油气润滑系统混合器设计及内部流场仿真分析

戚天天 谢小鹏 高国刚

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院 广东广州510640；2.宝腾智能润滑技术(东莞)有限公司 广东东莞 523839)

随着现代化工业生产水平的提高，机械产品正朝着高速、高效、重载、节能、高自动化和长寿命方向发展，因此其对润滑效果有着更高的要求[1]。油气润滑是利用气流将润滑剂输送到润滑点的技术。油气润滑系统能够持续供给定量的润滑油，提高润滑可靠性、改善机械加工性能、延长轴承使用寿命。同时，系统提供的密封空气在增强冷却效果的同时可使轴承免受外部污染。另外，油气润滑系统的耗油量远小于传统润滑方式，在节能、减少环境污染等方面体现了独有的优越性。随着人们环保意识的增强以及可持续发展的需要，油气润滑成为高速电主轴轴承润滑的发展方向[2]。油气混合器实现了定量给油以及油气的两相混合，是油气润滑系统的核心部件，其结构设计直接决定了油气润滑系统的润滑效果。

目前，油气混合器的研制以及气液两相流形成机制的研究，是油气润滑系统的研发重点。国外，KAWAHARA等[3]利用高速相机拍摄气液两相流体在透明毛细管中的形成过程,揭示其流型形成机制。PARVAREH等[4]采用CFD仿真和ERT试验检测相结合的方式对水平管道和竖直管道内的气液两相流形成机制进行了研究，2种方式得到的结论具有很好的一致性。MOON等[5]将油气管喷射至测试纸上形成的油带宽度作为评价标准，基于表面响应法建立了预测模型，结果表明该模型在不同油含量的工况下具有一定的可靠性。

在国内，王栋和林宗虎[6]提出了分流分相测量气液两相流流量的方法，把气液两相流的流量检测变成单向流进行流量测量，消除了由于流动不稳定和流型的变化对测量结果所造成的影响，具有测量精度高、范围宽等特点。李志宏等[7]基于两相流基本理论，采用Fluent建立油气润滑系统水平管路中油气两相流的模型，并分析形成环状流的条件，在此基础上提出新的供油方式。解胜和翟华[8]设计了新型油气混合器，利用CFX软件对内部流场进行了数值仿真模拟，研究结果表明该油气混合器可达到油膜厚度可控的要求，满足润滑油膜均匀性、连续性和稳定性的要求。

目前针对油气两相流理论的研究较少，对油气润滑系统应用的研究较多，而且传统油气混合器的结构设计相对复杂，使得其加工困难，成本高昂。国内电主轴厂商配套的油气润滑系统主要依靠进口，但由于技术壁垒等原因，国内厂商无法得到高端油气润滑系统的完整测试数据，国产电主轴的温升控制仍然存在问题[9]。由此可见，对油气润滑系统关键部件及油气两相流形成机制的研究是十分有必要的。

本文作者设计一种新型油气润滑系统油气混合器，对其工作原理、结构设计、流场流型及油气管末端供油情况进行研究，并分析油气两相流在流道内的形成机制。

1 新型油气混合器设计

油气润滑是利用气流将润滑剂输送到润滑点的技术。当气流以较高速度在管路中流动时，滴状的润滑剂在空气的作用下不断变薄，附在管壁上以相对较低的速度向前输送，在油气管道末端形成连续、均匀的油膜最终输送到摩擦表面。油气润滑原理示意图如图1所示。

图1 油气润滑原理示意Fig 1 Schematic of oil-gas lubrication

油气润滑系统中通过油气混合器实现定量给油以及油气的两相混合，其结构设计直接决定了油气润滑系统的润滑效果。传统的油气混合器采用图1所示原理，即将润滑油打入气体流道实现油气混合。但是采用该设计的油气混合器油道和气道之间缺少单向阀阻隔，对油的密封和对气的密封全由油路单向阀提供，长时间工作后油路单向阀中的伞形圈容易老化，影响油气润滑的稳定性。文中改进了设计，采用将气体打入油道的方式,并在油道和油气混合区域之间加入了气路单向阀，使得每一个零件功能单一化，提高稳定性并延长使用寿命。设计原理如图2所示。

