机械毕业设计（论文）轧钢机润滑供油与自动控制系统设计【全套图纸】.doc

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1、第一章 绪 论1.1油气润滑技术的发展简史通过润滑来减少摩擦，这在古埃及时代已经开始了。人们利用木棍来运输大石块，并在木棍上洒上水。人们也早就认识到，如果在轴上涂上油脂，车轮就不会吱吱作响，润滑能减少轮轴和轮子之间的磨损。直到发明蒸汽机，人们才进一步考虑运动部位的润滑问题。首先，他们用小壶将油注入轴承，很快又在轴上钻洞，以便更好地将油（多数是植物油）注入，火车头上的司机在停车的时候下来用油壶在曲柄与连杆之间的轴上浇油。但对于蒸汽机来说，更大的问题在于活塞和汽缸的润滑。开始时，用来密封活塞和活塞杆的密封填料必须经常更换，在这种情况下需要大量的牛油和羊油。在十九世纪下半叶，有人设计出汽缸润滑器，它

2、还是将动物油作为润滑剂来使用，其用法是将动物油利用蒸汽的热量加以溶化，再分成小剂量喷到流向汽缸的蒸汽里，从而对活塞和汽缸起到润滑作用，其实这就是利用了油气润滑的原理，但当时人们根本没有意识到这一点。后来这种润滑器得到了改进，改用矿物油，这种方法保留至今。差不多同时有人造出了空气压缩机，它的内部同样需要润滑，于是有人发明了一种T 形装置，这种T 形装置能保存注入的油在较长时间里使用并分配出去，随后这种T 形装置很快就发展成带有纤维刷子的并获得了专利的润滑器。很快又制造出一种新的润滑装置，里面流动着压缩空气，这种润滑装置通过文丘里喷嘴（管）将油从容器中吸出，并在空气中雾化。由于温度和气压不同雾化率

3、就有差异，有许多大油滴很快就在管道里沉积下来，因此每个空气压缩机前都需要一个润滑装置，在管道中沉积的油沿着管道内壁最终流入空气压缩机里。为了集中润滑多部机器，在20 世纪出现了所谓的“微型润滑器”，微型润滑器类似于一种循环装置，即油喷洒后压缩空气又回到油箱，粗大的油滴又回到储油罐里，从油箱里出来的空气包含细微的油滴，它比较稳定地弥散在气流里，在这个过程中雾化的油大部分又回到油箱里，因此必须雾化更多的油。不久人们得出结论，从空压机出来的压缩空气内含有油，人们能够看到油像“雾”一样散发出来，沉积在周围的机器部件上，另外常常整个房间都笼罩在油雾里，危害工人的呼吸道及健康。生活在美国的具有瑞典血统的工

4、程师 C.A.NORGREN 从观察中得出结论，油的雾化也可用来润滑轴承。在从微型油雾器中发展而来的、被他称为“油雾发生器”的装置里，他制造出非常细微的油雾，这些油雾在管道里保持25m/s 的流速并在喷嘴处加速喷出后撞在挡板上，这样使得油雾变稠后再被输送到润滑点上。油雾发生器里使用的油有30通过排气进入外界空气中，质量差的设备会上升到50，因此消耗掉的油中很大一部分油变成了对肺部有害的极微小的雾状油粒进入周围的空气中，成为健康的无形杀手并有可能引起肺癌，因此油雾润滑在西方工业国家中已不再使用。油雾润滑还有一个缺点，即为了降低管中油雾气的流动速度，采用了4060 毫巴的工作压力，这一较低的导流压

5、力在最好的情况下，约可产生20 毫巴的轴承腔内正压，这就不足以抵挡水、脏物和有化学侵蚀性的流体侵入轴承座内部并危害轴承；此外油雾系统对润滑油的粘度有局限性粘度越高的油其雾化率越低；还有油雾通过不同直径的喷嘴来分配油量是极不精确的，即油雾系统无法做到定量供油。在六十年代有一名在德国 REBS 集中润滑技术有限公司工作的工程师从一个全新的概念出发：如果我们根本无法做到油雾的回流压缩，那么就应当避免油雾的产生。通过对透明管道的观察表明，气流可以将管道内璧的油膜吹开并将其通过长长的管道输送出去，这样就可以将所需要的润滑油加以计量分配后输送到专门为此而设计的油气混合块后再通过管道输送出去，并且很快就得出

6、了结论：可以在这种油气润滑装置中将润滑油的运动粘度控制在7500mm2/s，将油脂的NLGI 级数控制在000 至00 以内，并予以输送。接下来又验证出，与油雾润滑不同，油气输送管可以随意安装，无需坡度，采用23 巴的气压就可以工作，同时还可以在轴承座内部建立起压力，防止水、脏物和有害气体的侵蚀，上述压力还能够使油气穿透处于高速运转状态的转速值高达Dmn1500000（n 为轴承每分钟转数；dm 为轴承中径）的轴承周围产生的“气套”，而这在油雾润滑中，只能有限度地得以实现。这样一来油气润滑就首先在其它润滑系统受到限制的地方使用。如果我们回顾一下事情的开始，问题就清楚了，那些制造蒸汽机圆筒润滑器

