一種新型導(dǎo)流式油氣潤(rùn)滑噴嘴

劉牧原 郭 峰 焦一航 彭淑玲 王 希

1.青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青島，266520 2.煙臺(tái)華順機(jī)械工程設(shè)備有限公司，煙臺(tái)，264670

0 引言

軸承潤(rùn)滑方式是影響軸承極限轉(zhuǎn)速及穩(wěn)定性的重要因素，隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)軸承轉(zhuǎn)速的要求不斷提高，傳統(tǒng)的潤(rùn)滑方式已難以滿足工業(yè)需求。油氣潤(rùn)滑作為一種先進(jìn)的微量潤(rùn)滑方式，具有提高軸承轉(zhuǎn)速、清潔軸承、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［1］。油氣潤(rùn)滑技術(shù)利用壓縮空氣，將定量的潤(rùn)滑油源源不斷地運(yùn)輸?shù)綕?rùn)滑點(diǎn)，并使?jié)櫥鸵晕⒁旱蔚男问竭M(jìn)入軸承，在滾動(dòng)體和內(nèi)外滾道間形成彈性流體動(dòng)壓油膜，同時(shí)，壓縮空氣可以冷卻、密封軸承。目前，油氣潤(rùn)滑廣泛用于高速電主軸以及冶金等行業(yè)［2-3］。

許多研究人員對(duì)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但研究多集中于對(duì)供油量、供氣壓力、供油間隔、潤(rùn)滑劑黏度等油氣潤(rùn)滑參數(shù)的選擇［4-7］，硬件方面也多集中于油氣混合器、油氣分配器的研究，關(guān)于油氣潤(rùn)滑專用噴嘴的相關(guān)研究及產(chǎn)品較少。

目前常用的油氣潤(rùn)滑噴嘴多為針型噴嘴，針型噴嘴的多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)均會(huì)對(duì)潤(rùn)滑效果造成影響。LACEY等［8］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的噴嘴供油角度會(huì)對(duì)軸承潤(rùn)滑效果產(chǎn)生影響。JIANG等［9］研究發(fā)現(xiàn)不同的噴嘴位置會(huì)影響軸承潤(rùn)滑效果。張友平［10］研究了噴嘴長(zhǎng)徑比、直徑等參數(shù)對(duì)液滴大小的影響，增大噴嘴的長(zhǎng)徑比、減小噴嘴直徑可減小油滴，但這種尺寸改進(jìn)是有限的，油滴大小主要由氣流速度決定。在新型噴嘴的設(shè)計(jì)方面，AKAMATSU等［11］設(shè)計(jì)了一種新型噴嘴，該噴嘴將潤(rùn)滑油噴向軸承內(nèi)圈，再通過(guò)內(nèi)圈的傾角設(shè)計(jì)，利用離心力將潤(rùn)滑油輸送到軸承接觸區(qū)，提高了潤(rùn)滑油的利用率，降低了噪聲及耗氣量，但該設(shè)計(jì)需要特殊的軸承設(shè)計(jì)，目前無(wú)法取代針形噴嘴。

噴嘴作為連接油氣發(fā)生器與潤(rùn)滑點(diǎn)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，其射流特性對(duì)軸承潤(rùn)滑效果有著直接影響。傳統(tǒng)針型噴嘴的射流形態(tài)為環(huán)狀流，射流中心為壓縮空氣，四周為撕裂的潤(rùn)滑油膜或油滴。該射流形態(tài)具有以下缺陷：射流中心的壓縮空氣利用率低，無(wú)法起到輸送潤(rùn)滑油的作用；中心壓縮空氣還會(huì)導(dǎo)致射流面積的擴(kuò)大，降低噴嘴供油效率；射流油滴大小主要由氣流速度決定，提高氣流速度可以增強(qiáng)油滴的細(xì)化效果，但過(guò)高的氣體流速不僅增加油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的能耗，還會(huì)影響軸承內(nèi)潤(rùn)滑油分布的均勻性。目前用于油氣潤(rùn)滑的針型噴嘴尚無(wú)統(tǒng)一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此不同的噴嘴設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致供油量、供氣壓力等潤(rùn)滑參數(shù)通用性較差。

