基于ECT对油气润滑中油膜厚度的研究

孙启国，王 莹，王跃飞，周正辉，汪雄师

（北方工业大学 机电工程学院，北京 100144）

基于ECT对油气润滑中油膜厚度的研究

孙启国，王 莹，王跃飞，周正辉，汪雄师

（北方工业大学 机电工程学院，北京 100144）

油膜厚度是评价油气两相环状流的重要指标。论文利用ECT电容层析成像传感器，在油气润滑实验台上，研究了不同单次供油量下水平输油管内的油气两相流油膜厚度变化规律。实验结果表明：随着供油量的逐渐增大，油膜厚度经历了从极薄且不稳定，到油膜较厚相对稳定，到油量沉积、流型变化的过程；在供油量较小的时候，油膜在弯曲管路容易断裂，当供油量较大时，油膜容易在弯曲管路发生堆积。

油气润滑；气液两相流；ECT；最佳供油量

0 引言

油气润滑是近年来在工业中被越来越广泛应用的润滑技术，具有很多显著的特点。传统润滑的润滑介质为润滑油，在油气润滑中，润滑介质为气液两相环状流。这种特殊的润滑介质使得油气润滑的耗油更加精确，同时使油膜承载能力增强。对于油气润滑，油膜厚度是评价润滑效果的重要指标。目前，对于油气润滑环状流油膜厚度的相关研究大多集中在对油膜的观察分析。其中，赵菊开[1]等人研究了传统润滑方法下的油膜厚度，燕山大学的赵孟一[2]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，李志宏[3]运用Fluent对水平管内环状流进行了仿真，张永峰[4]研究了不同单次供油量下的油膜最远输送距离。但是，关于油气润滑环状流油膜厚度的定量研究尚未有人进行。因此，本文利用ECT电容层析成像检测设备，在油气润滑实验台上，研究了供油量对油气环状流油膜厚度的影响。

1 实验设备

实验系统采用由实验室自行设计、面向实际工业应用的油气润滑测试实验台，该实验台可以根据实验需求对供油量、供油频率、供气量、供气压力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。

实验系统由齿轮泵供油。实验开始前，设定整个系统的润滑周期与每周期的供油量，并在递进式分配器上添加接近开关。系统开始工作时，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，CPU下达停泵指令。当下一个周期到来时，系统清空计数器，润滑泵继续工作，计数器从新开始计数，如此反复循环。供气由FG75空气压缩机供给，额定排气压力为0.7～0.8Mpa，额定排气量为670L/min。正常工作时，压缩空气是持续供给，润滑油是间歇性供给。润滑油与空气的在混合油气混合器完成，输送管道采用PVC透明软管。为了减少柔性管弯曲变形对于局部流型造成影响，管道固定在专用的观测面板上，便于观察和检测流型[5～8]。

检测设备使用ECT电容检测系统。电容层析成像技术－ECT（Electrical Capacitance Tomography）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。ECT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入交流电压信号，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。ECT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、成像计算机及软件系统三部分构成[9，10]。如图1所示。

图1 ECT电容层析成像检测系统Fig.1 The imaging detection system of ECT capacitance tomography

2 实验方法

本实验在一定空气压力下，设置不同的单次供油量，通过ECT检测设备观察、分析不同供油量下油膜的形成过程，分析油气润滑在水平管内环状流油膜的形成规律。实验气路中的空气压力由空气三联件、空气流量计和减压阀调节。通过气路的空气流量设为30L/min。在油气润滑的实际应用中，供气压力一般为 0.15～0.4Mpa，主要由输油管道的长度和润滑点数量决定。在本实验中，混合器出口到ECT传感器的管道长度为5m，输送距离较短，供气压力设定为0.2Mpa。实验中液相介质为46号液压油，由齿轮泵向系统供油，油压由溢流阀调节，具体供油量和供油频率由PLC记录油量分配器动作次数，并控制齿轮泵启停来决定。油气润滑的实际应用中，油气润滑的耗油量远小于传统的润滑方式。在供油方式上采用间歇供油的方式，供油量由单个润滑点所需润滑量和润滑点的数量决定，变化范围较大。本实验使用ECT检测装置记录油膜稳定状态下，30s内通过传感器的波形变化。为了使形成的油膜更加稳定，设置供油间隔为15s，逐步提高单次供油量，观察油膜厚度变化规律。表1为本次实验的供油条件。

