高速紙機干燥部油氣潤滑實驗裝置的設(shè)計

魏　濤　張　鋒　高致富　劉曉丹　王　馳

(陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室,陜西西安,710021)

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高速紙機干燥部油氣潤滑實驗裝置的設(shè)計

魏濤張鋒高致富劉曉丹王馳

(陜西科技大學(xué)輕工與能源學(xué)院,陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室,陜西西安,710021)

摘要：油氣潤滑作為一種新型節(jié)能技術(shù),應(yīng)用于高速紙機干燥部中,能夠克服現(xiàn)有稀油潤滑技術(shù)的諸多缺陷,改善高速紙機干燥部軸承的潤滑效果。本文介紹了油氣潤滑技術(shù)和高速紙機干燥部軸承潤滑的技術(shù)現(xiàn)狀,并在模擬實際工況的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一個高速紙機干燥部軸承油氣潤滑實驗裝置,為驗證相關(guān)理論設(shè)計參數(shù)提供技術(shù)論證,進(jìn)而為優(yōu)化實際工藝參數(shù)提供良好的研究手段。

關(guān)鍵詞：高速紙機；干燥部軸承；油氣潤滑；實驗裝置

Design of Experiment Device for Oil-air Lubrication of the Bearings

隨著紙機車速的不斷提升,造紙機對潤滑的要求也越來越高。目前,高速紙機一般采用稀油潤滑技術(shù),但稀油潤滑技術(shù)存在以下不足：①潤滑油用量很大；對于1 臺幅寬4 m左右的普通高速紙機,潤滑點的耗油量超過了70 L /min,同時供油設(shè)備體積龐大。②產(chǎn)生大量附加熱；稀油潤滑技術(shù)只有約80%的潤滑油起冷卻作用,大量存在于摩擦區(qū)的潤滑油會增大軸承旋轉(zhuǎn)阻力,產(chǎn)生大量摩擦熱,影響紙機的壽命和安全性及可靠性。③密封性要求很高；一方面,水蒸氣很容易進(jìn)入高速紙機軸承內(nèi),冷凝成小水滴,從而可能導(dǎo)致潤滑油的乳化失效。另一方面,灰塵和雜質(zhì)等進(jìn)入軸承內(nèi),污染潤滑油等,還有可能在一些潤滑區(qū)域發(fā)生漏油現(xiàn)象,影響烘缸軸承的潤滑,所以稀油潤滑技術(shù)需要設(shè)備具有很高的密封性[1]。針對現(xiàn)有的稀油潤滑技術(shù)在高速紙機上的一系列弊病,國內(nèi)許多專家學(xué)者提出了新的潤滑技術(shù)——油氣潤滑技術(shù)。

油氣潤滑技術(shù)是通過一定壓力的壓縮空氣在管道內(nèi)快速流動,將潤滑油吹成油滴附著在管壁上形成油膜,油膜隨著氣流方向沿管壁流動,在流動過程中油膜厚度逐漸減小,進(jìn)而形成潤滑薄膜,最終對潤滑部位進(jìn)行薄膜潤滑,其工作原理如圖1所示[2]。油氣潤滑系統(tǒng)的用油量很少,通常采用間歇性供油方式,即根據(jù)設(shè)定的工作周期,系統(tǒng)每隔一段時間供送一定潤滑油,間隔時間和供油量可根據(jù)各潤滑點的耗油量進(jìn)行調(diào)節(jié)并可定量供給。

圖1　油氣潤滑原理

為了避免高速紙機干燥部軸承稀油潤滑的缺陷，必須建立相應(yīng)的實驗裝置,研究油氣潤滑在高速紙機烘缸軸承處應(yīng)用的潤滑效果,通過實驗,驗證相關(guān)理論設(shè)計參數(shù)的真實性和可靠性,并確定油氣潤滑所需供氣量和供油量的實際最佳范圍,進(jìn)而論證油氣潤滑技術(shù)在高速紙機干燥部軸承上應(yīng)用的可行性。

