高速紙機(jī)干燥部油氣潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

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(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安,710021)

?

高速紙機(jī)干燥部油氣潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

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(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安,710021)

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

關(guān)鍵詞：高速紙機(jī)；干燥部軸承；油氣潤(rùn)滑；實(shí)驗(yàn)裝置

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

隨著紙機(jī)車(chē)速的不斷提升,造紙機(jī)對(duì)潤(rùn)滑的要求也越來(lái)越高。目前,高速紙機(jī)一般采用稀油潤(rùn)滑技術(shù),但稀油潤(rùn)滑技術(shù)存在以下不足：①潤(rùn)滑油用量很大；對(duì)于1 臺(tái)幅寬4 m左右的普通高速紙機(jī),潤(rùn)滑點(diǎn)的耗油量超過(guò)了70 L /min,同時(shí)供油設(shè)備體積龐大。②產(chǎn)生大量附加熱；稀油潤(rùn)滑技術(shù)只有約80%的潤(rùn)滑油起冷卻作用,大量存在于摩擦區(qū)的潤(rùn)滑油會(huì)增大軸承旋轉(zhuǎn)阻力,產(chǎn)生大量摩擦熱,影響紙機(jī)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(jī)軸承內(nèi),冷凝成小水滴,從而可能導(dǎo)致潤(rùn)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(rùn)滑油等,還有可能在一些潤(rùn)滑區(qū)域發(fā)生漏油現(xiàn)象,影響烘缸軸承的潤(rùn)滑,所以稀油潤(rùn)滑技術(shù)需要設(shè)備具有很高的密封性[1]。針對(duì)現(xiàn)有的稀油潤(rùn)滑技術(shù)在高速紙機(jī)上的一系列弊病,國(guó)內(nèi)許多專(zhuān)家學(xué)者提出了新的潤(rùn)滑技術(shù)——油氣潤(rùn)滑技術(shù)。

油氣潤(rùn)滑技術(shù)是通過(guò)一定壓力的壓縮空氣在管道內(nèi)快速流動(dòng),將潤(rùn)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(dòng),在流動(dòng)過(guò)程中油膜厚度逐漸減小,進(jìn)而形成潤(rùn)滑薄膜,最終對(duì)潤(rùn)滑部位進(jìn)行薄膜潤(rùn)滑,其工作原理如圖1所示[2]。油氣潤(rùn)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(shí)間供送一定潤(rùn)滑油,間隔時(shí)間和供油量可根據(jù)各潤(rùn)滑點(diǎn)的耗油量進(jìn)行調(diào)節(jié)并可定量供給。

圖1　油氣潤(rùn)滑原理

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

1油氣潤(rùn)滑原理

本課題組設(shè)計(jì)了一個(gè)高速紙機(jī)干燥部軸承油氣潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)裝置，其工作原理圖見(jiàn)圖2。該實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)模擬實(shí)際工況,對(duì)高速紙機(jī)烘缸處的球面滾子軸承進(jìn)行油氣潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)。從圖2可見(jiàn),電機(jī)通過(guò)小帶輪帶動(dòng)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(guò)軸傳到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)軸承上,以此來(lái)模擬實(shí)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(kāi)始為軸承座提供相應(yīng)的濕熱蒸汽(以此來(lái)模擬造紙機(jī)干燥部的濕熱環(huán)境),最后油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)供給油氣混合物,對(duì)軸承進(jìn)行油氣潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn),以此驗(yàn)證油氣潤(rùn)滑技術(shù)在烘缸球面滾子軸承潤(rùn)滑中應(yīng)用的可行性。

圖2　高速紙機(jī)干燥部軸承油氣潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

某紙廠提供的高速紙機(jī)干燥部烘缸數(shù)據(jù)：幅寬7250 mm,內(nèi)徑1754 mm,壁厚34 mm,車(chē)速1200 m/min的文化紙機(jī)。烘缸使用的軸承為SKF的球面滾子軸承,型號(hào)23144CC/W33C4，部分主要參數(shù)如表1所示[3]。造紙車(chē)間室溫為35～40℃,烘缸表面溫度為100～110℃。依據(jù)高速紙機(jī)干燥部軸承實(shí)際工況,主要設(shè)計(jì)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(rùn)滑系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)。

2.2.1軸系系統(tǒng)

軸系系統(tǒng)主要包括實(shí)驗(yàn)軸承、軸承座、加載軸和汽罩等部件。通過(guò)給實(shí)驗(yàn)軸承加載一定的載荷來(lái)模擬高速紙機(jī)烘缸重量,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)軸承和一個(gè)加載軸承安裝在同一個(gè)軸上,加載軸承安裝于中間,加載載荷由烘缸的實(shí)際參數(shù)可計(jì)算得出為13.5 kN。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核,軸的材料選用45號(hào)鋼。目前球面滾子軸承在高速紙機(jī)干燥部中使用最為廣泛,根據(jù)實(shí)際情況簡(jiǎn)化后,實(shí)驗(yàn)軸承選用兩個(gè)SKF的22208E球面滾子軸承,軸承的正常加載范圍見(jiàn)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(dòng)載荷,kN。

