圖9 出口截面積對(duì)油霧量傳輸影響Fig.9 Effect of outlet cross-sectional area on oil flowrate adjustment

2.3 油霧出口霧粒特性

油霧在傳輸過程中會(huì)受到各種因素的影響，造成油霧霧粒隨著傳輸行程逐漸變化。主要原因有油霧傳輸壓力損失，油霧與管壁發(fā)生碰撞，油霧霧粒之間相互碰撞[17]。為了了解油霧在管道內(nèi)可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，在各行程管路出口進(jìn)行了霧粒測(cè)量，并對(duì)管路流動(dòng)情況進(jìn)行了記錄。

霧粒尺寸與管路行程變化的關(guān)系如圖10所示，其中霧粒尺寸用索特平均直徑(SMD)表示。油霧從微量潤(rùn)滑裝置出口到達(dá)傳輸管路10 mm距離處?kù)F粒SMD較大，隨著油霧傳輸距離增大，油霧霧粒SMD呈現(xiàn)先減小后稍有增大的趨勢(shì)。對(duì)比不同內(nèi)徑的管路，油霧在進(jìn)入內(nèi)徑為2 mm的傳輸管路后，霧粒SMD遠(yuǎn)小于內(nèi)徑為4 mm與6 mm的傳輸管路，且霧粒尺寸變化幅度明顯。油霧在4 mm與6 mm傳輸管路下進(jìn)行傳輸，兩者霧粒平均直徑相差不大，變化幅度相對(duì)較小。圖11所示為pi=0.6 MPa、pd=0.4 MPa時(shí)，不同內(nèi)徑管路的霧粒尺寸分布隨管路行程L的變化。不同管路行程下霧粒尺寸分布主要表現(xiàn)為單峰分布特征，隨著管路行程的增加，分布曲線的波峰逐漸向左偏移，分布曲線峰寬也趨于變窄，說明隨著管路行程增加，峰值直徑逐漸減小，大直徑霧粒出現(xiàn)的頻度隨之下降。對(duì)比不同內(nèi)徑管路霧粒尺寸分布的變化情況，2 mm內(nèi)徑管路的霧粒尺寸分布變化幅度較4 mm與6 mm內(nèi)徑管路的分布變化明顯，與圖10結(jié)果相符。

圖10 管路行程對(duì)霧粒平均直徑影響Fig.10 Effect of pipe stroke on average diameter of oilmist particles

(a)2 mm內(nèi)徑管路情況下

(b)4 mm內(nèi)徑管路情況下

(c)6 mm內(nèi)徑管路情況下圖11 霧粒尺寸分布隨管路行程的變化Fig.11 The size distribution of oil mist particles varies with the stroke of pipeline

對(duì)于油霧內(nèi)部傳輸應(yīng)用，霧化室內(nèi)油霧的氣動(dòng)壓力為油霧運(yùn)動(dòng)提供了能量，在管路傳輸過程中，油霧霧粒在管道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)勢(shì)必會(huì)消耗能量而造成壓降。在工程應(yīng)用中較為宏觀的壓力損失來自于傳輸管路尺寸及傳輸行程的影響，隨著管路行程的增加，油霧霧粒需克服沿程阻力、管壁的摩擦力等，使得油霧壓力下降，大霧粒受力減小逐漸沉積在管壁。

在傳輸過程中，由于油霧霧粒密度較大，且受氣液兩相流湍流脈動(dòng)、傳輸管內(nèi)不穩(wěn)定流場(chǎng)、霧粒本身能量波動(dòng)的影響，故霧粒間速度大小和方向會(huì)存在較大差異，導(dǎo)致霧粒碰撞發(fā)生。相比4 mm與6 mm內(nèi)徑管路，在內(nèi)徑為2 mm管路中傳輸時(shí)，狹窄的管路空間會(huì)使霧粒碰撞幾率增加[18]。在狹窄空間內(nèi)，懸浮霧粒因碰撞聚合成大霧粒，霧粒在傳輸中隨行程增加而積聚，直至霧粒重力大于氣動(dòng)壓力時(shí)會(huì)沉聚在管壁，大小霧粒得以分離，油霧出口處大霧粒體積占比稍有減少，故霧粒尺寸分布呈現(xiàn)出單峰逐漸左移的特征。然而，試驗(yàn)結(jié)果未顯示其他尺寸有明顯占比，意味著在傳輸過程中懸浮霧粒聚合成大霧粒是主要現(xiàn)象。當(dāng)霧粒與管壁間發(fā)生碰撞的情況時(shí)，根據(jù)下式計(jì)算霧粒碰撞管壁后回彈所需的臨界動(dòng)能Ekc[17,19]：

