基于正交实验的油气润滑系统参数实验研究.pdf

杌械研究与应用 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 应用与试验 基于正交实验的油气润滑系统参数实验研究 孙 启 国 ， 周 正辉 ， 王跃 飞 北方工业 大学 机电工程学院 ，北京1 0 0 1 4 4 摘要 油膜厚度是油气润滑中一个非常重要的评价指标。利用油气润滑实验台，结合 E C T电容电析成像技术， 在正 交实验法的基础上研究了不同供气压力、 单次供油量和单次供油间歇时间三个润滑系统参数对水平油管中油气两相 流油膜厚度的影响。实验结果表明 在实验研究的影响参数中， 供 气压力对于油膜厚度影响作用最大， 单次供油间歇 时间次之， 单次供油量对油膜厚度的影响作用最小； 同时在实验研 究参数选取的范围内， 得 出最薄油膜厚度的实验条 件为 供气压力0 ． 4 MP a 、 单次供油量2 m L 、 单次供油时间间隔 1 5 S 。 关键词 油气润滑 ； 正 交实验 ；E C T； 油 气两相流 中图分类号 T H1 1 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 - 4 4 1 4 2 0 1 4 0 3 - 0 0 9 5 - 0 3 A P a r a me t e r S t u d y o n oi l ／ ， A． r L u b r i c a t i o n B a s e d o n Or t h o g o n a l Ex p e r i me n t s S U N Q i g u o ， Z H O U Z h e n g h u i ， WA N G Y u e f e i C o l l e g e o fMe c h a n i c a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， N o a h C h i n a U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 1 4 4 ， C h i na Ab s t r a c t Th i c k n e s s o f o i l fi l m i s a n i mp o r t a n t e v a l u a t i o n c ri t e ri o n f o r t w o p h a s e a n n u l a r fl o w o f o i l a i r l u b ric a t i o n ．O r t h o g o n a l e x p e ri m e n t s o f o i l fi l m S t h i c k n e s s a r e d o n e o n t e s t b e d b y m e ans o f E C T e l e c t ri c a l c a p a c i t a n c e t o m o g r a p h y t e c h n o l o g y b a s e d o n d i ff e r e n t a i r p r e s s u r e ．o i 1 v o l u me p e r c y c l e an d l u b ri c a t i o n c y c l e ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t c o mp a r e d w i t h o i l v o l u me p e r c y c l e a n d l u b r i c a t i o n c y c l e ，a i r p r e s s u r e h a s a l arg e s t e f f e c t o n o i l fi l m S t h i c k n e s s ．An d i f a i r p r e s s u r e ，o i l v o l u me p e r c y c l e a n d l u b ri c a t i o n c y c l e are s e t t o 0． 4 MP a ，2 mL，1 5 s r e s p e c t i v e l y ，t h e me a s u r e d t h i c k n e s s o f o i l fi l m i s f o u n d t h i n n e s t ． Ke y wo r d s o i l - a i r l u b ri c a t i o n ；o r t o g o n a l e x p e rime n t s ；E C T；g a s - l i q u i d t w o p h a s e fl u i d 0 引 言 油气润滑是一种新兴的润滑技术， 相对于传统的 油润滑和脂润滑 ， 油气润滑具有很多显著的特点 ， 它 使润滑油消耗量大大减少 ， 油膜 的承载能力加强 ， 同 时冷却效果也更加明显。 