基于正交實驗的油氣潤滑系統(tǒng)參數(shù)實驗研究*

孫啟國，周正輝，王躍飛

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

油氣潤滑是一種新興的潤滑技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的油潤滑和脂潤滑，油氣潤滑具有很多顯著的特點，它使?jié)櫥拖牧看蟠鬁p少，油膜的承載能力加強(qiáng)，同時冷卻效果也更加明顯。目前國內(nèi)外對于油氣兩相流的研究只停留在流型的觀測上，其中加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)研究了重力對油氣環(huán)狀流油膜特性的影響［1］，加拿大安大略科技大學(xué)對油氣兩相流的分離特性進(jìn)行了仿真研究［2］，臺灣大葉大學(xué)的吳正憲［3］對不同轉(zhuǎn)速下油氣潤滑系統(tǒng)的冷卻效果進(jìn)行了實驗研究，國內(nèi)的相關(guān)研究主要有，燕山大學(xué)的趙孟一［4］利用粒子圖像測速技術(shù)對銅管內(nèi)的兩相流流型進(jìn)行了觀察研究，張永峰［5］研究了不同單次供油量下油膜的最遠(yuǎn)輸送距離。目前尚未有人對油氣潤滑系統(tǒng)參數(shù)做系統(tǒng)的分析，筆者利用油氣混合的原理，結(jié)合電容電析成像技術(shù)，基于正交實驗法在油氣潤滑實驗臺上對油膜厚度的影響參數(shù)進(jìn)行了實驗研究。

1 實驗設(shè)備

該實驗采用油氣潤滑測試實驗裝置，該實驗裝置由控制系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、油氣混合系統(tǒng)、ECT電容電析成像檢測系統(tǒng)等組成?？梢愿鶕?jù)實驗需求對供油量、供油頻率、供氣壓力、單次供油間歇時間等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，便于研究各參數(shù)對油氣潤滑效果的影響。圖1為油氣潤滑實驗臺。

圖1 油氣潤滑實驗臺

實驗臺由齒輪泵供油，系統(tǒng)供油時，需要利用遞進(jìn)式分配器的規(guī)格控制單次供油量的大小，然后由遞進(jìn)式分配器上的接近開關(guān)，控制供油次數(shù)和間歇供油的時間。系統(tǒng)工作時，遞進(jìn)式分配器每動作一次會向主控制器發(fā)送一次信號，主控制器對發(fā)來信號計數(shù)，當(dāng)動作次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時，即供油量達(dá)到要求值時，CPU下達(dá)停泵指令。當(dāng)下一個周期到來時，系統(tǒng)清空計數(shù)器次數(shù)，潤滑泵繼續(xù)工作，計數(shù)器重新開始計數(shù)，如此反復(fù)循環(huán)。供氣時空氣由FG75空氣壓縮機(jī)供給，額定排氣壓力為0.7～0.8 MPa，額定排氣量為670 L/min。

正常工作時，壓縮空氣持續(xù)供給，潤滑油為間歇性供給。油氣在油氣混合器中混合后，輸送到PVC透明軟管中，為了減少柔性管彎曲變形對于局部流型造成的影響，管道固定在專用的觀測面板上，同時便于觀察和檢測流型［3］。

檢測設(shè)備使用ECT電容電析成像檢測系統(tǒng)。電容層析成像技術(shù)(ECT，Electrical Capacitance Tomography)技術(shù)是目前兩相流參數(shù)測量領(lǐng)域廣泛研究的一種新型檢測技術(shù)。

ECT系統(tǒng)通過設(shè)置于管道壁上的傳感器陣列電極向被測物場注入交流電壓信號，并從測量電極檢測感應(yīng)電流，計算各電極間的電容值;由于被測物場的介質(zhì)分布與所測電容之間存在確定的關(guān)系，由測量數(shù)據(jù)及圖像重建算法可得到被測物場內(nèi)介質(zhì)的分布情況，實現(xiàn)流體的可視化檢測。ECT系統(tǒng)是比較復(fù)雜的檢測系統(tǒng)，通常由陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、成像計算機(jī)系統(tǒng)三部分構(gòu)成［4］。

