潤滑脂自動過濾設備設計及研究

劉文學， 邸鵬龍

(河北科技大學 機械工程學院， 河北 石家莊 050018)

引言

隨著工業(yè)水平的不斷提高，機械設備越來越精細化，所用到的潤滑脂標準也逐漸提高[1]。要求潤滑脂必須純凈、不含雜質，所以需要采用潤滑脂過濾裝置，通過過濾網(wǎng)將懸浮在潤滑脂中雜質過濾掉[2]。潤滑脂是非牛頓流體，由于非牛頓流體黏性很大，液體對固體顆粒的攜帶力也比普通物料大得多，使得濾漿中的顆粒極易堵塞過濾介質或進入濾后液[3]，所以在潤滑脂過濾過程中，潤滑脂過濾裝置中的過濾網(wǎng)需要及時更換，以保證潤滑脂的最佳過濾效果?，F(xiàn)有技術中，更換過濾網(wǎng)時，需要工作人員打開潤滑脂過濾裝置，手工拆下過濾網(wǎng)并進行更換。該種人工更換過濾網(wǎng)的方式極大的增加了工作人員的勞動量，而且耗時較長，導致潤滑脂過濾裝置產(chǎn)生工作時間短、停機時間長的窘境，嚴重降低了潤滑脂過濾的生產(chǎn)效率。

根據(jù)筒式壓濾機的工作原理設計了一套潤滑脂自動過濾設備,可以適應不同黏度的潤滑脂以及實現(xiàn)過濾器中過濾網(wǎng)的快速更換。該設備采用液壓系統(tǒng)，利用PLC控制，通過位置傳感器與采用時間控制策略來判斷過濾網(wǎng)是否需要更換；通過控制液壓缸等執(zhí)行元件來完成潤滑脂的過濾和過濾網(wǎng)的快速更換，具有自動化程度高、停機時間短、操作簡單等特點，提高了潤滑脂過濾的生產(chǎn)效率。

1 國內外筒式壓濾機發(fā)展現(xiàn)狀

加壓過濾機與真空類過濾機相比加壓過濾機的過濾推動力提高了數(shù)倍，由于潤滑脂是具有高黏度的非牛頓流體，所以在潤滑脂的過濾過程中，一般選用加壓過濾機過濾。筒式壓濾機又稱筒式過濾機、管式壓濾機、微孔過濾機等，是以濾芯作為過濾介質、利用加壓作用使液固分離的一種過濾機。各種不同的濾芯配置在過濾管中，加上殼體組成各種濾芯型筒式壓濾機。例如某BLT系列不銹鋼過濾器內部裝有繞線式濾芯組件，裝配上泵或者接有一定壓力的管路系統(tǒng)，可用于水、飲料等液體的過濾；某燒結金屬濾芯筒式壓濾器可在高壓下過濾高黏度的聚合物；美國GAF袋式過濾器具備高流通能力、高過濾效率、濾袋使用壽命長等特點，可用于石油化工、涂料和油漆、以及各種油脂的過濾[4]。

2 潤滑脂自動過濾設備結構和工作原理

2.1 潤滑脂自動過濾設備結構

潤滑脂自動過濾設備主要由潤滑脂增壓系統(tǒng)、潤滑脂過濾系統(tǒng)組成。潤滑脂增壓系統(tǒng)實現(xiàn)對過濾潤滑脂的加壓，使其通過管道流入過濾器進行過濾，主要由壓脂液壓缸、液壓增壓缸、壓脂圓盤等組成；潤滑脂過濾系統(tǒng)實現(xiàn)潤滑脂的過濾和過濾網(wǎng)的快速更換，主要由壓緊液壓缸、液壓缸支架、過濾器上端蓋、導軌、過濾組件、過濾器下缸體、工作臺面組成，其結構如圖1所示。

