基于正交試驗(yàn)法研究超聲波對潤滑油降黏效果的影響

仇超,傅行軍,郭瑞

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

滑動軸承是蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和水輪機(jī)等大型重載旋轉(zhuǎn)機(jī)械中承擔(dān)動、靜載荷的重要支承部件，依靠軸頸和軸瓦間的收斂-開擴(kuò)型楔形間隙產(chǎn)生動壓油膜，保障整個(gè)設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

軸承間隙中的潤滑油具有承受轉(zhuǎn)子載荷，減小動靜表面之間的摩擦，帶走摩擦產(chǎn)生的熱量等作用，其黏度變化對整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行具有重要影響。大型汽輪機(jī)機(jī)組正常運(yùn)行中，通常按35～45℃的軸承入口油溫標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，而寒冷地區(qū)潤滑油油箱的油溫一般低于35 ℃[1]，會使楔形間隙潤滑油黏度增大，油膜厚度增加，造成轉(zhuǎn)子運(yùn)動不穩(wěn)，可能使大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生振動。因此，必須控制和調(diào)節(jié)潤滑油進(jìn)口油溫來保持滑動軸承穩(wěn)定運(yùn)行，需增加相應(yīng)的控制裝置。

超聲波降黏技術(shù)是近年來在石油化工領(lǐng)域快速發(fā)展的一種新技術(shù)[2],其不僅在石油降黏方面發(fā)揮著巨大作用，而且在調(diào)節(jié)和控制潤滑油黏度方面有一定應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了超聲波處理稠油試驗(yàn)，結(jié)果表明，稠油經(jīng)超聲波作用2 min，可使添加活性劑的稠油黏度大大降低。文獻(xiàn)[4-5]進(jìn)行了超聲微波減摩試驗(yàn)，研究了超聲對潤滑油摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)超聲振動具有良好的減摩抗磨效果。

現(xiàn)采用正交試驗(yàn)法研究不同參數(shù)的超聲波對潤滑油黏度的影響，分析潤滑油降黏最佳工藝參數(shù)方案，并采用Walther黏溫方程對超聲作用潤滑油黏溫關(guān)系進(jìn)行線性擬合，研究超聲波作用下潤滑油的黏溫關(guān)系是否服從指數(shù)分布。

1 超聲波正交試驗(yàn)

1.1 正交試驗(yàn)方案

超聲波頻率、聲強(qiáng)、超聲作用時(shí)間和初始環(huán)境溫度等因素均對潤滑油黏度的降低有影響，故根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)超聲波參數(shù)組合的正交試驗(yàn)[6-7]，水平因素見表1。按照L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見表2。

表2 正交試驗(yàn)方案

1.2 試樣及設(shè)備

超聲波降黏試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由多頻超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)、嵌入式工控主板、FPS2800B124流體特性傳感器(變幅桿)、300 mL燒杯、恒溫水浴槽、溫度計(jì)、FLUKE熱成像儀、秒表等組成。

1—底座；2—燒杯；3—恒溫水浴槽；4—潤滑油；5—溫度計(jì)；6—變幅桿；7—多頻超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)；8—FPS流體特性傳感器

試樣為全合成機(jī)油10W-50、半合成機(jī)油10W-40和礦物質(zhì)油L-TSA32。選擇全合成機(jī)油10W-50作為正交試驗(yàn)的樣本，試驗(yàn)溫度范圍為20～60 ℃。試樣的優(yōu)級品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 潤滑油優(yōu)級品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1.3 試驗(yàn)方法

1)開啟恒溫水浴，使其保持初始環(huán)境溫度。

2)將裝有300 mL潤滑油的燒杯放置于水中，保證變幅桿沒過液面的2/3。

3)根據(jù)試驗(yàn)序號調(diào)節(jié)頻率、聲強(qiáng)、超聲作用時(shí)間，開啟多頻超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)。

4)采用流體特性傳感器測量其初始黏度，超聲開始作用，每隔5 min測量一次潤滑油黏度。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果見表4。采用極差R(全距)表示試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動范圍和離散程度，R越大，表明該水平因素對潤滑油降黏率的影響越大；反之，影響越小。因此，根據(jù)極差RA，RB，RC，RD的大小評價(jià)不同因素對超聲波降黏的影響程度。表中：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分別為1，2，3水平效應(yīng)的估計(jì)值；K為某一水平數(shù)據(jù)的綜合平均值，如K1=I1/水平1的重復(fù)次數(shù)。降黏率η為

(1)

式中：μ0，μ分別為處理前、后潤滑油的動力黏度，mPa·s。

由表4可知，超聲波的頻率越小，強(qiáng)度越大，超聲波作用時(shí)間越長，環(huán)境溫度越低，潤滑油黏度降幅越大。影響潤滑油黏度變化范圍最大的因素是頻率，故先將其控制在有效水平，根據(jù)K值可知其最佳水平是A1(20 kHz)；第2影響因素是聲強(qiáng)，最佳水平是B3(50 W/cm2)；第3影響因素是初始環(huán)境溫度，最佳水平是D3(25 ℃)；對潤滑油黏度影響最小的因素是超聲波作用時(shí)間，最佳水平是C3(35 min)。以上參數(shù)組合即超聲波降黏最佳的工藝參數(shù)方案。

表4 超聲降黏試驗(yàn)結(jié)果

2 超聲波降黏效果

2.1 結(jié)果與分析

研究最佳工藝參數(shù)的超聲波對3種潤滑油黏度降低效果的影響，潤滑油黏溫關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 最佳參數(shù)的超聲波作用下潤滑油黏溫關(guān)系曲線

