润滑油温度变化速率影响因素的灰色关联分析

张笑天，王建梅，张亚南，苗克军

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

润滑油温度变化速率影响因素的灰色关联分析

张笑天，王建梅，张亚南，苗克军

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

基于太原科技大学自行研制的大型油膜轴承综合试验台，对两种型号的油膜轴承润滑油460，220进行工业测试。通过对试验数据进行分析，确定影响油膜轴承润滑油温升速率的三个因素，分别为粘度，运转速度以及载荷。文中应用灰色关联分析方法，对试验数据进行关联度分析，得到影响因素的关联度排序，为润滑油运行性能研究提供参考。

油膜轴承；润滑油；灰色关联度

油膜轴承以其承载能力大、速度范围宽、抗冲击性强等优点，广泛应用于板带材、热连轧机上。润滑油作为油膜轴承润滑介质，其性能直接影响轴承的使用寿命和钢材质量。润滑膜的流动产生粘性耗散，表现为温升。温升使得润滑剂的粘度发生变化，粘度正是建立流体力学润滑的关键性质。所以，温度对润滑性能具有影响。温升又可能造成轴承固体部件的热变形，使得间隙形状发生改变，进而影响润滑性能[1]。

近年来一些学者对润滑油的研制、性能和应用做了系统和深入的研究[2-6]。刘淑真等[5]测定低温下单种油样及混合油样的粘度，研究了低温对润滑油性能的影响。周朝勤[6]对460号油膜轴承油的应用进行了研究。本文基于大型油膜轴承试验台运转所得润滑油460和220的试验数据，确定了影响油温变化速率的三个主要因素，通过灰色关联度分析，得到关联度排序，为轧机油膜轴承油的相关研究提供参考。

1 实验原理

基于我校研制的大型油膜轴承综合试验台，在设定不同的工况下，研究润滑油460和220的温度特性。润滑油油膜温度的实时采集通过安装在试验轴承承载区和非承载区的T型热电偶实现。试验轴承承载区的T型热电偶分布如图1所示。

图1 试验轴承承载区热电偶分布Fig.1 The distribution of thermocouples in theload-carryingarea of tested bearing

2 实验数据处理

根据油膜轴承的结构和工作特性，为了准确清晰地反映润滑油温上升速率的变化情况，采用试验轴承具有代表性的承载区同一轴线上的T13、T6、T14、T15四个热电偶采集的数据进行分析。

取同一工况下，润滑油460和220的温度数据，按运转时间平均分成8段，每段取该时间段内温度的平均值，得到在润滑油粘度不同的情况下油温的变化曲线，见图2.

注：p表示period，例如1-p表示1st-period图2 150 rpm-2 MPa工况下润滑油460和220承载区轴向热电偶温度变化对比Fig.2 The contrast of axial oil-film temperature change of 460 and 220 at 150 rpm-2 MPa

如图2所示，相同工况下，不同粘度的润滑油温度上升速率不同。

提取润滑油220在100 rpm-0 Mpa和100 rpm-6 MPa两种工况下采集的温度数据进行对比。

注：p表示period，例如1-p表示1st-period图3 承载区轴向热电偶在100 rpm不同载荷下的温度变化对比Fig.3 The contrast of axial oil-film temperature change under different load at 100 rpm

由图3可知在润滑油粘度及转速相同的情况下，不同载荷值对润滑油的温升速率有影响，在初始阶段区别尤其明显。

提取润滑油220在150 rpm-12 Mpa和300 rpm-12 MPa两种工况下采集的温度数据进行对比。

注：p表示period，例如1-p表示1st-period
图4 承载区轴向热电偶在6 MPa不同转速下的温度变化对比
Fig.4 The contrast of axial oil-film temperature change at different speed under 6 MPa

由图4可知，不同转速也会影响温升速率。通过对润滑油460和润滑油 220在不同工况下运转的试验数据处理对比，发现润滑油粘度，运转速度以及载荷是影响温升速率的主要因素。由于在试验台运转过程中，润滑油的温度变化是一个动态过程，直接分析比较各影响因素的权重值比较困难，故应用灰色关联法对影响润滑油温升速率的主要因素进行关联度分析，从而确定三个主要因素对温升速率的影响程度。

3 灰色关联法基本原理

灰色关联分析是通过确定备选方案与理想方案之间的关联程度进行决策的方法，根据两种方案之间相关因素随着时间或者是对象不断变化情况，通过考察备选方案与优选方案的时间序列曲线的变化，来判断两者之间的关联程度[7]。在对备选方案与理想方案考察的过程中，两种方案需要选择相同因素、相同方法来进行比较，两种方案的较大关联度表现为两方案因素的变化的一致性程度，若具有较大一致性，则该备选方案为优方案；反之，则为劣方案。这种用于度量随着时间变化因素之间关联性大小的尺度为灰色关联度。

4 具体计算过程

第一步：确定分析数列。

确定反映系统行为特征的参考数列和影响系统行为的比较数列。反映系统行为特征的数据序列，称为参考数列。影响系统行为的因素组成的数据序列，称为比较数列。

比较数列中不同牌号润滑油的粘度值见表1.选取了计算关联度所使用的部分原始数据，见表2、表3.

