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油气润滑设备润滑油站的设计

文档作者：刘雨辰，孙启国文档来源：北方工业大学机电工程学院		点击数：	更新时间： 2022年11月06日
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文章编号：1002—6673(2013)03—041-03
油气润滑设备润滑油站的设计
刘雨辰，孙启国
(北方工业大学机电工程学院，北京100144)
摘要：论文针对油气润滑设备设计了一种新的滑油站的结构，采用Fluent对油箱进行了温度场仿真，分析
了其加热性能。结果表明，该润滑油站能够满足大型油气润滑设备的使用需求，降低了油气润滑设
备的成本．减少了能源的浪费。
关键词：油气润滑；润滑油站；温度场仿真
中图分类号：TB47 文献标识码：A doi：10．3969／j．issn．1002-6673．2013．03．017
Design of the Hydraulic Station for Oil—-air Lubrication Equipment
L／U Yu-Chen．SUN qi—G”
(North China Univenity of Technology，Beijing 100144，China)
Abstract：The structure of the hydraulic station was designed for oil—air lubrication equipment in this paper．The temperature field simula—
tion is done by Fluent．The resdt shows that the hydraulic stafion could reduce the COSt of the oil-air lubrication equipment and avoid ener—
gy Waste·
Key words：oil—air lubrication；hydraulic station；temperature field simulation
0引言
油气润滑是一种新的润滑方式．具有环保、节能等
特点，是润滑技术的新趋势。油气润滑将润滑油与压缩
空气按一定比例混合在一起．压缩空气带动润滑油沿管
道内壁持续地螺旋状流动。形成一层连续油膜，然后以
精细的连续油滴的方式喷到润滑点[11。
油气润滑设备的供油间隔较长。且单次供油量较
小。如应用在某高速轧机上的大型油气润滑设备供油间
隔达2500st：n。如果采用容积较大的油箱贮存、加热润滑
油，须使用大功率的加热装置。这样做除了使成本增加
之外，加热器功率过大又容易造成表面温度过高，使润
滑油的化学性质发生改变。并且，大量润滑油在油箱内
反复被加热。也是能源的浪费。
本文设计了一种双油箱结构的润滑油站，能够用
功率较低的加热器在短时间内完成润滑油的加热。本文
使用Fluent软件对油箱的加热情况进行了温度场仿真，
修稿日期：2013—04—02
基金项目：北京市属高等学较人才强教计划资助项目(FHR201 107109)
作者简介：刘雨辰(1988一)，硕士研究生。
分析油箱内的温度场。验证了润滑油站的设计。
1润滑油站的结构
润滑油站采用双油箱结构。下层油箱为主油箱，容
积较小，加热润滑油并向油气润滑设备供油。上层油箱
为副油箱，容积较大．主要作用为盛放润滑油。上下油
箱之间有电磁阀和管路相连接，当主油箱内液位低于设
定值时，电磁阀打开。副油箱给主油箱补充润滑油，补
充完毕之后电磁阀关闭，主油箱开始加热润滑油并准备
向设备供油。
上层油箱为副油箱，容积为160L，油液深度340mm，
钢板厚3mm。如图1所示，油箱装有进油过滤器，用于
人工添油。油箱底部设计为斜面，用于沉淀润滑油中的
杂质，可以通过底部安装的排污阀将其排出。油箱侧板
下部的出油口装有电磁阌。
用于给下层油箱供油。为
了有效防止搅动或吸入箱
底沉积物，油箱的进、出油
口应距离油箱底部斜面的
最高点50mm以上【3】。
下层油箱为主油箱．
1．通向主油箱的管路及电磁阀
2．排污阅3．注油过滤器
图1剐油箱原理图
4l
万方数据
·产品与市场·
油箱的加热器在工作时，将电能5暇油过滤器6．油泵：
转化为热能加热油液。在设计加热器图2主油箱原理图l
时，应先选择加热器的使用电压，然后根据对润滑油温
升速度的需求，确定加热器的功率P。在油气润滑设备
的应用中，润滑油的温度须处于15℃一40℃之间。所以．
当润滑油低于15℃时润滑油站开始加热，当达到40℃停
止加热。加热的速率定为每分钟上升2℃。
油箱中的润滑油在吸收热量、温度由T。变化到T2
时，其所吸收的热量Q满足：
Q=Ic⋯ ㈩f
式中：C一比热容；m一质量。由此，推导出润滑油
站主油箱加热器的功率P：
p_>Cxpx．VxAT一(2)l
△t×11
式中：C一润滑油的比热容；p一润滑油的密度；
V一主油箱的体积；△T一改变的温度值；△t一温度改
变所花费的时间；1一机械效率，通常取经验值。上述
参数的数值及单位在如表1中所示。将数据带人式(2)，
对油箱的温度场进行建模仿真，需要加热器的几何
表1计算加热器功率所需参数
竺! ! 垒! 垒! ! l!
J／(kg·qc)l kg／m3 m3 ℃ s I：
二2亘13 1 1玉85[2[互0．4]二三2工j60二叵0．7
尺寸。结合加热器的功率以及油箱的容积，选择两组如
图3所示的双联U形加热管作为加热器。
加热管在加热时，若表面功率密度太大，会使局部
温度过高，易造成润滑油及其添加剂的变质、分解t31，甚
至被加热介质在加热管表面结碳或结焦，损坏加热管。
用于加热润滑油的加热器的表面功率密度一般在0．9W／：
em2至3．5w／cmz之间H。对于圆柱形的加热管，其表面功
率密度率的计算公式为：
娟基兰三羞量至萤盯=丽P面／n (3)!
