孫潔1，李廣林1，張國(guó)海2，趙國(guó)民2，劉水春3，張瑞新4
（1.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山063009 2.承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰緹掕F廠,河北 承德067000 3.承德建龍?zhí)厥怃?有限公司供應(yīng)處,河北 承德067000 4.唐山睿澤爾科技有限公司，河北 唐山063000）
摘要：分析了稀油站潤(rùn)滑系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)油液污染對(duì)機(jī)械設(shè)備的危害性，通過將傳統(tǒng)的過濾式污染物控制方案與基于離心機(jī)理的油品凈化方案進(jìn)行對(duì)比、分析，并且采用實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證,提出采用離心式凈油機(jī)實(shí)現(xiàn)稀油站潤(rùn)滑系統(tǒng)以及各液壓系統(tǒng)油品凈化的研究方案，分析了該方案應(yīng)用的合理性、高效性和先進(jìn)性，為企業(yè)節(jié)能降耗、保駕護(hù)航的同時(shí)也必定具有其深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：潤(rùn)滑系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；離心式；凈化
0引言
無論是稀油站潤(rùn)滑系統(tǒng)的潤(rùn)滑油、汽輪機(jī)油還是各液壓系統(tǒng)中的液壓油，如果油液中混入水分和機(jī)械雜質(zhì)后對(duì)機(jī)械設(shè)備的正常工作會(huì)造成嚴(yán)重的危害。據(jù)有關(guān)資料介紹，潤(rùn)滑油、液壓油的污染所引起的潤(rùn)滑、液壓系統(tǒng)的故障約占稀油潤(rùn)滑、液壓系統(tǒng)全部故障的65%以上，因此去除油液中的污染物（固體顆粒、水份、氣體等）是各企業(yè)必須完成的任務(wù)，也是當(dāng)今潤(rùn)滑、液壓系統(tǒng)控制行業(yè)亟待解決的重要課題。
1傳統(tǒng)的油液凈化手段
對(duì)油品污染控制，傳統(tǒng)的手段主要是依靠壓板式濾油機(jī)、濾網(wǎng)式濾油機(jī)、真空加濾網(wǎng)式濾油機(jī)、聚結(jié)式濾油機(jī)等以過濾的方式進(jìn)行油液的凈化，這些種類濾油機(jī)受其凈化原理的制約，其效率比較低、性能不穩(wěn)定、運(yùn)行成本較高且凈化的效果很大程度上取決于維護(hù)工人的責(zé)任心[1]。各種傳統(tǒng)濾油設(shè)備其工作原理和優(yōu)劣分析如下：
1.1壓板式濾油方式：利用多層濾紙層層過濾，濾油精度在定期更換濾紙的情況下可以較高，但也只能去除油液中固體顆粒，而對(duì)“水份、空氣”卻不能濾除。在使用過程中需要操作人員嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，定期更換濾紙確保過濾效果，使用不便，運(yùn)行成本較高。
1.2濾網(wǎng)式濾油方式：和使用濾紙的壓板式濾油方式一樣，只是將濾紙改為高精度濾芯，可對(duì)油液中較小的固體顆粒濾除，但對(duì)“水份、空氣”仍不能濾除。濾芯工作壽命視濾網(wǎng)納污量大小而定，當(dāng)濾芯納污量飽和時(shí)，濾芯不但不能起到凈化作用，反而會(huì)導(dǎo)致油壓升高，給系統(tǒng)帶來危害。為滿足精度要求且不導(dǎo)致油壓升高，同樣需要操作人員嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，必須在濾芯達(dá)到飽和之前更換濾芯，這就使運(yùn)行費(fèi)用高速增長(zhǎng)，造成運(yùn)行成本過高、性能不穩(wěn)定、濾材消耗大。
1.3真空加濾網(wǎng)式濾油方式：是先將油液加熱，在真空加速作用下使部分游離水、溶解水蒸發(fā)，而后經(jīng)過降溫及冷凝，去除水份和空氣，再經(jīng)過濾網(wǎng)去除固體顆粒。采用油液快速
