DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.012
气力式油雾器雾化性能影响因素试验研究
孙中圣，沈政，李小宁
(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京，210094)
摘要：针对气力式油雾器，设计气力式油雾器雾化性能测试系统。通过测量油雾器产生的油雾质量浓度，研究其在不同进出口压差、进口压力、油膜厚度以及油温条件下的雾化性能。研究结果表明：增大进出口压差可以显著提高气力式油雾器的油雾质量浓度和流量；在进出口压差一定时，进口压力升高会导致油雾质量浓度降低；油箱内油膜厚度亦会影响油液雾化效果，随着油膜厚度的减小，气流阻力减小，油雾质量浓度增大；在进出口压差和进口压力不变时，升高油温能够降低油液的黏度，有利于油液雾化。
关键词：油雾质量浓度；压差；进口压力；油膜厚度；油温
中图分类号：TH138 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2018)03-0600-06
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)
Abstract: 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.
Key words: oil mist density; pressure difference; inlet pressure; oil film thickness; oil temperature
油雾润滑是一种高效先进的集中润滑方式[1]，与其他润滑方式相比具有雾化粒子小(10 μm以下)、雾化均匀、可靠性高、耗油量低等优势，已逐步取代传统的润滑方式[2-4]。气力式油雾器作为油雾发生装置，是整个油雾润滑系统的核心部件，它利用高速气流卷吸和冲击速度较低的油液而使其雾化成微小液滴[5]。油雾器的性能直接影响整个油雾润滑系统的工作性能，它必须提供足量的润滑介质，即足够的油雾质量浓度，才能对各个润滑点进行有效而充分的润滑；油雾质量浓度低、颗粒大和稳定性差等因素会导致润滑效果降低[6-7]。因此，油雾器雾化性能响因素的研究，对使用、设计生产油雾器和油雾润滑系统时是非常必要的[8]。关于气力式油雾器雾化性能的影响因素，国内外学者做了大量而卓有成效的研究。其中，RAHIMI等[9]从油雾颗粒粒径和分布的角度，对凝胶推进剂的气力式雾化过程进行了研究，揭示了液体的黏度和气液质量流量比对雾化效果的影响规律；MA等[10]通过试验研究发现气体压力对喷头雾化性能的影响尤为显著，气体压力升高，微雾颗粒速度增大，雾化性能提高；程维等[11]通过研究水煤浆气流雾化的初次破裂特性，得到提高气流速度会增大浆体表面的振荡频率，进而显著地提高液体的雾化效果；陈建文等[12]对不同黏度和不同表面张力的液体雾化性能进行试验研究，验证了黏度和表面张力都是阻碍表面波振幅增大的原因，这2种因素的增大会导致空气作用下的液体表面振幅减小，降低其振动破碎的概率，从而影响雾化颗粒粒径。目前在对气力式油雾器雾化性能影响因素进行研究分析时，大多从雾化颗粒粒径及分布的角度分析油雾器的雾化性能[13-14]，很少从实际工程润滑所需油雾质量浓度的角度进行研究。此外，目前国际知名厂商如SMC(AL，ALD系列[15]{SMC(中国)有限公司, 2014 #263})、Festo(MS，D系列)等油雾器成品中也均未给出油雾质量浓度相关参数，给使用油雾器和设计油雾润滑系统带来了困难。本文作者针对气力式油雾器，设计油雾器雾化性能测试系统，从油雾质量浓度角度，对进出口压差、进口压力、开启工作后油膜厚度以及油温对雾化性能的影响进行了试验研究和分析。
1 气力式油雾器结构及雾化机理
气力式油雾器结构如图1所示。一定压力的压缩空气进入喷头，喷头内部的压力与油液表面上的压力有一定的压差，气体经由直径较小(0.5 mm左右)的气孔以高速气流喷出，将气孔周围的油卷吸起来冲击雾化。大量较小油雾颗粒漂浮至油箱液面上方，从出口被引射出去，较大油雾颗粒在重力作用下落回油液中。
