導(dǎo)流式油氣潤(rùn)滑噴嘴試驗(yàn)研究

李志恒，栗心明，郭峰，劉牧原

（青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266000）

對(duì)滾動(dòng)軸承進(jìn)行高效合理的潤(rùn)滑是保證機(jī)械設(shè)備節(jié)能與長(zhǎng)期正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本措施。采用傳統(tǒng)的人工潤(rùn)滑方式對(duì)需多點(diǎn)分布的軸承潤(rùn)滑時(shí)存在時(shí)盈時(shí)虧、費(fèi)時(shí)費(fèi)力和潤(rùn)滑效果差等諸多弊端。作為集中潤(rùn)滑技術(shù)［1］的一種，油氣潤(rùn)滑在一定程度上克服了以上不足，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)能定時(shí)、定點(diǎn)、定量潤(rùn)滑，大幅減小運(yùn)動(dòng)件的磨耗，同時(shí)減少潤(rùn)滑油使用量，因此逐步取代傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式而得到廣泛應(yīng)用。

與傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式相比，油氣潤(rùn)滑確實(shí)減小了供油波動(dòng)性，但其間斷性供油的本質(zhì)使波動(dòng)性仍存在，并且限制其潛在優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中大多通過使用合理規(guī)范的潤(rùn)滑參數(shù)來弱化波動(dòng)，提高潤(rùn)滑效果。潤(rùn)滑效果不僅與供油參數(shù)相關(guān)，還受潤(rùn)滑方式影響，而噴嘴作為潤(rùn)滑方式的關(guān)鍵一環(huán)，其對(duì)潤(rùn)滑效果的影響顯得十分重要。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于潤(rùn)滑噴嘴的研究集中在傳統(tǒng)孔式噴嘴上。文獻(xiàn)［2］通過數(shù)值計(jì)算方法對(duì)二維對(duì)稱噴嘴內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)噴嘴角度的改變對(duì)過渡流的作用，減小噴嘴角度可更快啟動(dòng)。文獻(xiàn)［3］基于機(jī)床高速電主軸油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，比較了0°和20°傾角的噴嘴對(duì)軸承溫升的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴有一定傾角時(shí)軸承潤(rùn)滑效果更好。文獻(xiàn)［4］通過對(duì)油氣兩相射流的試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了一種滿足拉橋機(jī)傳動(dòng)裝置的油氣潤(rùn)滑噴嘴，通過對(duì)比得出鏈傳動(dòng)中扇形噴嘴的潤(rùn)滑效果更好。文獻(xiàn)［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(duì)射流流動(dòng)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(rùn)滑油附壁作用引起的供油波動(dòng)性。文獻(xiàn)［6］在孔式噴嘴的基礎(chǔ)上增加了導(dǎo)流體，提出新型導(dǎo)流式噴嘴，并認(rèn)為其在克服供油波動(dòng)上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但并未提供可靠的數(shù)據(jù)支持以及進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究。針對(duì)以上問題，通過射流形態(tài)拍攝、液滴分布和尺寸測(cè)量及油氣潤(rùn)滑供油量臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了導(dǎo)流式噴嘴的優(yōu)越性，另外研究了導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)參數(shù)以及AF涂層對(duì)軸承溫升的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)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(jìn)行對(duì)比。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of test device

為獲得導(dǎo)流式噴嘴對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響，采用高速軸承試驗(yàn)裝置，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)源為動(dòng)壓潤(rùn)滑高速電主軸，利用變頻器對(duì)其調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速為20 000 r／min。軸承測(cè)試單元采用對(duì)稱式結(jié)構(gòu)置于電主軸兩側(cè)，噴嘴中心正對(duì)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(yù)緊力由兩端對(duì)稱式加載系統(tǒng)施加，通過滾珠絲杠擠壓彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)械彈簧式加載。采用pt100鉑電阻溫度傳感器測(cè)量外圈溫升，測(cè)溫范圍為-200～500℃。

圖2 高速軸承試驗(yàn)裝置Fig.2 Test device for high speed bearing

圖3 導(dǎo)流式噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of guide type nozzle

1.2 試驗(yàn)條件

潤(rùn)滑油采用長(zhǎng)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(yùn)行約30 min后溫度達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)溫度與試驗(yàn)開始時(shí)的外圈溫度之差即為軸承溫升。