7、的人，已经无意识地采用了油气润滑的主要特性，这是一个很少有人提到但却是十分重要的方面。自从设计出第一批“润滑器”之后，人们就发现，对润滑点来说最理想的状况是每小时所需的润滑剂能以源源不断的细流的方式供送到润滑点，这样润滑点接受的润滑剂总是新鲜的。而滴油的方式已经不能满足这一条件，因为每次滴油之间会有较长的时间间隔，一个小时的耗油量如果能分成510 次滴完，则已经令人满意了，这也意味着油雾润滑方式尽管在使用上有种种局限性，且危害人体健康，但其润滑方式本身却已朝正确的方向上迈出了一大步。采用油雾润滑时输送润滑剂的必要的流动能量都来自压缩空气，不仅如此，压缩空气还将润滑剂进行细分配并且不间断地注入润

8、滑点。这样，以均等的时间分配润滑剂的条件就得到了满足。这一较好的润滑分配原理在油气润滑法中被完整保留了下来，不过和油雾润滑相比，油气润滑具有明显的优点（就两种润滑方式所进行的专门比较详见后面章节）。于是德国REBS 集中润滑技术有限公司开发出了最早的油气润滑系统并首先在一些恶劣工况下，特别是其它润滑系统没有满意效果的领域得以应用，请看下面的例子：在高速线材轧机里，由于轧制速度不断提高，滚动导卫轴承的转速尤其是精轧区可高达 40000 转/分，对至今在用的干油润滑以及密封来讲太快，油气润滑用于润滑滚动导卫后，既能解决其润滑问题，同时也解决了其密封问题。高速磨床其转轴速度不断提高，以致于油雾润滑不

9、能穿透轴承高速旋转产生的“气套”，改用油气润滑后可满意地解决润滑问题原来用稀油循环润滑的伞形齿轮传动装置总是被带铁屑的水侵入从而会污染油箱中 16000L 的油，并降低润滑效能。采用油气润滑后既可以润滑轴承，又可以润滑齿轮啮合面，而且油的消耗量下降到每小时1L 以下。这只是采用稀油循环润滑时漏掉的油量中的一小部分。在用蒸汽加热的制作瓦楞板的开槽轧辊里循环油热负荷大，在轴承里形成污垢和积淀，其轴承寿命只有46 个星期。另外稀油循环式的装置漏损大，每天需要补充34 升的油。油气装置能将轴承寿命提高到12 个月以上，油耗仅为300cc/24 小时，而且只需使用柴油机用的普通润滑油，这无疑是最经济实惠

10、的润滑剂。以上这些成果四处流传，于是油气润滑在欧洲首先推广开来并逐步在世界各地得以应用。今天，80以上在运转的高速线材轧机滚动导卫轴承已采用了油气润滑，油气润滑方式已经被普遍接受，在工况恶劣的领域尤其如此。油气润滑在应用的过程中体现了多方面的优点，但在易用性方面却有一个不足之处。作为一种典型的气液两相流体，油气流在物理特性方面和其它单相流体有很大的不同，它既不同于单纯的气相流体如压缩空气，也不同于单纯的液相流体如齿轮油，对油气流进行分配一直以来都是油气润滑面临的一大难题，因为油气流在分配过程中会受到“Coanda”效应的影响从而使得油气流的均匀或按比例分配无法实现，所以早期的润滑系统只能采用“

11、点对点”的分配方式，即润滑油量的分配是靠对液相或半固相润滑剂的分配而不是靠分配油气两相流来进行的，即通过采用有固定容积交换的装置如活塞（缸）来进行，这就意味着每一个润滑点都得有一个对应的活塞，在润滑点多达上千个或几千个的场合（如冶金连铸），润滑系统中就得配置上千个或几千个活塞，而大量活塞的采用势必会降低系统运行的可靠性，因为大量的活塞意味着大量的运动部件同时也意味着可观的消耗。为此同样是在德国REBS 集中润滑技术有限公司工作的工程师研究了如何对“Coanda”效应带来的影响进行补偿并利用先进的CNC机床和独特的加工工艺开1.润滑效能高，大幅提高受润滑设备的寿命。发出了在包括中国在内的世界多个