目前国内外对 于油气两相 流的研究只停留在流型的观测上， 其中加拿大萨斯喀 彻温大学研 究 了重力对 油气 环状 流油膜 特性 的影 响 j ， 加拿大安大 略科技 大学对油气两相流 的分离 特性进行 了仿真研究 J ， 台湾大叶大学 的吴 正宪_ 3 J 对不同转速下油气润滑系统的冷却效果进行了实验 研究 ， 国内的相关研究主要有 ， 燕 山大学 的赵孟一_ 4 J 利用粒子图像测速技术对铜管 内的两相流流型进行 了观察研究 ， 张永峰 研究 了不 同单次供 油量下油 膜的最远输送距离。 目前 尚未有人对油气润滑 系统 参数做系统的分析， 笔者利用油气混合的原理， 结合 电容电析成像技术 ， 基于正交实验法在油气润滑实验 台上对油膜厚度 的影响参数进行了实验研究 。 1 实验 设备 该实验采用油气润滑测试实验装置， 该实验装置 由控制系统、 供油系统、 供气系统、 油气混合系统、 E C T电容电析成像检测 系统等组成 。可 以根据实验 需求对供油量、 供油频率、 供气压力、 单次供油间歇时 间等关键参数进行调节 ， 便于研究各参数对油气润滑 效果的影响。图 1为油气润滑实验台。 图 1 油气润滑实验台 实验台由齿轮泵供油， 系统供油时 ， 需要利用递 进式分配器的规格控制单次供油量的大小 ， 然后 由递 进式分配器上 的接近开关 ，控制供油次数和间歇供 油的时间。系统工作时， 递进式分配器每动作一次会 向主控制器发送一次信号， 主控制器对发来信号计 数， 当动作次数达到设定值时， 即供油量达到要求值 时 ， C P U下达停泵指令。当下一个周期到来时， 系统 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 6 基金项 目 北京市属高等学校人才强教计划资助项 目 编号 P H R 2 0 1 1 0 7 1 0 9 作者简介 孙启 国 1 9 6 3 一 ， 男 ， 山东烟台人 ， 教授 ， 研究方向 摩擦学与工业润滑技术 、 机械系统动力学及其控制 。 95 应用与试验 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 机械研究与应用 清空计数器次数， 润滑泵继续工作， 计数器重新开始 计数， 如此反复循环。供气时空气由F G 7 5空气压缩 机供给 ， 额定排气压力为 0 ． 7～0 ． 8 MP a ，额定排气 量为 6 7 0 L ／ m i n 。 正常工作时 ， 压缩空气持续供给 ， 润滑油为间歇 性供给。油气在油气混合器中混合后， 输送到 P V C 透明软管中， 为了减少柔性管弯曲变形对于局部流型 造成 的影响 ， 管道固定在专用的观测面板上 ， 同时便 于观察和检测流型 。 检测设备使用 E C T电容电析成像检测系统。电 容层析 成像技术 E C T， E l e c t r i c a l C a p a c i t a n c e T o mo g r a p h y 技术是 目前两相流参数测量领域广泛研究的 一 种新型检测技术 。 E C T系统通过设置于管道壁上 的传感器 阵列 电 极向被测物场注人交流电压信号， 并从测量电极检测 感应电流 ， 计算各 电极 间的电容值 ； 由于被测物场的 介质分布与所测电容之间存在确定的关系 ， 由测量数 据及图像重建算法可得到被测物场 内介质的分布情 况 ， 实现流体的可视化检测。E C T系统是比较复杂的 检测系统 ， 通常由阵列传感器 、 数据采集系统 、 成像计 算机系统三部分构成_ 4 J 。 2实验方 案 油气润滑系统中， 供气压力是油气两相环状流形 成过程 中一个非常重要 的参数 ， 它不仅是将油滴吹散 形成油气两相流的动力 ，而且能够在 润滑过程 中带 走大量的热量， 减小温升； 单次供油量的取值决定了 整体油量的大小 ， 单次供油间歇时间决定了供油的频 率 ， 它们对于油膜 的厚度和连续性有着直接的影响 ， 考虑到以上各因素对油膜特性的重要作用， 本实验就 一 定的油压 、 一定 的管径、 管长条件下 ， 利用正交实验 法分别研究不同空气压力 、 单次供油的时间间隔 、 单 次供油量情况下水平管 内油气两相流油膜的分布情 况。具体实验参数的选取如表 1所示 。 表 1实验参数设置表 实验用油 油 采 间 4 6号 6 O 2 ／ 0 3 ／ ．1 ／ 2 ／ 4 3． ／ ⋯ 1 U ／ ．1 5 3 U O Z ／ 4 j 液压油0 ． 