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油氣潤滑設(shè)備潤滑油站的設(shè)計

文檔作者：劉雨辰，孫啟國文檔來源：北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月06日
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焉蘭：Q慧!璺訾生曼里些蘭—=。竺酬。。m竺機(jī)enl&amp;amp;電—In。產(chǎn)—ovatio品—n of開—Mach簋—inery與—&amp;amp;E釧le=ctr蘭新ical竺嘲。。協(xié)蘭===——=——蘭VMoal．y，墜26。,N們竺。宇
文章編號：1002—6673(2013)03—041-03
油氣潤滑設(shè)備潤滑油站的設(shè)計
劉雨辰，孫啟國
(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100144)
摘要：論文針對油氣潤滑設(shè)備設(shè)計了一種新的滑油站的結(jié)構(gòu)，采用Fluent對油箱進(jìn)行了溫度場仿真，分析
了其加熱性能。結(jié)果表明，該潤滑油站能夠滿足大型油氣潤滑設(shè)備的使用需求，降低了油氣潤滑設(shè)
備的成本．減少了能源的浪費。
關(guān)鍵詞：油氣潤滑；潤滑油站；溫度場仿真
中圖分類號：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10．3969／j．issn．1002-6673．2013．03．017
Design of the Hydraulic Station for Oil—-air Lubrication Equipment
L／U Yu-Chen．SUN qi—G”
(North China Univenity of Technology，Beijing 100144，China)
Abstract：The structure of the hydraulic station was designed for oil—air lubrication equipment in this paper．The temperature field simula—
tion is done by Fluent．The resdt shows that the hydraulic stafion could reduce the COSt of the oil-air lubrication equipment and avoid ener—
gy Waste·
Key words：oil—air lubrication；hydraulic station；temperature field simulation
0引言
油氣潤滑是一種新的潤滑方式．具有環(huán)保、節(jié)能等
特點，是潤滑技術(shù)的新趨勢。油氣潤滑將潤滑油與壓縮
空氣按一定比例混合在一起．壓縮空氣帶動潤滑油沿管
道內(nèi)壁持續(xù)地螺旋狀流動。形成一層連續(xù)油膜，然后以
精細(xì)的連續(xù)油滴的方式噴到潤滑點[11。
油氣潤滑設(shè)備的供油間隔較長。且單次供油量較
小。如應(yīng)用在某高速軋機(jī)上的大型油氣潤滑設(shè)備供油間
隔達(dá)2500st：n。如果采用容積較大的油箱貯存、加熱潤滑
油，須使用大功率的加熱裝置。這樣做除了使成本增加
之外，加熱器功率過大又容易造成表面溫度過高，使?jié)?
滑油的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。并且，大量潤滑油在油箱內(nèi)
反復(fù)被加熱。也是能源的浪費。
本文設(shè)計了一種雙油箱結(jié)構(gòu)的潤滑油站，能夠用
功率較低的加熱器在短時間內(nèi)完成潤滑油的加熱。本文
使用Fluent軟件對油箱的加熱情況進(jìn)行了溫度場仿真，
修稿日期：2013—04—02
基金項目：北京市屬高等學(xué)較人才強(qiáng)教計劃資助項目(FHR201 107109)
作者簡介：劉雨辰(1988一)，碩士研究生。
分析油箱內(nèi)的溫度場。驗證了潤滑油站的設(shè)計。
1潤滑油站的結(jié)構(gòu)
潤滑油站采用雙油箱結(jié)構(gòu)。下層油箱為主油箱，容
積較小，加熱潤滑油并向油氣潤滑設(shè)備供油。上層油箱
為副油箱，容積較大．主要作用為盛放潤滑油。上下油