12、国家获得专利的TURBOLUB 油气分配器，实现了对油气流的均匀或按比例分配，从而使得油气润滑技术锦上添花并大大拓展了油气润滑技术的应用领域。不仅如此，TURBOLUB 油气分配器在油气润滑系统中使用还使得系统的可靠性极高而故障率极低，同时系统的中间连接管道变得简洁。TURBOLUB 油气分配器的优点还有很多，请见后文阐述。1.2油气润滑技术的起源、目前现状及应用前景19世纪下半叶，有人曾经做过尝试，通过油泵将定量的润滑油打入机车的蒸汽中，润滑油被蒸汽流带入汽缸，从而减少了汽缸和活塞间的磨损，这就是油气润滑的雏形。上世纪60年代，人们发现可以用压缩空气作为载体将润滑油输送到润滑点，初步奠定了油

13、气润滑技术的理论基础。油气润滑技术在我国的应用，首先是在上世纪80年代，宝钢、武钢等引进的轧机设备上配有的油气润滑系统。上世纪90年代中期，德国REBS集中润滑技术有限公司在中国合资创建了上海莱伯斯润滑技术有限公司，开始在各个领域推广使用油气润滑技术。该公司是.目前国内最大的油气润滑系统生产商，其产品主要应用在冶金设备中。目前，油气润滑作为一种最先进的润滑方法，虽然处于发展和完善阶段，但已显示了它的优越性:油气润滑的气液两相油膜大大提高了油膜的承载能力，减小了摩擦损失，两相混合流体在轴承座内喷射时，不仅在速度高时能形成完整的气液两相膜，即使在速度较低时，依然能够形成具有较强承载能力的气液两相膜

14、，使作相对运动的摩擦表面始终处于良好的工作状态。2.介质利用率高，消耗量低，高度节能。采用油气润滑后由于计量准确，能够按需定量供油，润滑剂的消耗量只相当于油雾润滑的几分之一，干油润滑的几十分之一，稀油润滑的几十分之一。3.大幅降低受润滑设备的运行和维护费用。从大量资料和现场反馈的信息看:采用油气润滑后，受润滑设备的运行和维护费用相应大幅降低，如:油脂采购费用、传动件更换及修理费用、备件采购及储备费用、因设备故障导致停机带来的损失费用等等。4.对油品粘度的适应性好。油气润滑几于不受油的粘度的限制，可以输送粘度值高达6.75 Pa.、的油品。因此，绝大多数适宜的油品都可采用，不仅是稀油、半流动干油

15、，甚至是添加了高比例固体颗粒的润滑剂都能顺利地供送至润滑点。另外，一般不须对油品进行加热，即使是在北方寒冷地区也是如此。5.油量计量准确。系统通过定量注油元件可以实现对油量准确计量与供送，并且通过调节供油频率能在极宽的范围内对油量进行调节。6.新型环保类设备，对环境影响小。 油气润滑是迄今为止耗油量最小的一种润滑方法，而且在输送过程中不会象油雾润滑那样产生油雾对工人造成身体危害;油气润滑系统不仅可以做成消耗型润滑系统，还能做成循环型润滑系统并实现零排放。7.自动化程度高，监控手段完善。油气润滑系统都配有自动控制系统，自动控制的实现可运用计算机、逻辑控制电路板、单片机、大型的可用PLC，先进的设

16、备还配有可监视系统的其他部分，并能完整显示系统的运行状态和故障信息等。8.系统结构简单，运动部件少、运行可靠、维护量小。此外，油气润滑对受润滑的设备的大小没有限制，管道简洁且管道的布置不受走向限制，无须专门的喷嘴。因此，相比其它润滑方式其优势十分明显。油气润滑技术的应用是从一些工况恶劣的地方尤其是冶金设备开始的，比如在高负荷及高速运行的各种类型的轧机及其附属设备的轴承，以及在一些高温运行或受有化学侵蚀性流体危害的轴承中。目前，油气润滑技术已应用于钢铁、造纸、采矿、水泥、冶金机械、矿山机械、化工、机床、食品及润滑点远离油泵的场合一如:汽车组装线、报纸印刷线等行业。在钢铁行业中，油气润滑技术最早应

17、用于线棒材轧机、型钢轧机精轧段的侧边滚动导卫和入口导卫;近些年随着油气润滑技术的不断发展，现己开始应用于高线滚动导卫、水平活套、立活套、中板矫直机、方坯连铸、高速电主轴轴承、热轧矫直机、高炉卷扬机减速器齿轮、回转炉开式齿轮、高频砂轮轴的润滑，并取得了显著的效果。从传动件的类型来看，油气润滑技术目前在国外不仅能用于滚动轴承和滑动轴承，还在齿轮，尤其是在大型开式齿轮、蜗轮、蜗杆、滑动面、机车轮缘及轨道链条等传动件上获得了广泛的应用。在我国，油气润滑技术还处于起步阶段，其在设计、应用及推广等方面仍需大量工作。故此，对该技术的研究将有着广阔的市场前景，尤其是在冶金行业。相信随着该技术的国产化步伐加快，