2 結(jié)果與討論

2.1 導(dǎo)流式噴嘴供油優(yōu)越性研究

油氣潤(rùn)滑存在供油波動(dòng)性的原因主要有：1）潤(rùn)滑油均由定量泵間斷性供給，因此必然不能實(shí)現(xiàn)持續(xù)供油；2）在油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)末端由于潤(rùn)滑油與噴嘴內(nèi)壁面材料之間存在一定黏附力，潤(rùn)滑油需要一定富集時(shí)間，因此會(huì)造成供油波動(dòng)。為驗(yàn)證導(dǎo)流式噴嘴在減小供油波動(dòng)、提高供油效率上的優(yōu)越性，采用3種方式進(jìn)行較為系統(tǒng)的說明。

2.1.1 射流形態(tài)拍攝

通過相機(jī)對(duì)孔式噴嘴和導(dǎo)流式噴嘴的射流效果進(jìn)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(dòng)的潤(rùn)滑油在離開噴嘴的瞬間快速向四周擴(kuò)散，射流中心出現(xiàn)沒有潤(rùn)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(dǎo)致大部分潤(rùn)滑油噴射在保持架或內(nèi)、外圈端面，而沒有進(jìn)入接觸區(qū)內(nèi)部，從而影響潤(rùn)滑。由圖4b可知，導(dǎo)流式噴嘴由于導(dǎo)流體的作用，噴射面積縮小，也不會(huì)出現(xiàn)射流中心沒有潤(rùn)滑油的現(xiàn)象，潤(rùn)滑效果良好。

2.1.2 液滴分布和尺寸測(cè)量

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的供油量為6 mL／h，供氣氣壓為0.25 MPa時(shí)2種噴嘴各位置的液滴分布如圖5所示。試驗(yàn)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(jìn)行說明。由對(duì)比可知，導(dǎo)流式噴嘴比孔式噴嘴的液滴小，并且液滴大小變化相對(duì)更穩(wěn)定，即導(dǎo)流式噴嘴每次可穩(wěn)定提供體積均勻的液滴，對(duì)于形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜具有優(yōu)勢(shì)。另外，導(dǎo)流式噴嘴的潤(rùn)滑油分布也相對(duì)均勻，不會(huì)出現(xiàn)供油振蕩問題，可實(shí)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(rùn)滑供油量臺(tái)架試驗(yàn)

油氣潤(rùn)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(dá)最佳潤(rùn)滑狀態(tài)，繼續(xù)供油又會(huì)產(chǎn)生富油摩擦。因此，油氣潤(rùn)滑下的軸承存在最佳供油范圍，通過此參數(shù)對(duì)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(yù)加載荷為100 N時(shí)供油量對(duì)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(dǎo)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(duì)軸承溫升的影響Fig.6 Influence of oil supply amount on temperature rise of bearing

2.2 導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)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(dǎo)流體為60根毛刷，根據(jù)軸承端面到球的實(shí)際間距，導(dǎo)流體長(zhǎng)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(dǎo)流體長(zhǎng)度、直徑和材料對(duì)軸承溫升影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

2.2.1 導(dǎo)流體長(zhǎng)度

無論何種材料和直徑的導(dǎo)流體，長(zhǎng)度對(duì)軸承溫升的影響都十分明顯。軸承溫升隨導(dǎo)流體長(zhǎng)度增加呈線性下降的主要原因是導(dǎo)流體長(zhǎng)度不同導(dǎo)致入射流到達(dá)接觸區(qū)的距離不同，使射流的噴射面積不同。導(dǎo)流體越長(zhǎng)，噴射面積越小，射流越能集中到達(dá)入射區(qū)域；導(dǎo)流體過短，噴射面積變大，導(dǎo)致潤(rùn)滑油難以進(jìn)入球與內(nèi)圈溝道的接觸部位，大部分潤(rùn)滑油被保持架擋住，造成軸承溫度上升。

導(dǎo)流體長(zhǎng)度對(duì)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(dǎo)流體越長(zhǎng)，液滴相對(duì)較大也更密集，軸承潤(rùn)滑效果也相對(duì)更好。

圖8 不同導(dǎo)流體長(zhǎng)度時(shí)的液滴分布Fig.8 Droplet distribution for different lengths of guiding fibers