4 表 1为实验参数的设置表 ， 实验 中实验用油均为 L HM 4 6号液压油 ， 水平油管的内径为 6 m l T I ， 只是对 供气压力、 单次供油量、 单次供油时间间隔进行调整， 同时为了保证数据 的全面性和准确性 ， 将每次实验的 数据采样时间统一设置为 3 0 s 9 0 0 0帧 。 9 6 3 实验结果与讨论 3 ． 1实验分析 根据实验装置所提供 的供 气压力范 围选择0 ． 2 MP a 、 0 ． 3 MP a 、 0 ． 4 MP a三种供油压力分别记 为 A． 、 A 、 A 。 ； 单次供油量 1 mL 、 2 m L 、 4 m L， 分别记为 B 、 B 、 B ， ； 单次供油时间间隔 5 s 、 1 0 s 、 1 5 S ， 分别记为 C 。 、 C 、 C ， 。根据实验方案中所确定 的各实验 因素变 量的取值 ， 结合正交实验表设计 出 A 。 B 。 C 。 一 A B C 九组实验， 具体实验安排如表 2所列 。 表 2 正交实验因素水平表 供气压力 单次供油量 单次供油 油膜厚度 试验号 A B 时间间隔 c平均值 MP a mL f s mm 油气润滑 系统中， 油气在混合器 中混合 ， 气体在 水平油管中将油滴沿管壁吹散形成连续均匀的油气 环状流， 并推动油膜 向前流动 。通 过 E C T监测试验 装置 ， 提取出的油膜厚度监测图像如图 2所示。 g A 3 B lC 3 h A 3 B 2 C 1 i A 3B 3 C 图 2 油膜厚度监测图像 杌械研究与应用 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 应用与试验 虽然实验 中不 同的实验组设置的参数不同 ， 但油 膜整体分布均匀， 且流型较稳定， 说明九组实验条件 均能满足实验的要求 ， 形成油气 两相流。只是 由图 2 中油膜厚度图形的比较可以看出不同的实验数组中， 由于参数设置 的不同， 油膜的厚度存在 明显的差异， A B c 的油膜厚度明显 比其它组的油膜厚度要大 ， 说明虽然相对 于前三组实 验， A B 。 C 的气压有所增 大 ， 但是当单次供油量增大且单次供油间歇时间减小 时 ， 油膜厚度反而增大 ， 这是 由于不同的参数对于油 气环状流油膜厚度的影响作用大小不同。 正交实验中用极差 R的大小用来衡量试验 中相 应因素的作用大小 ， 极差大的因素， 意味着它 的三个 位级对于评价指标的影 响较大 ， 通 常是重要 因素 ， 由 表 2下端 R的数值可以看 出本实验研究 的对油膜厚 度影响的作用因素中， 供气压力 A是最重要的因素 ， 单次供油时间间隔 c次之 ， 单次供油量 B对油膜厚 的作用最小 ， 因此实验涉及的三个 因素的主次排列顺 序是 A， C， B 。 表 2右侧是分别从 正交实验 的九组实验 中所提 取的油膜厚度的平均值， 油膜厚度的大小与图 2中 E C T检测到的水平管截面的油膜厚度 图像相一致 ， 单 一 参数下的油膜厚度平均值的和分别用 I、 Ⅱ、 Ⅲ表 示 。比较各列的平均值的和 I、 Ⅱ、 Ⅲ的大小 ， 第一列 的 IⅡ 1 1 I ， 这说明空气压力这个因素中以Ⅲ最佳 ， 即空气压力选 0 ． 4 M P a 时油膜最薄， 效果较好 ； 同样 第二列中 I 1 8， 说 明单次供油 时间间隔因素 以Ⅲ最好 ， 即选 择单次供油时间间隔为 1 5 s 时油膜最薄。综合上面 油膜厚度 的三个影 响因素推测油膜厚度最小 的实验 条件是 A 3 B C 3 。 由正交试验表2右侧油膜厚度的测量值， 可以观 察得出油膜厚度最薄的实验条件是 B C ， ； 与上面 通过油膜厚度均值最小得出的试验最佳条件 A 。 B c 不同 ， 为了准确的得到油膜厚度最薄的实验条件 ， 需 要对 A B C ， 、 A， B 。 C ， 条件下 的油膜分布进行进一步 的实验验证 。 3 ． 2验证 在原来正交实验其它条件不变的情况下选取 A B c 所对应的实验条件 ， 空气压力为 0 ． 4 MP a 、 单次 供油量为 2 m L 、 单次供油时间问隔为 1 5 s ； A ， B 。 C ， 所 对应的实验条件， 空气压力为 0 ． 4 M P a 、 单次供油量 为 1 m L 、 单次供油时间间隔为 1 5 s ， 然后分别实验。 图3为 A B c 、 A ， B c 两个不同的实验条件下 的油膜厚度分布图像 ， 从图中可以清晰地看出 ， 以 A ， B C 为实验条件测得的油膜厚度明显小于以 A 。 B C ， 为实验条件测得的油膜厚度 ， 且油膜分布更加均匀。 表 3 为实验提取的油膜厚度的具体数据， 空气压力 0 ． 4 MP a 、 单次供油量 2 mL单次供油时间间隔 1 5 s 时， 油膜厚度 的平均值为 0 ． 0 5 6 9 m m； 空气压力 0 ． 