图1 气力式油雾器结构示意图
Fig. 1 Structural diagram of air-blast lubricator
气力式雾化是由于油液受到高速气流冲击而出现不稳定波动引起的[16]。雾化过程中气动力(
)较大，并且表面波的波长(
)超过临界波长时，液面波动的振幅将会增大，直至振幅大到一定程度时，半个波长或整个波长会脱离液面，进而在表面张力的作用下收缩成液滴[17-18]。表面波的振幅(A)由微分方程控制，可用式(1)表示：
(1)
式中：
为气体密度；
为油液密度；
为气体流速；
为油液黏度；为扰动波长；u为波速；
为Jeffrey遮蔽系数。
由式(1)可知：气体流速是促进表面波振幅增大的因素，流速增大，则表面波的振幅增大。液体的黏性是阻碍表面波振幅增大的因素，因为黏性大的液体消耗更多的雾化能量，使得液面振动和破碎的能量相对减少，导致表面波的振幅变小。当气动力和液体表面张力不可忽略时，式(1)中的波速u可用式(2)表示：
(2)
式中：
为油液滴的表面张力系数；
是气动力作用在油液面而引起的加速度，可以用式(3)表示：
(3)
式中: 
为气动作用系数；
为气液作用夹角；D 为液束半径；
为自由气流的密度；
为自由气流的速度。
将式(2)代入式(1)，并假设
u，
近似为
，得到式(4)表示的表面波振幅与各影响因素关系的微分方程：
(4)
式(4)表明：气体流速、油液表面张力和油液黏性等因素均会影响油液的雾化效果。气体流速由喷头微孔、进出口压力和压差以及气体流出时受到油膜的阻力共同决定。油温会影响油的表面张力和黏性，从而会影响雾化效果。
2 测试系统
为分析影响油雾器雾化油雾质量浓度的因素，设计的油雾器雾化性能测试系统回路原理图如图2所示，测试系统实物图如图3所示。
首先气源气体经过微雾分离器分离其中的油雾，消除气源压缩空气中已存在的油雾对试验的影响。减压阀调节系统及油雾器进口压力，采用压力传感器测量油雾器进、出口压力，并由上位机进行数据采集。
图2 油雾器雾化性能测试回路原理图
Fig. 2 Schematic diagram of atomization performance measurement for lubricator
图3 测试系统实物图
Fig. 3 Photo of measurement system
含有大量油雾的压缩气体在排向大气时通过油雾过滤器和微雾分离器过滤其中的油雾，以免污染环境，最后经过消音器排出。油雾质量浓度采用TSI8532型粉尘测定仪进行测量，量程为0~150 mg/m3。由于油雾器产生的油雾质量浓度会超出其测量范围，因此，并联一路洁净空气，用于稀释油雾器产生的大浓度油雾，使油雾质量浓度在粉尘测定仪的测量量程内。采用流量传感器测量洁净空气流量和稀释后气体总流量，并根据稀释后油雾质量浓度测量值，换算得到油雾器能够产生的油雾质量浓度。由于此型号粉尘测定仪需在大气压下测量油雾质量浓度，因此，在主回路连接采样测量支路，经过气球转换为大气压。通过气球膨胀的状态来判断其中油雾的压力，通过节流阀10调节进入气球的气体流量来控制气球的膨胀状态，进而达到大气压状态。油雾器产生的油雾质量浓度D可用式(5)表示：
(5)
式中：Q1为气体总流量；Q2为洁净空气流量；D1为粉尘测定仪测量值。
设定减压阀出口压力后，通过节流阀15可以调节油雾器出口压力，即可获得油雾质量浓度与油雾器进出口压差
的关系。调节减压阀出口压力为不同压力，即不同的油雾器进口压力时，通过调节节流阀15保持油雾器进出口压差为定值，即可得到油雾质量浓度与进口压力P0的关系。此外试验还可获得油雾质量浓度与油雾器油箱中油膜厚度H的关系；最后，通过加热单元控制油箱内油液温度，可以得到油雾质量浓度与油温T的关系。试验采用透平油ISO VG46作为雾化介质。该系统通过测得粒径10μm以下油雾质量浓度D来评价油雾器在不同进出口压差、进口压力、油膜厚度和油温条件下的雾化性能，即
，
，
和
关系曲线。
3 试验结果及分析
3.1 油雾质量浓度D与油雾器进出口压差△P的关系