2.2 工作原理

其工作原理為：料桶通過輥子輸送機運動到指定位置，壓緊液壓缸工作，帶動潤滑脂過濾器上端蓋向下運動，閉合過程中上端蓋先與過濾網(wǎng)頂部接觸，隨后壓緊密封圈。到達壓力繼電器設定壓力后，注脂液壓缸工作進行注脂，液壓增壓缸活塞桿向上運動進行潤滑脂的吸取，到達極限位置以后，液壓增壓缸活塞桿向下運動進行壓脂，使高黏度的潤滑脂通過過濾器，從而實現(xiàn)潤滑脂的過濾。在過濾過程中，壓力繼電器實時判斷壓力是否在設定值，當小于設定值時注脂液壓缸和液壓增壓缸停止工作，壓緊液壓缸重新進行加壓，保證潤滑脂過濾器的密封性；當潤滑脂過濾時間超過設定的總時間或者單次過濾超過設定時間需要換網(wǎng)，則潤滑脂過濾機構中的壓緊液壓缸抬起，過濾器打開，進行換網(wǎng)。

圖1 潤滑脂自動過濾設備結構

2.3 性能指標

潤滑脂自動過濾設備的主要性能指標為工作壓力15～30 MPa，入料粒度0～0.5 mm，過濾精度500～2000，濾液固含量小于10 g/L；過濾速度0.01～0.02 L/s。

3 液壓系統(tǒng)設計

為了使?jié)櫥５耐瓿蛇^濾，解決更換過濾網(wǎng)繁瑣和高壓過濾過程中過濾器密封問題，根據(jù)潤滑脂特性和設備結構特點設計了液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了潤滑脂的過濾和過濾網(wǎng)的快速更換，保證了過濾過程中過濾器的密封性。系統(tǒng)主要由三部分組成：潤滑脂注脂回路、過濾器液壓回路、高壓過濾回路,如圖2所示。

3.1 潤滑脂注脂回路

工作原理：電磁換向閥1工作油口分別接入兩組并聯(lián)的調速閥和單向閥，電磁換向閥1在左位時，液壓油分兩路進入注脂液壓缸7和注脂液壓缸8，注脂液壓缸帶動壓脂組件向下運動，回油經(jīng)調速閥9和調速閥10流回油箱；電磁換向閥1在右位時，液壓油經(jīng)單向閥11和單向閥12進入注脂液壓缸，使其快速回位。

技術特點：潤滑脂注脂系統(tǒng)為同步動作回路[5]，采用流量閥控制，其中2個調速閥用來調節(jié)流量使2個液壓缸同步運動；單向閥的作用是為了使液壓缸活塞快速退回。該回路保證了注脂液壓缸的同步動作，平穩(wěn)的進行注脂。

1～3.三位四通電磁換向閥 4.液壓泵 5.先導式溢流閥6.二位二通電磁換向閥 7、8.注脂液壓缸 9、10.減速閥11、12、19.單向閥 13.壓力繼電器 14.蓄能器 15.開關16.液控單向閥 17.壓緊液壓缸 18.液壓增壓缸 20.超高壓氣控球閥 21.減壓閥圖2 液壓原理圖

3.2 過濾器液壓回路

工作原理：電磁換向閥2切換到左位時，液壓油經(jīng)液控單向閥16進入壓緊液壓缸17，壓緊液壓缸17壓緊過濾器，同時分出一路經(jīng)開關15到達蓄能器14和壓力繼電器13，實現(xiàn)蓄能和判斷系統(tǒng)壓力。電磁換向閥2切換到右位時，壓緊液壓缸回位，過濾器打開，進行換網(wǎng)。

技術特點：液控單向閥設計安裝于液壓缸下行回路，以便及時閉鎖油路實現(xiàn)保壓。蓄能器[6]在換向閥回到中位時，補償系統(tǒng)泄漏，保持系統(tǒng)壓力，從而保證過濾器一直處于壓緊狀態(tài)，實現(xiàn)過濾器的密封。壓力繼電器作為壓力開關，當系統(tǒng)壓力達到設定壓力值時，微動開關導通，控制潤滑脂注脂回路和高壓過濾回路工作，過濾設備工作；當壓力開關小于設定壓力值時，微動開關關閉，使?jié)櫥⒅到y(tǒng)和高壓過濾系統(tǒng)停止工作，壓緊液壓缸重新對過濾器進行壓緊，保證其密封性。

3.3 高壓過濾系統(tǒng)

工作原理：電磁換向閥3切換到右位時，液壓油經(jīng)減壓閥21和電磁換向閥3進入液壓增壓缸18，超高壓氣孔球閥20打開，液壓增壓缸18進行吸脂；當電磁換向閥3切換到左位時，超高壓氣控球閥20關閉，液壓增壓缸18進行壓脂，經(jīng)單向閥19通過過濾器實現(xiàn)過濾。

