超聲波對潤滑油黏度影響的試驗研究*

(東南大學火電機組振動國家工程研究中心 江蘇南京 210096)

滑動軸承是汽輪機、燃氣輪機等大型重載旋轉機械中承擔轉子動、靜載荷的重要部件[1]，其楔形間隙的潤滑油起到承受轉子動靜載荷、減小摩擦面間的摩擦、傳遞摩擦產生的熱量等作用。潤滑油的黏性是保證其機械性能的核心要素，滑動軸承入口潤滑油黏度范圍變化較大時，會使油膜厚度和轉子偏心率產生變化，造成轉子不穩，嚴重時造成設備的損壞。若能夠在一定程度上調節和控制潤滑油物性參數，將有利于改善軸承的動靜力特性、摩擦功耗等宏觀特性，從而促進軸承平穩安全運行。

超聲波降黏技術是近些年來快速發展起來的一種新技術[2]。隨著對超聲波降黏機制的深入研究，其不僅在石油化工領域的潛在作用越來越突出，而且在減少滑動軸承摩擦副間的摩擦磨損方面也有一定作用。陳維山、喬玉林等[3-4]通過超聲微波減摩試驗和超聲影響潤滑油摩擦學性能試驗研究，發現超聲振動具有優異減摩抗磨效果。黃序韜和梁淑寰[5]的超聲防蠟降黏室內試驗結果表明，在相同溫度點下，超聲作用后原油黏度比作用前下降了30%左右。

本文作者搭建潤滑油超聲降黏試驗裝置，試驗研究了潤滑油在超聲和水浴作用條件下的黏溫關系，探討超聲降黏的具體機制，分析熱作用、機械效應和超聲空化對潤滑油樣黏溫關系的影響。

1 試驗部分

1.1 超聲降黏試驗裝置

試驗設備包括：BROOKFIELD-DV1型黏度計，超聲波發生裝置(頻率42 kHz、超聲功率70 W)，熱電偶溫度計，數顯恒溫水浴，FLUKE熱成像儀，體視顯微鏡，秒表和燒杯等。

圖1 超聲波降低潤滑油黏度實驗裝置圖

潤滑油超聲降黏的測試系統如圖1所示。黏度測試系統由油樣黏度在線測量系統、試樣溫度測量與控制及數據采集等系統組成。黏度計是測試系統的核心，型號為美國Brookfield公司的Brookfield-DV1型旋轉型黏度計，主要原理為，通過測量經標定好的轉子在被測油樣中以一定轉速旋轉時所受到的黏滯力矩，來計算液體的運動黏度。

1.2 試驗油樣

試驗油樣包括3種不同品質的潤滑油，分別是內燃機油10W-50(全合成機油)、內燃機油10W-40(半合成機油)和汽輪機透平油L-TSA32(礦物質油)。溫度測量范圍為20～60 ℃，包含了一般汽輪機組潤滑油的使用溫度(大型汽輪機組軸承入口油溫標準為35～45 ℃[6])。3種潤滑油質量標準如表1所示。

表1 潤滑油質量標準

1.3 試驗步驟

(1)開啟數顯恒溫水浴將溫度控制在25 ℃(環境溫度)；

(2)將裝有潤滑油樣燒杯置于水槽中心位置，燒杯內的油樣液面保持與水槽水位平行；

(3)開啟超聲波發生裝置，通過槽底超聲波換能器產生超聲波，經過水的耦合作用，傳播至燒杯中的潤滑油樣中；

(4)超聲每作用5 min測量潤滑油黏度一次，并記錄熱電偶溫度。

2 試驗結果與分析

超聲波與水浴作用下3種潤滑油油樣黏溫關系曲線如圖2所示。

圖2 超聲波與水浴作用下3種油樣黏溫關系曲線

可以看出：(1)在超聲作用和水浴作用下，3種油樣的黏度均隨著溫度的升高而降低，呈現反相關，符合液體分子的熱運動規律，特別是在20～40 ℃時，潤滑油樣黏度急劇下降；(2)當溫度超過40 ℃時，油樣黏度的降低幅度隨著溫度增加趨于緩慢，當溫度達到55 ℃時，潤滑油黏度基本保持不變；(3)在相同的溫度點下，超聲波對潤滑油黏度的作用比水浴的作用要小，并且隨著溫度升高，2種作用下黏度差值先增大然后逐漸減小；(4)相比于水浴作用，超聲作用下潤滑油樣黏度降低幅度更大。

基于3種油樣在超聲和水浴作用下的溫黏關系，以降黏率為分析指標，研究超聲波和水浴降黏效果。以10W-50油樣為例，研究降黏率隨超聲時間和水浴溫度的變化關系。降黏率η計算公式：

η=μ0-μμ0

(1)

式中：μ0為處理前油樣的黏度，mPa·s；μ為處理后油樣的黏度，mPa·s。

由圖3可見，10W-50潤滑油降黏率隨著超聲波作用時間而增加，當超聲波作用時間在0～30 min時，油樣降黏率隨時間急劇增加到74.1%，隨后油樣降黏率隨著超聲波作用時間緩慢增加。當作用時間達到60 min時，潤滑油降黏率基本穩定在81%左右。

圖3 潤滑油10W-50降黏率隨超聲波作用時間變化關系

10W-50油樣降黏率隨超聲溫度、水浴溫度變化關系如圖4所示。超聲作用下潤滑油樣的降黏率大于水浴作用條件下潤滑油降黏率，降黏率差值隨著溫度的升高先增大后逐漸減小，降黏率差值最大值出現在溫度為30 ℃左右。

