油霧潤滑的原理應用及潤滑油(一)

2008-11-05

油霧潤滑的原理應用及潤滑油



 

油霧潤滑在各種機件設備的應用上證明是相當可靠的,應用範圍也很廣泛,從輕負荷的小型機器到重負荷的軋機背滾軸承,都有良好的使用效能。油霧潤滑系統簡單來說,就是將特定黏度的潤滑油自中央油槽配送到各不同的機械元件作潤滑使用。油霧潤滑的原理,是將滑油經由低壓(約在10~50psi)的壓縮空氣霧化成微小的油滴,由於這些油滴相當的微小,所以能夠懸浮在空氣中,且得以在小小的管線中輸送相當長的距離,提供潤滑點適當的潤滑功能。當這些油霧被送到潤滑點附近時,油霧會凝結或集結成較大的油滴,潤濕金屬表層提供潤滑功能。更進一步的來觀察油霧的狀態,真正的油霧是由無數非常細微的油滴懸浮在平順的空氣流中。這些細微油滴的尺寸平均約為1~3microns(1micron等於0.000039英吋)。相較之下,平常的空氣流(註一)潤滑裝置所產生的噴霧混合油滴其直徑可達100microns,在高速和高壓下暫時性的懸浮在擾流狀態的空氣流中。在空氣流的潤滑裝置系統,空氣是工作流體用以傳送動力;而油霧系統,空氣僅是作為載具將微小油滴傳送到需要潤滑的地點。



在一個設計良好的油霧系統中,油滴的尺寸是極為重要的考慮點。(圖一)顯示油霧的濕潤效果,油滴尺寸和碰撞速度之間的關係。油滴越大,越可能在低碰撞速度條件下回復到液態且形成潤滑油膜層。根據實際的經驗,在較低速度下的油霧油滴尺寸限制最大是3microns。油滴大小超過這個尺寸就會很快的回復成液態並附著在金屬表面上,而無法有效的維持油霧狀到達潤滑點;而油滴小於這個尺寸的則能夠維持油霧狀態的細微油滴到達預定的潤滑點,提供適當的潤滑。



小於3micrions的懸浮油滴,能夠形成穩定的油霧流且可以由管線長距離的輸送。在需要潤滑的地點,這些油霧藉由擾流使小油滴集結成大油滴,這些油霧就可以回復成液體狀態來潤滑金屬表面,提供潤滑油膜層。(註二)

油霧潤滑系統中,可選用不同的接頭來執行不同程度的油霧凝結並還原成液態滑油,以應各潤滑點的潤滑需求。這些接頭大致可分成三大類:霧化噴嘴、噴濺或部分凝結噴嘴、以及完全凝結或稱為還原噴嘴。高速滾動軸承在軸承罩裡會產生足夠的擾流,促使小油滴集結而回復成液態,油霧化噴嘴適合這類型的應用。對於齒輪組的潤滑,通常需要使用部分凝結油霧的噴嘴,以確定僅僅是有限度攪動的齒輪箱裡,仍然能夠促使油滴集結和回復成液態來潤滑齒輪。而對於較慢速的滑動或軌道的潤滑,則需要將油霧完全凝結還原成液態,藉以供給軸承足夠的的潤滑。

 

油霧潤滑系統

典型的油霧潤滑系統是將壓縮空氣導入,經過除水裝置、微濾芯、和空氣調節器之後,進入霧化器。系統的主要組件為:1)霧化器產生油霧,2)油霧輸送管線配送油霧,3)凝結接頭配合各潤滑點的應用(圖二)。



滑油霧化器

油霧的產生,是將液態潤滑油藉空氣的噴吹,使其分散成細微的粒子。大於3microns的油滴經由網罩或擋板篩選回到油槽。平均1~3microns的細微油滴則形成油霧,導入油霧分配輸送系統。

