单线多卫星式油气润滑系统的研究.pdf

2008年6月 第33卷 第6期 润滑与密封 LUBRICATI ON ENGI NEERI NG June 2008 Vol133 No16 收稿日期 2008 - 01 - 29 作者简介孙中伟8,男,硕士研究生2 3611 单线多卫星式油气润滑系统的研究 孙中伟 1 王海学 2 11东华大学机械工程学院 上海201620;2.启东润滑设备有限公司 江苏启东226200 摘要介绍了油气润滑系统的原理,设计了一种新型的油气润滑系统 单线多卫星式油气润滑系统,采用了油气 卫星站的形式,使系统具有良好的扩展性。 并采用PLC控制系统实现对油气润滑主站及各卫星站的状态监控及故障声 光报警和信息显示。这种单线多卫星式油气润滑系统的设计及在轴承润滑方面的应用对加速该技术的标准化及推动我国 油气润滑技术的发展具有现实的理论意义和实际意义。 关键词油气润滑系统;轴承;卫星站;PLC控制系统 中图分类号TH11712 文献标识码 A 文章编号0254 - 0150 2008 6 - 088 - 5 Research of the Single2li ne and M ulti2satellite2style O il2 a ir Lubrica tion System Sun Zhongwe i 1 W ang Ha ixue 2 1. College ofMechanical Engineering, DonghuaUniversity, Shanghai 201620, China; 2. Q idong Lubrication Equipment Co. ,L td. ,Q idong J iangsu 226200, China AbstractTheworking principle of the oil2air lubrication was introduced. A new type of oil2air lubrication system, the single2line and multi2satellite2style oil2air lubrication system was designed. The oil2air satellite2style station was adopted in the oil2air lubrication system, so the system has good expandability. The PLC control system was applied in the system to charge and show the working state of every satellite2style station and with the light and sound alar ming of themalfunction. Keyword soil2air lubrication; bearing;multi2satellite2style station; PLC control system 随着工业自动化程度的快速提高,机械工业产品 正朝着高速、高效、节能、 环保、自动化程度高和使 用寿命长的方向发展,相应地对润滑设备及润滑方法 也提出了更高的要求。油气润滑正是满足这一需要而 发展起来的一门新兴的环保、节能型润滑技术 [ 1 - 3 ]。 油气润滑属于气液两相和少油润滑的范畴。 油气润滑技术的出现,不仅实现了连续的、定量 的、缓慢的、均匀的供油方式,而且还克服了传统润 滑方式干油润滑、稀油润滑和油雾润滑的种种 不足,较其它润滑方式有着较明显的经济优势及较好 的润滑效果。从国外已在轧钢设备和高速精密机床等 的滚动轴承上的使用情况来看,油气润滑在改善轴承 的使用条件、提高转速、增强降温效果、 节油节能和 减少环境污染等方面,都显示了很大的优越性。