油雾质量浓度D与油雾器进出口压差△P的关系曲线如图4所示。由图4可见：随着进出口压差的增大，油雾器产生的油雾质量浓度增大，油雾器进出口压差从0.1 MPa增大到0.55 MPa时，油雾质量浓度从41.75 mg/m3升高到197.77 mg/m3，雾化效果提升近5倍；并且油雾质量浓度与进出口压差近似成线性关系。
一定压力气体从喷头微小气孔以高速流出的喷嘴等熵流动模型如图5所示。
图4 油雾质量浓度与进出口压差关系曲线
Fig. 4 Relation between pressure difference of inlet and outlet and oil mist density
图5 喷嘴等熵流动模型
Fig. 5 Isentropic flow model of nozzle
则出口流速u2为：
(6)
式中：
为等熵指数；R为空气气体常数，289 J/(kg·K)；T0为容器内温度；P0为容器内气体压力(进口压力)；P2为出口处气体压力。
由式(6)可知：油雾器进出口的压差会导致出流气体流速的变化，压差增大，流速增大。结合式(4)可知：流速增大导致振幅增大，油液更易于被雾化，进而使油液的雾化效果得到提升，油雾质量浓度增大，即油雾质量浓度随着油雾器进出口压差的增大而增大，这与试验值一致。
油雾器流量Q与进出口压差△P的关系曲线如图6所示。由式(6)可知，由于压差的增大，小孔出流气体的流速增大，由
可知：单位时间内通过小孔的流量增大。由图6可见：油雾器进出口压差从0.1 MPa增大到0.55 MPa时，油雾器的流量也同步增加，从270 L/min最大可增加到380 L/min。因此，增加进出口压差可以得到更多大油雾质量浓度的压缩气体。
图6 油雾器流量与进出口压差关系曲线
Fig. 6 Relation between pressure difference of inlet and outlet and flow rate of lubricator
3.2 油雾质量浓度D与进口压力P0的关系
式(6)亦表明，在进出口P0，P2的压差△P一定时，若二者比值P2/P0增大，会导致小孔出流速度u2减小，进而使雾化效果降低。取进出口压差为0.4 MPa时，随着进口压力的增大，P2/P0增大，小孔出流气体流速u2降低，油液不易被雾化，油雾质量浓度降低，油雾质量浓度D与进口压力P0的关系如图7所示。由图7可见：在保持进出口压差一定时，随着进口压力的增大，油雾质量浓度减少；进口压力从0.5 MPa增大到0.7 MPa时，油雾质量浓度从284.3 mg/m3近似线性地减小为147.2 mg/m3，降低幅度为48%。
图7 油雾质量浓度与进口压力关系曲线
Fig. 7 Relation between inlet pressure and oil mist density
3.3 油雾质量浓度D与油膜厚度H的关系
试验表明油雾器油箱内油膜的厚度H会对雾化效果造成影响。油雾器开启工作后，油箱内油膜厚度随时间变化情况如图8所示。由图8可见：随着时间的变长，更多的油液被卷吸起来冲散成泡沫状覆盖在油液上，导致油膜厚度逐渐减小。
图8 油膜厚度H的变化
Fig. 8 Change of oil film Thickness
油雾质量浓度和油膜厚度与开启后工作时间的关系图如图9所示。由图9可见：随着每次开启后工作时间t从0 min增长到30 min，覆盖在喷头上方的油膜厚度从35 mm减小到0 mm，油液全部转化为泡沫状覆盖在喷头上方；油雾质量浓度从225 mg/m3增加到307.9 mg/m3，增幅可达36.8%。
油膜厚度随着油雾器开启后工作时间的变长而减小，更多的液态油液被卷吸吹散而形成黏度和表面张力较小的泡沫覆盖在喷头上，从喷头微小气孔流出的高速气体受到的阻力减小，因而流速增大，油液更易被雾化，油雾质量浓度增大。此外，泡沫状油的黏度和表面张力较小，耗散的雾化能较小，用于雾化破碎的能量相对较大，所以更加容易被雾化成微小的雾滴，因而油雾质量浓度增大。
图9 油雾质量浓度和油膜厚度与时间关系曲线
Fig. 9 Relationship between time and oil mist density and oil film thickness
3.4 油雾质量浓度D与油温T的关系