图2 新型油气混合阀设计原理Fig 2 Design of new type oil and gas mixing valve

新型油气混合器相较于传统油气混合器结构简单、加工方便且可靠性更高,由于各部位零件都是可拆卸的，其维修成本也更低。新型油气混合器包括油压螺塞、锥形块、气路单向阀、计量件、定量阀、油路单向阀、油入口、空气调节螺栓、气入口、阀体、油气出口等，其内部结构如图3所示。

图3 新型油气混合阀内部结构剖面图Fig 3 Sectional view of internal structure of new type oil-gas mixer

压缩空气通过气入口进入油气混合器，经空气调节螺栓调压，从油气出口排出。润滑泵加压供油时，润滑油通过油入口进入油气混合器，经油路单向阀、定量阀、气路单向阀最后在气体带动下从油气出口排出。定量阀保证润滑油的准确定量输送。润滑油定量的改变可以通过更换计量件实现，不同的计量件底部凸台的高度不同，安装后衬套的行程改变，从而改变润滑油每次行程的排量。

润滑泵供油结束，定量阀中的活动件在弹簧力作用下复位，重新储油，油路单向阀防止定量阀中润滑油的回流。气路单向阀安装在计量件内，实现润滑油的单向输送，防止打油间隔气体流入油路。

新型油气混合器通过调节润滑泵的注油频率或者更换相应的容积式定量阀可以精准控制进油量，通过微调空气调节螺栓可以精准控制进气量。为了确保润滑点的可靠润滑，还需深入研究油气管道内形成油膜的机制。

2 数值模拟

2.1 两相流流型理论

两相流中，一种特定的组分几何分布形式称为流态或流型，通常通过视觉判断来确定流型[10]。气液两相流一般分为以下几种流型：空泡流、弹塞流、平推流、环状流、分层流、散布流和波状流[11]。各种流型之间存在边界，当接近边界时一种流型就会变得不稳定，外界条件继续改变就会转化为另一种流型。但是多相流的转变具有不可推测性，流型边界并不是明确的线而是很难定义的转变区域，研究结果常常表现为流型谱的形式。通过MANDHANE等[12]研究所得出的流型谱，代入油气混合器两相的体积通量可以得到油气混合器形成的流型应为环状流。

由于油气混合器所形成的油气两相流中两相速度差异较大，可能会发生开尔文-亥姆霍兹不稳定[13-14]，计算公式为

(1)

式中：ρ1和ρ2为两相的密度;Δu为两相速度差;κ为波数;S为表面张力。

当伯努利力超过具有稳固作用的表面张力时，环状流就会变得不稳定，这表明波长大于临界波长λc的扰动是不稳定的。

(2)

由于油和气的密度相差很大，上式可以化简为

(3)

式中：ρG为空气密度。

当Δu=60 m/s时，根据式(3)所得出的临界波长为0.66 mm。所以，对于油气润滑中的油气两相流，两相速度差较大，即使波长很小的情况也是不稳定的，液体会撕裂为气体流动夹带的小雾滴。

2.2 流体域建立与网格划分

目前国内外学者研究油气两相流成型机制时普遍采用水平管的布局[15]，而在实际应用中，由于场地限制等原因通常采用螺旋管作为油气输送管。一方面，螺旋管能在有限空间内增加管道长度，不断改变流道方向从而增加润滑油与管壁的接触面积，更有利于连续、均匀油膜的形成；另一方面，当机器停止工作后螺旋管能将管壁上的油膜保留在螺旋管中，当机器再次启动时能够快速形成油膜。