為在保證噴嘴通用性的同時(shí)彌補(bǔ)針型噴嘴的供油缺陷，本文提出了一種新型導(dǎo)流式油氣潤(rùn)滑噴嘴設(shè)計(jì)方案，將細(xì)纖維絲作為導(dǎo)流體引導(dǎo)潤(rùn)滑油滴的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油滴的均勻細(xì)化，并將針形噴嘴的環(huán)狀射流改造為錐形射流以提高潤(rùn)滑油及壓縮空氣的利用率。

1 導(dǎo)流式油氣潤(rùn)滑噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的導(dǎo)流式油氣潤(rùn)滑噴嘴，是在傳統(tǒng)針型噴嘴內(nèi)部安裝導(dǎo)流體纖維絲，將原來(lái)黏附在管壁上的環(huán)狀潤(rùn)滑油流吸附到導(dǎo)流體纖維上，使?jié)櫥屯ㄟ^(guò)導(dǎo)流體纖維絲離開(kāi)噴嘴，消除針型噴嘴潤(rùn)滑油射流中央的空氣核，減小噴油面積，提高壓縮空氣的利用效率，同時(shí)，因?yàn)橛偷窝乩w維絲末端離開(kāi)噴嘴，因此纖維絲可以均勻細(xì)化油滴。

圖1 導(dǎo)流式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a guide-type nozzle

導(dǎo)流式油氣潤(rùn)滑噴嘴的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要分為三個(gè)部分：噴嘴本體、導(dǎo)流體、固定器。導(dǎo)流體為間隔均勻的細(xì)纖維絲，固定器將導(dǎo)流纖維絲固定于噴嘴本體內(nèi)部。纖維絲間隙的毛細(xì)力將噴嘴本體內(nèi)部孔壁上的潤(rùn)滑油吸附到導(dǎo)流體，在導(dǎo)流纖維間高速流動(dòng)空氣的驅(qū)動(dòng)下離開(kāi)導(dǎo)流纖維，噴入軸承。

圖2為油氣潤(rùn)滑供油參數(shù)相同的兩種噴嘴的射流形態(tài)圖。由圖2可以看出，在針型噴嘴射流過(guò)程中，潤(rùn)滑油環(huán)形流沿針型噴嘴孔壁噴出，出口處中心區(qū)存在明顯的高壓空氣核，針型噴嘴射流橫截面積較大；在導(dǎo)流式噴嘴中，潤(rùn)滑油沿導(dǎo)流體纖維離開(kāi)噴嘴，導(dǎo)流式噴嘴射流橫截面積小，油滴分布較規(guī)則。通過(guò)兩種噴嘴射流形態(tài)圖的對(duì)比可知，導(dǎo)流式噴嘴可有效改善針型噴嘴的環(huán)狀射流，消除中央空氣核，減小噴油面積。

圖2 噴嘴射流形態(tài)圖Fig.2 Picture of jet flow of different types of nozzles

2 氣相參數(shù)檢測(cè)

氣體作為運(yùn)輸潤(rùn)滑油的載體，可以起到冷卻軸承、沖破軸承氣障的作用，但氣體的消耗量過(guò)大，也會(huì)使油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)產(chǎn)生較高的維護(hù)成本。噴嘴的結(jié)構(gòu)及尺寸是決定氣體流速、流量的關(guān)鍵因素，因此，檢測(cè)噴嘴壓縮空氣的出口流速及出口流量，是衡量噴嘴性能的重要因素。本節(jié)分別對(duì)兩種噴嘴的入口處壓力及流量進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)對(duì)噴嘴出口速度進(jìn)行仿真模擬計(jì)算。

2.1 噴嘴入口壓力和流量

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)剛啟動(dòng)（潤(rùn)滑油還未輸送，噴嘴只有氣相射流）時(shí)，檢測(cè)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的噴嘴入口端氣相參數(shù)，在相同供氣壓力條件（調(diào)壓閥控制）下，對(duì)比導(dǎo)流式噴嘴與針型噴嘴的氣相參數(shù)。表1所示為測(cè)量結(jié)果。

表1 噴嘴氣相參數(shù)表Tab.1 Air flow parameters

由表1的測(cè)量結(jié)果可知，在相同供氣壓力下，導(dǎo)流式噴嘴在噴嘴入口處的壓力高于針型噴嘴，而耗氣量低于針型噴嘴約28%左右。這是由于導(dǎo)流式噴嘴內(nèi)部的導(dǎo)流體占據(jù)了噴嘴出口處的部分空間，相當(dāng)于縮小了噴嘴的出口直徑，增加了噴嘴入口處的壓力，減小了空氣流量。

