一種虹吸式潤滑油油位指示油標(biāo)的研發(fā)及應(yīng)用

胡紀(jì)全,李志富,樹朋山,勞瑞卿,謝丹林

(中國石油化工股份有限公司金陵分公司,南京 210033)

1 現(xiàn)狀及問題

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展,離心泵在化工企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。它具有結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠的特征,在化工企業(yè)的生產(chǎn)運行中起著關(guān)鍵的作用。但是離心泵在長期運行過程中,會出現(xiàn)一系列故障。據(jù)統(tǒng)計,軸承箱內(nèi)潤滑油缺失導(dǎo)致機泵故障停機的頻率占比較高,因此,軸承箱內(nèi)潤滑油液位正常是保障機泵安全平穩(wěn)運行的必備條件之一【1】。

在實際應(yīng)用過程中,通過觀察發(fā)現(xiàn),部分機泵油標(biāo)位置設(shè)計偏高,正常情況下觀察潤滑油油標(biāo)視窗液位又偏低,容易造成操作人員誤判軸承箱內(nèi)潤滑油液位;而若補加潤滑油液位到油標(biāo)的1/2～2/3,機泵運行時則會出現(xiàn)甩油現(xiàn)象,待多余的油甩出后,其液位僅保持在視窗的1/3處或偏低位置。軸承箱內(nèi)潤滑油過多或過少都會引發(fā)機泵故障。若潤滑油過多,則機泵在高速運轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)甩油現(xiàn)象,并會發(fā)生“虹吸效應(yīng)”,導(dǎo)致機泵軸承潤滑失效,出現(xiàn)缺油干摩,摩擦生熱導(dǎo)致溫度過高時,機泵易發(fā)生火災(zāi)。機泵長期運行,經(jīng)常需要反復(fù)補加潤滑油,不僅造成潤滑油浪費,還會污染環(huán)境,而且存在極大的安全隱患,如圖1(a)～圖1(b)所示。因此若不能夠及時解決機泵軸承箱潤滑油油標(biāo)視窗開孔過高而造成的甩油問題,不僅會增加工人的勞動強度,而且長期運行易造成機泵密封損壞,此外,加油過多還易引起軸承與潤滑油摩擦生熱,導(dǎo)致軸承出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象【2】。

圖1 機泵甩油現(xiàn)象

2 潤滑原理

2.1 軸承潤滑

離心泵支撐轉(zhuǎn)子的部件大部分采用的是滾動軸承,而滾動軸承的元件,如滾動體、內(nèi)外圈及保持架之間并非都是純滾動。在外載荷作用下元件會產(chǎn)生彈性變形,除個別點外,接觸面上均有相對滑動。由于滾動軸承各元件接觸面積小、單位面積壓力大,若潤滑不良,元件很容易膠合,或因摩擦升溫過高,引起滾動體回火,使軸承失效,因此軸承時刻要處于油膜的涂覆之中【3】。

軸承通常采用油槽或油霧進行潤滑,為了保證滾動體和滾道接觸面間形成一定厚度的油膜,軸承箱內(nèi)所加潤滑油為長城威越L-TSA46型汽輪機油(A 級),執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 11120—2011。在油槽潤滑中,軸承部分浸在潤滑油中,油浸潤滑高度達到軸承底的50%為宜【4】,如圖2所示。正常情況下通過油標(biāo)視窗觀察油位在油標(biāo)的1/2～2/3處。如果油浸高度高于50%過多,過量的潤滑油渦流會使油溫上升,而油溫升高會加速潤滑油的氧化,從而降低潤滑性能,此外,軸承高速旋轉(zhuǎn)還會將多余的潤滑油甩出;如果低于50%過多,則油對軸承的沖洗作用降低,使?jié)櫥瑴p弱。

圖2 軸承箱內(nèi)軸承潤滑示意

2.2 恒位油杯原理

恒位油杯的作用是使軸承箱體內(nèi)的潤滑油位保持恒定。恒位油杯的外觀如圖3 所示,其中,P1為油杯內(nèi)油的高度產(chǎn)生的靜壓,P2為油杯內(nèi)的上部(沒有油的那一段)壓力,P3為油杯油嘴處的壓力。在大氣壓的作用下,油箱內(nèi)的壓力大于油杯內(nèi)的壓力,這時油杯不會補油,當(dāng)油箱內(nèi)的潤滑油消耗后,油箱內(nèi)的潤滑油液位下降,直到油杯的油管與大氣相通,有空氣進入油杯,這時在大氣壓的作用下,油杯將會自動給油箱補油。