(1)

式中，KH為比例常數(shù)；xε為油霧霧粒與壁面的接觸距離，對(duì)于光滑表面，其值為4×10-10m；e為碰撞霧?；貜椣禂?shù)。

可知油霧霧粒在2～6 mm傳輸管路內(nèi)與壁面的接觸距離較小，臨界動(dòng)能需足夠大才能碰撞回彈。由于傳輸油霧為黏性霧狀流，故靠近管壁處的油霧霧粒極易與管壁產(chǎn)生黏附現(xiàn)象，對(duì)于微米級(jí)油霧霧粒，其與管壁間黏附力遠(yuǎn)大于其他作用力，小霧粒一旦吸附便不斷累積，當(dāng)累積的油滴重力大于管壁間黏附力時(shí)會(huì)沿著管壁流向管路底部形成油膜流動(dòng)(圖12)。霧粒間聚合以及霧粒與管壁間黏附都有利于大小霧粒的分散，隨著管路行程增加，在接近400 mm處的霧粒平均直徑比進(jìn)入管路10 mm處的霧粒平均直徑相對(duì)較小，并且在內(nèi)徑較小的傳輸管路下霧粒尺寸分布變化較大。然而，霧粒與管壁間的黏附作用減小了油霧流量。在pd=0.4 MPa、Ak=2.72 mm2條件下，不同管徑對(duì)油流量大小及流量增加幅度的影響如圖13所示，2 mm管路下霧粒間聚合及與管壁黏附作用程度大于其他兩個(gè)尺寸，使得油流量具有最小值，并且油流量在不同進(jìn)氣壓力下變化不顯著。這意味著霧粒與管壁的黏附作用是傳輸過程中阻礙油霧輸送，影響傳輸效果以及霧粒尺寸變化的重要因素。

圖12 傳輸管路內(nèi)油膜流動(dòng)示意圖Fig.12 Oil film flow in transmission line

圖13 不同管徑對(duì)油霧流量影響Fig.13 Influence of different pipe diameters on oilmist flow

在實(shí)際加工中，采用內(nèi)徑較小的管路來連接油霧發(fā)生裝置，會(huì)引起傳輸油霧霧粒尺寸及其尺寸分布的變化，一定程度上影響油霧出口的霧粒特性。然而，由于存在油霧霧粒與壁面間的黏附作用，油霧滯留在管壁形成油膜流動(dòng)，阻礙了油霧輸送，傳輸效果減弱，使得能夠用于加工的油量減少，冷卻潤(rùn)滑效果得不到充分發(fā)揮。在微量潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用中，不僅需要考慮油霧霧粒足夠細(xì)化以達(dá)到霧粒在加工區(qū)域有效滲透的要求，還應(yīng)結(jié)合油流量傳輸情況來滿足特定工況下加工要求。

3 結(jié)論

本文基于內(nèi)置式微量潤(rùn)滑霧化技術(shù)以及油霧內(nèi)部傳輸應(yīng)用特點(diǎn)，進(jìn)行了霧化參數(shù)及油霧傳輸方式對(duì)油霧調(diào)控和霧粒特性的影響規(guī)律研究，得到結(jié)論如下：

(1)增大進(jìn)氣壓力有利于增大壓差可調(diào)范圍，獲得更寬的油霧濃度調(diào)節(jié)范圍，在傳輸油霧量調(diào)節(jié)方面，霧化室壓差相比進(jìn)氣壓力更有利于傳輸油霧量調(diào)節(jié)。

(2)在較低進(jìn)氣壓下，增加霧化器開啟數(shù)量有利于油霧濃度的調(diào)節(jié)，需在合適壓差下利用霧化器開啟數(shù)量來進(jìn)行傳輸油霧量的調(diào)節(jié)。

(3)針對(duì)不同出口截面積，增大進(jìn)氣壓有利于小出口截面積傳輸油霧量的增加；對(duì)于大出口截面積，可以在合適進(jìn)氣壓下通過調(diào)節(jié)壓差來得到更寬的傳輸油霧量范圍。

(4)管路尺寸與傳輸行程是影響油霧霧粒特性的重要因素。霧粒平均直徑隨管路行程增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；內(nèi)徑較小的管路中霧粒聚合作用以及霧粒與管壁間黏附作用明顯，霧粒尺寸分布變化顯著。