因 此,在发达国家,油气润滑技术以其高效 、 节能、环 保、自动化程度高、运行可靠等特点已成为最为先进 的润滑方法,并大量应用于众多的工业领域。 油气润滑技术在我国处于刚刚起步阶段,仅在大 型设备上应用,还亟需完善和发展。基于这种情况, 本文作者提出一种单线多卫星式油气润滑系统,它可 以同时对多个轴承 润滑点进行润滑。该系统采 用了油气卫星站的形式,解决了传统双线润滑系统配 管复杂的缺点,并增强了系统的可扩展性。在系统中 安装了末级油气分流器分流器内无运动件 ,克服 了恶劣环境对系统的影响 适合于长期在高温辐射 影响条件下的区域安装使用。这些研究对加速该技 术的国产化及推动我国润滑技术的发展都具有现实的 理论意义和实际意义。 1 油气润滑系统的原理 111 油气润滑原理 油气润滑是一种新型的润滑方式,其工作原理 [4 ] 是将单独供送的润滑介质和气体传送介质进行混合, 并形成紊流状的油气两相介质流 [ 5] ,经油气分配器分 配后,以油膜方式由专用喷嘴喷到润滑点 轴承, 从而达到降低摩擦、减缓磨损、延长摩擦副使用寿命 的目的。如图所示。 19 0.E mailseasnow 0012com 1 图1 油气润滑原理图 Fig 1 The principle of oil2air lubrication 从图1中可以看出,油气管中油的流动速度远远 小于压缩空气的流动速度,油气管中出来的油和压缩 空气是分离的,压缩空气并没有被雾化,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,喷出油滴的状态在很大程度上取决 于喷嘴的设计。而油雾润滑,油和气2种流体的流速 即油、雾的流速是相等的,油被雾化为015～2 μm的雾粒导入润滑点。这是油气润滑与油雾润滑的 重大区别。 112 油气混合器原理 如图2所示,油气润滑是利用将储存在油箱内的 润滑油直接或间接地 通过分配器输送到与压缩 空气网络相连接的油气混合器。进入的油在油气混合 器 [6 ]中通过再次计量分配成若干份 ,应用定量活塞式 分配器,每隔一定时间将微量的润滑油送至与润滑部 位相连通的压缩空气管路中。在不间断压缩空气的作 用下,进入油气输送管道中,借助压缩空气使脉冲形 式输送的润滑油逐渐形成一个连续的油膜,该油膜以 波浪状在通往润滑点的油气管道的内壁移动并以滴状 脱离油气管道内壁和喷嘴,进入润滑点,从而使润滑 点得到润滑,吸收了振动,同时由于不间断压缩空气 的作用将润滑部位产生的热量经排出口排出,起到了 冷却润滑点的作用。此时空气在轴承座内形成正压, 外部尘埃等赃物也无法进入轴承或密封处,还起到了 密封作用。 图 油气混合器原理图 F Tf2x 2 油气润滑系统的基本技术参数和要求 211 采用油气润滑时的耗油量 图3 轴承温度和摩擦 与供油量的关系 Fig 3 The relation of bearing temperature and fric2 tion and oil supply FAG提供的供油量Q、 轴承温度t和摩擦Nr三者 之间的关 系曲线如 图3所 示,从图中可以看出,供油 量、轴承温度和摩擦并不是 呈正比关系的,当供油量增 大到一定程度时,轴承温度 呈下降趋势,在这条温度曲 线中部,温度值是最高的, 因为此时供油量还没有大到 足以降低轴承温度的程度, 相反,由于多余的液体摩擦 而产生了热量。而随着供油量的增大,轴承摩擦也增 大。而2条曲线的最低点恰好是供油量最小的时候, 这也是油气润滑的最佳区域。因此,油气润滑用最小 的供油量却能达到降低轴承温度和减少轴承摩擦的良 好效果,实现了润滑剂100被利用。 式1是由著名轴承制造商SKF提供的用于计 算滚动轴承采用油气润滑时的耗油量 QDBc 式 中Q为 轴 承 耗 油 量,cm 3 /h;D为 轴 承 外 径 mm;B为轴承列宽mm;c01000 03～01000 05 SFK润滑系数。 因此,系统耗油量的计算公式 QGLC1 ∑Qini 式中 QGL为总耗油量,cm 3 /h;Qi为单个轴承耗油 量,cm 3 /h;C1为安全系数;ni为轴承数量。 