基于正交试验法研究超声波对润滑油降黏效果的影响

仇超,傅行军,郭瑞

(东南大学 火电机组振动国家工程研究中心，南京 210096)

滑动轴承是蒸汽轮机、燃气轮机和水轮机等大型重载旋转机械中承担动、静载荷的重要支承部件，依靠轴颈和轴瓦间的收敛-开扩型楔形间隙产生动压油膜，保障整个设备的安全平稳运行。

轴承间隙中的润滑油具有承受转子载荷，减小动静表面之间的摩擦，带走摩擦产生的热量等作用，其黏度变化对整个设备的运行具有重要影响。大型汽轮机机组正常运行中，通常按35～45℃的轴承入口油温标准执行，而寒冷地区润滑油油箱的油温一般低于35 ℃[1]，会使楔形间隙润滑油黏度增大，油膜厚度增加，造成转子运动不稳，可能使大型旋转机械产生振动。因此，必须控制和调节润滑油进口油温来保持滑动轴承稳定运行，需增加相应的控制装置。

超声波降黏技术是近年来在石油化工领域快速发展的一种新技术[2],其不仅在石油降黏方面发挥着巨大作用，而且在调节和控制润滑油黏度方面有一定应用。文献[3]进行了超声波处理稠油试验，结果表明，稠油经超声波作用2 min，可使添加活性剂的稠油黏度大大降低。文献[4-5]进行了超声微波减摩试验，研究了超声对润滑油摩擦学性能的影响，发现超声振动具有良好的减摩抗磨效果。

现采用正交试验法研究不同参数的超声波对润滑油黏度的影响，分析润滑油降黏最佳工艺参数方案，并采用Walther黏温方程对超声作用润滑油黏温关系进行线性拟合，研究超声波作用下润滑油的黏温关系是否服从指数分布。

1 超声波正交试验

1.1 正交试验方案

超声波频率、声强、超声作用时间和初始环境温度等因素均对润滑油黏度的降低有影响，故根据现有试验设备设计超声波参数组合的正交试验[6-7]，水平因素见表1。按照L9(34)正交表进行试验，试验方案见表2。

表2 正交试验方案

1.2 试样及设备

超声波降黏试验装置如图1所示，主要由多频超声波细胞粉碎机、嵌入式工控主板、FPS2800B124流体特性传感器(变幅杆)、300 mL烧杯、恒温水浴槽、温度计、FLUKE热成像仪、秒表等组成。

1—底座；2—烧杯；3—恒温水浴槽；4—润滑油；5—温度计；6—变幅杆；7—多频超声波细胞粉碎机；8—FPS流体特性传感器

试样为全合成机油10W-50、半合成机油10W-40和矿物质油L-TSA32。选择全合成机油10W-50作为正交试验的样本，试验温度范围为20～60 ℃。试样的优级品质量标准见表3。

表3 润滑油优级品质量标准

1.3 试验方法

1)开启恒温水浴，使其保持初始环境温度。

2)将装有300 mL润滑油的烧杯放置于水中，保证变幅杆没过液面的2/3。

3)根据试验序号调节频率、声强、超声作用时间，开启多频超声波细胞粉碎机。

4)采用流体特性传感器测量其初始黏度，超声开始作用，每隔5 min测量一次润滑油黏度。

1.4 试验结果

正交试验结果见表4。采用极差R(全距)表示试验数据的波动范围和离散程度，R越大，表明该水平因素对润滑油降黏率的影响越大；反之，影响越小。因此，根据极差RA，RB，RC，RD的大小评价不同因素对超声波降黏的影响程度。表中：Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分别为1，2，3水平效应的估计值；K为某一水平数据的综合平均值，如K1=I1/水平1的重复次数。降黏率η为

(1)

式中：μ0，μ分别为处理前、后润滑油的动力黏度，mPa·s。

由表4可知，超声波的频率越小，强度越大，超声波作用时间越长，环境温度越低，润滑油黏度降幅越大。影响润滑油黏度变化范围最大的因素是频率，故先将其控制在有效水平，根据K值可知其最佳水平是A1(20 kHz)；第2影响因素是声强，最佳水平是B3(50 W/cm2)；第3影响因素是初始环境温度，最佳水平是D3(25 ℃)；对润滑油黏度影响最小的因素是超声波作用时间，最佳水平是C3(35 min)。以上参数组合即超声波降黏最佳的工艺参数方案。