圖4 潤滑油10W-50降黏率隨超聲和水浴溫度變化關系

3 超聲波降黏機制分析

在相同的作用溫度條件下，超聲波作用比水浴作用潤滑油黏度降低幅度更大。因此，根據超聲波降黏機制研究來分析黏度降低的原因。

超聲波是指頻率高于20 kHz的聲波，超聲作用效應歸納為機械效應、熱學效應和空化效應3種，其中空化效應是其聲化學反應的主動力[7]，它們對潤滑油樣的降黏起著特殊的作用。

3.1 熱作用

在上述超聲波發生裝置中，對超聲波的熱效應做了驗證研究。在絕熱良好的試驗環境中，取500 mL潤滑油樣，置于頻率為42 kHz、超聲功率為70 W的超聲波發生裝置中，得到的潤滑油溫度隨時間變化關系曲線如圖5所示。

圖5 超聲波熱作用曲線

圖5所示的超聲波作用下溫升曲線表明：超聲波的熱作用效果非常明顯，僅用時20 min就能將油樣溫度從19 ℃提高到40 ℃左右；再經過20 min的超聲輻射作用后，潤滑油樣溫度達到了50 ℃左右；隨后，潤滑油樣溫度隨著超聲波作用時間緩慢增加。

3種潤滑油樣降黏率隨溫度變化關系如圖6所示，潤滑油樣降黏率隨溫度升高而增加。溫度低于30 ℃時，3種油樣降黏率在相同溫度點下變化比較小。當溫度超過30 ℃時，在相同溫度點下，高黏度油樣(10W-50)的降黏率始終大于低黏度油樣(L-TSA32)降黏率，這表明超聲熱作用對高黏度油樣降黏效果比較好。

圖6 潤滑油樣降黏率隨溫度變化關系

超聲波熱作用的產生機制分為以下3種情形：(1)超聲波作用潤滑油樣時，潤滑油吸收超聲波聲能轉化成熱能；(2)在不同介質的分界處存在振動速度上的差異，導致邊界之間摩擦產生熱量，提高潤滑油樣溫度[8]；(3)空化作用在氣泡崩潰的瞬間，產生高壓高溫，使潤滑油樣溫度升高，從而使潤滑油黏度降低[9]。

3.2 空化作用

超聲空化現象[10]是指在一定頻率超聲波輻射作用下，液體中的微小氣泡核被激活；當介質內部的聲壓達到一定數值時，微小氣泡就會迅速膨脹并且很快收縮閉合，表現出氣泡核的振蕩、生長、收縮、崩潰等一系列動力學過程。超聲空化打斷潤滑油樣分子鏈，使部分大分子斷裂成小分子，致使其黏度降低[11]。

利用體視顯微鏡觀察潤滑油超聲空化氣泡的發展變化，如圖7所示，可觀測至燒杯內壁超聲空化形成氣泡到潰滅的現象。

圖7 超聲空化效應

對于強度為I的聲波，它作用于媒質的聲壓公式為

I=P2A2ρc

(2)

pa=PAsinωt

(3)

式中：ω為角頻率；pa為聲壓;PA為聲壓振幅；ρ和c分別為介質的密度和聲速。

空化閾值用來衡量潤滑油發生超聲空化難易程度，其大小還與潤滑油樣的黏性有關。空化閾值是指超聲媒體介質產生空化的最低聲強或聲壓幅值，空化閾值Pc與液體黏度的關系[12]為

Pc=0.8(logμ+5)

(4)

式中:μ為黏滯系數或黏度，Pa·s。

黏性大的油樣，其空化閾值也大，發生超聲空化越難。從表2可看出，溫度為30 ℃時內燃機油10W-50黏度比較大，其空化閾值也較大，發生超聲空化困難。

表2 溫度為30 ℃時各潤滑油的空化閾值

3.3 機械作用

機械作用是指超聲波在彈性介質中傳播時，可使得彈性粒子的振幅、速度及加速度顯著提高，使介質質點產生激烈的機械振動。從微觀上來看，機械振動作用可加速潤滑油樣中較小分子與惰性大分子鏈之間的相對運動，增強分子間的摩擦力，使其剪切變稀，從而起到降黏作用[13]。

圖8 電加熱作用(a)和超聲波機械作用(b)下潤滑油 溫度場紅外熱成像圖

從宏觀上來看，超聲波的機械振動可以起到攪拌和均化的作用。采用FLUKE熱成像儀，觀察得到的電加熱作用和超聲波機械作用下，潤滑油溫度場熱成像圖如圖8所示。電加熱作用潤滑油樣，在局部地區產生了高溫，然后通過介質將熱量傳遞到其他區域，因而溫度不均勻。而超聲高頻振動，可在潤滑油樣中形成有效的機械攪動，使得潤滑油油溫趨于一致。

4 結論

(1)在溫度點相同情況下，超聲作用下潤滑油油樣黏度降低幅度比水浴作用下更大。超聲波的降黏機制，除了超聲熱作用外，超聲空化和機械效應對潤滑油樣降黏有一定促進作用。

(2)潤滑油降黏率隨著超聲作用時間的增加先增大而后趨于穩定，超聲作用時間在30 min左右，10W-50潤滑油降黏率就達74.1%。超聲作用相比于水浴加熱的降黏幅度更大。

(3)在超聲作用相同的溫度條件下，超聲波的熱作用對高黏度油的降黏效果好于低黏度油。

(4)超聲機械效應可以起到攪拌和均化的作用，促進潤滑油溫度的均勻化，避免傳統電加熱導致潤滑油局部溫度過高而使其變性。