氣力式油霧器霧化性能影響因素試驗研究

孫中圣，沈政，李小寧

氣力式油霧器霧化性能影響因素試驗研究

孫中圣，沈政，李小寧

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京，210094)

針對氣力式油霧器，設計氣力式油霧器霧化性能測試系統。通過測量油霧器產生的油霧質量濃度，研究其在不同進出口壓差、進口壓力、油膜厚度以及油溫條件下的霧化性能。研究結果表明：增大進出口壓差可以顯著提高氣力式油霧器的油霧質量濃度和流量；在進出口壓差一定時，進口壓力升高會導致油霧質量濃度降低；油箱內油膜厚度亦會影響油液霧化效果，隨著油膜厚度的減小，氣流阻力減小，油霧質量濃度增大；在進出口壓差和進口壓力不變時，升高油溫能夠降低油液的黏度，有利于油液霧化。

油霧質量濃度；壓差；進口壓力；油膜厚度；油溫

油霧潤滑是一種高效先進的集中潤滑方式[1]，與其他潤滑方式相比具有霧化粒子小(10 μm以下)、霧化均勻、可靠性高、耗油量低等優勢，已逐步取代傳統的潤滑方式[2?4]。氣力式油霧器作為油霧發生裝置，是整個油霧潤滑系統的核心部件，它利用高速氣流卷吸和沖擊速度較低的油液而使其霧化成微小液滴[5]。油霧器的性能直接影響整個油霧潤滑系統的工作性能，它必須提供足量的潤滑介質，即足夠的油霧質量濃度，才能對各個潤滑點進行有效而充分的潤滑；油霧質量濃度低、顆粒大和穩定性差等因素會導致潤滑效果降低[6?7]。因此，油霧器霧化性能響因素的研究，對使用、設計生產油霧器和油霧潤滑系統時是非常必要的[8]。關于氣力式油霧器霧化性能的影響因素，國內外學者做了大量而卓有成效的研究。其中，RAHIMI等[9]從油霧顆粒粒徑和分布的角度，對凝膠推進劑的氣力式霧化過程進行了研究，揭示了液體的黏度和氣液質量流量比對霧化效果的影響規律；MA等[10]通過試驗研究發現氣體壓力對噴頭霧化性能的影響尤為顯著，氣體壓力升高，微霧顆粒速度增大，霧化性能提高；程維等[11]通過研究水煤漿氣流霧化的初次破裂特性，得到提高氣流速度會增大漿體表面的振蕩頻率，進而顯著地提高液體的霧化效果；陳建文等[12]對不同黏度和不同表面張力的液體霧化性能進行試驗研究，驗證了黏度和表面張力都是阻礙表面波振幅增大的原因，這2種因素的增大會導致空氣作用下的液體表面振幅減小，降低其振動破碎的概率，從而影響霧化顆粒粒徑。目前在對氣力式油霧器霧化性能影響因素進行研究分析時，大多從霧化顆粒粒徑及分布的角度分析油霧器的霧化性能[13?14]，很少從實際工程潤滑所需油霧質量濃度的角度進行研究。此外，目前國際知名廠商如SMC(AL，ALD系列[15]{SMC(中國)有限公司, 2014 #263})、Festo(MS，D系列)等油霧器成品中也均未給出油霧質量濃度相關參數，給使用油霧器和設計油霧潤滑系統帶來了困難。本文作者針對氣力式油霧器，設計油霧器霧化性能測試系統，從油霧質量濃度角度，對進出口壓差、進口壓力、開啟工作后油膜厚度以及油溫對霧化性能的影響進行了試驗研究和分析。

1 氣力式油霧器結構及霧化機理

氣力式油霧器結構如圖1所示。一定壓力的壓縮空氣進入噴頭，噴頭內部的壓力與油液表面上的壓力有一定的壓差，氣體經由直徑較小(0.5 mm左右)的氣孔以高速氣流噴出，將氣孔周圍的油卷吸起來沖擊霧化。大量較小油霧顆粒漂浮至油箱液面上方，從出口被引射出去，較大油霧顆粒在重力作用下落回油液中。