技術特點：減壓閥主要用于調節(jié)系統(tǒng)壓力，增加了過濾系統(tǒng)壓力的可調范圍，使其適用于不同種類的潤滑脂。由于潤滑脂具有很高的黏度，所以需要液壓增壓缸對潤滑脂進行加壓以此作為推動力，把潤滑脂導入過濾器，實現(xiàn)潤滑脂的過濾，并且液壓增壓缸的選擇可以增加潤滑脂流量，提高生產(chǎn)效率。

4 控制方案設計

4.1 PLC的選型與I/O口分配

根據(jù)潤滑脂自動過濾裝置的工作原理，過濾過程中的3個執(zhí)行元件的各個動作屬于典型的順序控制問題[7]，為確保各執(zhí)行元件動作準確、安全可靠、自動運行，采用PLC作為控制元件。通過對潤滑脂自動過濾設備控制系統(tǒng)的分析，其共包括輸入口7個，輸出口8個。I/O口分配表如表1所示。根據(jù)控制系統(tǒng)需要的I/O口位數(shù)及技術要求，選取了型號為DVP24ES200T的臺達PLC。其外部硬件接線圖如圖3所示。

表1 潤滑脂自動過濾設備PLC I/O口分配表

圖3 硬件接線圖

4.2 控制系統(tǒng)流程設計

為方便操作，利用觸摸屏設計了用戶界面[8]，用戶按下開始按鈕，PLC按照既定的動作順序控制執(zhí)行元件動作，自動完成過濾器模具壓緊、潤滑脂過濾、更換過濾網(wǎng)時模具的自動開啟，其控制功能流程如圖4所示。當運行過程中出現(xiàn)故障或誤操作時，裝置會發(fā)出報警，提示用戶按下急停按鈕，提高了裝置運行的安全性[9]。

圖4 潤滑脂自動過濾裝置控制系統(tǒng)流程圖

5 潤滑脂自動過濾設備理論計算

潤滑脂是具有高黏度性質的非牛頓流體，對于非牛頓流體的精細過濾,需要將膜技術應用于非牛頓流體的分離, 以毛細管模型為基礎推出其濾液基礎方程為：

(1)

式中,N—— 流變指數(shù)

ω—— 從濾餅底面至任意位置上單位面積的固體體積，m3/m2

p1—— 濾餅內部壓力，Pa

ps—— 部分濾餅壓縮壓力，Pa

ρs—— 濾餅固體的真密度，kg/m3

K—— 濾液的黏度系數(shù)，(Pa·s)n

γ—— 乘方規(guī)律流體流動時的部分過濾比阻，m2-n/kg

對式(1)沿整體濾餅進行積分，便得到乘方規(guī)律流體濾漿的過濾速度方程式：

(2)

(3)

式中，α—— 平均過濾比阻，m2-n/kg

ρ—— 濾液密度，kg/m3

m—— 濕干濾餅質量比

S—— 料漿濃度

Vm—— 當量濾液量，m3

恒壓條件下，式(3)可以寫成如下形式：

(4)

式中,tm—— 得到當量濾液的時間，s

Ka—— 恒壓條件下非牛頓流體的過濾系數(shù)，有如下的定義：

(5)

可以看出非牛頓流體的過濾速率方程與牛頓流體的過濾速率方程具有相同的形式。

由以上非牛頓流體的過濾速率方程計算得出本潤滑脂自動過濾設備的過濾速度為0.0167 L/s，經(jīng)過分析，設計結果能滿足技術指標要求。

6 結論

根據(jù)潤滑脂自動過濾設備結構特點，通過合理選擇液壓元件，有針對性的設計液壓回路和控制系統(tǒng)，解決了潤滑脂過濾過程中過濾網(wǎng)更換繁瑣的難題，減少了停機換網(wǎng)的時間，保證了過濾過程中過濾器密封性的問題，增大了潤滑脂流量，提高了生產(chǎn)效率。并且采用PLC控制單元，確保了設備運行安全穩(wěn)定可靠。利用非牛頓流體過濾理論對設備技術性能進行了計算，設計結果滿足技術指標要求。