孫啟國，王 瑩，王躍飛，周正輝，汪雄師

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

基于ECT對(duì)油氣潤滑中油膜厚度的研究

孫啟國，王 瑩，王躍飛，周正輝，汪雄師

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144）

油膜厚度是評(píng)價(jià)油氣兩相環(huán)狀流的重要指標(biāo)。論文利用ECT電容層析成像傳感器，在油氣潤滑實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，研究了不同單次供油量下水平輸油管內(nèi)的油氣兩相流油膜厚度變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著供油量的逐漸增大，油膜厚度經(jīng)歷了從極薄且不穩(wěn)定，到油膜較厚相對(duì)穩(wěn)定，到油量沉積、流型變化的過程；在供油量較小的時(shí)候，油膜在彎曲管路容易斷裂，當(dāng)供油量較大時(shí)，油膜容易在彎曲管路發(fā)生堆積。

油氣潤滑；氣液兩相流；ECT；最佳供油量

0 引言

油氣潤滑是近年來在工業(yè)中被越來越廣泛應(yīng)用的潤滑技術(shù)，具有很多顯著的特點(diǎn)。傳統(tǒng)潤滑的潤滑介質(zhì)為潤滑油，在油氣潤滑中，潤滑介質(zhì)為氣液兩相環(huán)狀流。這種特殊的潤滑介質(zhì)使得油氣潤滑的耗油更加精確，同時(shí)使油膜承載能力增強(qiáng)。對(duì)于油氣潤滑，油膜厚度是評(píng)價(jià)潤滑效果的重要指標(biāo)。目前，對(duì)于油氣潤滑環(huán)狀流油膜厚度的相關(guān)研究大多集中在對(duì)油膜的觀察分析。其中，趙菊開[1]等人研究了傳統(tǒng)潤滑方法下的油膜厚度，燕山大學(xué)的趙孟一[2]利用粒子圖像測速技術(shù)對(duì)銅管內(nèi)的兩相流流型進(jìn)行了觀察研究，李志宏[3]運(yùn)用Fluent對(duì)水平管內(nèi)環(huán)狀流進(jìn)行了仿真，張永峰[4]研究了不同單次供油量下的油膜最遠(yuǎn)輸送距離。但是，關(guān)于油氣潤滑環(huán)狀流油膜厚度的定量研究尚未有人進(jìn)行。因此，本文利用ECT電容層析成像檢測設(shè)備，在油氣潤滑實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，研究了供油量對(duì)油氣環(huán)狀流油膜厚度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用由實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)、面向?qū)嶋H工業(yè)應(yīng)用的油氣潤滑測試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對(duì)供油量、供油頻率、供氣量、供氣壓力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，便于研究各參數(shù)對(duì)油氣潤滑效果的影響。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由齒輪泵供油。實(shí)驗(yàn)開始前，設(shè)定整個(gè)系統(tǒng)的潤滑周期與每周期的供油量，并在遞進(jìn)式分配器上添加接近開關(guān)。系統(tǒng)開始工作時(shí)，遞進(jìn)式分配器每動(dòng)作一次會(huì)向主控制器發(fā)送一次信號(hào)，主控制器對(duì)發(fā)來信號(hào)計(jì)數(shù)，當(dāng)動(dòng)作次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，即供油量達(dá)到要求值時(shí)，CPU下達(dá)停泵指令。當(dāng)下一個(gè)周期到來時(shí)，系統(tǒng)清空計(jì)數(shù)器，潤滑泵繼續(xù)工作，計(jì)數(shù)器從新開始計(jì)數(shù)，如此反復(fù)循環(huán)。供氣由FG75空氣壓縮機(jī)供給，額定排氣壓力為0.7～0.8Mpa，額定排氣量為670L/min。正常工作時(shí)，壓縮空氣是持續(xù)供給，潤滑油是間歇性供給。潤滑油與空氣的在混合油氣混合器完成，輸送管道采用PVC透明軟管。為了減少柔性管彎曲變形對(duì)于局部流型造成影響，管道固定在專用的觀測面板上，便于觀察和檢測流型[5～8]。