表1 水平管油膜形成观察实验Tab.1 Experimental settings of oil film formation in horizontal pipe

3 实验结果

3.1 实验结果

图2 为不同供油条件下，ECT传感器测到的管道油膜厚度截面图。从图中我们可以直观地看到，随着供油量的变化油膜厚度逐渐增加。当单次供油为0.2mL时，油膜非常稀薄，实验过程中可以观测到透明管路中部分管路不连续。当单次供油为0.5mL时，油膜厚度明显加大。当单次供油量由1mL增加到4mL的过程中，可观测到油膜均匀、连续，无油膜断裂和油液沉积现象，且随供油量增加，油膜厚度小幅度增加。当单次供油为8mL时，油膜厚度突增，且管道底部的油膜厚度明显高于管道顶部。

图2 ECT油膜截面图Fig.2 The section of oil film based on ECT

图3 是在不同单次供油量下，油膜厚度变化曲线，图4为油膜周向平均厚度随供油量变化曲线。从图中我们可以看出当单次供油为0.2mL时，油膜极薄，厚度约为0.03mm，管内尚未形成连续、稳定的环状流油膜。此时通过在实验过程中对管路的观察：此时管内含油量少，可观测到油膜波长较长，由于两相流油膜非常薄，在非监测的弯曲管段容易发生断裂，油膜不够稳定。因为管道内整体含油量较少，所以油膜的厚度随着供油频率的变化并不明显。

当单次供油量为0.5mL时，管内的环状流油膜厚度明显增大，约为0.20mm。通过实验过程中对管路的观察：油膜厚度明显增大，观测到的油膜波长很短，能够在管路内形成连续油膜，但在弯曲管段容易断裂。油膜厚度能够随着供气频率发生周期性变化。随着供油量的提升，单次供油为1mL，2mL时，油膜厚度基本不变，此时油膜处于稳定状态。管道内形成了均匀稳定的环状流油膜，弯曲管路中不再出现油膜断裂的情况。当单次供油量为4mL时，管道内的油膜厚度显著增大，约为0.31mm。

当单次供油量为8mL时，管内的油膜厚度较大，约为0.59mm。通过对ECT图像的观察，油液已经开始像管道内沉积。观察管道，此时的管内油液比较紊乱，含油量非常多，油液分布不均匀，并且在弯曲管内大量油液沉积。流型介于环状流和层状流之间。

图3 油膜厚度变化曲线Fig.3 Curve diagram of oil film's thickness in pipe cross section

图4 油膜周向平均厚度随供油量变化曲线Fig.4 The circumferential average film thickness curve with the oil supply

3.2 实验结果误差分析

图5 不同单次供油量下油膜厚度的误差分析表。由图5可知，在实验过程中，油膜厚度的相对偏差严格控制在0.2以下。在供油量小于8mL的情况下，油膜厚度的相对平均偏差趋于恒定，且数值均小于0.1；随着供油量的增加，油膜厚度的相对平均偏差增大，当供油量为8mL时，油膜厚度的相对偏差为0.15。由于实验中，油膜厚度由ECT检测系统来测定，选用测量管内电容值，从而换算油膜厚度的形式对油膜厚度进行间接测量。管道布置方法对实验结果有一定的影响，在非监测段的管道有可能存在油液残留的现象，当油量较小时，这些影响因素不明显；当油量增加时，油液残留现象对监测段的实验数据产生较大影响，导致油膜厚度的相对偏差增大。在实验过程中，选择稳定状态下测量并采用多次实验的方法，来消除以上因素对实验结果的影响，相对平均偏差总体控制在0.2以下，保证了实验数据的准确度。

偏度和峰度显示了实验数据的正态分布特性，由图5可知，偏度值随着供油量的增加先变大后减小，且都为小于1的正值，表明实验数据基本呈现正态分布，稍显右偏态。峰值基本呈负数，仅当供油量为0.2mL是为正数，且趋近于0。随着供油量的增加，峰值的大小逐渐增加，保持在-1以内。表明实验数据分布较为集中，基本上与正态曲线重合。由于供油量的增加，增大了额定气压下的气体承载的负担，随着油量增加，油膜在管壁的下半部分出现沉积等现象，尤其在供油量达到8ml时，可以观测到管底油膜厚度明显增加，使油膜厚度的测量出现较大的波动，因此所测数据的集中性逐渐减弱。

