油氣潤滑系統混合器設計及內部流場仿真分析

戚天天 謝小鵬 高國剛

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院 廣東廣州510640；2.寶騰智能潤滑技術(東莞)有限公司 廣東東莞 523839)

隨著現代化工業生產水平的提高，機械產品正朝著高速、高效、重載、節能、高自動化和長壽命方向發展，因此其對潤滑效果有著更高的要求[1]。油氣潤滑是利用氣流將潤滑劑輸送到潤滑點的技術。油氣潤滑系統能夠持續供給定量的潤滑油，提高潤滑可靠性、改善機械加工性能、延長軸承使用壽命。同時，系統提供的密封空氣在增強冷卻效果的同時可使軸承免受外部污染。另外，油氣潤滑系統的耗油量遠小于傳統潤滑方式，在節能、減少環境污染等方面體現了獨有的優越性。隨著人們環保意識的增強以及可持續發展的需要，油氣潤滑成為高速電主軸軸承潤滑的發展方向[2]。油氣混合器實現了定量給油以及油氣的兩相混合，是油氣潤滑系統的核心部件，其結構設計直接決定了油氣潤滑系統的潤滑效果。

目前，油氣混合器的研制以及氣液兩相流形成機制的研究，是油氣潤滑系統的研發重點。國外，KAWAHARA等[3]利用高速相機拍攝氣液兩相流體在透明毛細管中的形成過程,揭示其流型形成機制。PARVAREH等[4]采用CFD仿真和ERT試驗檢測相結合的方式對水平管道和豎直管道內的氣液兩相流形成機制進行了研究，2種方式得到的結論具有很好的一致性。MOON等[5]將油氣管噴射至測試紙上形成的油帶寬度作為評價標準，基于表面響應法建立了預測模型，結果表明該模型在不同油含量的工況下具有一定的可靠性。

在國內，王棟和林宗虎[6]提出了分流分相測量氣液兩相流流量的方法，把氣液兩相流的流量檢測變成單向流進行流量測量，消除了由于流動不穩定和流型的變化對測量結果所造成的影響，具有測量精度高、范圍寬等特點。李志宏等[7]基于兩相流基本理論，采用Fluent建立油氣潤滑系統水平管路中油氣兩相流的模型，并分析形成環狀流的條件，在此基礎上提出新的供油方式。解勝和翟華[8]設計了新型油氣混合器，利用CFX軟件對內部流場進行了數值仿真模擬，研究結果表明該油氣混合器可達到油膜厚度可控的要求，滿足潤滑油膜均勻性、連續性和穩定性的要求。

目前針對油氣兩相流理論的研究較少，對油氣潤滑系統應用的研究較多，而且傳統油氣混合器的結構設計相對復雜，使得其加工困難，成本高昂。國內電主軸廠商配套的油氣潤滑系統主要依靠進口，但由于技術壁壘等原因，國內廠商無法得到高端油氣潤滑系統的完整測試數據，國產電主軸的溫升控制仍然存在問題[9]。由此可見，對油氣潤滑系統關鍵部件及油氣兩相流形成機制的研究是十分有必要的。

本文作者設計一種新型油氣潤滑系統油氣混合器，對其工作原理、結構設計、流場流型及油氣管末端供油情況進行研究，并分析油氣兩相流在流道內的形成機制。

1 新型油氣混合器設計

油氣潤滑是利用氣流將潤滑劑輸送到潤滑點的技術。當氣流以較高速度在管路中流動時，滴狀的潤滑劑在空氣的作用下不斷變薄，附在管壁上以相對較低的速度向前輸送，在油氣管道末端形成連續、均勻的油膜最終輸送到摩擦表面。油氣潤滑原理示意圖如圖1所示。

圖1 油氣潤滑原理示意Fig 1 Schematic of oil-gas lubrication

油氣潤滑系統中通過油氣混合器實現定量給油以及油氣的兩相混合，其結構設計直接決定了油氣潤滑系統的潤滑效果。傳統的油氣混合器采用圖1所示原理，即將潤滑油打入氣體流道實現油氣混合。但是采用該設計的油氣混合器油道和氣道之間缺少單向閥阻隔，對油的密封和對氣的密封全由油路單向閥提供，長時間工作后油路單向閥中的傘形圈容易老化，影響油氣潤滑的穩定性。文中改進了設計，采用將氣體打入油道的方式,并在油道和油氣混合區域之間加入了氣路單向閥，使得每一個零件功能單一化，提高穩定性并延長使用壽命。設計原理如圖2所示。