文中首先使用SolidWorks建立流体域的3D模型，再导入到SpaceClaim分区，如图4所示。整个流体域共分为4个区域，润滑油初始区域、油气混合区域、螺旋管区域和末端直管区域。润滑油初始区域管径1.8 mm，长7.86 mm，总体积20 mm3，相当于定量阀一次打入的油量；油气混合区域由管径1.8 mm和管径2.5 mm的管道衔接而成。螺旋管区域螺距50 mm，圈数5圈。末端直管长300 mm。

图4 流体域三维图Fig 4 3D diagram of fluid domain

使用Mesh对流体域进行网格划分，对于油气混合区域采用三角形网格，其余区域采用扫略网格划分。由于润滑油主要附在管壁上，扫略网格部分需要对边界层加密以获得更高的精度。生成网格后还需要多次修改验证网格质量和无关性。经过多次修改后，网格综合质量大于0.68，且再次增加网格后仿真结果不会发生明显变化。最终网格数量为1 231 318，节点数量为1 292 329。油气混合区域的网格划分如图5所示。

图5 局部网格划分Fig 5 Local meshing

2.3 仿真模型

将Mesh网格划分后的模型导入到Fluent，对计算模型进行具体仿真设置：

(1)环境设置：大气压为101 325 Pa，重力为-9.8 N/kg。

(2)材料设置：润滑油黏度过大或者过小都会使轴承温升提高，润滑油黏度比供油量对轴承温升影响更显著[16]。润滑油选用LUBE 68，材料参数设置如表1所示。

表1 两相流模型材料参数Table 1 Material parameters of two-phase flow model

(3)模型设置：由于是模拟单次打入润滑油的情况，模型设为基于压力的瞬态模型；油气两相流中液相和气相没有相互混合，在两相的接触表面有明显的分界线，多相流模型选择VOF模型；湍流模型选择k-omega SST模型。

(4)相设置：由于油气润滑为大量气体带动少量润滑油，因此主相设为空气，次相设为润滑油。

(5)边界设置：气体入口为速度入口，速度为60 m/s，润滑油的体积分数设为0；油气出口为压力出口，考虑到工作环境，设表压为0.2 MPa。

所有28例宫颈腺癌患者采用体外放射治疗加腔内放射治疗，体外放疗应用60 Co远距离体外放射治疗机，体外全盆野照射总量45～50 Gy，腔内照射应用192Ir后装治疗机，总量24～30 Gy。放疗结束后，根据患者的具体情况于3～12周行经腹手术，其中7例患者于放疗后4周内行手术，20例患者于放疗后4～8周行手术，1例患者于放疗后12周行手术;筋膜外全子宫及双附件切除术26例，筋膜外全子宫、双附件切除术及部分阴道切除术1例，筋膜外全子宫、双附件切除术及盆腔淋巴结活检术1例。

3 实验结果与分析

由于润滑油以高压打入空气流道且润滑油密度远大于空气，实验假设的初始状态如图6所示，该图表示初始状态下流体域内润滑油的体积分数。其中，润滑油初始区域内充满油，其余部分充满空气，压缩空气从左侧入口处进去。设置时间步长为10-4s，一共计算1 000步，整个模拟过程时长为0.1 s。

图6 流体域初始状态Fig 6 Initial state of fluid domain

仿真结束，分别选取第500步、第750步、第1 000步，即第0.05 s、第0.075 s、第0.1 s进行后处理。选取螺线管壁面，提取两相中润滑油的占比作为参数，结果如图7所示。在0.5 s时，已经有一部分润滑油在压缩空气的带动下进入螺旋管并附着在螺旋管壁面，此时位于螺旋管的油量较少，润滑油主要集中在螺旋管内侧的管壁上。在0.75 s时，更多润滑油进入到螺旋管，螺旋管壁面基本充满润滑油。在0.1 s时，螺旋管管壁已经充满润滑油。

