高速纸机干燥部油气润滑实验装置的设计

魏　涛　张　锋　高致富　刘晓丹　王　驰

(陕西科技大学轻工与能源学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021)



高速纸机干燥部油气润滑实验装置的设计

魏涛张锋高致富刘晓丹王驰

(陕西科技大学轻工与能源学院,陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室,陕西西安,710021)

摘要：油气润滑作为一种新型节能技术,应用于高速纸机干燥部中,能够克服现有稀油润滑技术的诸多缺陷,改善高速纸机干燥部轴承的润滑效果。本文介绍了油气润滑技术和高速纸机干燥部轴承润滑的技术现状,并在模拟实际工况的基础上,设计了一个高速纸机干燥部轴承油气润滑实验装置,为验证相关理论设计参数提供技术论证,进而为优化实际工艺参数提供良好的研究手段。

关键词：高速纸机；干燥部轴承；油气润滑；实验装置

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

随着纸机车速的不断提升,造纸机对润滑的要求也越来越高。目前,高速纸机一般采用稀油润滑技术,但稀油润滑技术存在以下不足：①润滑油用量很大；对于1 台幅宽4 m左右的普通高速纸机,润滑点的耗油量超过了70 L /min,同时供油设备体积庞大。②产生大量附加热；稀油润滑技术只有约80%的润滑油起冷却作用,大量存在于摩擦区的润滑油会增大轴承旋转阻力,产生大量摩擦热,影响纸机的寿命和安全性及可靠性。③密封性要求很高；一方面,水蒸气很容易进入高速纸机轴承内,冷凝成小水滴,从而可能导致润滑油的乳化失效。另一方面,灰尘和杂质等进入轴承内,污染润滑油等,还有可能在一些润滑区域发生漏油现象,影响烘缸轴承的润滑,所以稀油润滑技术需要设备具有很高的密封性[1]。针对现有的稀油润滑技术在高速纸机上的一系列弊病,国内许多专家学者提出了新的润滑技术——油气润滑技术。

油气润滑技术是通过一定压力的压缩空气在管道内快速流动,将润滑油吹成油滴附着在管壁上形成油膜,油膜随着气流方向沿管壁流动,在流动过程中油膜厚度逐渐减小,进而形成润滑薄膜,最终对润滑部位进行薄膜润滑,其工作原理如图1所示[2]。油气润滑系统的用油量很少,通常采用间歇性供油方式,即根据设定的工作周期,系统每隔一段时间供送一定润滑油,间隔时间和供油量可根据各润滑点的耗油量进行调节并可定量供给。

图1　油气润滑原理

为了避免高速纸机干燥部轴承稀油润滑的缺陷，必须建立相应的实验装置,研究油气润滑在高速纸机烘缸轴承处应用的润滑效果,通过实验,验证相关理论设计参数的真实性和可靠性,并确定油气润滑所需供气量和供油量的实际最佳范围,进而论证油气润滑技术在高速纸机干燥部轴承上应用的可行性。

1油气润滑原理

本课题组设计了一个高速纸机干燥部轴承油气润滑实验装置，其工作原理图见图2。该实验装置通过模拟实际工况,对高速纸机烘缸处的球面滚子轴承进行油气润滑实验。从图2可见,电机通过小带轮带动大带轮和轴高速旋转；然后液压千斤顶向加载轴承加压(加载力通过轴传到两个实验轴承上,以此来模拟实际烘缸轴承的受力情况),待轴承转速稳定后,蒸汽加热器开始为轴承座提供相应的湿热蒸汽(以此来模拟造纸机干燥部的湿热环境),最后油气润滑系统供给油气混合物,对轴承进行油气润滑实验,以此验证油气润滑技术在烘缸球面滚子轴承润滑中应用的可行性。

图2　高速纸机干燥部轴承油气润滑实验装置原理图

2结构设计

2.1设计参数

某纸厂提供的高速纸机干燥部烘缸数据：幅宽7250 mm,内径1754 mm,壁厚34 mm,车速1200 m/min的文化纸机。烘缸使用的轴承为SKF的球面滚子轴承,型号23144CC/W33C4，部分主要参数如表1所示[3]。造纸车间室温为35～40℃,烘缸表面温度为100～110℃。依据高速纸机干燥部轴承实际工况,主要设计参数如表2所示。

2.2系统构成

该装置主要由六大系统组成,即轴系系统、润滑系统、加载系统、加热系统、传动系统和检测系统。

2.2.1轴系系统

轴系系统主要包括实验轴承、轴承座、加载轴和汽罩等部件。通过给实验轴承加载一定的载荷来模拟高速纸机烘缸重量,两个实验轴承和一个加载轴承安装在同一个轴上,加载轴承安装于中间,加载载荷由烘缸的实际参数可计算得出为13.5 kN。经过强度校核,轴的材料选用45号钢。目前球面滚子轴承在高速纸机干燥部中使用最为广泛,根据实际情况简化后,实验轴承选用两个SKF的22208E球面滚子轴承,轴承的正常加载范围见式(1)[4]。

0.07C

(1)