檢測設(shè)備使用ECT電容檢測系統(tǒng)。電容層析成像技術(shù)－ECT（Electrical Capacitance Tomography）是目前兩相流參數(shù)測量領(lǐng)域廣泛研究的一種新型檢測技術(shù)。ECT系統(tǒng)通過設(shè)置于管道壁上的傳感器陣列電極向被測物場注入交流電壓信號(hào)，并從測量電極檢測感應(yīng)電流，計(jì)算各電極間的電容值；由于被測物場的介質(zhì)分布與所測電容之間存在確定的關(guān)系，由測量數(shù)據(jù)及圖像重建算法可得到被測物場內(nèi)介質(zhì)的分布情況，實(shí)現(xiàn)流體的可視化檢測。ECT系統(tǒng)是比較復(fù)雜的檢測系統(tǒng)，通常由陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、成像計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)三部分構(gòu)成[9，10]。如圖1所示。

圖1 ECT電容層析成像檢測系統(tǒng)Fig.1 The imaging detection system of ECT capacitance tomography

2 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在一定空氣壓力下，設(shè)置不同的單次供油量，通過ECT檢測設(shè)備觀察、分析不同供油量下油膜的形成過程，分析油氣潤滑在水平管內(nèi)環(huán)狀流油膜的形成規(guī)律。實(shí)驗(yàn)氣路中的空氣壓力由空氣三聯(lián)件、空氣流量計(jì)和減壓閥調(diào)節(jié)。通過氣路的空氣流量設(shè)為30L/min。在油氣潤滑的實(shí)際應(yīng)用中，供氣壓力一般為 0.15～0.4Mpa，主要由輸油管道的長度和潤滑點(diǎn)數(shù)量決定。在本實(shí)驗(yàn)中，混合器出口到ECT傳感器的管道長度為5m，輸送距離較短，供氣壓力設(shè)定為0.2Mpa。實(shí)驗(yàn)中液相介質(zhì)為46號(hào)液壓油，由齒輪泵向系統(tǒng)供油，油壓由溢流閥調(diào)節(jié)，具體供油量和供油頻率由PLC記錄油量分配器動(dòng)作次數(shù)，并控制齒輪泵啟停來決定。油氣潤滑的實(shí)際應(yīng)用中，油氣潤滑的耗油量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的潤滑方式。在供油方式上采用間歇供油的方式，供油量由單個(gè)潤滑點(diǎn)所需潤滑量和潤滑點(diǎn)的數(shù)量決定，變化范圍較大。本實(shí)驗(yàn)使用ECT檢測裝置記錄油膜穩(wěn)定狀態(tài)下，30s內(nèi)通過傳感器的波形變化。為了使形成的油膜更加穩(wěn)定，設(shè)置供油間隔為15s，逐步提高單次供油量，觀察油膜厚度變化規(guī)律。表1為本次實(shí)驗(yàn)的供油條件。

表1 水平管油膜形成觀察實(shí)驗(yàn)Tab.1 Experimental settings of oil film formation in horizontal pipe

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 為不同供油條件下，ECT傳感器測到的管道油膜厚度截面圖。從圖中我們可以直觀地看到，隨著供油量的變化油膜厚度逐漸增加。當(dāng)單次供油為0.2mL時(shí)，油膜非常稀薄，實(shí)驗(yàn)過程中可以觀測到透明管路中部分管路不連續(xù)。當(dāng)單次供油為0.5mL時(shí)，油膜厚度明顯加大。當(dāng)單次供油量由1mL增加到4mL的過程中，可觀測到油膜均勻、連續(xù)，無油膜斷裂和油液沉積現(xiàn)象，且隨供油量增加，油膜厚度小幅度增加。當(dāng)單次供油為8mL時(shí)，油膜厚度突增，且管道底部的油膜厚度明顯高于管道頂部。