2 實驗方案［6］

油氣潤滑系統(tǒng)中，供氣壓力是油氣兩相環(huán)狀流形成過程中一個非常重要的參數(shù)，它不僅是將油滴吹散形成油氣兩相流的動力，而且能夠在潤滑過程中帶走大量的熱量，減小溫升;單次供油量的取值決定了整體油量的大小，單次供油間歇時間決定了供油的頻率，它們對于油膜的厚度和連續(xù)性有著直接的影響，考慮到以上各因素對油膜特性的重要作用，本實驗就一定的油壓、一定的管徑、管長條件下，利用正交實驗法分別研究不同空氣壓力、單次供油的時間間隔、單次供油量情況下水平管內(nèi)油氣兩相流油膜的分布情況。具體實驗參數(shù)的選取如表1所示。

表1 實驗參數(shù)設(shè)置表

表1為實驗參數(shù)的設(shè)置表，實驗中實驗用油均為L－HM46號液壓油，水平油管的內(nèi)徑為6 mm，只是對供氣壓力、單次供油量、單次供油時間間隔進(jìn)行調(diào)整，同時為了保證數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性，將每次實驗的數(shù)據(jù)采樣時間統(tǒng)一設(shè)置為30 s(9 000幀)。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 實驗分析

根據(jù)實驗裝置所提供的供氣壓力范圍選擇0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa三種供油壓力分別記為A1、A2、A3;單次供油量1 mL、2 mL、4 mL，分別記為B1、B2、B3;單次供油時間間隔5 s、10 s、15 s，分別記為C1、C2、C3。根據(jù)實驗方案中所確定的各實驗因素變量的取值，結(jié)合正交實驗表設(shè)計出A1B1C1～A3B3C2九組實驗，具體實驗安排如表2所列。

表2 正交實驗因素水平表

油氣潤滑系統(tǒng)中，油氣在混合器中混合，氣體在水平油管中將油滴沿管壁吹散形成連續(xù)均勻的油氣環(huán)狀流，并推動油膜向前流動。通過ECT監(jiān)測試驗裝置，提取出的油膜厚度監(jiān)測圖像如圖2所示。

圖2 油膜厚度監(jiān)測圖像

雖然實驗中不同的實驗組設(shè)置的參數(shù)不同，但油膜整體分布均勻，且流型較穩(wěn)定，說明九組實驗條件均能滿足實驗的要求，形成油氣兩相流。只是由圖2中油膜厚度圖形的比較可以看出不同的實驗數(shù)組中，由于參數(shù)設(shè)置的不同，油膜的厚度存在明顯的差異，A2B3C1的油膜厚度明顯比其它組的油膜厚度要大，說明雖然相對于前三組實驗，A2B3C1的氣壓有所增大，但是當(dāng)單次供油量增大且單次供油間歇時間減小時，油膜厚度反而增大，這是由于不同的參數(shù)對于油氣環(huán)狀流油膜厚度的影響作用大小不同。

正交實驗中用極差R的大小用來衡量試驗中相應(yīng)因素的作用大小，極差大的因素，意味著它的三個位級對于評價指標(biāo)的影響較大，通常是重要因素，由表2下端R的數(shù)值可以看出本實驗研究的對油膜厚度影響的作用因素中，供氣壓力A是最重要的因素，單次供油時間間隔C次之，單次供油量B對油膜厚的作用最小，因此實驗涉及的三個因素的主次排列順序是:A，C，B。

表2右側(cè)是分別從正交實驗的九組實驗中所提取的油膜厚度的平均值，油膜厚度的大小與圖2中ECT檢測到的水平管截面的油膜厚度圖像相一致，單一參數(shù)下的油膜厚度平均值的和分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。比較各列的平均值的和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的大小，第一列的Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，這說明空氣壓力這個因素中以Ⅲ最佳，即空氣壓力選0.4 MPa時油膜最薄，效果較好;同樣第二列中Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ，說明單次供油量因素以Ⅰ最好，即選擇單次供油量1 mL時油膜最薄;第三列中Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，說明單次供油時間間隔因素以Ⅲ最好，即選擇單次供油時間間隔為15 s時油膜最薄。綜合上面油膜厚度的三個影響因素推測油膜厚度最小的實驗條件是A3B1C3。