4 M P a 、 单次供油量 1 m L 、 单次供油时间间隔 1 5 s时， 油膜厚度为 0 ． 0 8 4 4 m m， 与图 2观察 的油膜厚度结 果相一致， 说明并不是所有的参数都设置为最佳时油 膜的厚度就最小 ， 不 同的因素之间相互影 响， 相互作 用 ， 油膜厚度是各 因素之间协调作用的结果 。 a A 。 B c a b A 3 B ， 图3 实验验证中油膜厚度图像 因此该实验得到的最薄油膜厚度的实验条件为 A ， B c ， ， 即空气压力 0 ． 4 M P a 、 单次供油量 2 m L 、 单 次供油时间间隔 1 5 s 。 表 3 实验验证表 实验号 单 量 4结论 利用油气润滑实验 台和 E C T电容电析成像检测 系统 ， 对油气润滑水平输送管中油气两相流油膜分布 进行了正交实验研究 。在符合工程实际的条件下 ， 研 究了供气压力、 单次供油量、 单次供油时间间隔三个 实验参数对于水平管 中油气两相流油膜厚度的影响 ， 为油气润滑系统的设计与使用提供了参考依据， 具体 实验结论如下。 1 油气润滑系统中 ， 供气压力、 单次供油量、 单 次供油时间间隔对油气两相流的油膜形成和分布有 着重要的影响， 在上述实验 中， 不同数组设置参数下 的水平油管均能够形成均匀的油气两相环状流薄膜 ， 但是油膜 的厚度差别明显。 2 通过油膜厚度的数据分析可知 ， 油膜厚度最 薄的最佳实验条件为 供气压力 0 ． 4 M P a ， 单次供油 量 2 m L ， 单次供油时间间隔 1 5 s 。 3 通过不同实验组油膜厚度的极差得出 l 实验 下转第 1 0 1页 ． 9 7 ． 杌械 研究与应用 2 0 1 4 年 第3 期 第2 7 卷， 总 第1 3 1 期 应用与试验 0 ． 6 8 6 N 。m。 根据机械设计理论可以计算出轴颈的最小直径 为 ≥ 南 ． 2 ．4 9 一 d m in ≥ √ 南 √ 一 考虑到半圆键对轴 的削弱作用及应力集 中情况 ， 对轴进行增大 1 5 ％， 则轴的最小直径为 2 ． 8 6 m m 。 因此 4 m m的轴经完全可以承受制动转矩 。 但是如果在热处理过程当中 ， 淬火深度太深会增 加硬化层， 使得轴承受扭转切应力的有效面积下降， 所以必须控制到淬火深度低于 0 ． 5 mm。 3 ． 2 A n s y s扭转应力分析 根据理论及计算结果可知 ， 电机主轴完全可以满 足使用要求。为了查看电机主轴的应力分布， 将模型 导入 A n s y s 进行受力分析 ， 在主轴右端施加 0 ． 6 8 6 N m的扭矩 ， 将转子部分近似施加固定约束， 对结构 将进行静力分析 ， 由图 9可 以看 出最大 应力 出现在 R 0 ． 2的倒 圆角处 ， 最大值为 1 5 2 ． 7 MP a ， 小于理论计 算的 2 2 1 ． 2 5 MP a ， 说明电机主轴能够满足使用要求 ， 不会发生剪断 ， 同时也可看 出在半圆键槽处应力也很 大 ， 能够 达到 1 4 1 ． 1 M P a ， 所以在设计 时也要 注意键 槽尺寸对轴的削弱作用。 图 9 施加转矩后的受力云图 4 结论 经过计算和分析， 可以得出圆柱销寿命达不到设 计要求 ， 特别是在退 刀槽处 出现了很大 的应力集 中， 从而导致圆柱销 断裂。而 电机轴能够承受制动过程 中的扭转应力 ， 至于轴 的断裂 ， 可以根据工作情况的 到其失效原因， 具体如以下结论 。 1 轴的断裂是由于圆柱销断裂引起的。某一 个圆柱销一旦断裂 ， 仅剩 的 2个 圆柱销将 承受至少 1 ． 5倍的应力 ， 该应力会很快导致其 中一个或全部圆 柱销断裂 。当圆柱销仅剩一个或全部断裂 的情况下 ， 摩擦盘失去定位， 并和电机轴接触产生摩擦， 在摩擦 和弯扭的共同作用下 ， 轴出现断裂。 2 圆柱销的断裂是 由于 圆柱销和孔 的配合 为 间隙配合 ， 造成应力过大 ， 强度降低 。 3 圆柱销的断裂均在退刀槽处 ， 集 中应力过大 是根本原因， 建议设计时将退刀槽改为过渡圆角， 降 低应力集 中现象。 4 提高圆柱销 的定位精度 ， 降低销 与孔 的间 隙 ， 可以大幅度减少 冲击载荷 。 5 建议将圆柱销数量增多至6 个， 这样可以降 低圆柱销的载荷， 达到设计寿命要求。 参考文献 [ 1 ] 濮 良贵， 纪名 剐． 机械 设计 [ M] ．第八 版． 北 京 高 等教 育出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 商跃进， 王红． 有限元原理与实践[ M] ． 北京 清华大学出版 社 ， 2 0 1 2 ． [ 3 ] 张康智， 陈万强， 李祥阳， 等． 基于 A N S Y S的吊钩可靠性分析 [ J ] ． 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