圖2 ECT油膜截面圖Fig.2 The section of oil film based on ECT

圖3 是在不同單次供油量下，油膜厚度變化曲線，圖4為油膜周向平均厚度隨供油量變化曲線。從圖中我們可以看出當(dāng)單次供油為0.2mL時(shí)，油膜極薄，厚度約為0.03mm，管內(nèi)尚未形成連續(xù)、穩(wěn)定的環(huán)狀流油膜。此時(shí)通過在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)管路的觀察：此時(shí)管內(nèi)含油量少，可觀測到油膜波長較長，由于兩相流油膜非常薄，在非監(jiān)測的彎曲管段容易發(fā)生斷裂，油膜不夠穩(wěn)定。因?yàn)楣艿纼?nèi)整體含油量較少，所以油膜的厚度隨著供油頻率的變化并不明顯。

當(dāng)單次供油量為0.5mL時(shí)，管內(nèi)的環(huán)狀流油膜厚度明顯增大，約為0.20mm。通過實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)管路的觀察：油膜厚度明顯增大，觀測到的油膜波長很短，能夠在管路內(nèi)形成連續(xù)油膜，但在彎曲管段容易斷裂。油膜厚度能夠隨著供氣頻率發(fā)生周期性變化。隨著供油量的提升，單次供油為1mL，2mL時(shí)，油膜厚度基本不變，此時(shí)油膜處于穩(wěn)定狀態(tài)。管道內(nèi)形成了均勻穩(wěn)定的環(huán)狀流油膜，彎曲管路中不再出現(xiàn)油膜斷裂的情況。當(dāng)單次供油量為4mL時(shí)，管道內(nèi)的油膜厚度顯著增大，約為0.31mm。

當(dāng)單次供油量為8mL時(shí)，管內(nèi)的油膜厚度較大，約為0.59mm。通過對(duì)ECT圖像的觀察，油液已經(jīng)開始像管道內(nèi)沉積。觀察管道，此時(shí)的管內(nèi)油液比較紊亂，含油量非常多，油液分布不均勻，并且在彎曲管內(nèi)大量油液沉積。流型介于環(huán)狀流和層狀流之間。

圖3 油膜厚度變化曲線Fig.3 Curve diagram of oil film's thickness in pipe cross section

圖4 油膜周向平均厚度隨供油量變化曲線Fig.4 The circumferential average film thickness curve with the oil supply

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分析

圖5 不同單次供油量下油膜厚度的誤差分析表。由圖5可知，在實(shí)驗(yàn)過程中，油膜厚度的相對(duì)偏差嚴(yán)格控制在0.2以下。在供油量小于8mL的情況下，油膜厚度的相對(duì)平均偏差趨于恒定，且數(shù)值均小于0.1；隨著供油量的增加，油膜厚度的相對(duì)平均偏差增大，當(dāng)供油量為8mL時(shí)，油膜厚度的相對(duì)偏差為0.15。由于實(shí)驗(yàn)中，油膜厚度由ECT檢測系統(tǒng)來測定，選用測量管內(nèi)電容值，從而換算油膜厚度的形式對(duì)油膜厚度進(jìn)行間接測量。管道布置方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，在非監(jiān)測段的管道有可能存在油液殘留的現(xiàn)象，當(dāng)油量較小時(shí)，這些影響因素不明顯；當(dāng)油量增加時(shí)，油液殘留現(xiàn)象對(duì)監(jiān)測段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致油膜厚度的相對(duì)偏差增大。在實(shí)驗(yàn)過程中，選擇穩(wěn)定狀態(tài)下測量并采用多次實(shí)驗(yàn)的方法，來消除以上因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，相對(duì)平均偏差總體控制在0.2以下，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