圖2 新型油氣混合閥設計原理Fig 2 Design of new type oil and gas mixing valve

新型油氣混合器相較于傳統油氣混合器結構簡單、加工方便且可靠性更高,由于各部位零件都是可拆卸的，其維修成本也更低。新型油氣混合器包括油壓螺塞、錐形塊、氣路單向閥、計量件、定量閥、油路單向閥、油入口、空氣調節螺栓、氣入口、閥體、油氣出口等，其內部結構如圖3所示。

圖3 新型油氣混合閥內部結構剖面圖Fig 3 Sectional view of internal structure of new type oil-gas mixer

壓縮空氣通過氣入口進入油氣混合器，經空氣調節螺栓調壓，從油氣出口排出。潤滑泵加壓供油時，潤滑油通過油入口進入油氣混合器，經油路單向閥、定量閥、氣路單向閥最后在氣體帶動下從油氣出口排出。定量閥保證潤滑油的準確定量輸送。潤滑油定量的改變可以通過更換計量件實現，不同的計量件底部凸臺的高度不同，安裝后襯套的行程改變，從而改變潤滑油每次行程的排量。

潤滑泵供油結束，定量閥中的活動件在彈簧力作用下復位，重新儲油，油路單向閥防止定量閥中潤滑油的回流。氣路單向閥安裝在計量件內，實現潤滑油的單向輸送，防止打油間隔氣體流入油路。

新型油氣混合器通過調節潤滑泵的注油頻率或者更換相應的容積式定量閥可以精準控制進油量，通過微調空氣調節螺栓可以精準控制進氣量。為了確保潤滑點的可靠潤滑，還需深入研究油氣管道內形成油膜的機制。

2 數值模擬

2.1 兩相流流型理論

兩相流中，一種特定的組分幾何分布形式稱為流態或流型，通常通過視覺判斷來確定流型[10]。氣液兩相流一般分為以下幾種流型：空泡流、彈塞流、平推流、環狀流、分層流、散布流和波狀流[11]。各種流型之間存在邊界，當接近邊界時一種流型就會變得不穩定，外界條件繼續改變就會轉化為另一種流型。但是多相流的轉變具有不可推測性，流型邊界并不是明確的線而是很難定義的轉變區域，研究結果常常表現為流型譜的形式。通過MANDHANE等[12]研究所得出的流型譜，代入油氣混合器兩相的體積通量可以得到油氣混合器形成的流型應為環狀流。

由于油氣混合器所形成的油氣兩相流中兩相速度差異較大，可能會發生開爾文-亥姆霍茲不穩定[13-14]，計算公式為

(1)

式中：ρ1和ρ2為兩相的密度;Δu為兩相速度差;κ為波數;S為表面張力。

當伯努利力超過具有穩固作用的表面張力時，環狀流就會變得不穩定，這表明波長大于臨界波長λc的擾動是不穩定的。

(2)

由于油和氣的密度相差很大，上式可以化簡為

(3)

式中：ρG為空氣密度。

當Δu=60 m/s時，根據式(3)所得出的臨界波長為0.66 mm。所以，對于油氣潤滑中的油氣兩相流，兩相速度差較大，即使波長很小的情況也是不穩定的，液體會撕裂為氣體流動夾帶的小霧滴。

2.2 流體域建立與網格劃分

目前國內外學者研究油氣兩相流成型機制時普遍采用水平管的布局[15]，而在實際應用中，由于場地限制等原因通常采用螺旋管作為油氣輸送管。一方面，螺旋管能在有限空間內增加管道長度，不斷改變流道方向從而增加潤滑油與管壁的接觸面積，更有利于連續、均勻油膜的形成；另一方面，當機器停止工作后螺旋管能將管壁上的油膜保留在螺旋管中，當機器再次啟動時能夠快速形成油膜。

文中首先使用SolidWorks建立流體域的3D模型，再導入到SpaceClaim分區，如圖4所示。整個流體域共分為4個區域，潤滑油初始區域、油氣混合區域、螺旋管區域和末端直管區域。潤滑油初始區域管徑1.8 mm，長7.86 mm，總體積20 mm3，相當于定量閥一次打入的油量；油氣混合區域由管徑1.8 mm和管徑2.5 mm的管道銜接而成。螺旋管區域螺距50 mm，圈數5圈。末端直管長300 mm。