由於受到系統裡頭的文氏管喉徑的尺寸、給油管線大小、和壓力落差等因素的影響,使得滑油能夠被霧化的黏度範圍受到相當的限制。為了使較高黏度的滑油也得以適當的霧化,可以在油槽中裝置加熱器,有些設計則是使用空氣管線加熱器來針對進入的空氣加熱,這都可以降低滑油的黏度,以達到良好的霧化效果。一般沒有加熱裝置的霧化系統,在正常的環境溫度下,可以霧化的滑油黏度約略是150~220cSt@40℃。如果環境溫度遠低於20℃,那可能就需要加熱裝置來降低黏度,以維持預期的霧化效果。同樣的,滑油的黏度如果高於220cSt@40℃,則也需要加熱來降低黏度以達到穩定的霧化效果。

市面上常見的幾種主要的霧化器設備製造廠家,其主要的設計大都離不開上述的原理和要求。我們將其整理再按順序重覆說明如下:

1.先從霧化的過程開始,首先滑油自底部的油槽被抽出,進入文氏管喉再加以壓縮空氣噴成油霧狀。按不同的設計,經過濾後的空氣可以是直接噴入文氏管喉或者是藉著渦漩錐體物,形成渦漩空氣在文氏管喉將滑油霧化。設計上可以利用裝置,將滑油自油槽中抽出,送到文氏管喉霧化;也可利用文氏管的空氣流壓差將滑油抽出霧化。

2.油霧隨即經過擋板裝置,在此較大的油滴(約略大於3μm)會被擋下,回流至油槽,準備再次的霧化。較小的油滴(約1~3μm)則經由管線被送往潤滑點。

3.在一般的室溫下,絕大部分的設計所能適當霧化的滑油黏度為ISO 150~220的黏度級數。高於這種黏度範圍的油品,則需要加熱裝置的輔助,以期達到理想的霧化效果。

4.加熱的設計方面,可以是對滑油直接加溫,以降低其黏度,或者是對導入的空氣加熱,再間接傳熱至滑油。無論是哪一種方式的加溫或者兩者並行,都需要特別注意控制溫度,過高的溫度會導致油品加速氧化劣化的毛病。有些設計允許加熱空氣最高達150℃,但一般而言,最佳溫度應控制在80℃以下,以減少滑油氧化的程度。滑油加熱裝置較常見的是浸泡在整個油槽中加溫。有部分設計是將油加熱器裝置在抽油管路接近霧化處,這種設計針對即將霧化的滑油加熱,而非對整個油槽的滑油加熱。

5.在霧化的過程裡,某些設計的霧化器可能會有高達90%的油霧是屬於較大的油滴(直徑大於3μm)。這些油滴被擋板所阻,返回油槽準備再次霧化。如果系統設計是有空氣加熱的,這些油滴也會將溫度帶回油槽中。所以在開機運轉一段時間以後,油槽的溫度會持續上升。所以類似這種的設計,浸泡於油槽中的滑油加熱器,僅在冷車啟動時加熱一段時間,待正常運轉時則需切掉,以避免過高溫的毛病。

6.較高黏度的滑油經過加熱形成油霧之後,即便是各微小油滴的溫度大幅下降,但仍可以維持懸浮狀,順利的輸送到各潤滑點。

 

油霧的分佈系統

滑油霧化器所產生的潤滑油霧,是經由低壓穩定的空氣流輸送到需要潤滑的地點。由於油霧中的細微油滴在高速的擾流條件下,會相互碰撞而結合成較大的油滴。為了避免輸送的過程中這些大油滴就提前產生而附著在半途中管線,油霧進給和配送的管線設計要能使油霧和空氣的混合流在一定的低速下流動,以避免上述擾流條件促使油霧的提前碰撞凝結,尤其是在管線的肘節帶彎曲處。

管線的設計細節方面,各廠家也會有不同的觀點。有的廠家將管線設計稍微朝向油霧的霧化產生源頭傾斜,如此一來,當油霧提前凝結成大油滴時,會流回到霧化器的油槽中。

但大部分的設計作法都是認為油霧系統的管線應該向軸承方向或其他需潤滑元件部分傾斜,以避免油滴流回到油槽裡頭。我們來看看,如果系統中的油滴可以流回到霧化器附近,那會有什麼問題產生呢?最大的顧慮是油品加速氧化的毛病。霧化後的滑油再回流,很容易快速的氧化(尤其是加溫過的)。長期的持續氧化後,油泥和漆膜隨之而生。