加熱并輔以高真空負(fù)壓（-0.08MPa以上）進(jìn)行除水，雖然能除去油液表面水份，但除水效率較低，需長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行才可達(dá)到油液的除水要求，如果要達(dá)到油液對(duì)固體顆粒污染度要求，同樣需要操作人員嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，在濾芯達(dá)到飽和度前進(jìn)行更換，不僅運(yùn)行費(fèi)用高速增長(zhǎng)，造成運(yùn)行成本過高、性能不穩(wěn)定、濾材消耗大、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員工作繁重，而且油液的瞬間加熱時(shí)間過長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致油液劣化，降低油液的使用壽命。
1.4聚結(jié)式濾油方式：是利用不同功能的濾芯：預(yù)過濾濾芯-聚結(jié)濾芯-分離濾芯組成三重過濾的設(shè)備，對(duì)固體顆粒與游離水能起到一定的濾除，但不能除去空氣和溶解水。使用該設(shè)備必須掌握三重濾芯的納污量及過濾比β（β隨使用時(shí)間在下降）。需經(jīng)常對(duì)出油口油液進(jìn)行檢測(cè)，才能得以保證該設(shè)備正常的濾油精度。由于聚結(jié)式濾油機(jī)本身特點(diǎn)，導(dǎo)致效率低、性能不穩(wěn)定，所以增加濾芯更換造成運(yùn)行成本過高、性能不穩(wěn)定、濾材消耗大是不可避免的[2]。
從以上幾種傳統(tǒng)的以過濾和真空瞬間加熱為主要工作方式的凈油方式的對(duì)比分析來看，雖然都能實(shí)現(xiàn)油品的較高精度的凈化和部分水分的分離，但是普遍存在著凈化效率比較低，凈化效果取決于濾芯的精度和維護(hù)人員更換的頻度，耗材量大，運(yùn)行成本高，而且真空瞬間加熱時(shí)間過長(zhǎng)還可以導(dǎo)致油品的劣化，造成油液更換周期的縮短，增加油液的浪費(fèi)。
2基于離心機(jī)理的凈油方式
2.1工作原理分析
將儲(chǔ)油箱中的油液引入到一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)所形成的離心場(chǎng)中，由于油液中油和各種非金屬固體污染物，金屬粒子、水等污染物的比重不同，因而它們所承受的離心力也不一樣，所以只要污染物的比重大于被凈化油液的比重時(shí)，即可以將它們從被凈化的油液中分離出來，使被污染的油液得以凈化。其結(jié)構(gòu)組成原理如圖1所示。首先，被凈化的油液從儲(chǔ)油箱中經(jīng)吸油管在增壓泵M2的作用下抽入到輔助油箱，在此由真空泵M1實(shí)現(xiàn)油液中氣體的排出，液位控制器實(shí)現(xiàn)輔助油箱中液位的控制；其次脫除掉空氣的油液經(jīng)增壓泵送至在電動(dòng)機(jī)M3的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)（8000轉(zhuǎn)/分鐘）的離心桶組件所產(chǎn)生的離心場(chǎng)隨離心桶組件高速旋轉(zhuǎn)，從而將比重大于油液的污染物（各種非金屬固體污染物，金屬粒子、水等）進(jìn)行純物理方式的分離，分離出來各種污染物沿離心桶壁流入納污盒，運(yùn)行過程中定期清洗即可，而凈化后的油液通過回油管返回到液壓系統(tǒng)的油箱，經(jīng)過多次循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)油液高精度的凈化。
2.2影響油液凈化效果的因素
油液被輸送到離心桶組件的離心場(chǎng)后，雖然油液中各組分各自比重不同而承受不同的離心力，從而實(shí)現(xiàn)油液中的各種非金屬固體污染物，金屬粒子、水等的有效分離，但是由于各組分質(zhì)點(diǎn)沉降速度（沿徑向的移動(dòng)速度）與油液本身以及離心力場(chǎng)的各項(xiàng)參數(shù)有以下關(guān)系：
其中: v雜質(zhì)粒子沉降的速度
雜質(zhì)粒子的沉降半徑
Δ雜質(zhì)粒子與油液密度差
ω雜質(zhì)粒子旋轉(zhuǎn)的角速度
r雜質(zhì)粒子距旋轉(zhuǎn)軸中心的距離