油雾器油箱加热单元如图10所示，使用硅橡胶加热带对油箱中的油液进行加热，基于热电偶的温度反馈，使用温控器进行精确的温度控制。在油雾器入口压力0.7 MPa和进出口压差0.55 MPa均为定值时，得到油雾质量浓度与油温关系如图11所示。由图11可见：看出随着油温从25 ℃增加到45 ℃时，油雾质量浓度从177.3 mg/m3增加到313.4 mg/m3，增加幅度为76.8%，可见油温对油雾质量浓度的影响较大。由于润滑油液的黏度与温度近似成幂指数关系，其回归方程为：
，其中c和a均为正值常数，即油温升高，油液黏度和表面张力随着温度升高而减小，从而使所耗散的雾化能降低，雾化破碎的能量则相对增大，油液更易被雾化，雾化效果得到显著提升。由式(4)也可知，油液黏度
降低有利于油液的雾化，即油雾质量浓度随油温升高而增大，这与试验值一致。
图10 油雾器油箱加热单元示意图
Fig. 10 Heating diagram of lubricator tank
图11 油雾质量浓度与油温关系曲线
Fig. 11 Relationship between oil mist density and oil temperature
4 结论
1) 设计了油雾器雾化性能测试系统，能够实时有效地测量不同压力、流量以及油温等条件下油雾器产生的油雾质量浓度，以此来分析上述因素对油雾器雾化性能的影响。
2) 油雾质量浓度随着油雾器进出口压差的增大而显著增大，同时油雾器的流量得到明显提升；油雾器进出口压差一定时，随着进口压力的增大，微小气孔流出气体的流速减小，导致油雾质量浓度减小；油膜厚度随着油箱内油液逐渐被卷吸吹散形成沫状而减小，气孔出流气体遇到的阻力减小，更容易雾化，油雾器雾化性能得到较大提升；当进出口压差和进口压力一定时，油温升高，油液的黏度和表面张力减小，使油雾器雾化性能得到显著增强。
参考文献：
[1] SALWINSKI J. Ecological and energetic aspects of an oil mist lubrication of the selected mechanical systems[J]. Przem Chem, 2015, 94(9): 1554-1556.
[2] 杨仲斌. 传统油浴润滑与集中油雾润滑的比较和分析[J]. 石油和化工设备, 2014(1): 34-36.
YANG Zhongbin. Comparison and analysis of traditional oil bath lubrication and centralized oil mist lubrication[J]. Petro & Chemical Equipment, 2014(1): 34-36.
[3] 苏慧东, 田迎雪. 油雾润滑系统润滑效果分析[J]. 化工管理, 2015(12): 142.
SU Huidong, TIAN Yingxue. Lubrication effect analysis of oil mist lubrication system[J]. Chemical Enterprise Management, 2015(12): 142.
[4] EHLERT D. Consider closed-loop oil-mist lubrication A growing trend is migrating to this new lubricating system for rotating equipment[J]. Hydrocarb Process, 2011, 90(6): 61-65.
[5] ZHOU W X, YU Z H. Multifractality of drop breakup in the air-blast nozzle atomization process[J]. Phys Rev E, 2001, 63(1): 1-10.
[6] 陈建文, 宋锦春, 张志伟, 等. 关于油雾润滑中油雾质量浓度的影响因素分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2007, 28(4): 566-568.
