基于正交試驗(yàn)法研究超聲波對(duì)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(dòng)國家工程研究中心，南京 210096)

滑動(dòng)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(dòng)、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(dòng)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(dòng)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(duì)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(huì)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(dòng)不穩(wěn)，可能使大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)。因此，必須控制和調(diào)節(jié)潤滑油進(jìn)口油溫來保持滑動(dòng)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(duì)潤滑油摩擦學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 潤滑油優(yōu)級(jí)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(hào)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(cè)量其初始黏度，超聲開始作用，每隔5 min測(cè)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(dòng)范圍和離散程度，R越大，表明該水平因素對(duì)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(píng)價(jià)不同因素對(duì)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(dòng)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(zhǎng)，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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力黏度隨溫度升高而急劇下降；當(dāng)油溫高于30 ℃時(shí)，其動(dòng)力黏度變化逐漸減緩。由此可知，超聲作用下油溫越高，其動(dòng)力黏度降幅越大，但超聲作用時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)試驗(yàn)測(cè)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(duì)水浴作用潤滑油離散數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，還可以對(duì)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(dòng)的微觀角度分析[11]，流體是由大量隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的流體分子組成，分子間距離改變會(huì)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致潤滑油分子平均運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)，潤滑油黏度降幅越大，但油溫過高會(huì)使?jié)櫥妥冃允В虼藨?yīng)根據(jù)動(dòng)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(dòng)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(dòng)軸承安全穩(wěn)定運(yùn)行。