18、在不久的将来，油气润滑技术在国内一定会得到广泛的应用。因此，本课题力求能够为加快该技术的国产化步伐起到积极的推动作用。第二章 气液两相流体润滑机理油气润滑系统中定量、定压、定时的润滑剂和定压的压缩空气及定长的管道可根据实际需求进行调节、控制。油气润滑系统中一定压力的压缩空气在各种实际工况下主要起到如下作用：1.承担润滑剂的输送载体作用。2.速度较高的连续气流经摩擦点可带走大量的摩擦热、起到冷却降温作用。3.一定压力哟压缩空气在轴承座内形成过压，阻止冷却水及污染物进入，有效地起到密封作用。4.高速流动的气体形成大量分散的空气小气泡混合于固体表面的润滑液中，形成比单相膜具有较强承载能力的气液两相膜

19、，两相流的粘度及厚度明显提高，起到优良的减摩作用。5.一些滚动轴承的转速很高，在滚珠周围形成空气边界层，一定压力的压缩空气可使润滑剂形成射流，将空气边界层打破，即利用其产生的喷射作用实现润滑。在油气润滑系统中，油气两相流在输送过程中形成的流型及在润滑承载区形成的两相流体与润滑膜在很大程度上影响着润滑效果。因此开展这两方面的理论与实验研究对油气润滑技术的发展有着重要意义。2.1气液两相环流简介在油气润滑系统中，油和压缩空气是经油气混合块混合后形成了油气两相流，两相流在管道中的流动属于气液两相流中的环状流流动。因此，开展油气两相流流动的理论及实验研究，必须以气液两相流中的环状流流动的理论与实验研究

20、成果为指导。进而探讨油气管道中形成及影响两相流流型的条件，并对两相环状流特性参数做必要研究，以便为设计系统参数提供指导及理论依据。在两相环状流中，气流核心的高速和液膜分界面的波状是液滴被卷起并随气流运动的原因。因此液滴的输送率将是气相和液相的质量流量的函数。当两相流速很低时厂两相分界面比较平滑，液膜则稳定地在壁面上移动。液相速度增加到一定程度，液膜将由层流状态变为紊乱的湍流状态。在液膜湍流状态下，液滴的输送比平滑的层流液膜时要多。气相流速增加时，稳定平滑的液膜会变为波状液膜。开始是波纹状，在较高的气相流速下，液体波变为不规则的波，接着变为密集波，或称涟波。随着气流速度的增大，液滴输送率开始缓慢

21、地增加，接着按线性规律增大，最后又缓慢下来。可见气速越高，气流中的液滴含量也越高。但在油气两相流输送时，并不希望其产生很多的液滴输送，因此输送时的气速并不是越大越好。这样在满足使用要求的同时，也可以节约能源。以上这些对气液两相流的研究基础及结论为确定油气两相流的特性提供了理论指导。在此基础上，课题对油气两相流进行了更详细的分析研究。2.2油气管道中的油气两相流油气润滑是用一股高压气流与极少量的油液混合，形成气液两相混合流体，向机械摩擦部位输送，对做相对运动的固体壁面进行润滑和冷却降温。在两相流体混合的过程中，油不被雾化而只形成油滴。因此，油和气不是一体，输送的动力是空气的压力。对于输送距赓较长

22、的油气两相流，可以认为是一种单纯的环状两相流动。所谓单纯的环状气液两相流，是指四周均为液体、气流核心部分不夹带液滴或微小的液粒，并且气液界面是光滑的。环状流动是气液两相流动中比较简单的一种流动形式，对它的分析，主要是膜阻压降梯度、平均液膜厚度和空隙率(截面含气率)等的计算，而这些计算对油气润滑系统中确定压缩空气的压力、流量等参数至关重要。2.2.1压降梯度 在油气润滑中，压缩空气作为传送润滑剂的介质，最低要求是能把润滑剂输送至润滑点，即油气两相流入口气相的压力应能克服油气两相流沿程的压力损失。用公式表示为: （2.1） 式中:空气与润滑剂进行混合前的空气入口压力 油气两相流的压力梯度 油气两相

23、流的输送路径长度 在油气两相流的输送过程中，如果不计其它局部阻力，如合流压力损失、管子变径和弯头压力损失等等，只考虑沿直管输送，则油气两相流的压力梯度可表示为： - （2.2）式中等号右边三项分别为摩擦、加速度和重力的压力梯度。对于垂直输送的油气两相环状流，式(2.2 )可借助于一些经验公式进行求解。对于水平和倾斜的输送管道，针对不同的输送量和管道的不同布置，油气两相流的压力梯度主要靠试验测定。2.2.2油膜层厚度对于油气两相环状流，在忽略旋转运动的影响和不考虑管道截面变化的情况下，油膜层的厚度可按下式计算： （2.3）式中： -油膜层的平均厚度,m -油液的动力粘度，Pa.s -油液的质量流