滑油霧化器和潤滑點之間的管線長度,按實際運用所需配送的油霧會有差異,而油霧的輸送則多少都會有些距離上的限制。油霧能被輸送的最大距離,按管線的大小、混合氣的流率、以及壓力降有關。混合氣的流動應維持層流、平順而非擾流,儘量減免油霧碰撞和大油滴的提前產生。在油霧的輸送過程中,為了有效減少細微油滴相互碰撞形成大油滴,提前自懸浮狀態中沉澱析出,油霧混合流的流速應該維持在每秒鐘25英呎以下。

油霧混合氣在管線中的流動狀態其物理的法則和滑油經由管線的狀態是很相似的。混合流的壓力要足以克服其本身的黏度遲滯力量(壓力落差)。先前提到油霧離開霧化器後,呈相當低壓經管線輸送(該壓力一般最高為1.44psi或者是74.6毫米汞柱)。霧化器到潤滑點之間的壓力落差當然要更低於此數值(潤滑點的典型壓力為0.54psi或者是28毫米汞柱,所以得以允許的壓力落差應為0.90psi或是46.6毫米汞柱)。當然,增加輸送管線的直徑,可以減少壓力落差的數值,但是管線直徑的尺寸大小也是有一定的限制的。

 

從油霧中析出(還原)潤滑油

用油霧給油方式作為各不同潤滑點的潤滑時,大致有三種途徑能將懸浮於油霧中的微小油滴集結作為潤滑使用。無論選用哪種方法來將油霧再集結,重要的是對於潤滑點的軸承和齒輪罩都需要有良好的通風,或者是將其密封裝置移除或是設法開個通氣孔穴,讓空氣得以自由的排出。為期能有效達到原先的通風設計,通氣孔最少應該有油霧凝結進入潤滑點管徑兩倍以上的面積大小。下列簡單介紹最常見的三種將油霧集結,以不同的程度還原成液態提供潤滑的接頭:

直接霧化
如果潤滑處的運轉衝擊速度能達到形成擾流的條件(如此一來,油霧流的微小油滴能相互碰撞集結而還原成液態狀,在附著積聚在軸承表層),那麼油霧流便可以直接從分配系統進給到潤滑點。例如,常見的高速滾珠或滾柱軸承。

部分凝結

齒輪、鏈條、和中低速的滾動軸承等其運轉條件無法產生足夠的擾流或碰撞速度不足以自油霧流中集結析出適量的滑油。在這些狀況下,可運用一些特別的配件裝置來促使平順的油霧流增加擾流的程度,這可以讓部分的油霧在進入潤滑點之前先凝結成油液狀。這些配件接頭的設計依照所需的流率而決定噴孔的數量和孔徑大小,同時也依照需求轉換成油滴量的擾流程度來決定其長度。

全部凝結

如果是平軸承、滑件、立式或臥式滑道等其運作條件幾乎不可能有油霧凝結還原成滑油的機會,這些部分通常都需要用接頭或配合件來將油霧凝結還原成滑油,再以油液狀態供給潤滑油。這類型的配合件都是具有較長且細小口徑的高擾流產生裝置。由於內徑較小且較長,可能需要0.54psi或者是28毫米汞柱的壓力落差來將油霧轉換成滑油並排出,再以重力方式讓滑油滴落到需要潤滑的金屬表面上。

 

油霧潤滑系統的潤滑油

選用適當的潤滑油作為油霧系統的潤滑並非大問題,原則上能用於先進設備的潤滑油都可以油霧化使用。在霧化的應用上,最主要的顧慮是所產生的油霧四處瀰漫或大量噴濺的問題。舉個例來說,鋼廠軋機背滾軸承的潤滑,可經由軸承附近明顯的油霧或油氣噴濺的現象來判斷應該有適當的潤滑油量。

可是如果飛濺的油霧過量,那即便是一般最常用的潤滑油都會有安全衛生上的顧慮。從良好的工業安全衛生習慣來看,工廠內的空氣中油氣濃度應該要維持在規定的範圍以內(例如:每立方米五毫克以下或更低的數值)。如此的條件下,員工才不至於有油氣過量的威脅。