圖1 氣力式油霧器結構示意圖

由式(1)可知：氣體流速是促進表面波振幅增大的因素，流速增大，則表面波的振幅增大。液體的黏性是阻礙表面波振幅增大的因素，因為黏性大的液體消耗更多的霧化能量，使得液面振動和破碎的能量相對減少，導致表面波的振幅變小。當氣動力和液體表面張力不可忽略時，式(1)中的波速可用式(2)表示：

式(4)表明：氣體流速、油液表面張力和油液黏性等因素均會影響油液的霧化效果。氣體流速由噴頭微孔、進出口壓力和壓差以及氣體流出時受到油膜的阻力共同決定。油溫會影響油的表面張力和黏性，從而會影響霧化效果。

2 測試系統

為分析影響油霧器霧化油霧質量濃度的因素，設計的油霧器霧化性能測試系統回路原理圖如圖2所示，測試系統實物圖如圖3所示。

首先氣源氣體經過微霧分離器分離其中的油霧，消除氣源壓縮空氣中已存在的油霧對試驗的影響。減壓閥調節系統及油霧器進口壓力，采用壓力傳感器測量油霧器進、出口壓力，并由上位機進行數據采集。

圖2 油霧器霧化性能測試回路原理圖

圖3 測試系統實物圖

含有大量油霧的壓縮氣體在排向大氣時通過油霧過濾器和微霧分離器過濾其中的油霧，以免污染環境，最后經過消音器排出。油霧質量濃度采用TSI8532型粉塵測定儀進行測量，量程為0~150 mg/m3。由于油霧器產生的油霧質量濃度會超出其測量范圍，因此，并聯一路潔凈空氣，用于稀釋油霧器產生的大濃度油霧，使油霧質量濃度在粉塵測定儀的測量量程內。采用流量傳感器測量潔凈空氣流量和稀釋后氣體總流量，并根據稀釋后油霧質量濃度測量值，換算得到油霧器能夠產生的油霧質量濃度。由于此型號粉塵測定儀需在大氣壓下測量油霧質量濃度，因此，在主回路連接采樣測量支路，經過氣球轉換為大氣壓。通過氣球膨脹的狀態來判斷其中油霧的壓力，通過節流閥10調節進入氣球的氣體流量來控制氣球的膨脹狀態，進而達到大氣壓狀態。油霧器產生的油霧質量濃度可用式(5)表示：

式中：1為氣體總流量；2為潔凈空氣流量；1為粉塵測定儀測量值。

3 試驗結果及分析

3.1 油霧質量濃度D與油霧器進出口壓差?P的關系

油霧質量濃度與油霧器進出口壓差?的關系曲線如圖4所示。由圖4可見：隨著進出口壓差的增大，油霧器產生的油霧質量濃度增大，油霧器進出口壓差從0.1 MPa增大到0.55 MPa時，油霧質量濃度從41.75 mg/m3升高到197.77 mg/m3，霧化效果提升近5倍；并且油霧質量濃度與進出口壓差近似成線性關系。

一定壓力氣體從噴頭微小氣孔以高速流出的噴嘴等熵流動模型如圖5所示。

圖4 油霧質量濃度與進出口壓差關系曲線

圖5 噴嘴等熵流動模型

則出口流速2為：

由式(6)可知：油霧器進出口的壓差會導致出流氣體流速的變化，壓差增大，流速增大。結合式(4)可知：流速增大導致振幅增大，油液更易于被霧化，進而使油液的霧化效果得到提升，油霧質量濃度增大，即油霧質量濃度隨著油霧器進出口壓差的增大而增大，這與試驗值一致。

圖6 油霧器流量與進出口壓差關系曲線

3.2 油霧質量濃度D與進口壓力P0的關系

式(6)亦表明，在進出口0，2的壓差?一定時，若二者比值2/0增大，會導致小孔出流速度2減小，進而使霧化效果降低。取進出口壓差為0.4 MPa時，隨著進口壓力的增大，2/0增大，小孔出流氣體流速2降低，油液不易被霧化，油霧質量濃度降低，油霧質量濃度與進口壓力0的關系如圖7所示。由圖7可見：在保持進出口壓差一定時，隨著進口壓力的增大，油霧質量濃度減少；進口壓力從0.5 MPa增大到0.7 MPa時，油霧質量濃度從284.3 mg/m3近似線性地減小為147.2 mg/m3，降低幅度為48%。