212 油气润滑末端的位置示意图 图4 轴承润滑示意图 Fig 4 Sketch map of bearing lubrication 喷嘴凝缩嘴 是油气润滑系统的重 要组成部分,只有正 确选用喷嘴,才能对 不同的摩擦副起到有 效的润滑作用。 喷嘴的安装位置 和排气口的配置应当 正确,如 图4所示。 喷嘴的设定位置影响 轴承中油膜压力分布 情况,喷嘴不应该设 定在油膜承载区内,否则会降低油膜的承载能力;润 982008年第6期孙中伟等单线多卫星式油气润滑系统的研究 2 ig 2he working principle o oil airmi er 滑油应该自油膜压力最小的地方输入轴承。 油、气两相混合射流在轴承内腔喷射出以后,原 来在管道中处于管壁四周的油液又被气流吹散成为油 滴,随着射流的喷洒和轴颈高速旋转运动的诱导,油 滴洒落贴附于固体表面,并迅速向摩擦点的入口集 中,虽然步进式供油的油流量很微小,可是,由于采 用最佳的间隔间歇排出,并且射流是直接朝向摩擦点 的方向喷射,所以,在入口处可以形成连续的局部富 集的油流,能够避免贫油现象的产生,这对润滑区油 膜的形成是大为有益的。 油液在摩擦点入口处集中,形成富集的连续油 流,在轴颈的旋转带动和增高的气体压力作用下,进 入润滑区,形成动压油膜,对轴承起着良好的润滑作 用。两相流体射流中的气体充满了轴承内腔,及时地 把摩擦热吸收带走,从排气孔排出见图4,起到 使轴承冷却降温的效果。预留排气孔的最小面积不得 低于喷嘴面积的2倍。油、 气两相流体射流,就是这 样连续不断地从喷嘴喷射到轴承内腔,其中的油液集 中起来进入润滑区,形成油膜,使轴承能够保持有效 的油液润滑状态,并承受负载,而冷却介质则是其中 的空气。显然,空气的 流量 越大,降温的 效果 越 好 [ 8]。 3 单线多卫星式油气润滑系统 单线多卫星式油气润滑系统 [9 ]主要有油供应站、 油气卫星站、油气分流块、PLC电控箱和中间连接管 路等组成,如图5所示。主要应用于润滑点多可 达数千个、分布范围广、环境恶劣的场合。 图5 单线多区式油气润滑系统原理图 Fig 5 The principle of single2line and multi2satellite2style oil2 air lubrication system 工作原理油供应站设有一根供油主管向外供送 压力油,所有油气卫星站的进油口均连接在供油主管 上。油气卫星站的进气口与气源相接,工作时压缩空 气常通。工作时各卫星站间相互独立,当某个油气卫 星站需供油时,该卫星站内油路上的二位二通电磁阀 开启,压力油进入单线递进式油分配器 [ 10 - 11 ] ,油分 配器把润滑油按设定比例分配后送入油气混合器,在 油气混合器中油与压缩空气混合并在压缩空气的作用 下吹送至后端油气分配器,再由油气分配器均分成几 路送入润滑点。递进式分配器上设有监控开关,L 电控箱内设定分配器动作次数,当监控次数达到设定 动作次数时,卫星站上电磁阀关闭,停止供油。 311 油供应站 油供应站负责向各卫星站供油,主要由 油箱装置、油泵装置一用一备、过滤器带 差压控制器、压力控制器、流量计、安全阀以及各 种阀门、管路附件和压力检测仪表、PLC控制及显示 装置等组成。系统正常工作时,工作油泵一台工作, 当系统出现故障油量不足时,备用油泵也投入工作, 当工作油泵出现故障不能工作时,由备用泵代替工作 泵工作,二台油泵也可以交替使用。压力检测仪表用 于显示供油油压,一个数字显示的压力控制开关用于 09润滑与密封第33卷 P C 显示系统油压和控制泵的启动和停止。 油箱装置主要由回油过滤装置、温度继电器、液 位控制器、电加热器等组成。回油过滤装置主要对回 油中的大颗粒杂质进行过滤,温度继电器用于控制电 加热器的开断,当油箱中油温低于某一设定温度时, 电加热器通电,对油液进行加热,达到正常操作油 温。当油箱中油液的温度低于最低设定温度时,油泵 不能启动,需要对油液加热。