表1 润滑油部分参数Tab.1 Partial parameters of lubricating oil

表2 部分原始数据Tab.2 Partial original data

注：油温升高速率的数据为稳定运转阶段30 min内的温度上升值

表3 部分原始数据(续表2)Tab.3 Partial original data (continued from Tab.2 )

第二步：数据处理

由于系统中各因素的物理意义不同，导致数据的量纲也不一定相同 ，而且有时数值的数量级相差悬殊，这样在比较时就难以得

到正确得结果。为了便于分析，保证各因素具有等效性和同序性，因此需要对原始数据进行处理，使之无量纲化[8]。原始数据处理后的结果见表4、表5.

表4 部分原始数据处理结果(无量纲化)Tab.4 Processing results of partial original data (nondimensionalized)

表5 部分原始数据处理结果(无量纲化)(续表4)Tab.5 Processing results of partial original data (nondimensionalized)(continued from Tab.4)

第三步：计算关联系数Li

若记数据变换的母数列为{x0(t)}，子数列为{xi(t)}，则在时刻t=k时，{x0(t)}与{xi(t)}的关联系数Li(t)用下式计算:

第四步：关联度计算及排序

因为关联系数是比较数列与参考数列在各个时刻(即曲线中的各点)的关联程度值，所以它的数不止一个，而信息过于分散不便于进行整体性比较。因此有必要将各个时刻(即曲线中的各点)的关联系数集中为一个值，即求平均值，作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示。计算得各影响因素的关联度及排序如表8所示。

表6 部分关联系数LiTab.6 Partial correlation coefficients Li

表7 部分关联系数Li(续表6)Tab.7 Partial correlation coefficients Li(continued from Tab.6)

表8 影响因素关联度排序Tab.8 Relational degree taxis of influencing factors

即运转速度对润滑油温升速率影响最大，载荷其次，润滑油粘度相对较小。

5 结论

(1)通过对润滑油460和220在不同工况下的试验数据处理对比，确定润滑油粘度，运转速度及载荷是润滑油温升速率的三个主要影响因素。

(2)应用灰色关联度法对三个因素的关联度进行计算，得到了关联度排序。该方法对合理确定运行工况提供了参考。

[1] 孙大成.润滑力学讲义[M].北京：中国友谊出版公司，1991.

[2] 薛亚文，王建梅，陶德峰，等.轧机功压油膜轴承润滑油的计算[J].太原科技大学学报，2012，33(5)：371-374.

[3] 王建梅，黄庆学，丁光正.轧机油膜轴承润滑理论研究进展[J].润滑与密封，2012，37(10)：112-116.

[4] 张艳娟，王建梅，吉宏斌，等.油膜轴承油黏温特性研究[J].润滑与密封，2014，39(3)：75-78.

[5] 刘淑真，付洪瑞.低温对润滑油性能的影响[J].润滑油，2010，25(2)：18-20.

[6] 周朝勤.460号油膜轴承油的应用[J].合成润滑材料，2008，35(2)：14-15.

[7] 邓聚龙.灰色系统理论教程[M].武汉：华中理工大学出版社，1990.

[8] JIN MIN，ZHOU XIANG，ZHANG ZHI M，et al.Short-term power load forecasting using grey correlation contest modeling[J].Expert Systems with Applications，2012，39(1)：773-779.

[9] ZHANG YONGJUAN，ZHANG XIONG.Grey correlation analysis between strength of slag cement and particle fractions of slag powder[J].Cement and Concrete Composites，2007，29(6)：498-504.

Grey Correlative Analysis of Influencing Factors for Variation Rate of Lubricant Temperature

ZHANG Xiao-tian ，WANG Jian-mei，ZHANG Ya-nan ，MIAO Ke-jun

(School of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

Based on self-developed large scale oil-film bearing test rig of Taiyuan University of Science and Technology，industrial tests on two different types of lubricating oil，460 and 220，were carried out.Through the analysis of experimental data，three factors influencing the variation rate of oil-film bearing lubricant were determined to be viscosity，running speed and load.Grey correlative analysis method was applied to analyze the experimental data，and the sequence of correlation degree was obtained，which could provide reference for operational performances of lubricant.

oil-film bearing，lubricant，grey correlation degree

1673-2057(2015)01-0040-05

2014-09-03

国家青年科学基金(51205269)；山西省自然科学基金(2012011018-2)；山西省留学人员科研资助项目(2013-093)

张笑天(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为摩擦学；通讯作者：王建梅，教授，E-mail：wjmhdb@163.com

TE626.3

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.01.008