由圖2可知，潤滑油動力黏度隨超聲波作用后溫度的增加而降低。初始環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，10W-50,10W-40和L-TSA32潤滑油動力黏度分別為263.7，220.8，70.8 mPa·s。當(dāng)超聲波作用后油溫低于30 ℃時(shí)，高黏度潤滑油的動力黏度隨溫度升高而急劇下降；當(dāng)油溫高于30 ℃時(shí)，其動力黏度變化逐漸減緩。由此可知，超聲作用下油溫越高，其動力黏度降幅越大，但超聲作用時(shí)間過長會導(dǎo)致溫度過高，使?jié)櫥妥冑|(zhì)失效。

根據(jù)潤滑油黏溫特性關(guān)系式[8]，采用雙對數(shù)算法的Walther黏溫方程[9]擬合潤滑油黏度隨超聲波作用溫度的變化關(guān)系，即

lg(lgZ)=D′-C′lgT，

(2)

Z=ν+c+e-1.47-1.84ν-0.51ν2，

(3)

式中：ν為熱力學(xué)溫度下潤滑油的運(yùn)動黏度，m2/s；T為潤滑油熱力學(xué)溫度，K；D′，C′為常數(shù)；c為余項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)值[10]，一般取0.7。

將Walther黏溫方程表示成線性函數(shù)方程，令yl=lg(lgZ)，xT=lgT，則(1)式改寫為

(4)

采用Walther黏溫方程對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可得線性斜率C′、截距D′和擬合優(yōu)度R2。R2表示擬合直線對試驗(yàn)測量值的擬合程度，R2越接近1，說明擬合程度越好。超聲波作用下3種潤滑油黏溫線性擬合如圖3所示，擬合參數(shù)見表5。

圖3 超聲波作用下潤滑油的黏溫線性擬合

表5 超聲波作用潤滑油的黏溫線性擬合參數(shù)

由表5可知，超聲波作用于3種潤滑油的擬合優(yōu)度非常接近于1，證明擬合精度較高。Walther黏溫方程不僅可對水浴作用潤滑油離散數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，還可以對超聲波作用潤滑油離散數(shù)據(jù)線性擬合，由此證明Walther黏溫方程適用范圍較廣。

2.2 超聲波降黏機(jī)理

超聲波作用下潤滑油黏度降低，從分子熱運(yùn)動的微觀角度分析[11]，流體是由大量隨機(jī)運(yùn)動的流體分子組成，分子間距離改變會導(dǎo)致分子間作用力改變，而潤滑油流體的黏性是流體分子之間的引力和動力相互作用的宏觀表現(xiàn)。超聲波是頻率高于20 kHz的聲波，其機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)和空化效應(yīng)[12]會導(dǎo)致潤滑油分子平均運(yùn)動速率增加，分子間距離改變使?jié)櫥偷酿ざ雀淖儭?/p>

2.2.1 熱效應(yīng)

超聲波作用下潤滑油溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示,由圖可知，超聲波作用于潤滑油時(shí)，油溫隨超聲波作用時(shí)間的增加而逐漸升高。超聲波作用潤滑油時(shí)，潤滑油吸收超聲波聲能轉(zhuǎn)化成熱能使油溫上升。此外，在不同介質(zhì)的分界面處，固體和液體的振動速度變化較大，固液摩擦產(chǎn)生熱量，使油溫升高[13]。

圖4 超聲波作用下潤滑油溫度隨時(shí)間變化曲線

2.2.2 機(jī)械效應(yīng)

超聲波是具有能量的聲波，其方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較為集中的聲能。超聲波可增強(qiáng)潤滑油大、小分子間的摩擦力，剪切摩擦作用使?jié)櫥妥兿?，從而起到降黏效果[14]。

2.2.3 空化效應(yīng)

超聲波的空化效應(yīng)[15]會打斷潤滑油分子鏈，使部分大分子斷裂成小分子，降低潤滑油黏度[16]。

潤滑油發(fā)生超聲空化難易程度通常采用空化閾來衡量，其大小與潤滑油黏度有關(guān)?？栈揚(yáng)c與潤滑油動力黏度μ的關(guān)系為[17]

Pc=0.8(Logμ+5)。

(5)

潤滑油黏度大，其空化閾大，發(fā)生超聲空化現(xiàn)象較難。20 ℃時(shí)3種潤滑油的空化閾見表6,由表可知，20 ℃時(shí)全合成機(jī)油10W-50黏度較大，故其發(fā)生超聲空化較為困難。

表6 20 ℃時(shí)3種潤滑油的空化閾

因此，超聲波降黏的實(shí)質(zhì)是超聲波3種效應(yīng)共同作用下潤滑油微觀結(jié)構(gòu)和分子間距離發(fā)生變化。

3 結(jié)論

1)10W-50潤滑油超聲降黏最佳方案是選擇頻率20 kHz、強(qiáng)度50 W/cm2的超聲波，作用時(shí)間為35 min，初始環(huán)境溫度為25 ℃。

2)采用Walther黏溫方程對超聲波作用潤滑油黏溫關(guān)系進(jìn)行線性化擬合，擬合優(yōu)度接近于1，驗(yàn)證了Walther黏溫方程適用范圍較廣。

3)超聲作用時(shí)間越長，潤滑油黏度降幅越大，但油溫過高會使?jié)櫥妥冃允В虼藨?yīng)根據(jù)動力機(jī)械軸承入口溫度要求和綜合成本選擇超聲波降黏的最佳方案。

4)滑動軸承潤滑油溫度較低時(shí)，可通過調(diào)節(jié)超聲波參數(shù)(如提高強(qiáng)度或降低頻率)來提高潤滑油進(jìn)油溫度，保證滑動軸承安全穩(wěn)定運(yùn)行。