2.2 噴嘴出口流速仿真模擬計(jì)算

2.2.1 噴嘴模型

本文對(duì)兩種噴嘴進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)分析。圖3所示為針型噴嘴的計(jì)算模型，噴嘴入口直徑4 mm，噴嘴出口直徑2 mm，噴嘴總長(zhǎng)度68 mm，噴嘴收縮角120°。

圖3 針型噴嘴流場(chǎng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of needle-type nozzle flow field

導(dǎo)流式噴嘴的流場(chǎng)模型與針型噴嘴相同，只是在噴嘴模型中加入了導(dǎo)流體，導(dǎo)流式噴嘴的模型如圖4所示。

圖4 導(dǎo)流式噴嘴模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of guide-type nozzle model

2.2.2 FLUENT計(jì)算初始條件

本文采用FLUENT進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)仿真，F(xiàn)LUENT參數(shù)設(shè)置如下：

（1）噴嘴進(jìn)口采用速度入口，噴嘴出口采用壓力出口，為了能夠獲得清晰的油氣兩相交界面，采用VOF模型，外流場(chǎng)四周均設(shè)置為壓力出口。

（2）湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型。

（3）壓力速度耦合使用二階精度Simple算法。

（4）利用表1中的流量參數(shù)，管內(nèi)直徑4 mm，根據(jù)QV=vA（QV為氣體流量；v為氣體入口速度；A管內(nèi)橫截面積）計(jì)算出針型噴嘴的入口速度為30.96 m/s，導(dǎo)流式噴嘴的入口速度為22.116 m/s。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果

圖5為針型噴嘴和導(dǎo)流式噴嘴在t=2 ms時(shí)的速度云圖，圖6為該時(shí)刻兩種噴嘴沿中心線的速度曲線。由圖6可以看出，導(dǎo)流式噴嘴流量小于針型噴嘴，入口速度低于針型噴嘴，但在噴嘴出口處，針型噴嘴的出口速度約為130 m/s，導(dǎo)流式噴嘴的出口速度約為220 m/s。所以導(dǎo)流式噴嘴相對(duì)于針型噴嘴，在相同供氣壓力下，出口氣流速度更快，穿透軸承氣障的能力更強(qiáng)。

圖5 t=2m s速度云圖Fig.5 Velocity contour plots，t=2m s

圖6 t=2 ms速度曲線圖Fig.6 Velocity profiles，t=2 ms

3 油滴顯微觀測(cè)

兩種噴嘴對(duì)液滴的細(xì)化原理不同，為對(duì)比兩種噴嘴噴射出的油滴尺寸及分布，本文使用噴嘴向玻璃盤(pán)噴油，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察油滴大小及分布。噴嘴固定于玻璃盤(pán)上方，向玻璃盤(pán)噴油。在噴嘴噴油的同時(shí)，玻璃盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周，通過(guò)光學(xué)顯微系統(tǒng)記錄油滴分布圖像。試驗(yàn)條件：噴嘴與玻璃盤(pán)距離為32 mm，玻璃盤(pán)轉(zhuǎn)速為70r/min，油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)供油量為8 mL/h，供氣壓力0.25 MPa，顯微鏡拍攝6張空間（時(shí)間）間隔均勻圖像，見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 針型噴嘴噴油分布圖Fig.7 Microscopic image of needle-type nozzle oil injection

圖8 導(dǎo)流式噴嘴噴油分布圖Fig.8 Microscopic image of guide-type nozzle oil injection

對(duì)比針型噴嘴與導(dǎo)流式噴嘴的顯微觀測(cè)圖像可知，相比于針型噴嘴，導(dǎo)流式噴嘴的油滴直徑更小，細(xì)化程度高，均勻性更好；每組試驗(yàn)采集的6張圖像中，針型噴嘴的噴油波動(dòng)性大，有的位置有大量的潤(rùn)滑油，有的位置潤(rùn)滑油極少，噴油過(guò)程中出現(xiàn)斷油現(xiàn)象；導(dǎo)流式噴嘴的6張圖像中，供油分布較均勻，無(wú)斷油現(xiàn)象。因此，導(dǎo)流式噴嘴相對(duì)于針型噴嘴，油滴細(xì)化程度高，液滴直徑均勻，供油波動(dòng)性小。另外，當(dāng)附著于運(yùn)動(dòng)表面的液滴較小時(shí)，液滴表面力占主導(dǎo)地位，液滴受慣性力影響較小，使液滴更易于黏附在運(yùn)動(dòng)表面。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 高速滾動(dòng)軸承油氣潤(rùn)滑性能試驗(yàn)系統(tǒng)