2.2.2 導(dǎo)流體直徑

通過對(duì)比圖7中使用PA0.1 mm和PA0.07 mm導(dǎo)流體的軸承溫升可知，導(dǎo)流體直徑為0.07 mm的軸承溫升要高，也就是說，在導(dǎo)流體數(shù)量、材料和長(zhǎng)度一定的情況下，導(dǎo)流體直徑為0.1 mm時(shí)軸承潤(rùn)滑效果更優(yōu)。這是因?yàn)楫?dāng)數(shù)量一定的導(dǎo)流體過細(xì)時(shí)，導(dǎo)流體無法填滿直徑為2 mm的噴嘴出口，其對(duì)潤(rùn)滑油附壁效應(yīng)的規(guī)避作用減弱。不同導(dǎo)流體直徑時(shí)的液滴分布如圖9所示。導(dǎo)流體直徑為0.07 mm時(shí)，液滴大小不均，引起一定的供油波動(dòng)，這也是導(dǎo)流體直徑為0.07 mm時(shí)軸承溫升較高的重要原因之一。

圖9 不同導(dǎo)流體直徑時(shí)的液滴分布Fig.9 Droplet distribution for different diameters of guiding fibers

2.2.3 導(dǎo)流體材料

通過對(duì)比圖7中使用PA0.1 mm和Cu0.1 mm導(dǎo)流體的軸承溫升可知，導(dǎo)流體材料為銅的軸承溫升略高。銅的表面能1 103 dynes／cm遠(yuǎn)大于PA的表面能38～46 dynes／cm，也就是說，選擇銅作為導(dǎo)流體材料時(shí)，潤(rùn)滑油在導(dǎo)流體上的黏附作用更強(qiáng)，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(dòng)，但由于導(dǎo)流體的結(jié)構(gòu)原因，其小于孔式噴嘴的供油波動(dòng)性。

2.3 導(dǎo)流體AF 涂層對(duì)軸承潤(rùn)滑效果的影響

導(dǎo)流體材料均為PA，長(zhǎng)度為5 mm，直徑為0.1 mm，其中一個(gè)導(dǎo)流體鍍有防指紋油（Anti-Finger Oil，以下簡(jiǎn)稱AF涂層），另一個(gè)未作任何處理。

采用與前述導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)研究相同的試驗(yàn)條件，供油量和轉(zhuǎn)速對(duì)軸承溫升影響的試驗(yàn)結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

圖10 供油量對(duì)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(duì)軸承溫升的影響Fig.11 Influence of rotational speed on temperature rise of bearing

有AF涂層的導(dǎo)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(shì)也基本相同，即AF涂層對(duì)最佳供油量和溫升隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)沒有影響。通過對(duì)比可知，各供油量下軸承溫升均略微升高。導(dǎo)流式噴嘴液滴分布如圖12所示。有AF涂層比無AF涂層導(dǎo)流體的部分液滴更大，這些大液滴其實(shí)是由許多小液滴聚集而成，這是因?yàn)橛蠥F涂層的導(dǎo)流體對(duì)潤(rùn)滑油的黏附作用減弱，使液滴快速脫離導(dǎo)流體，進(jìn)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(jìn)而影響潤(rùn)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(rùn)滑效果，但存在一個(gè)臨界點(diǎn)，導(dǎo)流體材料表面能并非越小越好。

圖12 導(dǎo)流式噴嘴液滴分布Fig.12 Droplet distribution of guide type nozzle

3 結(jié)論

1）導(dǎo)流式噴嘴不但可減小噴射面積，而且可通過細(xì)化均勻液滴來減小供油波動(dòng)，還可節(jié)約50%左右的潤(rùn)滑油量。

2）導(dǎo)流體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)軸承潤(rùn)滑效果具有一定影響。導(dǎo)流體越長(zhǎng)，軸承溫升越低；導(dǎo)流體直徑為0.1 mm時(shí)，軸承可達(dá)到更優(yōu)的潤(rùn)滑效果；導(dǎo)流體材料為銅時(shí)，供油波動(dòng)性更大，軸承潤(rùn)滑效果更差。

3）通過對(duì)比有AF涂層和未作任何處理的導(dǎo)流體對(duì)軸承潤(rùn)滑效果的影響可知，導(dǎo)流體材料表面能并非越小越好。