箱之間有電磁閥和管路相連接，當(dāng)主油箱內(nèi)液位低于設(shè)
定值時，電磁閥打開。副油箱給主油箱補充潤滑油，補
充完畢之后電磁閥關(guān)閉，主油箱開始加熱潤滑油并準(zhǔn)備
向設(shè)備供油。
上層油箱為副油箱，容積為160L，油液深度340mm，
鋼板厚3mm。如圖1所示，油箱裝有進(jìn)油過濾器，用于
人工添油。油箱底部設(shè)計為斜面，用于沉淀潤滑油中的
雜質(zhì)，可以通過底部安裝的排污閥將其排出。油箱側(cè)板
下部的出油口裝有電磁閿。
用于給下層油箱供油。為
了有效防止攪動或吸入箱
底沉積物，油箱的進(jìn)、出油
口應(yīng)距離油箱底部斜面的
最高點50mm以上【3】。
下層油箱為主油箱．
1．通向主油箱的管路及電磁閥
2．排污閱3．注油過濾器
圖1剮油箱原理圖
4l
萬方數(shù)據(jù)
·產(chǎn)品與市場·
油箱的加熱器在工作時，將電能5暇油過濾器6．油泵：
轉(zhuǎn)化為熱能加熱油液。在設(shè)計加熱器圖2主油箱原理圖l
時，應(yīng)先選擇加熱器的使用電壓，然后根據(jù)對潤滑油溫
升速度的需求，確定加熱器的功率P。在油氣潤滑設(shè)備
的應(yīng)用中，潤滑油的溫度須處于15℃一40℃之間。所以．
當(dāng)潤滑油低于15℃時潤滑油站開始加熱，當(dāng)達(dá)到40℃停
止加熱。加熱的速率定為每分鐘上升2℃。
油箱中的潤滑油在吸收熱量、溫度由T。變化到T2
時，其所吸收的熱量Q滿足：
Q=Ic? ㈩f
式中：C一比熱容；m一質(zhì)量。由此，推導(dǎo)出潤滑油
站主油箱加熱器的功率P：
p_>Cxpx．VxAT一(2)l
△t×11
式中：C一潤滑油的比熱容；p一潤滑油的密度；
V一主油箱的體積；△T一改變的溫度值；△t一溫度改
變所花費的時間；1一機(jī)械效率，通常取經(jīng)驗值。上述
參數(shù)的數(shù)值及單位在如表1中所示。將數(shù)據(jù)帶人式(2)，
對油箱的溫度場進(jìn)行建模仿真，需要加熱器的幾何
表1計算加熱器功率所需參數(shù)
竺! ! 壘! 壘! ! l!
J／(kg·qc)l kg／m3 m3 ℃ s I：
二2亙13 1 1玉85[2[互0．4]二三2工j60二叵0．7
尺寸。結(jié)合加熱器的功率以及油箱的容積，選擇兩組如
圖3所示的雙聯(lián)U形加熱管作為加熱器。
加熱管在加熱時，若表面功率密度太大，會使局部
溫度過高，易造成潤滑油及其添加劑的變質(zhì)、分解t31，甚
至被加熱介質(zhì)在加熱管表面結(jié)碳或結(jié)焦，損壞加熱管。
用于加熱潤滑油的加熱器的表面功率密度一般在0．9W／：
em2至3．5w／cmz之間H。對于圓柱形的加熱管，其表面功
率密度率的計算公式為：
娟基蘭三羞量至螢盯=麗P面／n (3)!
圖3 U形管加熱器式中：盯一表面功率密
42
度；P～總功率；n一圓柱形加熱管的數(shù)量：D～加熱管
的直徑；L一加熱管的長度。將如表2所示的加熱器模
型的尺寸參數(shù)帶人式(3)，得or=2．3W／cmz，加熱器能夠安
全地對潤滑油進(jìn)行加熱。
3 熱場仿真及其結(jié)果分析≮矗耄瀚
為了驗證主油箱的加熱效果，l!I!I旦l蘭l
采用FLUENT進(jìn)行油箱的溫度場l!l l竺J竺J
仿真。nu。nt軟件中所提供的流體I!!竺l!J!J!!J
導(dǎo)熱的模型，采用奈維斯托克斯方程作為控制方程。
凡有熱交換的流動系統(tǒng)必定遵守能量守恒定律。能
量守恒定律可以表述為：單個微元中獲得的能量等同于
進(jìn)入該微元體的凈熱流量與體力、面力對該微元體所做
的功之和。能量方程即為能量守恒定律的數(shù)學(xué)表述。
對于潤滑油在油箱中的熱對流的描述．采用
Boussinesq模型，只在動量方程計人密度隨溫度的變化，
以簡化計算過程【5’61。
GAMBIT是進(jìn)行CFD計算時常用的建模軟件．具有
強(qiáng)大的前處理能力。用戶通過GAMBIT的GUI可以便捷
地完成建模與劃分網(wǎng)格的工作。在使用GAMBIT對潤滑油
站的油箱建模時，須對油箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡化．只針
對加熱器與潤滑油液進(jìn)行計算。油箱的模型如圖4所示，
四組加熱管與油液分別劃為5個不同的計算域，其中加
熱管設(shè)定為固體域，潤滑油液設(shè)定為流體域。油液周圍
的壁面都為wall類型。模型的z向坐標(biāo)軸為豎直方向。
由于模型包含多處不規(guī)則曲面，所以只能夠使用四