24、量，kg/s -油的密度，kg/ d -管径，m -沿管道的压降梯度2.2.3截面含气量知道了平均油膜层厚度 ，便可从下式计算出截面含气率(空隙率)： （2.4）2.2.4分气相折算系数膜阻压降梯度的大小对于确定气体的压力是至关重要的，在气液两相流体力学中，一般均采用分气相折算系数来衡量膜阻压降梯度，当界面液流速度远远小于气流核心速度和d时，分气相折算系数的计算公式为： （2.5）其中为空隙率(截面含气率)。在油气环状两相流中，沿壁面流动的液膜受到多种力的作用。这些力有重力、表面张力、粘性力和两相流相对运动的摩擦力。液膜的完整性取决于这些力的平衡。一般来说，液相的重力有利于液膜的稳定，气相的重

25、力则起相反的作用。表面张力有利于保持液膜的完整性，因为表面张力总是力图保持最小的分界表面并反对液相变形。两相间的相对运动反映了压力的影响，压力的湍流脉动分量将起着破坏液膜的作用。粘性力的影响比较复杂，它反映了摩擦力的影响。当力平衡使液膜遭受破坏时，液相将被气流以液滴的状态输送出去。以上从定性的角度研究了油气润滑系统的空气压力、空气流量及气液质量比的影响因素，从上面的分析中也可以知道，要想定量的确定润滑时上述所需的参数涉及到众多不确定的因素，非常复杂。目前这方面的确定仍主要根据试验来实现。2.3润滑膜中的油气两相流许多文献认为气液两相流体润滑时，两相流中的气体仅仅起到输送润滑液，并及时带走摩擦热

26、的作用，在两摩擦表面之间由两相流中的润滑液形成单相油膜。但是，气液两相流体润滑技术在金属切削加工的应用试验及在各种轴承中应用的情况表明:仅含有少量润滑液而大部分是压缩空气的气液两相流体润滑作用明显优于润滑液大量连续浇注的单相流润滑作用。2.3.1润滑膜中油气两相流的物理模型润滑膜中的油气两相流，指润滑膜承载区所存在的由连续油相和分散气相混合构成的一类两相流体。我们认为，气液两相流体润滑在两摩擦表面之间形成的润滑膜不同于纯润滑液的单相液膜，而是压缩空气气泡和润滑液以一定方式混合形成的气液两相膜，在流体力学中，这是一种流变现象。正是这种气液两相膜，具有比单相膜更高的粘度，增大了润滑膜的厚度，从而使

27、气液两相流体润滑具有更加优良的润滑减摩作用。基于上述观点，便可将润滑区的油气两相流模型归结如下:从喷嘴射出来的气液两相流体，其中的润滑液体小颗粒在润滑区固体表面上汇聚，同时高速流动的空气所形成的大量孤立分散的空气小气泡混合于汇聚在润滑区固体表面上的润滑液之中，并在高速旋转的高压区内随着两摩擦表面的相对运动和液体小颗粒形成了气液两相流体润滑膜。对这类油气两相流物理模型做出如下物理假定:小气泡均匀地混合在承载的压力油膜之中，小气泡与连续相润滑油无相对滑动，并保持热力学平衡;小气泡内含有一定量的空气，其中流动参数是均匀的，并服从理想气体多变定律;在足够表面张力下，小气泡能够保持球对称形状。这样便可以

28、把这种油气两相流润滑膜，当作一种具有等效粘度和等效密度的单相可压缩流体来处理。2.3.2等效粘度 润滑油的粘度特性是直接影响润滑效果的一项重要参数，气泡混入润滑油后，将会改变润滑油的粘度特性，有关这方面的研究从上世纪初期就开始有人进行研究。在研究中，有学者认为气泡的混入使粘度下降，另有学者认为使粘度增加。课题的研究也力求能够揭示油气两相流粘度特性的本质。 前述所假设的油气两相流模型是分散相颗粒(固态、液态、或气态)与连续相流体所构成的两相流的一种特例。分散相颗粒在连续相流体中存在，以及这种流体流过壁面时，必然要遇到更大的流体内部运动阻力，增加了流体粘度。 推荐油气两相润滑膜其粘度应采用下面公式

29、计算: （2.6）式中：一油气两相流粘度，Pa.s 一润滑油液粘度，Pa.s 一润滑区两相膜中空气小气泡的相对体积含量，%2.3.3油气两相膜厚度按上述所引用的物理模型来研究油气两相流润滑特性，得到的两相流粘度的增大直接影响摩擦副间的润滑膜厚度。由单相流体润滑知:润滑油被相对运动的摩擦副带入摩擦表面，由于润滑油自身的粘度并在间隙中的流体动力的作用下，在摩擦表面形成一层油膜，使相对运动的摩擦面隔离开来，根据弹性流体动力润滑理论，油膜厚度可由DOWSON公式算出: （2.7）式中： -最小油膜厚度，m -压力一粘度系数，1/Pa -油液的粘度，Pa.s -摩擦副运动线速度，m/s E -润滑液弹性