CHEN Jianwen, SONG Jinchun, ZHANG Zhiwei, et al. Influencing factors on oil-mist concentration during atomized lubrication[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2007, 28(4): 566-568.
[7] 张庆祥. 油雾润滑技术系统介绍及应用[J]. 装备制造技术, 2012(9): 82-85.
ZHANG Qingxiang. Introduction and application of oil mist lubrication technology system[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2012(9): 82-85.
[8] 路波, 刘丽娇, 毛乾晖, 等. 气动油雾器测试标准及改进设计[J]. 液压气动与密封, 2013, 33(2): 62-64.
LU Bo, LIU Lijiao, MAO Qianhui, et al. Quality test standards and evaluation of pneumatic lubricator[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2013, 33(2): 62-64.
[9] RAHIMI S, NATAN B. Atomization of gel propellants through an air-blast triplet atomizer[J]. Atomization Spray, 2006, 16(4): 379-400.
[10] MA Rui, DONG Bo, YU Zhongqiang, et al. An experimental study on the spray characteristics of the air-blast atomizer[J]. Appl Therm Eng, 2015, 88: 149-156.
[11] 程维, 赵辉, 孟沁玮, 等. 水煤浆气流雾化的初次破裂特性[J]. 化工学报, 2011, 62(1): 25-31.
CHENG Wei, ZHAO Hui, MENG Qinwei, et al. Primary breakup characteristics of air-blast atomization of coal-water slurry[J]. CIESC Journal, 2011, 62(1): 25-31.
[12] 陈建文, 张志伟, 王长周, 等. 液体黏度和表面张力对雾化颗粒粒径的影响[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2010, 31(7): 1023-1025.
CHEN Jianwen, ZHANG Zhiwei, WANG Changzhou, et al. Effects of fluid viscosity and surface tension on the size of atomized droplets[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science) , 2010, 31(7): 1023-1025.
[13] 高春景, 韩国跃. 气力式喷嘴加压雾化性能研究[J]. 科技信息, 2010(32): 345-346.
GAO Chunjing, HAN Guoyue. Study on pressure atomization performance of air-blast nozzle[J]. Science & Technology Information, 2010(32): 345-346.
[14] 唐虎, 成竹, 蒋军亮, 等. 空气助力雾化喷嘴雾化特性实验研究[J]. 装备环境工程, 2012, 2(9): 38-41.
TANG Hu, CHENG Zhu, JIANG Junliang, et al. Experimental investigation of spray characteristic of air-blast atomizer[J]. Equipment Environmental Engineering, 2012, 2(9): 38-41.
[15] SMC(中国)有限公司. 现代实用气动技术[M]. 3版. 北京: 机械工业出版社, 2014: 434-442.
SMC(China) Co. Ltd. Modern practical pneumatic technology[M]. 3rd ed. Beijing: China Machine Press, 2014: 434-442.
[16] 侯妍冰, 田秀山, 赵辉, 等. 黏弹性对液体初次雾化特性的影响[J]. 化工学报, 2013, 64(5): 1601-1606.
HOU Yanbing, TIAN Xiushan, ZHAO Hui, et al. Influence of viscoelasticity on liquid primary atomization[J]. CIESC Journal, 2013, 64(5): 1601-1606.
[17] 姚悦. 高黏度流体气力雾化机理及试验研究[D]. 杭州: 浙江大学能源工程学院, 2006: 12-18.
YAO Yue. Mechanism and experiment study of air-blast atomization of high viscosity liquid[D]. Hangzhou: Zhejiang University. College of Energy Engineering, 2006: 12-18.
[18] SHAVIT U. Gas-liquid interaction in the liquid breakup region of two-fluid atomization[J]. Experiments in Fluids, 2001, 31(5): 550-557.
(编辑 赵俊)
收稿日期：2017-03-12；修回日期：2017-05-09
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51475242) (Project(51475242) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：孙中圣，博士，副教授，从事气动技术及机电控制技术的研究；E-mail: billsun1978@163.com