圖4 流體域三維圖Fig 4 3D diagram of fluid domain

使用Mesh對流體域進行網格劃分，對于油氣混合區域采用三角形網格，其余區域采用掃略網格劃分。由于潤滑油主要附在管壁上，掃略網格部分需要對邊界層加密以獲得更高的精度。生成網格后還需要多次修改驗證網格質量和無關性。經過多次修改后，網格綜合質量大于0.68，且再次增加網格后仿真結果不會發生明顯變化。最終網格數量為1 231 318，節點數量為1 292 329。油氣混合區域的網格劃分如圖5所示。

圖5 局部網格劃分Fig 5 Local meshing

2.3 仿真模型

將Mesh網格劃分后的模型導入到Fluent，對計算模型進行具體仿真設置：

(1)環境設置：大氣壓為101 325 Pa，重力為-9.8 N/kg。

(2)材料設置：潤滑油黏度過大或者過小都會使軸承溫升提高，潤滑油黏度比供油量對軸承溫升影響更顯著[16]。潤滑油選用LUBE 68，材料參數設置如表1所示。

表1 兩相流模型材料參數Table 1 Material parameters of two-phase flow model

(3)模型設置：由于是模擬單次打入潤滑油的情況，模型設為基于壓力的瞬態模型；油氣兩相流中液相和氣相沒有相互混合，在兩相的接觸表面有明顯的分界線，多相流模型選擇VOF模型；湍流模型選擇k-omega SST模型。

(4)相設置：由于油氣潤滑為大量氣體帶動少量潤滑油，因此主相設為空氣，次相設為潤滑油。

(5)邊界設置：氣體入口為速度入口，速度為60 m/s，潤滑油的體積分數設為0；油氣出口為壓力出口，考慮到工作環境，設表壓為0.2 MPa。

所有28例宮頸腺癌患者采用體外放射治療加腔內放射治療，體外放療應用60 Co遠距離體外放射治療機，體外全盆野照射總量45～50 Gy，腔內照射應用192Ir后裝治療機，總量24～30 Gy。放療結束后，根據患者的具體情況于3～12周行經腹手術，其中7例患者于放療后4周內行手術，20例患者于放療后4～8周行手術，1例患者于放療后12周行手術;筋膜外全子宮及雙附件切除術26例，筋膜外全子宮、雙附件切除術及部分陰道切除術1例，筋膜外全子宮、雙附件切除術及盆腔淋巴結活檢術1例。

3 實驗結果與分析

由于潤滑油以高壓打入空氣流道且潤滑油密度遠大于空氣，實驗假設的初始狀態如圖6所示，該圖表示初始狀態下流體域內潤滑油的體積分數。其中，潤滑油初始區域內充滿油，其余部分充滿空氣，壓縮空氣從左側入口處進去。設置時間步長為10-4s，一共計算1 000步，整個模擬過程時長為0.1 s。

圖6 流體域初始狀態Fig 6 Initial state of fluid domain

仿真結束，分別選取第500步、第750步、第1 000步，即第0.05 s、第0.075 s、第0.1 s進行后處理。選取螺線管壁面，提取兩相中潤滑油的占比作為參數，結果如圖7所示。在0.5 s時，已經有一部分潤滑油在壓縮空氣的帶動下進入螺旋管并附著在螺旋管壁面，此時位于螺旋管的油量較少，潤滑油主要集中在螺旋管內側的管壁上。在0.75 s時，更多潤滑油進入到螺旋管，螺旋管壁面基本充滿潤滑油。在0.1 s時，螺旋管管壁已經充滿潤滑油。

圖7 不同時間點螺旋管管壁潤滑油占比Fig 7 Proportion of lubricating oil at the spiral tube wall at different times (a) 0.05 s;(b) 0.075 s;(c) 0.1 s

截取螺旋管進入末端直管的截面，分析截面內潤滑油的分布情況，如圖8所示。潤滑油在高速空氣的帶動下經過螺旋管后，逐漸形成了完整的油膜。在0.05 s時，油量較少且螺旋管出口處潤滑油由于慣性仍有一定的速度，油膜主要形成在管道一側。0.075 s及0.1 s時，管壁上附著了很薄的油膜，而管中心充滿空氣，空氣和潤滑油相互分離，有明顯的邊界。