然而,工廠內的油霧凝結系統絕非百分百完美有效的,總可能會有部份油霧竄出污染廠內的空氣,所以定期的檢測空氣中的油氣濃度是絕不可缺少的作法。

專為油霧系統所研發的潤滑油,其最主要的特性是能減除過量油霧瀰漫的可能性。例如Mobil Mist Lube,含有特殊添加劑能夠有效的集結細小的油滴且在實際的運轉衝擊速度下增強其油潤金屬表面的能力。

Mobil Mist Lube這一類型的油霧潤滑油,包括有適用於各機件設備潤滑所需的黏度級數。如果選用較黏稠的ISO 220黏度油品作為潤滑,通常需要加熱以期建立適當有效的油霧。同時,為了克服加熱昇溫和滑油通入空氣霧化所連帶的油品氧化問題,油品具有優異的氧化穩定性,以減除油泥漆膜在霧化器和系統管線中的沉積。

 

操作注意事項

油霧系統的潤滑可以經由監控系統適當的壓力量測及記錄警示來確定穩定的潤滑效能。當然這些潤滑油系統絕非是毫無毛病的,需要有效的維修管理以持續順暢無誤的運轉。根據經驗記錄,油霧潤滑系統最主要的毛病發生在霧化器文氏管的堵塞。這經常是由於進入的空氣過濾不當所致。我們再進一步從引入系統的高壓空氣來看,這些高壓空氣常含有從壓縮機所帶來的微量壓縮機潤滑油、水分、管路中的碎屑、碳渣或污染塵土等。上述這些污染物質都必須在進入霧化器中小小的文氏管或加熱器之前過濾清除乾淨,否則就有可能形成油泥、漆膜、積垢等導致文氏管的堵塞。當然更積極有效的方法是對空氣壓縮機部分良好的維護保養,確定滑油過濾系統濾、分離器、集油器、除水裝置等正常的運作效能。如此一來,高壓空氣進入油霧系統時是絕對潔淨乾燥的狀況。

油霧系統的進氣過濾器要按製造廠家的建議定期更新保養。但縱使這些過濾芯都按規定更新,因使用時間、作業環境、運轉條件等因素的影響還是會有積垢堵塞的案例發生。我們的技術資料記錄裡頭,曾有一鋼鐵廠甚至需要每個月固定拆卸油霧化器來清除污染積垢。而另一家大型紙廠則是執行每隔半年的全部油霧化器清理排程。那麼油霧化器到底是每隔多久清潔一次呢?清除油霧化器的頻率應該是按供給空氣的潔淨程度、空氣或滑油加熱設計及設定溫度、滑油的特性和品質、整個系統的設計、以及使用的空氣量等而不同。(上述的鋼廠認為,按月維護油霧化器所費的工夫成本,遠低於拉長清除維護間隔,軋機背滾軸承故障造成的損失。所以他們持續執行這個花費相對微小的作業方式。)

另一個可能產生的毛病,是在油霧化器內部本身所產生的油泥漆膜。油槽內的加熱組件如果沒有作最佳的調整,加過溫的空氣會促使整體油溫上昇加速氧化狀況。所以使用加溫的空氣應該要維持適用的溫度,以達油霧的需求,而勿超過需求的溫度(一般而言,最高勿超過80℃)。油槽中浸入於油中的加熱空氣管線,最好在設備起動時加溫使用,以及操作中用以維持油溫的穩定。其他時間儘可能的切斷熱源,如此可避免過熱氧化和能源的損失浪費。加熱裝置的設計,也儘可能維持低功率並以較長時間的升溫為佳。

設備機件的設計運作都非絕對完美可靠的。需定期的檢視維修各零組件能夠運轉順暢,提供適當的潤滑效能,各通氣口的空氣流通順暢,管線通暢無阻塞或裂隙,同時流竄或洩漏的油氣要有效的控制。

 

採用油霧潤滑的優點

機械設備使用油霧潤滑系統來配送滑油至各潤滑點的優點:


  • 潤滑區因壓力的關係可以免除外界的污染物。

  • 減少滑油的漏失浪費。

  • 潤滑油用量低。

  • 提供均勻的潤滑油膜層。

  • 持續良好的油量控制。

  • 簡潔可靠的中央潤滑系統。