偏度和峰度顯示了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的正態(tài)分布特性，由圖5可知，偏度值隨著供油量的增加先變大后減小，且都為小于1的正值，表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本呈現(xiàn)正態(tài)分布，稍顯右偏態(tài)。峰值基本呈負(fù)數(shù)，僅當(dāng)供油量為0.2mL是為正數(shù)，且趨近于0。隨著供油量的增加，峰值的大小逐漸增加，保持在-1以內(nèi)。表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布較為集中，基本上與正態(tài)曲線重合。由于供油量的增加，增大了額定氣壓下的氣體承載的負(fù)擔(dān)，隨著油量增加，油膜在管壁的下半部分出現(xiàn)沉積等現(xiàn)象，尤其在供油量達(dá)到8ml時(shí)，可以觀測到管底油膜厚度明顯增加，使油膜厚度的測量出現(xiàn)較大的波動(dòng)，因此所測數(shù)據(jù)的集中性逐漸減弱。

圖5 不同單次供油量下油膜厚度的誤差分析Fig.5 The error analysis of oil film's thickness with different oil supply

4 結(jié)論

本文利用油氣潤滑實(shí)驗(yàn)臺(tái)和ECT電容成像檢測系統(tǒng)，對(duì)油氣潤滑水平輸油管中的油氣兩相流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在符合實(shí)際工程的供氣條件下，研究了單次供油量對(duì)水平管內(nèi)油氣兩相流油膜厚度的影響，能夠?yàn)橛蜌鉂櫥到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用提供一定的參考意義。其結(jié)論如下：

（1）氣壓一定的條件下，當(dāng)供油量特別小的時(shí)候，管道內(nèi)就可以形成環(huán)狀流的油膜。此時(shí)油膜波長較長，油膜厚度很??；隨著供油量的增大，在一定的供油范圍內(nèi)，氣液兩相流油膜處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)管道內(nèi)能夠形成連續(xù)、穩(wěn)定的油膜，油膜相對(duì)較厚，油膜波長較短；當(dāng)油量繼續(xù)增大時(shí)，油膜顯著變厚，管內(nèi)潤滑油開始向底部沉積，油氣兩相流的流型開始向?qū)訝盍鬓D(zhuǎn)變。

（2）在供油量較小的時(shí)候，管道內(nèi)能夠形成油膜，處于供油間隔期，油膜在彎曲管路容易斷裂；當(dāng)供油量較大時(shí)，油液向底部沉積，容易在彎曲管路發(fā)生堆積。

（3）隨著供油量的增加，管內(nèi)油膜厚度呈現(xiàn)快速增長、緩慢增長、快速增長的變化規(guī)律。

[1]趙菊初.漸開線直齒圓柱齒輪接觸強(qiáng)度和油膜厚度計(jì)算[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1999，3.

[2]趙孟一.油氣潤滑系統(tǒng)水平管內(nèi)環(huán)狀流形成機(jī)理研究[D].秦皇島:燕山大學(xué)，2011.

[3]李志宏,孫啟國,呂洪波.油氣潤滑系統(tǒng)水平管路中環(huán)狀流的形成過程及特性研究[J].潤滑與密封，2012，7.

[4]張永峰.油氣潤滑系統(tǒng)應(yīng)用理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].秦皇島:燕山大學(xué)，2011.

[5]張宇.油氣潤滑設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].北京:北方工業(yè)大學(xué),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，黃志堯，等.基于ECT傳感器和模式識(shí)別的氣液兩相流空隙率測量新方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，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

項(xiàng)目來源：北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教計(jì)劃資助項(xiàng)目（PHR201107109）

孫啟國（1963-），男，山東煙臺(tái)人，博士，教授。研究方向：摩擦學(xué)與工業(yè)潤滑技術(shù)、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及其控制；王瑩（1988-），女，內(nèi)蒙古通遼人，碩士研究生。研究方向：油氣潤滑關(guān)鍵技術(shù)及成套設(shè)備研發(fā)。