µ 油液的動(dòng)力粘度
由公式可知：影響分離效率的主要因素就是雜質(zhì)粒子沉降的速度，而沉降速度又受到雜質(zhì)粒子的沉降半徑、與油液密度差、旋轉(zhuǎn)的角速度、距旋轉(zhuǎn)軸中心的距離以及液體的動(dòng)力粘度等因素的影響[3]。
①雜質(zhì)粒子的沉降半徑
雜質(zhì)粒子的沉降半徑實(shí)際上也就是離心筒的半徑，半徑越大，分離效果會(huì)越好，但伴隨而來的是對(duì)離心筒組件的動(dòng)平衡要求越高，設(shè)備的制造維護(hù)成本越高。
②雜質(zhì)粒子旋轉(zhuǎn)的角速度
雜質(zhì)粒子旋轉(zhuǎn)的角速度實(shí)際上也就是離心筒的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越高，分離效率越高，同樣也會(huì)使設(shè)備的制造維護(hù)成本越高。
③雜質(zhì)粒子與油液密度差
雜質(zhì)粒子密度比油液密度越大，其分離效率越高。因此對(duì)于某種特定的油液如高壓抗燃油（油液的比重1.11-1.17g/m3）或某些混有纖維性雜質(zhì)的油液，該種方式達(dá)不到預(yù)期的凈化效果。
④油液的動(dòng)力粘度
粘度越大，分離效率越差，因此使用該種方式進(jìn)行油品凈化時(shí)，對(duì)油液的動(dòng)力粘度是有要求的，超出粘度要求時(shí)，要采取一定的措施。
3基于離心機(jī)理的油品凈化方案設(shè)計(jì)
根據(jù)離心機(jī)理，離心筒組件內(nèi)帶有導(dǎo)流槽的碗狀碟片隨高速旋轉(zhuǎn)的離心筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使得含有雜質(zhì)的油液在碟片表面形成離心力場(chǎng)，油、各種非金屬固體污染物、金屬粒子以及水等各組分由于各自比重的不同，在離心力場(chǎng)中所承受的離心力也不一樣，比重大的各種非金屬固體污染物、金屬粒子以及水等在較大的離心力的作用下，移動(dòng)出碟片的邊緣，飛落到離心筒內(nèi)壁，并順著內(nèi)壁流入下方的納污盒中，而比重相對(duì)較小的潔凈油，因所受到的離心力也較小，則仍然滯留在碟片內(nèi)，從中間的管道輸出返回到油箱，從而將油、各種非金屬固體污染物、金屬粒子以及水等各組分分開，完成油品的凈化。
為確保凈化效率達(dá)到最佳狀態(tài)，其主要因素就是離心桶組件的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速以及物理尺寸的合理匹配。轉(zhuǎn)速低，所產(chǎn)生的的離心力不足以將各組分完全分離，達(dá)不到最佳凈化效果；轉(zhuǎn)速過高，所產(chǎn)生的離心力過大，不僅會(huì)將本來的純凈油也移動(dòng)到有效半徑的碟片之外，達(dá)不到最佳凈化效率，同時(shí)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性也大大下降，故障率升高[4]。因此必須將離心桶轉(zhuǎn)速、油液的流量和碟片半徑合理匹配，才能達(dá)到最佳的分離效果以及最佳的設(shè)備穩(wěn)定性和低維護(hù)率。經(jīng)過理論計(jì)算和多次的實(shí)際試驗(yàn)，最終確定離心桶轉(zhuǎn)速8000轉(zhuǎn)/分鐘，油液的流量50升/分鐘，碟片半徑138mm時(shí)其分離效率最高，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，故障率保持在最低水平。
4現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用效果分析
利用此方案設(shè)計(jì)的離心式凈油機(jī)在承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰緹掕F廠爐前液壓站進(jìn)行了試用并對(duì)近一年的設(shè)備運(yùn)行狀況以及油液凈化后所產(chǎn)生的效果進(jìn)行了跟蹤和效益總結(jié)。
2013年8月31日至9月5日，實(shí)際約30小時(shí)的試運(yùn)行中，將該離心式凈油機(jī)凈化前后的油樣分別進(jìn)行了定性和定量比對(duì)，如圖2所示。