1油氣潤滑原理

本課題組設(shè)計了一個高速紙機干燥部軸承油氣潤滑實驗裝置，其工作原理圖見圖2。該實驗裝置通過模擬實際工況,對高速紙機烘缸處的球面滾子軸承進(jìn)行油氣潤滑實驗。從圖2可見,電機通過小帶輪帶動大帶輪和軸高速旋轉(zhuǎn)；然后液壓千斤頂向加載軸承加壓(加載力通過軸傳到兩個實驗軸承上,以此來模擬實際烘缸軸承的受力情況),待軸承轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后,蒸汽加熱器開始為軸承座提供相應(yīng)的濕熱蒸汽(以此來模擬造紙機干燥部的濕熱環(huán)境),最后油氣潤滑系統(tǒng)供給油氣混合物,對軸承進(jìn)行油氣潤滑實驗,以此驗證油氣潤滑技術(shù)在烘缸球面滾子軸承潤滑中應(yīng)用的可行性。

圖2　高速紙機干燥部軸承油氣潤滑實驗裝置原理圖

2結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1設(shè)計參數(shù)

某紙廠提供的高速紙機干燥部烘缸數(shù)據(jù)：幅寬7250 mm,內(nèi)徑1754 mm,壁厚34 mm,車速1200 m/min的文化紙機。烘缸使用的軸承為SKF的球面滾子軸承,型號23144CC/W33C4，部分主要參數(shù)如表1所示[3]。造紙車間室溫為35～40℃,烘缸表面溫度為100～110℃。依據(jù)高速紙機干燥部軸承實際工況,主要設(shè)計參數(shù)如表2所示。

2.2系統(tǒng)構(gòu)成

該裝置主要由六大系統(tǒng)組成,即軸系系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。

2.2.1軸系系統(tǒng)

軸系系統(tǒng)主要包括實驗軸承、軸承座、加載軸和汽罩等部件。通過給實驗軸承加載一定的載荷來模擬高速紙機烘缸重量,兩個實驗軸承和一個加載軸承安裝在同一個軸上,加載軸承安裝于中間,加載載荷由烘缸的實際參數(shù)可計算得出為13.5 kN。經(jīng)過強度校核,軸的材料選用45號鋼。目前球面滾子軸承在高速紙機干燥部中使用最為廣泛,根據(jù)實際情況簡化后,實驗軸承選用兩個SKF的22208E球面滾子軸承,軸承的正常加載范圍見式(1)[4]。

0.07C

(1)

式中，F(xiàn)r為加載載荷,kN；C為22208E球面滾子軸承的基本額定動載荷,kN。

表1　23144CC/W33C4軸承參數(shù)

表2　主要設(shè)計參數(shù)

2.2.2潤滑系統(tǒng)

油氣潤滑系統(tǒng)由油泵、空氣壓縮機、油氣管道、油氣分配器、壓力開關(guān)、兩位五通閥、壓力表、油箱等幾部分組成,其主要布局圖如圖3所示。壓縮空氣由左上部分進(jìn)入,通過氣動雙聯(lián)件,分成兩路,一路通過兩位五通閥送到氣動泵,以此推動氣動泵工作,另一路經(jīng)過穩(wěn)壓閥后進(jìn)入油氣混合器。而油泵將油箱中的油抽到混合室,混合后送到油氣分配器,然后送至兩個軸承潤滑點。由于油氣潤滑技術(shù)耗油量較少,油泵的排量較低,所以本設(shè)計中采用了可調(diào)式微量氣動油泵。考慮供氣管道的沿程損失和局部損失,氣源的工作壓力應(yīng)比氣動系統(tǒng)中的最高工作壓力高20%左右。油氣管道選用PVC透明管,規(guī)格為4 mm×6 mm(內(nèi)徑×外徑),以便觀察管道內(nèi)油氣的流動情況。另外,本實驗裝置只有兩個潤滑點,因此選用TFL-LK2等分型塊式油氣分配器。油氣混合后的壓力選擇YTZ-150 0-1.6 MPa壓力表來檢測。