由正交試驗表2右側(cè)油膜厚度的測量值，可以觀察得出油膜厚度最薄的實驗條件是:A3B2C3;與上面通過油膜厚度均值最小得出的試驗最佳條件A3B1C3不同，為了準(zhǔn)確的得到油膜厚度最薄的實驗條件，需要對A3B2C3、A3B1C3條件下的油膜分布進(jìn)行進(jìn)一步的實驗驗證。

3.2 驗 證

在原來正交實驗其它條件不變的情況下選取A3B2C3所對應(yīng)的實驗條件，空氣壓力為0.4 MPa、單次供油量為2 mL、單次供油時間間隔為15 s;A3B1C3所對應(yīng)的實驗條件，空氣壓力為0.4 MPa、單次供油量為1 mL、單次供油時間間隔為15 s，然后分別實驗。

圖3為A3B2C3、A3B1C3兩個不同的實驗條件下的油膜厚度分布圖像，從圖中可以清晰地看出，以A3B2C3為實驗條件測得的油膜厚度明顯小于以A3B1C3為實驗條件測得的油膜厚度，且油膜分布更加均勻。表3為實驗提取的油膜厚度的具體數(shù)據(jù)，空氣壓力0.4 MPa、單次供油量2 mL單次供油時間間隔15 s時，油膜厚度的平均值為0.056 9 mm;空氣壓力0.4 MPa、單次供油量1 mL、單次供油時間間隔15 s時，油膜厚度為0.084 4 mm，與圖2觀察的油膜厚度結(jié)果相一致，說明并不是所有的參數(shù)都設(shè)置為最佳時油膜的厚度就最小，不同的因素之間相互影響，相互作用，油膜厚度是各因素之間協(xié)調(diào)作用的結(jié)果。

圖3 實驗驗證中油膜厚度圖像

因此該實驗得到的最薄油膜厚度的實驗條件為A3B2C3，即空氣壓力0.4 MPa、單次供油量2 mL、單次供油時間間隔15 s。

表3 實驗驗證表

4 結(jié)論

利用油氣潤滑實驗臺和ECT電容電析成像檢測系統(tǒng)，對油氣潤滑水平輸送管中油氣兩相流油膜分布進(jìn)行了正交實驗研究。在符合工程實際的條件下，研究了供氣壓力、單次供油量、單次供油時間間隔三個實驗參數(shù)對于水平管中油氣兩相流油膜厚度的影響，為油氣潤滑系統(tǒng)的設(shè)計與使用提供了參考依據(jù)，具體實驗結(jié)論如下。

(1)油氣潤滑系統(tǒng)中，供氣壓力、單次供油量、單次供油時間間隔對油氣兩相流的油膜形成和分布有著重要的影響，在上述實驗中，不同數(shù)組設(shè)置參數(shù)下的水平油管均能夠形成均勻的油氣兩相環(huán)狀流薄膜，但是油膜的厚度差別明顯。

(2)通過油膜厚度的數(shù)據(jù)分析可知，油膜厚度最薄的最佳實驗條件為:供氣壓力0.4 MPa，單次供油量2 mL，單次供油時間間隔15 s。

(3)通過不同實驗組油膜厚度的極差得出:實驗研究的影響油膜厚度的參數(shù)中，供氣壓力對于油膜厚度影響作用最大，單次供油間歇時間次之，單次供油量對油膜厚度的影響作用最小。

［1］ Ryan M.Macgillivray，kamiel S.gabriel.Annular Flow Film Characteristics in Variable Gravity［J］.New York Academy of Sciences，2002(974):306－315.

［2］ Huawei Hua.A Numerical Study of Entrainment Mechanism in Axisymmetric Annular Gas－Liquid Flow［J］.Fluids of Engineering，2007(129):293－301.

［3］ Wu Cheng－Hsien，Kung Yu－Tai.A parametric study on oil/air lubrication of a high－speed spindle［J］.Precisin engineering，2005 (29):162－167.

［4］ 趙孟一.油氣潤滑系統(tǒng)水平管內(nèi)環(huán)狀流形成機(jī)理研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2011.

［5］ 張永峰.油氣潤滑系統(tǒng)應(yīng)用理論與實驗研究［D］.秦皇島:燕山大學(xué)，2011.

［6］ 汪雄師，孫啟國，王 瑩，等.油氣潤滑系統(tǒng)中環(huán)狀流流過突擴(kuò)管時的流動特征［J］.機(jī)械，2014(2):10－12，36.