圖3 恒位油杯外觀示意

理論設(shè)計上工作油位點和設(shè)計油位是相同的,恒位油杯內(nèi)初始油量一般保持在整個油杯的2/3處。恒位油杯內(nèi)液面之所以高于軸承箱體內(nèi)液面一定的高度,是由于連通器的原理,油杯上部氣體壓力小于外界大氣壓力P0,當(dāng)P1＋P2＝P0＝P3時,軸承箱內(nèi)油的高度應(yīng)該與油杯油嘴的水平高度基本一致,油杯的油嘴剛好被油液面封住。當(dāng)機泵運行一段時間后,軸承箱內(nèi)油液面下降,空氣才可以返入油杯內(nèi),油杯內(nèi)的油才可以流進軸承箱,此時P1＋P2＞P0＞P3。當(dāng)軸承箱內(nèi)油液面再次封住油杯嘴時,空氣不能進入油杯,油杯內(nèi)的油便不再流入,此時P1＋P2＝P0＝P3。

通過潤滑原理分析可知,機泵在運行前應(yīng)通過油標(biāo)檢查軸承箱內(nèi)潤滑油液位并確認正常,才能夠保證機泵長期運行的安全性。油杯的作用是當(dāng)軸承箱內(nèi)潤滑油液位低時對其進行補油,油杯顯示的油液位應(yīng)高于軸承箱內(nèi)的油液位。而油標(biāo)的作用則是真實反映軸承箱內(nèi)潤滑油的液位。若軸承箱油標(biāo)視窗開孔過高,則油標(biāo)無法真實反映出油位的高度,導(dǎo)致軸承箱內(nèi)潤滑油液位偏低的誤判。因此油標(biāo)視窗設(shè)計的合理性決定了所加潤滑油的液位,如圖4(a)～圖4(b)所示,若油標(biāo)視窗設(shè)計合理,則正常情況下,油標(biāo)液位顯示為圖4(a)狀態(tài);若油標(biāo)視窗開孔過高,則油標(biāo)液位顯示為圖4(b)狀態(tài),不能夠真實反映出潤滑油的液位。所以,油標(biāo)視窗開孔過高存在一定的引發(fā)機泵運行事故的隱患,需要進行改進。

圖4 油標(biāo)顯示的軸承箱內(nèi)油位狀態(tài)

3 改進措施及效果

3.1 原油標(biāo)缺陷

目前離心泵軸承箱油標(biāo)多采用常規(guī)油標(biāo)(見圖5)和U 形管油標(biāo)(見圖6)。常規(guī)油標(biāo)油位顯示采用的是直徑20～30mm 油標(biāo),使用過程中油標(biāo)內(nèi)部易積垢,且因油標(biāo)直徑小,不易看清油位,需經(jīng)常更換【5】。

圖5 常規(guī)油標(biāo)

圖6 U 形管油標(biāo)

U 形管油標(biāo)污染后需進行整體更換,清理不方便,且油標(biāo)柱無保護措施,氣孔容易堵塞,還易被操作人員碰撞,導(dǎo)致連接不牢靠,使得油標(biāo)松動出現(xiàn)滴油現(xiàn)象。

3.2 新型油標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對機泵軸承箱油標(biāo)視窗開孔過高導(dǎo)致油標(biāo)無法真實反映出油位狀態(tài)、從而誤判軸承箱內(nèi)潤滑油液位、引發(fā)機泵故障的現(xiàn)象,結(jié)合實際情況,對軸承箱油標(biāo)視窗開孔過高的機泵進行實際測量,確定其油位的中心位置,通過Pro/E 軟件設(shè)計出一種新型潤滑油油位指示油標(biāo),其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。新型油標(biāo)由油標(biāo)主體、固定體、油標(biāo)柱、連接管、鎖緊鎖母等9 個元件組成。油標(biāo)主體、連接管、壓蓋、采用鋁合金材料、鎖緊螺母和油標(biāo)柱固定體采用不銹鋼材料加工而成,保證耐用的同時,也使整個組裝體的質(zhì)量較輕。其油標(biāo)柱采用有機玻璃加工而成,上端側(cè)面開有氣孔,通過固定體和壓蓋進行固定。新型油標(biāo)便于拆卸油標(biāo)柱,方便清理油垢,根據(jù)每臺機泵油標(biāo)視窗開孔位置的高低程度,可以加工不同高度的油標(biāo)柱和油標(biāo)柱固定體。油標(biāo)連接管與軸承箱相連接的螺紋采用55°非密封管螺紋,根據(jù)不同的尺寸可以直接進行機加工,也可以配合不同尺寸的螺紋轉(zhuǎn)接頭使用,以滿足軸承箱油標(biāo)螺紋孔的連接。

圖7 新型潤滑油油位指示油標(biāo)結(jié)構(gòu)