圖8 不同時間點螺旋管末端截面潤滑油分布Fig 8 Lubricating oil distribution at the spiral tube end at different times(a) 0.05 s;(b) 0.075 s;(c) 0.1 s

不同時間點末端直管管壁的兩相分布如圖9所示，由于管道末端存在0.2 MPa的背壓，末端直管內的流型較為復雜多變。在0.05 s時，末端直管已經有一定量的潤滑油聚集并形成了偏向一側的油膜。說明在壓縮空氣的帶動下，部分潤滑油并沒有直接附著于管壁，而是以較高的速度隨壓縮空氣率先到底末端直管，在背壓的作用下降速后附著于管壁并形成了油膜。在0.075 s時，末端直管的油膜出現間歇斷層。在0.1 s時，油膜相對分散但仍然能夠保證連續供給。

圖9 不同時間點末端直管管壁潤滑油分布Fig 9 Lubricating oil distribution at the straight pipe end at different times(a) 0.05 s;(b) 0.075 s;(c) 0.1 s

仿真只能實現單一管道的模擬，為了驗證油氣混合器各出口的一致性，文中進行了實機的實驗。采用油氣潤滑系統的軸承普遍采用側面打孔注入油氣的方式，常見孔徑為0.5 mm，根據這一特殊工況，文中實機測試了分別采用直管和螺旋管的情況下各個出口的壓力大小。試驗臺如圖10所示。

圖10 試驗臺Fig 10 Test bench

試驗臺提供電源以及氣壓恒定為0.6 MPa的壓縮空氣。電源驅動潤滑泵，潤滑泵每6 min打一次油，油路接混合器油入口；壓縮空氣接混合器空氣入口。油氣管道末端接三通管，氣壓表量程為1.5 MPa，三通管另一端管道末端安裝有孔徑為0.5 mm的管內襯套以模擬工況。對700 mm長的直管和2 000 mm的帶螺旋的長管分別測試，直管和螺旋管管徑都為4 mm。常見的電主軸為4點潤滑，取油氣混合器中的4個油氣出口測試氣壓，其中出口1離壓縮空氣入口最近，出口4離空氣入口最遠。結果如圖 11 所示。

圖11 不同管長下油氣混合器各出口氣壓Fig 11 Air pressure at each outlet of the oil-gas mixer under different pipe lengths

圖8所示的螺旋管末端截面潤滑油分布表明油氣兩相流型為環狀流，這與流型譜查得的結果相一致。圖9(c)所示的末端直管管壁潤滑油分布表明油氣兩相環狀流并不穩定，這與開爾文-亥姆霍茲不穩定性理論相一致，與圖12所示油氣兩相流實際流型相吻合。所以仿真模型和模擬方法具有一定的可靠性。

圖12 油氣兩相流實際流型Fig 12 Actual flow pattern of oil and gas two-phase flow

根據以上實驗數據和分析，文中建立了新的油氣混合理論模型：潤滑油在高速度空氣帶動下，一部分潤滑油附著在管壁上，以較低的速度向前流動；另一部分隨著空氣以較高速度在管道中心向前流動。這部分潤滑油在之后不斷重復以上過程，最終潤滑油均勻分布在各段管壁之上。

4 結論

設計了新型油氣混合器，通過加入氣路單向閥實現了潤滑油的單向輸送。結合CFD兩相流的基本原理，建立了包含螺旋管的分段式流體域。利用Fluent軟件建立單次打入潤滑油的瞬態模型，進行了仿真實驗，并分析了各段管壁油膜的形成過程，得出以下結論：

(1)新型油氣混合器結構緊湊，能實現精確定量的油氣供給，具有較好的穩定性。

(2)仿真結果表明，油氣兩相流呈環狀流型，與理論分析和實際情況相符，仿真模型和模擬方法具有一定的可靠性。

(3)結合各段油氣管道的仿真數據，建立了新的油氣混合模型：高速壓縮空氣能夠將潤滑油分為不同速度的部分，從而使得潤滑油能夠在較短時間內均勻分布在整個管道的管壁之上。

(4)在油氣管末端，由于背壓的影響，潤滑油的分布復雜多變，但仍能保證油的連續供給。