液位控制器设有高位 、 低位报警,低位报警提示要向油箱补油,同时油泵不 能工作。 312 油气卫星站 油气卫星站是压缩空气处理、润滑油的分配以及 油气混合和输出的总成,每个卫星站都能独立工作 。 卫星站主要由润滑油的分配部分、压缩空气处理和供 给部分、油气混合和输出部分等组成,用于向其管辖 的区域供送油气流。如图6所示。 它是通过卫星站中 的K M型单线递进式分配器和油阀的组合来实现对供 油量的控制,要多少供多少,每个润滑点在单位时间 内能按时得到所需的润滑油,这一控制完全是自动进 行的。如果感到润滑点的油量过多或太少,只需调整 各卫星站内K M型单线递进式分配器的工作周期,延 长工作周期可减少供油量,缩短工作周期可增加供油 量,这种减少或增加供油量的方法能使卫星站管辖范 围内的所有润滑点同步按比例减少或增加。这种对工 作周期的调整只须在主站的PLC操作面板上进行, 非常简便。 图6 油气卫星站外形图 Fig 6 Outside view of oil2air satellite station 功能原理油气卫星站由二位二通电动止回阀 、 K M型单线递进式分配器 带监控开关、气动三联 件、二位二通气动电磁阀、油气混合器、压力控制 器、压力显示以及各种连接件等组成。润滑油供应站 过来的压力油,经二位二通电动止回阀、K M型单线 递进式分配器定量分配,分配出的若干份油分别送至 各自的油气混合器进行油气充分混合,而后分别向后 级的油气分流器进行再分流或直接供向润滑点。卫星 站的工作控制接受油气润滑系统的主PLC电气控制 箱控制。 油气润滑对压缩空气有一定的要求,要求有相对 稳定的空气压力,压缩空气应进行过滤,空气中的水 分含量不能太高。因此,在压缩空气进入油气混合室 前,在油气混合室的进气端前设置气动三联件 空 气过滤器、减压阀、油雾器和截止阀等控制元件。 供气部分用于向系统提供带压力的压缩空气并和 润滑油混合产生油气状气液两相流体。K M型单线递 进式分配器将润滑剂按需要的量精确分配到下游的油 气混合块与已经处理的压缩空气混合后形成稳定的气 液两相液体。油气混合器把从递进式分配器分配出来 的润滑油在油气混合器里和已经处理过的压缩空气进 行混合并形成稳定的气液两相流体 [ 12 ]。 313 PLC电控箱 PLC控制系统采用SIEMENS S72200 CPU,2块8 输入8输出数字量扩展模块,块通讯模块及带有液 晶显示的操作面板组成。其功能除了完成油气润滑的 192008年第6期孙中伟等单线多卫星式油气润滑系统的研究 /1 自动控制外,还可在操作面板上显示系统运行的相关 参数和故障信息。油气润滑系统对油压、气压、 给油 量及轴承座内状况均可进行监控及显示,可有效避免 因润滑不良而导致的轴承损坏事故。通过PROFI BUS2 DP网线把油气润滑PLC控制系统作为一个DP从站 连接到主PLC控制网络中,编制通讯程序,可以实 现油气润滑主站,各卫星站的状态监控及故障报警信 息显示,如果油气润滑系统出现电气、机械或其它故 障,将在HMI面板上显示相应信息并伴随着声光报 警,主控操作人员看到报警信息后及时通知维护人员 进行处理,使之在最短时间内解除故障,恢复系统运 行。另外还可在计算机上实现远程与本地操作的相互 切换与故障复位。 314 系统特征 1设置有供油主站,油箱容积大于等于500 L。 2设置有压缩空气处理装置,可对供应系统 所有递进分配式油气混合器的压缩空气进行预处理。 3设置有若干个能在较高供油压力下工作的 卫星站。 4各卫星站设置有相互独立油计量循环记数 监测控制的单线递进式定量分配器和油气混合器以及 压缩空气带通断电气控制功能的预处理装置。 5设置有PLC电气控制箱,可对全系统的运 行工况实行程序化全自动控制;设置有末级油气分流 器,分流器内无运动件,故可适合于长时期在高温辐 射影响条件下的区域安装使用。 6此系统扩展性好,但在新增卫星站时必须 增设电控部分的控制区域数。 