表1　23144CC/W33C4軸承參數(shù)

表2　主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.2潤(rùn)滑系統(tǒng)

油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)由油泵、空氣壓縮機(jī)、油氣管道、油氣分配器、壓力開(kāi)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(guò)氣動(dòng)雙聯(lián)件,分成兩路,一路通過(guò)兩位五通閥送到氣動(dòng)泵,以此推動(dòng)氣動(dòng)泵工作,另一路經(jīng)過(guò)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(gè)軸承潤(rùn)滑點(diǎn)。由于油氣潤(rùn)滑技術(shù)耗油量較少,油泵的排量較低,所以本設(shè)計(jì)中采用了可調(diào)式微量氣動(dòng)油泵?？紤]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(dòng)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(dòng)情況。另外,本實(shí)驗(yàn)裝置只有兩個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn),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(lái)檢測(cè)。

圖3　油氣潤(rùn)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(guò)杠桿傳遞給安裝于加載軸中部的加載軸承,再經(jīng)過(guò)加載軸傳遞給兩個(gè)實(shí)驗(yàn)軸承。由于本實(shí)驗(yàn)裝置的加載力并不大,根據(jù)實(shí)際需要,選擇2TONS立式液壓千斤頂。另外,考慮到軸承的經(jīng)濟(jì)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(lái)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(jī)干燥部軸承的實(shí)際工作環(huán)境。根據(jù)實(shí)際需要,蒸汽加熱器所需要的功率較小,故選用3 kW半自動(dòng)電熱蒸汽發(fā)生器。因?yàn)楣苈份^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(dòng)系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用V帶傳動(dòng),電機(jī)驅(qū)動(dòng)小帶輪轉(zhuǎn)動(dòng),小帶輪通過(guò)V帶帶動(dòng)裝在軸上的大帶輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)軸承內(nèi)圈的轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行過(guò)程中需要克服的阻力主要是實(shí)驗(yàn)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(jì)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(dòng)摩擦力矩,N·mm；Tsl為滑動(dòng)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(jī)的安裝方式采用B3安裝,電機(jī)功率計(jì)算見(jiàn)式(3)[5]。

(3)

式中，P為電機(jī)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(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)主要包括軸承溫度測(cè)量和加載載荷測(cè)量。首先,通過(guò)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(lái)連續(xù)地檢測(cè)并顯示軸承外圈的溫度,進(jìn)而反映實(shí)驗(yàn)軸承的運(yùn)行狀況。其次,通過(guò)設(shè)置在液壓千斤頂和杠桿之間的ILBT箱式稱(chēng)重傳感器來(lái)檢測(cè)并顯示加載載荷的數(shù)值,從而指導(dǎo)載荷的施加。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),影響高速紙機(jī)干燥部軸承油氣潤(rùn)滑效果的因素主要有供氣量和供油量等。為了在正交試驗(yàn)中以較少的試驗(yàn)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(yàn)[6],驗(yàn)證理論參數(shù),初步找出油氣潤(rùn)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(yàn),確定油氣潤(rùn)滑所需供氣量和供油量的最佳范圍。

4結(jié)語(yǔ)

油氣潤(rùn)滑是一種新型節(jié)能潤(rùn)滑技術(shù),將其應(yīng)用于高速紙機(jī)干燥部軸承上,能夠克服現(xiàn)有稀油潤(rùn)滑技術(shù)的諸多缺陷,改善高速紙機(jī)干燥部軸承的潤(rùn)滑效果。在模擬實(shí)際工況的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種高速紙機(jī)干燥部軸承油氣潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置具有加載穩(wěn)定性好、載荷和供油氣量可調(diào)、操作簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低廉等特點(diǎn),可用于驗(yàn)證高速紙機(jī)干燥部軸承油氣潤(rùn)滑的相關(guān)理論設(shè)計(jì)參數(shù),為優(yōu)化實(shí)際工藝參數(shù)提供良好的研究手段,進(jìn)而論證油氣潤(rùn)滑技術(shù)在高速紙機(jī)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(rùn)滑技術(shù)在高速紙機(jī)干燥部中的應(yīng)用初探[J]. 中國(guó)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(rùn)滑技術(shù)在高速紙機(jī)軸承潤(rùn)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(jī)烘缸軸承裝置的設(shè)計(jì)[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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)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(shí)

常用能源品種現(xiàn)行折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)參見(jiàn)表1,常用耗能工質(zhì)能源等價(jià)值參見(jiàn)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(jià)值

·油氣潤(rùn)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(xiàng)目：陜西省造紙技術(shù)及特種紙品開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(11JS017)。

收稿日期：2014- 12- 03(修改稿)

中圖分類(lèi)號(hào)：TS734+.3；TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0254- 508X(2015)04- 0052- 04

作者簡(jiǎn)介：魏濤先生,在讀碩士研究生；主要研究方向：動(dòng)力機(jī)械設(shè)備與控制。