图3 U形管加热器式中：盯一表面功率密
42
度；P～总功率；n一圆柱形加热管的数量：D～加热管
的直径；L一加热管的长度。将如表2所示的加热器模
型的尺寸参数带人式(3)，得or=2．3W／cmz，加热器能够安
全地对润滑油进行加热。
3 热场仿真及其结果分析≮矗耄瀚
为了验证主油箱的加热效果，l!I!I旦l兰l
采用FLUENT进行油箱的温度场l!l l竺J竺J
仿真。nu。nt软件中所提供的流体I!!竺l!J!J!!J
导热的模型，采用奈维斯托克斯方程作为控制方程。
凡有热交换的流动系统必定遵守能量守恒定律。能
量守恒定律可以表述为：单个微元中获得的能量等同于
进入该微元体的净热流量与体力、面力对该微元体所做
的功之和。能量方程即为能量守恒定律的数学表述。
对于润滑油在油箱中的热对流的描述．采用
Boussinesq模型，只在动量方程计人密度随温度的变化，
以简化计算过程【5’61。
GAMBIT是进行CFD计算时常用的建模软件．具有
强大的前处理能力。用户通过GAMBIT的GUI可以便捷
地完成建模与划分网格的工作。在使用GAMBIT对润滑油
站的油箱建模时，须对油箱的结构进行一定的简化．只针
对加热器与润滑油液进行计算。油箱的模型如图4所示，
四组加热管与油液分别划为5个不同的计算域，其中加
热管设定为固体域，润滑油液设定为流体域。油液周围
的壁面都为wall类型。模型的z向坐标轴为竖直方向。
由于模型包含多处不规则曲面，所以只能够使用四
面体网格对其进行划分。四面体网格能适应较为复杂的
结构。润滑油及加热器的网格划分如图5所示。
将GAMBIT生成的油箱网格文件导人nuentl4．0。
起始温度和环境温度设定为15℃，加热时间设定为750s。按照计算，热源项设定为9．55xl舭3。润滑油
的主要参数飞设置如表3所示。
加热750s后的温度场如图6所示。经过加热，由
于热对流的存在，润滑油的温度基本均匀，处于309k～
317k之间，与加热器的总功率基本相符。加热管周围温
度较高。由于壁面的散热作用，避免附近的温度较低，
图4温度场仿真模型图5 温度场仿真模型的
网格划分
但对于容积小的油箱，散热作用对油箱内温度场产生的
影响也较小。(下转第44页)
万方数据
·产品与市场·
的压力差使液压锁可靠地关闭。
2．2锁紧回路内不允许泄漏
由于液压油的弹性模量很大，因此很小的容积变化
就会带来很大的压力变化。锁紧回路靠的是将液压缸两
腔的液压油密封住来保持液压缸不动的。但是如果锁紧
回路中的液控单向阀和液压缸之间还有其他可能发生泄
漏的液压元件，如图3(a)，那么就有可能因为这些元件
争融
(a) (b)
图3锁紧回路2
的轻微泄漏，导致锁紧失败。
正确的做法应该如图3(b)
所示．液压锁和液压缸之间不
设置任何其他液压元件以减少
泄漏，保证锁紧回路的正常工
作。
2．3选型不当导致工作不正常
图4所示系统选用的液控单向阀为内泄式。当换向
阀左位工作时，利用节流阀l建立起控制油口K的压
力，打开液压锁，负载在自重作用下向下运动。从原理
上分析，回路没有问题。但是在实际工作中，每当负载
下降时，总会发出频繁的噪声，振动严重。经分析原因
如下，负载向下运动时，液控单向阀A口由于节流阀2
的作用．产生相当高的压力。而此时液控单向阀的控制
油口K仍为原来的调定压力。由于内泄式液控单向阀的
A口压力作用面积与控制腔控制压
力作用的面积相差不大。因此在A
Iii压力的作用下单向阀要关闭．这
时A口压力下降，单向阀再次打
开。这个过程反复进行，导致了频
繁的振动噪声。
这个问题的解决方法可从以下
两方面考虑：①选择外泄式液控单
向阀；②提高控制油压力。
3结束语图4锁紧回路3
综上所述，液压锁看似结构简单，但是在使用中有
很多容易忽视的问题，使用不当。将会很容易使液压锁
失效，导致系统设计失败。因此，我们在选用液压锁时，
一定要综合考虑系统条件，达到液压锁的正常开闭条件，
使之可靠地开启、关闭。
参考文献：
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版社．2002．
(上接第42页) 表3润滑油主要参数
比热容密度导热系数粘度体积膨胀系数
J／(kg·℃) kg／m3 K／(w m·℃) m／s2 ，k
2131 852 0．14 30x104 9．6x10r4
淘||一
的功率及尺寸设计比较合理。
4结论
本文在传统润滑油站单
油箱结构的基础上。利用油
表4几种润滑油的闪点
润滑油名称闪点温度
20号航空润滑油油503k
L-HM46液压油511k
4050润滑油≥519k
气润滑设备供油间歇长、单次供油量小的特点．将其拆分
为具有储油功能的副油箱和具有加热功能的主油箱，实现
了自动补油。通过对Fluent温度场仿真结果的分析，验证
了主油箱能够在大型油气润滑设备两次供油之间将润滑油
加热至所需温度，降低了设备的成本，也避免了使用大功
率加热设备所造成局部温度过高以及能源的浪费。
参考文献：
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