30、膜量，Pa R -当量曲率半径 P -单位载荷，N/m将(2.7)代入(2.6)得油气两相流润滑膜厚度为: (2.8)式(2.8)表明普通粘度的润滑液构成的气液两相膜的膜厚大于该润滑液体膜的膜厚。用气液两相流体进行润滑时，由于对两相流采用了上述的物理模型的假设，便允许把这种两相流体当作具有粘度为e的可压缩单相流体来处理。如果只分析两相流粘度增加的影响，即可对膜厚给出具体的刀值进行定量分析:当=10时, 当=20时, 当=25时, 当=30时, 通过以上定量分析可知，油气两相流体润滑时两相膜的厚度比单相流体油膜厚度显著加厚，润滑膜厚度的增加，使润滑膜形成率提高，减少了两摩擦副表面直接接触的机会，

31、减轻了表面间的摩擦，强化了润滑效果。2.3.4等效密度 纯净的润滑油通常被看作是不可压缩的，当混入气泡后形成油气两相流，其压缩性将会大大提高，关于这方面的研究比较具代表性的有:德国H.Peeken和J.Bauner在把油气两相流分开考虑的基础上，运用理想气体状态方程，并考虑温度变化的影响，得出关系式: (2.9)式中：-两相流密度，kg/ -纯油密度，kg/ -初始态气体体积， -标准大气压，Pa -初始温度， T -终态温度， P -终态气压，Pa2.3.5球形气泡壁运动方程 在带有分散相小气泡的油气两相流润滑膜压力场中，在一取定的单位体积内，其中所含小气泡的数量是一定的。随着场中压力的增减

32、，小气泡体积浓度刀将相应的减增，即有 , 或 （2.10）式中和分别为某一初始条件下分散相小气泡的体积浓度和半径。这样，确定润滑膜压力场中小气泡半径R就成为确定小气泡体积浓度，进而确定两相流等效粘度和等效密度的关键。 对于球对称形小气泡，若不计连续相滑油的流动惯性力，则认为润滑油为非粘性的，则气泡壁在压力场中的膨胀或收缩所引起滑油的无旋流动将遵循如下基本运动方程和连续方程： （2.11） 和 （2.12）式中：r -气泡中心度量的半径，m u-径向速度分量，m/s -润滑油密度，kg/ P -压力，N若以R表示气泡壁半径，为气泡壁径向速度分量，由式(2.12)有: （2.13）将式(2.13)

33、代入式(2.11)，可得球形气泡在非粘性流中气泡壁运动方程: （2.14）式中：接近气泡壁的外侧压力，N 气泡壁处(即r=R处)的压力，N 在既考虑气泡表面张力又计及润滑油粘性效应下，式(2.14)可转换为下式： （2.15）式中： 气泡表面张力，N/m这是分散相气泡在连续相粘流中的一般运动方程。 由于在不同外侧压力下，气泡内部的压力和气泡壁半径作相应变化，且服从理想气体多变定律，即有: （2.16）式中n为多变指数，如考虑等温条件取n=1;式中和分别为某一初始条件(如大气压力)下气泡内部压力和气泡壁半径。这样，式(2.15)可表示为: (2.17)由式(2.17)即可通过数值方法求解得出气泡

34、壁半径R，这样小气泡的体积浓度刀便可相应的求解出来。以上对油气润滑系统输送管道中的油气两相环状流及润滑区的两相流进行的研究分析，对于设计油气润滑系统的空气压力、空气流量及气液质量比等参数具有很大的理论指导意义。第三章 油气润滑的工作原理及组成油气润滑技术是继油雾润滑之后，80年代在西方工业化国家首先发展起来的一种新的润滑方法。简单地说，将单独供送的润滑剂和压缩空气进行进行混和并形成紊流状的油气混和流后再供送到润滑点，这个过程就是油气润滑。3.1 油气润滑的工作原理图 1 是油气流形成的示意图，单相流体油和单相流体压缩空气混和后就形成了两相油气混合流，两相油气混合流中油和压缩空气并不真正融合，而

35、是在压缩空气的流动作用下，带动润滑油沿管道内壁不断地螺旋状流动并形成一层连续油膜，最后以精细的连续油滴的方式喷到润滑点。也因此，在油气润滑系统中，总共有三种介质即油、气和油气混和气；对应地也就有三种介质管道即油管、气管和油气管。从图 1 可以看出，在油气管中油的流动速度和压缩空气的流动速度大相径庭，油的流速远远小于压缩空气流速（在某些特殊场合如机车轮缘润滑，油气的喷射速度可高达150200m/s。），而从油气管中出来的油和压缩空气也是分离的，因此压缩空气并没有被雾化这是油气润滑与油雾润滑的重大区别，换句话说，油气润滑和油雾润滑在流体的物理性质上有天壤之别。在油雾润滑中，油被雾化为0.52m 的

