摘 要：针对商用微量润滑装置无法满足战场环境修理工作要求的问题，设计开发了基于纯气体驱动的复合油雾喷射(Combined Mist-jet, CMJ)润滑集成箱。为获得稳定的微小流量发生量，采用气动频率发生器、脉冲式微量泵等构建的供油回路和基于固定节流孔的节流特性的供水回路，实现微小润滑介质的稳定发生、喷射用量的快速调节和精确显示，并通过微小流量标定试验提高喷射参数精度。该集成箱开发与实现为CMJ技术在飞机钛合金结构修理中的应用奠定了基础。
关键词：微量润滑；系统设计；装置开发；标定试验
3. 94106 Troops Repair Factory, Air Force of the PLA, Xi′an， Shannxi710614)
引言
采用复合油雾喷射润滑[1,2](Combined Mist-jet, CMJ)对飞机钛合金等高强度金属结构件切削刀具润滑，是提高切割质量和抢修效率的有效技术途径[3]。用于战场环境的CMJ装置必须是以气源为动力源，所产生的微小流量(十几到几十mL/h)应能持续发生、快速调节和精确显示，装置结构还要求具备较高可靠性、抗冲击性及便携性[4,5]。目前，商业化的发生装置[6]普遍采用市电驱动的蠕动泵或脉冲阀产生微量润滑介质， 并通过设定电流脉冲频率来调整和读取润滑介质的使用量，无法适应战场环境的能源供给条件；文献[7]的微量润滑装置采用气体驱动，依靠节流针阀和浮子流量计来调节和显示流量，不仅流量调整与显示需要较长时间，而且玻璃质流量计无法满足战场装置的结构要求；文献[8]的微量润滑装置借助虹吸原理实现微量介质的输送，但流量不能调节，难以适应复杂多变的抢修工作。因此，缺乏战场环境使用的微量润滑发生装置制约了CMJ技术在战伤抢修中的应用。
本研究设计开发了可用于战场环境的CMJ润滑集成箱，提出一种纯气动的微小流量发生、调节和显示的方法，实现了微小流量可调节和显示的喷射润滑，为CMJ技术在飞机钛合金结构修理中应用奠定了基础。
1 微量润滑集成箱设计
1.1 CMJ雾滴发生和润滑集成箱总体设计
1) CMJ雾滴发生方法
CMJ是以微量油为润滑剂、适量水为冷却剂，并在高压气流的作用下雾化成复合雾滴进行冷却润滑的一项绿色切削技术[3]。如图1所示，由于油的亲水性及扩张性，在飞行过程中，一些较小的油滴与较大的水滴碰撞后会在水滴表面扩展铺开，并最终结合成众多由薄油膜包裹的水滴(Oil on Water，OoW)。因此，复合雾滴是包含微小水滴、油滴以及OoW液滴的雾状混合体。
2) CMJ润滑集成箱总体设计
CMJ润滑集成箱主要由CMJ发生系统、控制与显示系统以及辅助系统等几部分组成， 如图2所示。其
图1 CMJ发生与雾滴形式
中，CMJ发生系统主要由微量油和水的发生回路构成，用于产生CMJ所需的微量油和适量水；控制与显示子系统用于启停、调节与显示CMJ润滑介质的用量参数；辅助系统用于给气动切削工具提供洁净、含有微量油雾的合格气源。这些系统都由便携工程箱容纳，可实现对装备的有效保护。
1.2 CMJ雾滴发生系统
复合雾滴发生系统是设备的核心，主要用来产生复合微量喷射润滑所需的微量油和适量水，并将其输送到油雾喷嘴进行雾化和喷射。依据总体设计要求，本研究采用气动频率发生器和脉冲式微量泵来实现微量油发生，采用增压水箱和固定节流孔的用水调节器实现微量水发生。其工作系统原理如图3所示：0.65 MPa的气体通过快卸接头引入本系统，用于喷射的气流经过滤减压阀1，球阀1和导管混合器输出到混合器输入接口，并从输出口套装的外导管输出；用于产生微量油的气流经过滤减压阀2和气动频率发生器后， 变成
图2 微量润滑集成箱工作系统结构简图
图3 复合雾滴发生系统工作原理图
脉冲式压缩空气驱动脉冲式微量泵泵油，油液通过导管混合器套装的内导管将油输送至混合器；用于产生微量水的气流经过滤减压阀3作用在气密水箱的液面上方，压迫水通过球阀3和固定节流孔的水量调节器输送至混合器；混合器用于安装喷嘴，含有两个输入端接口和三个输出接口，其作用是先将油、水、气三路分离，使油和水在接近喷嘴处先混合，以增加雾化效果，并最终使油、水和气在喷嘴处雾化、喷射；单向阀用于防止设备携带或倾覆时水进入气动系统。
1.3 CMJ参数的调整、显示与操控系统
切削气源整定系统的气源压力、流量和油雾器的起雾量等，可直接操纵减压阀、球阀以及油雾器的调整机构来实现，而微量复合喷射启停、润滑介质用量调整及其实现是切削-润滑气动系统调整、操控及显示系统的核心。为了提高军事装置操控和参数调整的速度，必须对复合喷射润滑的参数调整、显示，启停操控等方案进行优化。
1) 喷射油用量调整方案设计
采用脉冲式微量泵和气动频率发生器的微量油液发生系统，其用油量Q1可由公式(1)计算：
Q1=q×f×60
(1)
式中： Q1为供油量，mL/h；q为微量脉冲泵排量，mL/次； f为气动频率，次/min。