圖2中是凈化前后油樣的定性對(duì)比及從油液中分離出的污染物情況，很明顯的可以看出油液在排出大量的污染物后其清澈度有了很大的變化。該兩樣品經(jīng)河北省化工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站（唐山）進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凈化前后液壓油中污染物每百升的顆粒度數(shù)及對(duì)應(yīng)的潔凈度NAS級(jí)別見表1：
從表1所給出的數(shù)據(jù)得知，僅用了5天的時(shí)間，實(shí)際運(yùn)行了也只有大約30個(gè)小時(shí)的時(shí)間。（2013年8月31日取樣）5-15um的顆粒個(gè)數(shù)每100ml中150947個(gè)，潔凈度為NAS10級(jí)，15-25um 顆粒個(gè)數(shù)每100ml中1560個(gè)，潔凈度為NAS6級(jí),25-50um顆粒個(gè)數(shù)每100ml中80個(gè)，潔凈度為NAS4級(jí)；凈化后的液壓油（2013年9月5日取樣）5-15um顆粒個(gè)數(shù)每100ml中下降到105460個(gè)，即最小的污染物顆粒潔凈度提高了一個(gè)NAS級(jí)別，達(dá)到NAS 9級(jí)， 15-25um 顆粒個(gè)數(shù)每100ml中253個(gè)，潔凈度提高4個(gè)級(jí)別為NAS2級(jí)，而25-50um顆粒個(gè)數(shù)每100ml中7個(gè)，潔凈度提高6個(gè)級(jí)別達(dá)NAS00級(jí)，充分證明了該離心式凈油機(jī)有著非常明顯的凈化效果，如延長(zhǎng)凈化運(yùn)行時(shí)間其效果會(huì)更明顯。
2014年7月1日，也就是該離心式凈油機(jī)10個(gè)月后，承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰緹掕F廠和供應(yīng)處根據(jù)公司ERP系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，對(duì)該液壓油站濾芯等耗材的數(shù)量、恒壓變量泵、爐前開口機(jī)的液壓鑿巖機(jī)更換的數(shù)量等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以前使用以過濾方式進(jìn)行濾油時(shí)所需的每年大約一萬元左右濾芯的消耗省掉了；恒壓變量泵更換的數(shù)量?jī)H為原來的四分之一，爐前開口機(jī)的液壓鑿巖機(jī)更換的數(shù)量為原來的七分之三，綜合計(jì)算一年僅此項(xiàng)費(fèi)用可減少近40萬元。
2013年10月13日至20日，該離心式凈油機(jī)在天津榮程鋼鐵公司煉鋼廠連鑄液壓站46#液壓油進(jìn)行了凈化試驗(yàn)，凈化前后的除水效果見圖3
凈化前后的油樣以及從納污盒放出的水樣如圖3所示，左側(cè)油樣為凈化前的取樣，已嚴(yán)重乳化；中間油樣為使用該設(shè)備凈化兩個(gè)半小時(shí)后所取的油樣，油中的水已分離出一大部分，狀態(tài)發(fā)生了很大改觀；右側(cè)是凈化兩個(gè)半小時(shí)后從納污盒排放出的水。圖4最右側(cè)為未凈化的油樣，中間為凈化3天后的油樣，最左側(cè)為6天后的油樣，從整個(gè)試驗(yàn)過程中水污染物的排出，油樣的逐漸清澈也充分驗(yàn)證了該設(shè)備的油水分離作用高效性。
結(jié)論：通過不同油品凈化方式的分析、對(duì)比，以及針對(duì)離心式油品凈化機(jī)理的理論分析、計(jì)算和實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，充分證明了離心式油品凈化方案的合理性、高效性和先進(jìn)性，該方案的實(shí)施可以為各企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能降耗的同時(shí)也必定具有其深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。
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