图7 不同时间点螺旋管管壁润滑油占比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

截取螺旋管进入末端直管的截面，分析截面内润滑油的分布情况，如图8所示。润滑油在高速空气的带动下经过螺旋管后，逐渐形成了完整的油膜。在0.05 s时，油量较少且螺旋管出口处润滑油由于惯性仍有一定的速度，油膜主要形成在管道一侧。0.075 s及0.1 s时，管壁上附着了很薄的油膜，而管中心充满空气，空气和润滑油相互分离，有明显的边界。

图8 不同时间点螺旋管末端截面润滑油分布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

不同时间点末端直管管壁的两相分布如图9所示，由于管道末端存在0.2 MPa的背压，末端直管内的流型较为复杂多变。在0.05 s时，末端直管已经有一定量的润滑油聚集并形成了偏向一侧的油膜。说明在压缩空气的带动下，部分润滑油并没有直接附着于管壁，而是以较高的速度随压缩空气率先到底末端直管，在背压的作用下降速后附着于管壁并形成了油膜。在0.075 s时，末端直管的油膜出现间歇断层。在0.1 s时，油膜相对分散但仍然能够保证连续供给。

图9 不同时间点末端直管管壁润滑油分布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

仿真只能实现单一管道的模拟，为了验证油气混合器各出口的一致性，文中进行了实机的实验。采用油气润滑系统的轴承普遍采用侧面打孔注入油气的方式，常见孔径为0.5 mm，根据这一特殊工况，文中实机测试了分别采用直管和螺旋管的情况下各个出口的压力大小。试验台如图10所示。

图10 试验台Fig 10 Test bench

试验台提供电源以及气压恒定为0.6 MPa的压缩空气。电源驱动润滑泵，润滑泵每6 min打一次油，油路接混合器油入口；压缩空气接混合器空气入口。油气管道末端接三通管，气压表量程为1.5 MPa，三通管另一端管道末端安装有孔径为0.5 mm的管内衬套以模拟工况。对700 mm长的直管和2 000 mm的带螺旋的长管分别测试，直管和螺旋管管径都为4 mm。常见的电主轴为4点润滑，取油气混合器中的4个油气出口测试气压，其中出口1离压缩空气入口最近，出口4离空气入口最远。结果如图 11 所示。

图11 不同管长下油气混合器各出口气压Fig 11 Air pressure at each outlet of the oil-gas mixer under different pipe lengths

图8所示的螺旋管末端截面润滑油分布表明油气两相流型为环状流，这与流型谱查得的结果相一致。图9(c)所示的末端直管管壁润滑油分布表明油气两相环状流并不稳定，这与开尔文-亥姆霍兹不稳定性理论相一致，与图12所示油气两相流实际流型相吻合。所以仿真模型和模拟方法具有一定的可靠性。

图12 油气两相流实际流型Fig 12 Actual flow pattern of oil and gas two-phase flow

根据以上实验数据和分析，文中建立了新的油气混合理论模型：润滑油在高速度空气带动下，一部分润滑油附着在管壁上，以较低的速度向前流动；另一部分随着空气以较高速度在管道中心向前流动。这部分润滑油在之后不断重复以上过程，最终润滑油均匀分布在各段管壁之上。

4 结论

设计了新型油气混合器，通过加入气路单向阀实现了润滑油的单向输送。结合CFD两相流的基本原理，建立了包含螺旋管的分段式流体域。利用Fluent软件建立单次打入润滑油的瞬态模型，进行了仿真实验，并分析了各段管壁油膜的形成过程，得出以下结论：

(1)新型油气混合器结构紧凑，能实现精确定量的油气供给，具有较好的稳定性。

(2)仿真结果表明，油气两相流呈环状流型，与理论分析和实际情况相符，仿真模型和模拟方法具有一定的可靠性。

(3)结合各段油气管道的仿真数据，建立了新的油气混合模型：高速压缩空气能够将润滑油分为不同速度的部分，从而使得润滑油能够在较短时间内均匀分布在整个管道的管壁之上。

(4)在油气管末端，由于背压的影响，润滑油的分布复杂多变，但仍能保证油的连续供给。