圖7 油霧質量濃度與進口壓力關系曲線

3.3 油霧質量濃度D與油膜厚度H的關系

試驗表明油霧器油箱內油膜的厚度會對霧化效果造成影響。油霧器開啟工作后，油箱內油膜厚度隨時間變化情況如圖8所示。由圖8可見：隨著時間的變長，更多的油液被卷吸起來沖散成泡沫狀覆蓋在油液上，導致油膜厚度逐漸減小。

圖8 油膜厚度H的變化

油霧質量濃度和油膜厚度與開啟后工作時間的關系圖如圖9所示。由圖9可見：隨著每次開啟后工作時間從0 min增長到30 min，覆蓋在噴頭上方的油膜厚度從35 mm減小到0 mm，油液全部轉化為泡沫狀覆蓋在噴頭上方；油霧質量濃度從225 mg/m3增加到307.9 mg/m3，增幅可達36.8%。

油膜厚度隨著油霧器開啟后工作時間的變長而減小，更多的液態油液被卷吸吹散而形成黏度和表面張力較小的泡沫覆蓋在噴頭上，從噴頭微小氣孔流出的高速氣體受到的阻力減小，因而流速增大，油液更易被霧化，油霧質量濃度增大。此外，泡沫狀油的黏度和表面張力較小，耗散的霧化能較小，用于霧化破碎的能量相對較大，所以更加容易被霧化成微小的霧滴，因而油霧質量濃度增大。

圖9 油霧質量濃度和油膜厚度與時間關系曲線

3.4 油霧質量濃度D與油溫T的關系

圖10 油霧器油箱加熱單元示意圖

圖11 油霧質量濃度與油溫關系曲線

4 結論

1) 設計了油霧器霧化性能測試系統，能夠實時有效地測量不同壓力、流量以及油溫等條件下油霧器產生的油霧質量濃度，以此來分析上述因素對油霧器霧化性能的影響。

2) 油霧質量濃度隨著油霧器進出口壓差的增大而顯著增大，同時油霧器的流量得到明顯提升；油霧器進出口壓差一定時，隨著進口壓力的增大，微小氣孔流出氣體的流速減小，導致油霧質量濃度減小；油膜厚度隨著油箱內油液逐漸被卷吸吹散形成沫狀而減小，氣孔出流氣體遇到的阻力減小，更容易霧化，油霧器霧化性能得到較大提升；當進出口壓差和進口壓力一定時，油溫升高，油液的黏度和表面張力減小，使油霧器霧化性能得到顯著增強。

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(編輯 趙俊)

Experimental study on influence factors of atomization performance of air-blast lubricator

SUN Zhongsheng, SHEN Zheng, LI Xiaoning

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Aiming at air-blast lubricator, atomization performance test system was designed. By measuring the oil mist density under different pressure difference between inlet and outlet, inlet pressure, oil film thickness and oil temperature, the atomization performance of air-blast lubricator was studied. The results show that when the pressure difference between inlet and outlet increases, the oil mist density and flow rate of lubricator increase significantly; the oil mist density decreases with the increase of inlet pressure under the condition of constant pressure difference; oil film thickness influences atomization performance of air-blast lubricator, and oil mist density increases with the decrease of oil film thickness because the airflow resistance decreases correspondingly; when pressure difference and inlet pressure are constant value, oil viscosity decreases as oil temperature increases, which is beneficial to the oil atomization.

oil mist density; pressure difference; inlet pressure; oil film thickness; oil temperature

TH138

A

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.012

1672?7207(2018)03?0600?06

2017?03?12；

2017?05?09

國家自然科學基金資助項目(51475242) (Project(51475242) supported by the National Natural Science Foundation of China)

孫中圣，博士，副教授，從事氣動技術及機電控制技術的研究；E-mail: billsun1978@163.com