式中，Fr为加载载荷,kN；C为22208E球面滚子轴承的基本额定动载荷,kN。

表1　23144CC/W33C4轴承参数

表2　主要设计参数

2.2.2润滑系统

油气润滑系统由油泵、空气压缩机、油气管道、油气分配器、压力开关、两位五通阀、压力表、油箱等几部分组成,其主要布局图如图3所示。压缩空气由左上部分进入,通过气动双联件,分成两路,一路通过两位五通阀送到气动泵,以此推动气动泵工作,另一路经过稳压阀后进入油气混合器。而油泵将油箱中的油抽到混合室,混合后送到油气分配器,然后送至两个轴承润滑点。由于油气润滑技术耗油量较少,油泵的排量较低,所以本设计中采用了可调式微量气动油泵。考虑供气管道的沿程损失和局部损失,气源的工作压力应比气动系统中的最高工作压力高20%左右。油气管道选用PVC透明管,规格为4 mm×6 mm(内径×外径),以便观察管道内油气的流动情况。另外,本实验装置只有两个润滑点,因此选用TFL-LK2等分型块式油气分配器。油气混合后的压力选择YTZ-150 0-1.6 MPa压力表来检测。

图3　油气润滑系统布局图

2.2.3加载系统

加载系统主要包括杠杆、液压千斤顶和加载轴承等部件。液压千斤顶和加载轴承分别布置在杠杆的两端,液压千斤顶施加的载荷通过杠杆传递给安装于加载轴中部的加载轴承,再经过加载轴传递给两个实验轴承。由于本实验装置的加载力并不大,根据实际需要,选择2TONS立式液压千斤顶。另外,考虑到轴承的经济性、轴承的承载能力和总布局图的布局情况等因素,加载轴承选择NU2209ECP圆柱滚子轴承。

2.2.4加热系统

加热系统主要包括蒸汽发生器和管路等。该系统旨在把自来水加热成蒸汽,向轴承座提供湿热环境,并收集气罩内的冷凝水,以循环使用,从而模拟高速纸机干燥部轴承的实际工作环境。根据实际需要,蒸汽加热器所需要的功率较小,故选用3 kW半自动电热蒸汽发生器。因为管路较短,蒸汽输入管和冷凝水输出管均选用DN 6 mm的耐热橡胶软管。

2.2.5传动系统

本设计采用V带传动,电机驱动小带轮转动,小带轮通过V带带动装在轴上的大带轮转动,从而实现轴承内圈的转动。实验装置运行过程中需要克服的阻力主要是实验轴承所受的摩擦力矩。根据SKF公司提供的轴承总摩擦力矩计算公式(2)[4]可得出总摩擦力矩。

T=Φish·Φrs·Trr+Tsl+Tseal+Tdarg

(2)

式中，T为总摩擦力矩,N·mm；Φish为切入发热减少系数；Φrs为贫油回填减少系数；Trr为滚动摩擦力矩,N·mm；Tsl为滑动摩擦力矩,N·mm；Tseal为密封件摩擦力矩,N·mm；Tdarg为由于拖曳损失,涡流和飞溅等导致的摩擦力矩,N·mm。

电机的安装方式采用B3安装,电机功率计算见式(3)[5]。

(3)

式中，P为电机功率,W；n为轴的转速,r/min；η为V带效率,η=0.96；T为总摩擦力矩,N·mm。

2.2.6检测系统

检测系统主要包括轴承温度测量和加载载荷测量。首先,通过将弹簧状的WRN-191微细针式热电偶放置在轴承座顶部的孔中并密封,然后在气罩设置TES1310数位温度表并与热电偶相连接,以此来连续地检测并显示轴承外圈的温度,进而反映实验轴承的运行状况。其次,通过设置在液压千斤顶和杠杆之间的ILBT箱式称重传感器来检测并显示加载载荷的数值,从而指导载荷的施加。

3实验设计

根据经验,影响高速纸机干燥部轴承油气润滑效果的因素主要有供气量和供油量等。为了在正交试验中以较少的试验次数得出较合理的结论,首先分别采用以供气量和供油量为因素、轴承外圈的温升为指标的单指标单因素试验[6],验证理论参数,初步找出油气润滑所需供气量和供油量的较合理范围,然后结合供气量和供油量的选择范围,采用以供气量和供油量为因素、轴承外圈的温升为指标的单指标多因素试验,确定油气润滑所需供气量和供油量的最佳范围。

4结语

油气润滑是一种新型节能润滑技术,将其应用于高速纸机干燥部轴承上,能够克服现有稀油润滑技术的诸多缺陷,改善高速纸机干燥部轴承的润滑效果。在模拟实际工况的基础上,设计了一种高速纸机干燥部轴承油气润滑实验装置。该实验装置具有加载稳定性好、载荷和供油气量可调、操作简单、安装方便、成本低廉等特点,可用于验证高速纸机干燥部轴承油气润滑的相关理论设计参数,为优化实际工艺参数提供良好的研究手段,进而论证油气润滑技术在高速纸机干燥部轴承上应用的可行性。

参考文献

[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.

张锋, 韩功波. 油气润滑技术在高速纸机干燥部中的应用初探[J]. 中国造纸, 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.

韩功波, 张锋. 油气润滑技术在高速纸机轴承润滑的应用研究[J]. 中华纸业, 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. 中高速纸机烘缸轴承装置的设计[J]. 中华纸业, 2007, 28(5): 48.

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

SKF: 轴承综合型录-part12(内部资料)[G]. 2007.

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

机械设计手册编委会. 机械设计手册[M]. 北京: 机械工程出版社, 2004.

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

(责任编辑：董凤霞)

·消息·

小常识

常用能源品种现行折标准煤参考系数参见表1,常用耗能工质能源等价值参见表2。

表1　常用能源品种现行折标准煤系数

表2　常用能耗工质能源等价值

·油气润滑·

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

基金项目：陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室项目(11JS017)。

收稿日期：2014- 12- 03(修改稿)

中图分类号：TS734+.3；TH122

文献标识码：A

文章编号：0254- 508X(2015)04- 0052- 04

作者简介：魏涛先生,在读硕士研究生；主要研究方向：动力机械设备与控制。