圖9為高速滾動(dòng)軸承油氣潤(rùn)滑性能試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該試驗(yàn)臺(tái)的主軸驅(qū)動(dòng)單元為動(dòng)壓潤(rùn)滑高速電主軸，轉(zhuǎn)速范圍為0～20 000 r/min。測(cè)試軸承對(duì)稱布置于電主軸兩側(cè)，使用滾珠絲杠壓縮彈簧實(shí)現(xiàn)測(cè)試軸承的軸向加載，通過(guò)加載端蓋上的噴嘴向軸承內(nèi)圈與保持架間隙內(nèi)噴油，實(shí)現(xiàn)軸承的油氣潤(rùn)滑，并通過(guò)溫度傳感器獲取軸承的溫升信號(hào)。油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)油泵為定量泵，單次供油量為0.1 mL，通過(guò)調(diào)整油泵的供油間隔實(shí)現(xiàn)軸承供油量的調(diào)整［12］。

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Ilustration of test bench

試驗(yàn)條件及方法：試驗(yàn)軸承為6307，潤(rùn)滑油為長(zhǎng)城46號(hào)機(jī)械油，研究不同供油量條件下導(dǎo)流式油氣潤(rùn)滑噴嘴和針型噴嘴油對(duì)軸承溫升的影響。軸承溫升是指軸承運(yùn)轉(zhuǎn)30 min、溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫升，試驗(yàn)時(shí)保持環(huán)境溫度為20℃。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)對(duì)象及條件：試驗(yàn)軸承6307；軸承轉(zhuǎn)速9 000 r/min；軸向載荷為100 N；潤(rùn)滑點(diǎn)1個(gè)；供氣壓力0.25 MPa。

圖10為軸承供油量與軸承溫升的關(guān)系圖，可以看出，當(dāng)供油量從8 mL/h降到3 mL/h時(shí)，使用針型噴嘴供油的軸承溫度先降低、后升高，軸承的潤(rùn)滑存在一個(gè)最佳供油量，大于這個(gè)供油量，過(guò)量的潤(rùn)滑油會(huì)產(chǎn)生攪油溫升，導(dǎo)致溫度升高；小于這個(gè)供油量，軸承產(chǎn)生乏油磨損，也會(huì)導(dǎo)致軸承溫度升高。本次試驗(yàn)使用針型噴嘴的軸承最佳供油量為6 mL/h左右。

圖10 供油量與溫升關(guān)系圖Fig.10 Effect of oil quantity on bearing temperature rise

隨著供油量的降低，使用導(dǎo)流式噴嘴的軸承溫度也是先降低、后升高，在相同供油量條件下（以6 mL/h為例），導(dǎo)流式噴嘴的溫升高于針型噴嘴，這是由于導(dǎo)流式噴嘴供油效率更高，實(shí)際進(jìn)入軸承的潤(rùn)滑油量大，導(dǎo)致攪油溫升高于針型噴嘴。同樣，由于供油效率高，導(dǎo)流式噴嘴的最佳供油量為3.5 mL/h左右，低于針型噴嘴的6 mL/h，導(dǎo)流式噴嘴相對(duì)于針型噴嘴可降低最佳供油量40%左右。并且由于導(dǎo)流式噴嘴提高了供油的穩(wěn)定性，減小了軸承內(nèi)潤(rùn)滑油量的波動(dòng)。

5 結(jié)論

（1）導(dǎo)流式噴嘴中，壓縮空氣將潤(rùn)滑油從導(dǎo)流體末端吹離噴嘴，由于導(dǎo)流體為間隔均勻的纖維細(xì)絲，可起到細(xì)化油滴的作用，使油滴直徑更小、油滴大小分布更加均勻，供油波動(dòng)性更小。

（2）導(dǎo)流式噴嘴減小了噴嘴的噴油面積，提高了供油效率，降低了軸承油耗。

（3）導(dǎo)流式噴嘴空氣利用率高、耗氣量小、能耗低，同時(shí)噴嘴出口流速高，受軸承氣障影響小。

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