表4 超声降黏试验结果

2 超声波降黏效果

2.1 结果与分析

研究最佳工艺参数的超声波对3种润滑油黏度降低效果的影响，润滑油黏温关系曲线如图2所示。

图2 最佳参数的超声波作用下润滑油黏温关系曲线

由图2可知，润滑油动力黏度随超声波作用后温度的增加而降低。初始环境温度为20 ℃时，10W-50,10W-40和L-TSA32润滑油动力黏度分别为263.7，220.8，70.8 mPa·s。当超声波作用后油温低于30 ℃时，高黏度润滑油的动力黏度随温度升高而急剧下降；当油温高于30 ℃时，其动力黏度变化逐渐减缓。由此可知，超声作用下油温越高，其动力黏度降幅越大，但超声作用时间过长会导致温度过高，使润滑油变质失效。

根据润滑油黏温特性关系式[8]，采用双对数算法的Walther黏温方程[9]拟合润滑油黏度随超声波作用温度的变化关系，即

lg(lgZ)=D′-C′lgT，

(2)

Z=ν+c+e-1.47-1.84ν-0.51ν2，

(3)

式中：ν为热力学温度下润滑油的运动黏度，m2/s；T为润滑油热力学温度，K；D′，C′为常数；c为余项经验值[10]，一般取0.7。

将Walther黏温方程表示成线性函数方程，令yl=lg(lgZ)，xT=lgT，则(1)式改写为

(4)

采用Walther黏温方程对试验数据进行线性拟合，可得线性斜率C′、截距D′和拟合优度R2。R2表示拟合直线对试验测量值的拟合程度，R2越接近1，说明拟合程度越好。超声波作用下3种润滑油黏温线性拟合如图3所示，拟合参数见表5。

图3 超声波作用下润滑油的黏温线性拟合

表5 超声波作用润滑油的黏温线性拟合参数

由表5可知，超声波作用于3种润滑油的拟合优度非常接近于1，证明拟合精度较高。Walther黏温方程不仅可对水浴作用润滑油离散数据进行线性拟合，还可以对超声波作用润滑油离散数据线性拟合，由此证明Walther黏温方程适用范围较广。

2.2 超声波降黏机理

超声波作用下润滑油黏度降低，从分子热运动的微观角度分析[11]，流体是由大量随机运动的流体分子组成，分子间距离改变会导致分子间作用力改变，而润滑油流体的黏性是流体分子之间的引力和动力相互作用的宏观表现。超声波是频率高于20 kHz的声波，其机械效应、热效应和空化效应[12]会导致润滑油分子平均运动速率增加，分子间距离改变使润滑油的黏度改变。

2.2.1 热效应

超声波作用下润滑油温度随时间变化曲线如图4所示,由图可知，超声波作用于润滑油时，油温随超声波作用时间的增加而逐渐升高。超声波作用润滑油时，润滑油吸收超声波声能转化成热能使油温上升。此外，在不同介质的分界面处，固体和液体的振动速度变化较大，固液摩擦产生热量，使油温升高[13]。

图4 超声波作用下润滑油温度随时间变化曲线

2.2.2 机械效应

超声波是具有能量的声波，其方向性好，穿透能力强，易于获得较为集中的声能。超声波可增强润滑油大、小分子间的摩擦力，剪切摩擦作用使润滑油变稀，从而起到降黏效果[14]。

2.2.3 空化效应

超声波的空化效应[15]会打断润滑油分子链，使部分大分子断裂成小分子，降低润滑油黏度[16]。

润滑油发生超声空化难易程度通常采用空化阈来衡量，其大小与润滑油黏度有关。空化阈Pc与润滑油动力黏度μ的关系为[17]

Pc=0.8(Logμ+5)。

(5)

润滑油黏度大，其空化阈大，发生超声空化现象较难。20 ℃时3种润滑油的空化阈见表6,由表可知，20 ℃时全合成机油10W-50黏度较大，故其发生超声空化较为困难。

表6 20 ℃时3种润滑油的空化阈

因此，超声波降黏的实质是超声波3种效应共同作用下润滑油微观结构和分子间距离发生变化。

3 结论

1)10W-50润滑油超声降黏最佳方案是选择频率20 kHz、强度50 W/cm2的超声波，作用时间为35 min，初始环境温度为25 ℃。

2)采用Walther黏温方程对超声波作用润滑油黏温关系进行线性化拟合，拟合优度接近于1，验证了Walther黏温方程适用范围较广。

3)超声作用时间越长，润滑油黏度降幅越大，但油温过高会使润滑油变性失效，因此应根据动力机械轴承入口温度要求和综合成本选择超声波降黏的最佳方案。

4)滑动轴承润滑油温度较低时，可通过调节超声波参数(如提高强度或降低频率)来提高润滑油进油温度，保证滑动轴承安全稳定运行。