圖3　油氣潤滑系統(tǒng)布局圖

2.2.3加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)主要包括杠桿、液壓千斤頂和加載軸承等部件。液壓千斤頂和加載軸承分別布置在杠桿的兩端,液壓千斤頂施加的載荷通過杠桿傳遞給安裝于加載軸中部的加載軸承,再經(jīng)過加載軸傳遞給兩個實驗軸承。由于本實驗裝置的加載力并不大,根據(jù)實際需要,選擇2TONS立式液壓千斤頂。另外,考慮到軸承的經(jīng)濟性、軸承的承載能力和總布局圖的布局情況等因素,加載軸承選擇NU2209ECP圓柱滾子軸承。

2.2.4加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)主要包括蒸汽發(fā)生器和管路等。該系統(tǒng)旨在把自來水加熱成蒸汽,向軸承座提供濕熱環(huán)境,并收集氣罩內(nèi)的冷凝水,以循環(huán)使用,從而模擬高速紙機干燥部軸承的實際工作環(huán)境。根據(jù)實際需要,蒸汽加熱器所需要的功率較小,故選用3 kW半自動電熱蒸汽發(fā)生器。因為管路較短,蒸汽輸入管和冷凝水輸出管均選用DN 6 mm的耐熱橡膠軟管。

2.2.5傳動系統(tǒng)

本設(shè)計采用V帶傳動,電機驅(qū)動小帶輪轉(zhuǎn)動,小帶輪通過V帶帶動裝在軸上的大帶輪轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動。實驗裝置運行過程中需要克服的阻力主要是實驗軸承所受的摩擦力矩。根據(jù)SKF公司提供的軸承總摩擦力矩計算公式(2)[4]可得出總摩擦力矩。

T=Φish·Φrs·Trr+Tsl+Tseal+Tdarg

(2)

式中，T為總摩擦力矩,N·mm；Φish為切入發(fā)熱減少系數(shù)；Φrs為貧油回填減少系數(shù)；Trr為滾動摩擦力矩,N·mm；Tsl為滑動摩擦力矩,N·mm；Tseal為密封件摩擦力矩,N·mm；Tdarg為由于拖曳損失,渦流和飛濺等導(dǎo)致的摩擦力矩,N·mm。

電機的安裝方式采用B3安裝,電機功率計算見式(3)[5]。

(3)

式中，P為電機功率,W；n為軸的轉(zhuǎn)速,r/min；η為V帶效率,η=0.96；T為總摩擦力矩,N·mm。

2.2.6檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)主要包括軸承溫度測量和加載載荷測量。首先,通過將彈簧狀的WRN-191微細(xì)針式熱電偶放置在軸承座頂部的孔中并密封,然后在氣罩設(shè)置TES1310數(shù)位溫度表并與熱電偶相連接,以此來連續(xù)地檢測并顯示軸承外圈的溫度,進(jìn)而反映實驗軸承的運行狀況。其次,通過設(shè)置在液壓千斤頂和杠桿之間的ILBT箱式稱重傳感器來檢測并顯示加載載荷的數(shù)值,從而指導(dǎo)載荷的施加。

3實驗設(shè)計

根據(jù)經(jīng)驗,影響高速紙機干燥部軸承油氣潤滑效果的因素主要有供氣量和供油量等。為了在正交試驗中以較少的試驗次數(shù)得出較合理的結(jié)論,首先分別采用以供氣量和供油量為因素、軸承外圈的溫升為指標(biāo)的單指標(biāo)單因素試驗[6],驗證理論參數(shù),初步找出油氣潤滑所需供氣量和供油量的較合理范圍,然后結(jié)合供氣量和供油量的選擇范圍,采用以供氣量和供油量為因素、軸承外圈的溫升為指標(biāo)的單指標(biāo)多因素試驗,確定油氣潤滑所需供氣量和供油量的最佳范圍。