36、雾粒，而且油和气两种流体的流速（即油雾的流速）是相等的；而在油气润滑中，油是以连续油膜的方式被导入润滑点并在润滑点处以精细油滴的方式喷射出来的，如果拿一张白纸放在油气管出口处，会看到白纸上落有星星点点的油滴。图1 油气流形成示意图油气润滑是气液两相流体冷却润滑技术的典型应用，它通过形成的气液两相膜隔开相对运动的摩擦面从而起到润滑作用，同时由于含有大量的气体，速度较高的气液两相油气流还可以带走大量摩擦热，又起到了冷却降温作用。我国研究气液两相流体冷却润滑技术方面的权威哈尔滨工业大学教授闫通海通过实验研究认为，在气液两相油气流中，液体与气体牢固地形成了气液两相膜，试验及实践结果表明，气液两相膜与单

37、相液体膜相比，承载能力大大提高，其形成兼有流体动压和流体静压的双重作用。因此不仅在速度高时能够形成完整的气液两相膜，即使在速度较低时依然能够形成具有较强承载能力的气液两相膜，使作相对运动的摩擦面始终处在良好的工作状态下，这一点是仅靠流体动压形成的单相液体膜无法比拟的。研究同时表明，喷射到润滑点的气液两相流体中的润滑油液体小颗粒在润滑区固体表面汇聚，同时由高速流动的空气形成的分散的空气小气泡混合于汇聚在润滑区固体表面的润滑液之中，随着两摩擦表面的相对运动，在两摩擦表面之间形成了气液两相流体润滑膜。众所周知，粘度是润滑剂最重要的物理特性。研究还表明，在同等润滑剂条件下，两相流的粘度明显大于单向流，

38、而且随着两相流中空气小气泡相对体积含量的增加，两相流的粘度也增大，换句话说普通粘度的润滑剂形成的气液两相膜的厚度大于它的单向液体膜厚度。显然，由于润滑膜厚度的增加，使润滑膜形成率提高，减少了两摩擦表面直接接触的机会，减轻了两表面之间的摩擦，这就使得气液两相流体润滑具有优良的润滑减摩作用。和油雾润滑不同，油气润滑几乎不受油的粘度的限制，可以输送粘度值高达7500mm2/s 的油品，因此绝大多数适宜的油品都可采用，不仅是稀油、半流动干油甚至是添加了高比例固体颗粒的润滑剂都能顺利供送。另外，也不须对油进行加热，即使是在北方寒冷地区也是如此。3.2油气润滑系统的基本结构 由油气润滑的基本原理我们已经知

39、道，油气润滑系统的作用是形成油气并对油气进行输送及分配，对应的一套油气润滑系统由以下所列的所有或某几个部分组成: 供油及油量分配部分 供气部分 油气混合部分 油气输送及分配部分电控装置部分图2 油气润滑系统示意图上图是一套简单的油气润滑系统结构示意图。它的工作原理如下:根据预先设定的工作周期，由监控装置发出信号，润滑泵1启动，将润滑油输送到包括计量分配油液的油气混合块部分2;同时，空气管道中的电磁换向阀打开接通压缩空气，压缩空气在油气混合块中和油进行混合后形成油气流，并通过油气管道及油气分配器进行再分配最终输送到润滑点实现润滑。3.2.1供油及油量分配部分系统供油部分由油箱、油泵、油量分配元件

40、及一些配套附件组成，各元件都是根据系统的供油量要求选取的，油泵一般为两台，一台工作一台备用。油泵有多个系列和多种规格，以满足不同的供油量需要。从结构类型上来看有气动泵(用压缩空气驱动)、齿轮泵(电动)、电磁泵(电动)等，选用时应根据工况及需要配置，泵的排量一般比较小。油气润滑方式最显著的特点之一是能够按需精确定量的供油，而这一精确定量过程亦是油气润滑方式的关键技术。因此，实现这一目的的元件也即为该系统的核心部件。目前，此类元件在国内虽已大量应用，但大都是国外进口产.品或是其转化件。我们就其种类大体归为两类: 间歇式计量注油器 递进式分配器间歇式计量注油器种类繁多，结构复杂多变，但工作原理大体相