面體網(wǎng)格對其進(jìn)行劃分。四面體網(wǎng)格能適應(yīng)較為復(fù)雜的
結(jié)構(gòu)。潤滑油及加熱器的網(wǎng)格劃分如圖5所示。
將GAMBIT生成的油箱網(wǎng)格文件導(dǎo)人nuentl4．0。
起始溫度和環(huán)境溫度設(shè)定為15℃，加熱時間設(shè)定為750s。按照計算，熱源項設(shè)定為9．55xl舭3。潤滑油
的主要參數(shù)飛設(shè)置如表3所示。
加熱750s后的溫度場如圖6所示。經(jīng)過加熱，由
于熱對流的存在，潤滑油的溫度基本均勻，處于309k～
317k之間，與加熱器的總功率基本相符。加熱管周圍溫
度較高。由于壁面的散熱作用，避免附近的溫度較低，
圖4溫度場仿真模型圖5 溫度場仿真模型的
網(wǎng)格劃分
但對于容積小的油箱，散熱作用對油箱內(nèi)溫度場產(chǎn)生的
影響也較小。(下轉(zhuǎn)第44頁)
萬方數(shù)據(jù)
·產(chǎn)品與市場·
的壓力差使液壓鎖可靠地關(guān)閉。
2．2鎖緊回路內(nèi)不允許泄漏
由于液壓油的彈性模量很大，因此很小的容積變化
就會帶來很大的壓力變化。鎖緊回路靠的是將液壓缸兩
腔的液壓油密封住來保持液壓缸不動的。但是如果鎖緊
回路中的液控單向閥和液壓缸之間還有其他可能發(fā)生泄
漏的液壓元件，如圖3(a)，那么就有可能因為這些元件
爭融
(a) (b)
圖3鎖緊回路2
的輕微泄漏，導(dǎo)致鎖緊失敗。
正確的做法應(yīng)該如圖3(b)
所示．液壓鎖和液壓缸之間不
設(shè)置任何其他液壓元件以減少
泄漏，保證鎖緊回路的正常工
作。
2．3選型不當(dāng)導(dǎo)致工作不正常
圖4所示系統(tǒng)選用的液控單向閥為內(nèi)泄式。當(dāng)換向
閥左位工作時，利用節(jié)流閥l建立起控制油口K的壓
力，打開液壓鎖，負(fù)載在自重作用下向下運動。從原理
上分析，回路沒有問題。但是在實際工作中，每當(dāng)負(fù)載
下降時，總會發(fā)出頻繁的噪聲，振動嚴(yán)重。經(jīng)分析原因
如下，負(fù)載向下運動時，液控單向閥A口由于節(jié)流閥2
的作用．產(chǎn)生相當(dāng)高的壓力。而此時液控單向閥的控制
油口K仍為原來的調(diào)定壓力。由于內(nèi)泄式液控單向閥的
A口壓力作用面積與控制腔控制壓
力作用的面積相差不大。因此在A
Iii壓力的作用下單向閥要關(guān)閉．這
時A口壓力下降，單向閥再次打
開。這個過程反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)致了頻
繁的振動噪聲。
這個問題的解決方法可從以下
兩方面考慮：①選擇外泄式液控單
向閥；②提高控制油壓力。
3結(jié)束語圖4鎖緊回路3
綜上所述，液壓鎖看似結(jié)構(gòu)簡單，但是在使用中有
很多容易忽視的問題，使用不當(dāng)。將會很容易使液壓鎖
失效，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計失敗。因此，我們在選用液壓鎖時，
一定要綜合考慮系統(tǒng)條件，達(dá)到液壓鎖的正常開閉條件，
使之可靠地開啟、關(guān)閉。
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(上接第42頁) 表3潤滑油主要參數(shù)
比熱容密度導(dǎo)熱系數(shù)粘度體積膨脹系數(shù)
J／(kg·℃) kg／m3 K／(w m·℃) m／s2 ，k
2131 852 0．14 30x104 9．6x10r4
淘||一
的功率及尺寸設(shè)計比較合理。
4結(jié)論
本文在傳統(tǒng)潤滑油站單
油箱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上。利用油
表4幾種潤滑油的閃點
潤滑油名稱閃點溫度
20號航空潤滑油油503k
L-HM46液壓油511k
4050潤滑油≥519k
氣潤滑設(shè)備供油間歇長、單次供油量小的特點．將其拆分
為具有儲油功能的副油箱和具有加熱功能的主油箱，實現(xiàn)
了自動補油。通過對Fluent溫度場仿真結(jié)果的分析，驗證
了主油箱能夠在大型油氣潤滑設(shè)備兩次供油之間將潤滑油
加熱至所需溫度，降低了設(shè)備的成本，也避免了使用大功
率加熱設(shè)備所造成局部溫度過高以及能源的浪費。
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