3.3 應(yīng)用效果及問題

加工好的油標(biāo)投用前,首先對油標(biāo)內(nèi)進行一次灌入、排出潤滑油的操作,清除內(nèi)部雜質(zhì),確保內(nèi)部流道暢通,然后再將油標(biāo)安裝在機泵軸承箱側(cè)面,如圖8所示。對不符合要求的油標(biāo)及時進行更換。通過軸承箱上端的加油孔加入定量的潤滑油,使油標(biāo)的液位上升至一定高度,待機泵運行48 h后,將多余的潤滑油甩出,并在油標(biāo)柱上標(biāo)注液位的高、低位置,應(yīng)確保潤滑油位于高、低液位的1/2～2/3位置。

圖8 油位指示油標(biāo)應(yīng)用的實物

通過實踐發(fā)現(xiàn),新型油標(biāo)雖然能夠直觀地觀察到機泵軸承箱內(nèi)潤滑油液位的狀態(tài),但軸承箱內(nèi)液位降低到一定程度時(低于基準(zhǔn)線時),該型油標(biāo)易產(chǎn)生假液位(即軸承箱內(nèi)油位降低到基準(zhǔn)線以下時,油標(biāo)液位不會隨之變化),存有安全隱患,需要進一步對油標(biāo)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。

3.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過查閱大量文獻,并結(jié)合機械相關(guān)專業(yè)知識,對油標(biāo)結(jié)構(gòu)重新進行設(shè)計優(yōu)化,在油標(biāo)與軸承箱接頭處增設(shè)虹吸管,如圖9所示。所設(shè)計的虹吸式油標(biāo)主要由透明有機方管、透氣帽、活接頭、管接頭、虹吸管以及密封元件組成,其中虹吸管采用改性的PVC材質(zhì)管在一定溫度下熱折而成,通氣帽上方開有排氣孔。

圖9 虹吸式機泵潤滑油油位指示油標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.5 試驗驗證

采用水作為介質(zhì)進行試驗驗證該虹吸式油標(biāo)的可行性。首先打開通氣帽,將水通過透明有機方管上端加入,待油標(biāo)內(nèi)的氣體排出后,擰緊通氣帽;在杯子內(nèi)緩慢加入水,此時將會發(fā)現(xiàn),杯子內(nèi)的水增加時,油標(biāo)液位也隨之升高,如圖10(a)所示。通過排水管將水慢慢排出,油標(biāo)液位也會隨之降低,如圖10(b)所示。

圖10 虹吸式油標(biāo)試驗驗證

試驗中,杯子相當(dāng)于軸承箱。通過上述試驗可以看出,油標(biāo)與軸承箱之間加入的虹吸管,可起到虹吸作用,使油標(biāo)液位隨著軸承箱內(nèi)油位的變化而變化,從而解決了3.3節(jié)中所述的油標(biāo)出現(xiàn)假液位的情況。該試驗驗證了虹吸式油標(biāo)的可行性。

3.6 虹吸式潤滑油油位指示油標(biāo)的應(yīng)用效果

虹吸式油標(biāo)能夠?qū)崟r監(jiān)測軸承內(nèi)潤滑油的液位,反映出機泵軸承箱內(nèi)潤滑油液位的高低狀態(tài),如圖11所示。虹吸式油標(biāo)的成功應(yīng)用不僅可以解決現(xiàn)有離心泵油標(biāo)視窗開孔不合理(過高或過低)、造成操作人員誤判軸承箱內(nèi)潤滑油液位狀態(tài)的問題,而且能夠解決過量或過少補加潤滑油、影響機泵安全運行的問題,為機泵的平穩(wěn)運行提供了保障,大大改善了機泵的運行環(huán)境。該新型油標(biāo)已申請專利并獲得授權(quán)【6】。

圖11 虹吸式機泵潤滑油油位指示油標(biāo)成功應(yīng)用

4 結(jié)語

本文針對離心泵軸承箱油標(biāo)視窗開孔過高、易造成操作工誤判軸承箱內(nèi)潤滑油液位偏低的問題,以及過量補加潤滑油、機泵運行時會出現(xiàn)甩油的現(xiàn)象,通過優(yōu)化改進,最終研發(fā)出了一種虹吸式潤滑油油位指示油標(biāo)。該型油標(biāo)在油標(biāo)與軸承箱接頭處增設(shè)虹吸管,能夠真實地反映出軸承箱內(nèi)潤滑油液位的高低狀態(tài),并可使操作人員一目了然地觀察到機泵潤滑油液位,極大地改善了泵房區(qū)域機泵的運行環(huán)境,消除了隱患,也為機泵的平穩(wěn)運行提供了可靠的保障,使?jié)櫥偷膿p耗大大降低。