4 结束语 油气润滑是一种高效的润滑新方法,在当今机械 设备正向着高速、高载和精密、灵敏方向发展的时 代,它将能以其独特的优越性能发挥良好的作用。油 气润滑在今后可能是润滑技术发展的一个重要方向, 无论从提高润滑的有效性、延长轴承的使用寿命、增 强冷却降温效果、大幅度提高转速,还是从节油和减 少环境污染等方面来看。单线多卫星式油气润滑系统 的设计及在轴承润滑方面的应用对加速该技术的国产 化、标准化及推动我国油气润滑技术的发展具有现实 的理论意义和实际意义。 参考文献 【1】李志莲,周学巨.一种环保节能的新型精细润滑方式 油气润滑[J ].南方金属, 2006, 12 39 - 43. 【2】姚杰.一种新型润滑系统 油气润滑系统[J ].润滑与 密封, 19966. 【3】吴建荣.油气润滑系统及其在热轧平整机中应用的研究 [D ].沈阳东北大学, 2006. 【4】韦富强,佟强,侯俊达.油气润滑技术及其在首钢冷轧机 轧辊轴承上的应用[J ].首钢科技, 2006628 - 31. 【5】闫通海,等.气液两相流体冷却润滑技术及应用[M ]. 哈尔滨哈尔滨大学出版社, 1995. 【6】上海莱伯斯润滑技术有限公司.TURBOLUB油气润滑技术 手册[M ]. 【7】杨和中,刘后飞.气液两相流体冷却润滑技术[J ].液压 与气动, 20041～12. 【8】胡邦喜.设备润滑基础[M ].2版.北京冶金工业出 版社, 2002. 【9】启东润滑设备有限公司.油气润滑系统设备技术手册 [M ]. 【10】谢瑞昌.集中干油润滑系统在炉卷轧机上的应用与管理 [J].机床与液压, 2006 4 , 227. 【11】姜海军,等.油气润滑在韶钢宽板厂轧线设备上的应用 [J].润滑与密封, 2007 6134 - 136. 【12】闫通海,朱金尧,等.气液两相流体润滑技术的研究 [J].润滑技术, 32 - 34. 上接第76页 Lao Xingsheng, Zhuge Weilin, Zhang Yangjun, et al. A Study on the Perf or mance of New Air Humidification System f or Fuel Cell Engine [J ]. Automotive Engineering, 2007, 293 194 - 197. 【3】周洁,曹广益.质子交换膜燃料电池稳态模型及仿真 [J ].计算机仿真, 2007, 248229 - 232. Zhou Jie, Cao Guangyi. Modeling and Optimization of Proton Exchange Membrane Fuel Cells [J ].Computer Simulation, 2007, 248229 - 232. 【4】张金辉,裴普成.质子交换膜燃料电池欧姆阻抗的试验研究 [J ].清华大学学报自然科学版, 2007, 472 228 - 231 . Zhang Jinhui,Pei Pucheng.Experiment on ohm ic resistance ofp r oton exchange membrane fuel cell [J ].Journal of Tsing2 hua UniversityScience and Technology,2007,47 2 228 - 231. 【5】王君,刘振全.双涡圈涡旋压缩机完全啮合型线修正理论 研究[J].机械工程学报, 2005, 41 3 234 - 238. Wang Jun, Liu Zhenquan.Theoretical Investigation of Perfect Meshing ProfileModification for T win2scroll Compressors [J ]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005, 413 234 - 238. 29润滑与密封第33卷