由公式(1)可知，调整排量q和频率f均可改变润滑装置的供油量，但其油量流动时的脉动率不同，在排量q最大，频率最小时，油液流动的脉动最大，因此，为保持喷射的连续油液供给，微量泵应采用较小的排量q，频率发生器应采用较快的频率f。
2) 喷射油用水调整方案设计
为了实现供水量的定量供给，避免使用玻璃式浮子流量计，提高装置的抗冲击性，本研究设计开发了基于固定节流孔的节流调整器。其结构形状如图4所示，主要由节流座、节流片和锁紧帽等构成。其工作原理：液体流经带有定尺寸短管型节流孔A0时(0.5≤l/d≤4)，其流量Q2可由公式(2)[9,10]表示：
(2)
式中： Q2为流经孔口的流量，即水的流量；Cd为流量系数，可由试验确定，一般当Re>105时，Cd取0.816；A0为通流小孔的截面积，A0=πd 2/4；Δp为短管孔口节流前后的压力差，Δp=p1-p2。p1为容器压力，p2为喷嘴处压力，约为0。
图4 固定节流孔的节流器结构简图
由公式(2)可知，采用短管型孔口作为节流孔的冷却水的流量发生与控制元件具有以下特征：小孔的流入端具有可调的压力p1，因此，冷却水能持续流动并可调节；流经孔口的流量Q2与小孔前后压差Δp的平方根成正比，所以流量Q2受孔口压差变化的影响不大，便于通过调整p1实现微小流量的调整与控制；流量Q2与液体的黏度无关，工作温度变化对孔口流量的影响较小，适用于野外工作环境。
3) 润滑介质用量显示方案设计
润滑介质用量值通常采用流量传感器或浮子流量计等测量装置显示，但这些测量仪器精度高，易损坏。为提高润滑集成箱对环境的适应性、可靠性和抗冲击能力，根据用量参数调整方案，系统采用间接测量方法来显示系统的润滑介质使用量，避免了易损件对系统可靠性的影响：用油量数值通过频率值f来显示，用水量数值通过增压油箱的p1来显示。考虑到脉冲式微量泵和定尺寸小孔的制造误差引起油泵排量q和节流孔的节流面积A0变化，最终影响脉冲式微量泵的流量Q1以及用水量的Q2-Δp曲线形状，因此，实际流量与理论计算值获得的数值存在一定的偏差，要准确显示润滑介质的用量，必须对微量润滑集成箱所产生的油与水流量进行标定。
1.4 辅助系统设计
辅助系统主要有切削气源整定系统、输入输出接口以及润滑介质存储装置等。切削气源整定系统主要由过滤器减压阀、油雾器及压力表和控制阀等构成，主要用于过滤气源的水分和杂质，稳定切削气源的压力，给切削工具的提供稳定、洁净，含有微量油雾的优质气源，以减少气动切削工具发热，提高持续切割的能力；输入输出接口用于插接来自冷气瓶的压缩空气，并将其CMJ润滑介质以及切削所需的气流输送给混合器和切削器，实现各种输入输出工作；润滑介质存储装置由2个增压油箱与1个增压水箱组成，用于存储切削油、冷却水和工具润滑油等润滑介质，其中切削油能满足不少于24小时的工作用量，冷却水可随时方便补充，实现CMJ喷射工作液随箱携带；箱体为派力肯系列防护箱， 并在设备面板与箱体结合面处加装缓冲胶
条以提高整体抗冲击能力。
综上所述，本研究开发的用于战场环境的微量复合喷射润滑集成箱如图5所示。
图5 微量复合喷射润滑集成箱及其主要功能件外观图
2 微小流量的标定试验
2.1 喷射油量的标定
试验方法与步骤如图6所示，微量泵装入设备前，首先标定微量泵排量q，其方法是通过气动频率发生器驱动脉冲式微量泵，钢板尺置放于集成箱供油口与混合阀之间的管路上，记录与调整微量泵的排量调整螺杆，使每10个脉冲后染色液柱的伸长量为(40±1) mm，即可获得油泵的排量q为0.02 mL/次。排量q标定后装入设备中进行用油量Q1标定，其方法是：将每分钟的微量泵动作的频率数换算成流量并通过验证试验，最终获得40～120 mL/h范围内的6种常用油量。
2.2 喷射水量的标定
试验方法与步骤如图7所示，首先给单独水箱加载4 kPa压力，用浮子流量计检测用水量是否为350 mL/h，如果未达到则用细小研磨棒对节流小孔进行修磨，直至用流量计检测为350 mL/h。校验节流小孔后，再根据用水量Q2公式(2)计算在用水范围100～350 mL/h的6个档位用量所对应的理论压力值pi(i=1,2,…,6)。最后进行理论计算压力点的流量验证试验， 适当修订压力值即获得用水量与水箱加载压力之间的对应关系。该方法的优点是：任意一批同型号装备只需校验节流孔， 即可保证每台设备具有同样的流量与压力特性关系曲线，可快速、准确的标定一批装备。
图6 喷射油量的标定试验方法
图7 用水量的标定试验方法
3 结论
(1) 开发了纯气体驱动的CMJ润滑集成箱，具有结构紧凑、便携性好、元器件简单、抗冲击性强等特点，可用于战场环境对各种金属结构抢修切割润滑工作;
(2) 通过采用气体频率发生器和气动微量泵的供油回路，以及基于固定节流孔流量特性的供水回路实现了微小润滑介质的稳定供给;
(3) 通过微小流量的标定试验，实现了40～120 mL/h 供油和100～350 mL/h供水的五个等级微小流量，实现了润滑介质用量快速调节和精确显示。