4結(jié)語

油氣潤滑是一種新型節(jié)能潤滑技術(shù),將其應(yīng)用于高速紙機干燥部軸承上,能夠克服現(xiàn)有稀油潤滑技術(shù)的諸多缺陷,改善高速紙機干燥部軸承的潤滑效果。在模擬實際工況的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種高速紙機干燥部軸承油氣潤滑實驗裝置。該實驗裝置具有加載穩(wěn)定性好、載荷和供油氣量可調(diào)、操作簡單、安裝方便、成本低廉等特點,可用于驗證高速紙機干燥部軸承油氣潤滑的相關(guān)理論設(shè)計參數(shù),為優(yōu)化實際工藝參數(shù)提供良好的研究手段,進(jìn)而論證油氣潤滑技術(shù)在高速紙機干燥部軸承上應(yīng)用的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]ZHANG Feng, HAN Gong-bo.Application of Oil-air Lubrication Technology in the High-speed Paper Machine Dryer Section[J]. China Pulp & Paper, 2010, 29(7): 50.

張鋒, 韓功波. 油氣潤滑技術(shù)在高速紙機干燥部中的應(yīng)用初探[J]. 中國造紙, 2010, 29(7): 50.

[2]HAN Gong-bo, ZHANG Feng. Studies on oil-air lubrication technology for the bearing of high speed paper machines[J]. China Pulp & Paper Industry, 2011, 32(6)： 68.

韓功波, 張鋒. 油氣潤滑技術(shù)在高速紙機軸承潤滑的應(yīng)用研究[J]. 中華紙業(yè), 2011, 32(6)： 68.

[3]NI Li. The design of dryer bearing assembly on the high-speed paper machine[J]. China Pulp & Paper Industry, 2007, 28(5): 48.

倪力. 中高速紙機烘缸軸承裝置的設(shè)計[J]. 中華紙業(yè), 2007, 28(5): 48.

[4]SKF： A handbook of rolling bearings in paper machines-part12(internal data)[G]. 2007.

SKF: 軸承綜合型錄-part12(內(nèi)部資料)[G]. 2007.

[5]Mechanical design handbook editorial board. Mechanical design handbook[M]. Beijing: China Mechine Press, 2004.

機械設(shè)計手冊編委會. 機械設(shè)計手冊[M]. 北京: 機械工程出版社, 2004.

[6]Wang Zhikun. Experimental Research on Oil-air two Phase Lubrication of High Speed Motorized Spindle Rolling Bearing[D]. Nanjing: Southeast University, 2005.

(責(zé)任編輯：董鳳霞)

·消息·

小常識

常用能源品種現(xiàn)行折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)參見表1,常用耗能工質(zhì)能源等價值參見表2。

表1　常用能源品種現(xiàn)行折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)

表2　常用能耗工質(zhì)能源等價值

·油氣潤滑·

in the High-speed Paper Machine Dryer Section

WEI Tao*ZHANG FengGAO Zhi-fuLIU Xiao-danWANG Chi

(ShaanxiProvinceKeyLabofPapermakingTechnologyandSpecialPaper,CollegeofLightIndustryandEnergy,

ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an,ShaanxiProvince, 710021)

(*E-mail: 269157172@qq.com)

Abstract：The oil-air lubrication technology is a new energy-saving technology. It can avoid some shortcomings of the existing thin oil lubrication technology and improve the lubrication efficiency of the bearings in the high-speed paper machine dryer section. This paper introduced the oil-air lubrication technology and the technology status of lubricating bearings in the high-speed paper machine dryer section. Meanwhile, based on the simulation of practical working condition, this paper designed a experiment device for oil-air lubrication of the bearings in the high-speed paper machine dryer section, aiming at providing the technical support for verifing the relevant theoretical data and providing research device for optimizing the actual process parameters.

Key words：high-speed paper machine; dryer section bearings; oil-air lubrication; experiment device

基金項目：陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開發(fā)重點實驗室項目(11JS017)。

收稿日期：2014- 12- 03(修改稿)

中圖分類號：TS734+.3；TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0254- 508X(2015)04- 0052- 04

作者簡介：魏濤先生,在讀碩士研究生；主要研究方向：動力機械設(shè)備與控制。