图5 不同单次供油量下油膜厚度的误差分析Fig.5 The error analysis of oil film's thickness with different oil supply

4 结论

本文利用油气润滑实验台和ECT电容成像检测系统，对油气润滑水平输油管中的油气两相流进行了实验研究。在符合实际工程的供气条件下，研究了单次供油量对水平管内油气两相流油膜厚度的影响，能够为油气润滑系统的设计和使用提供一定的参考意义。其结论如下：

（1）气压一定的条件下，当供油量特别小的时候，管道内就可以形成环状流的油膜。此时油膜波长较长，油膜厚度很薄；随着供油量的增大，在一定的供油范围内，气液两相流油膜处于相对稳定的状态，此时管道内能够形成连续、稳定的油膜，油膜相对较厚，油膜波长较短；当油量继续增大时，油膜显著变厚，管内润滑油开始向底部沉积，油气两相流的流型开始向层状流转变。

（2）在供油量较小的时候，管道内能够形成油膜，处于供油间隔期，油膜在弯曲管路容易断裂；当供油量较大时，油液向底部沉积，容易在弯曲管路发生堆积。

（3）随着供油量的增加，管内油膜厚度呈现快速增长、缓慢增长、快速增长的变化规律。

[1]赵菊初.渐开线直齿圆柱齿轮接触强度和油膜厚度计算[J].机械设计与制造，1999，3.

[2]赵孟一.油气润滑系统水平管内环状流形成机理研究[D].秦皇岛:燕山大学，2011.

[3]李志宏,孙启国,吕洪波.油气润滑系统水平管路中环状流的形成过程及特性研究[J].润滑与密封，2012，7.

[4]张永峰.油气润滑系统应用理论与实验研究[D].秦皇岛:燕山大学，2011.

[5]张宇.油气润滑设备控制系统设计与研究[D].北京:北方工业大学,2012.

[6]Weck M,Koch A.Spindle bearing systems for high-speed applications in machine t ools[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,1993，1.

[7]Burns VR,Benson JD,Kreucher WM,Reuter RM,Hochhauser AM.Description of auto/oil air quality improvement research program[J].1991.

[8]Jing Yf，Song Lx，Dao Zw，PDA measurements of two-phase flow structure and partical dispersion for a particle laden jet in clossflow [J].Journal of Hydrodynamics，2012，1.

[9]王雷，冀海峰，黄志尧，等.基于ECT传感器和模式识别的气液两相流空隙率测量新方法研究[J].仪器仪表学报，2005，6.

[10]Huang Zhiyao,Wang Baoliang,Li Haiqing.Application of electrical capacitance tomography to the void fraction measurement of two-phase flow.IEEE Transactions on Instrumentation and measurement，2003.

The Research on Oil Film's Thickness under Oil-air Lubrication on the Base of ECT

SUN Qi-Guo，WANG Ying，WANG Yue-Fei，ZHOU Zheng-Hui，WANG Xiong-Shi
（College of Mechanical and Electrical Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China）

Thickness of oil film is an important evaluation criterion for two phase annular flow of oil-air lubrication.Experiments of influence of the single oil supply on the oil film's thickness is done on test rig using ECT technology.Changing trend of the oil film's thickness is analyzed in this paper.The results shows that,the thickness changes through the process of thinness and weakness to thickness and stabilization to focusing on the bottom of pipe;break of annular flow will be happened at curving pipe when single oil supply is little,while blocking of oil will be happened at curving pipe when single oil supply is large.

oil-air lubrication；gas-liquid two-phase flow；ECT；best quantity of oil supply

TH117

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.004

1002－6673（2014）03－009－04

2014－04－01

项目来源：北京市属高等学校人才强教计划资助项目（PHR201107109）

孙启国（1963-），男，山东烟台人，博士，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；王莹（1988-），女，内蒙古通辽人，硕士研究生。研究方向：油气润滑关键技术及成套设备研发。