41、同，必须要求系统间歇供压以完成对润滑液的计量。递进式分配器结构较为精巧、性能较可靠，目前在国内外的干油及稀油润滑中应用也较为广泛，此类零件国内一些厂家可以生产，其内部结构及工作原理基本相同，但在精度上与国外专用产品有所差距。当系统油路达到一定的工作压力时递进式分配器即可连续工作，其油量便于调节、故障易于检查。递进式分配器的作用是将泵供送来的润滑剂通过多个出口分配成几个相互等量或成一定比例的支流，每一个支流的润滑剂可以对应供给一个或数个润滑点，供给一个润滑点时可直接将分配器和润滑点用管道连接起来而在供给多个润滑点时则须采用一级或多级油气分配器对油气再行分配后供送到润滑点。图3 递进式分配器内部结

42、构示意图如图4a所示，活塞输出的油推动活塞及活塞输出的油推动活塞，这样就是油从出油口1、2、3排出；图4b是向相反的方向重复进行。步进式给油器排出的油陆续地输送到油气混合器去，如果其中有一个排油口堵塞，则整个步进式给油器停止工作，可以通过检测装置发出警报信号，同时给油器每个工作循环液可以通过电子控制装置使油泵停歇一定的时间后再次启动。图4 油气混合器的分配原理图递进式分配器可以方便油量的分配调节，其每个中间片中的活塞大小可以不一样，因此每片出口的出油量也就可以调节，并且可以采取堵住某个出油口的方式使另一侧出口的出油量加倍（图5-a）;或者将某两个或某几个出口采用桥式连接块连通变为一个出口从而得

43、到所需的油量(图5-b)。图5 递进式分配器油量调节示意图3.2.2供气部分供气部分主要是指对压缩空气进行处理的装置，如对气源进行过滤及脱水，对气源压力进行调整、显示及监视等；如果采用气动泵供油，还要设置相应的换向阀、减压阀及油雾器等。压缩空气对油气润滑系统的正常工作至关重要，实践证明，油气润滑系统故障率的80以上都是由于压缩空气过脏或含水量过大导致的，不仅如此，压缩空气中含水量过大还会破坏油膜的稳定性从而危害轴承的安全。因此应保证压缩空气得到适当的处理，任何致力于改善压缩空气质量的措施和努力都是值得的并且会有高回报。3.2.3油气混合部分油气混合部分也可称油气混合器，其作用是使油和压缩空气在

44、其中进行混合并使油能很好的分散成油滴，均匀的分散在管道的内表面，油滴随着空气在管道中流动逐渐形成油气两相环状流。油气混合器有多种型号、规格，可适用于不同的油气润滑系统。一般的油气混合器是用于润滑点较少的场合，采用“点对点”的方式，即递进式分配器的每一个出口对应混合块的一个出口，供给一个润滑点。目前，在德国REBS公司发明了油气分配器后，一般将递进式分配器和油气混合块分开布置，即将油气混合块布置在递进式分配器的下游，将油的分配和油气的混合分开进行。在变压式油气润滑系统中，计量注油器通常内嵌在混合块中或附加在混合块上，即每个混合块的出口都要由一个计量注油器供油，通常一个混合块根据工况可以做成不同出

45、口数目的类型。图 6 油气混合器结构图3.2.4油气输送及分配部分从油气混合块至润滑点之间的管道就是油气管道。在油气管道中，压缩空气将润滑剂输送至润滑点。这一部分包括油气流量检测装置及油气分配器。油气分配器是一种没有运动部件的分配器，它可以克服附壁效应和重力的影响，将滴状润滑介质和气状载体以两个或两个以上的输出流平均或按比例地分配到润滑点。如图3所示，流动的油气混合流被分成多个支流，每一组支流都在体积上特别是流向上与其它组相等并对重力在分配中的影响采取了补偿措施。每个支流各拥有一个空间均等的最佳线路，油气分配器可以安装在任何部位，不会磨损，也不受油的粘度及空气量的影响。图7 油气混合流示意图目

46、前，国外的油气分配器从外观看有两种类型，即块型和圆柱模块型。块型分配器气分成均等的或一定比例的数个油气支流，从而简化管路。外置安装在设备表面或靠近润滑设备，将由一个支流出来的油。再如，各类有色及黑色金属类轧机、平整机、光整机等的工作辊、支承辊、中间辊轴承座内一般串列装配有多个较大的轴承，也就是说轴承座内存在多个摩擦副，两列轴承之间和辊径密封都需要润滑，只供给一个部位很难润滑整个轴承。因此，应用到了圆柱模块型油气分配器。图8 块型油气分配器结构示意图 圆柱模块型一般作为内置安装使用，是专门针对采用串列轴承的轴承座结构而开发设计的，这样一根外接油气管道可将油气按比例分配给止推轴承、串列轴承和辊颈密封等多个摩擦副，即一根轧辊两个轴承座内所有轴承的润滑仅需通过外接一根油气管道来进行，传动侧轴承座不需要单独连接润滑管道;另外换辊时只需由操作人员拔掉操作侧的油气快速接头即可进行换辊。图9 油气分配器安装结构图3.