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2.2.7冷凝器………………………………………………………………15
2.2.8氮气发生器…………………………………………………………15
2.2.9油管卷盘……………………………………………………………16
2.2.10电缆卷盘…………………………………………………………16
2.2.11法兰盘……………………………………………………………17
2.2.12阀类………………………………………………………………17
2.2.13螺栓、螺母、垫圈………………………………………………18
2.2.14管道………………………………………………………………18
2.2.15挂车选型…………………………………………………………19
2.3润滑油脱水净化挂车的装配……………………………………………20
2.4润滑油脱水净化挂车主要特点…………………………………………22
3结论……………………………………………………………………………23
致谢………………………………………………………………………………24
参考文献…………………………………………………………………………25
文献综述…………………………………………………………………………26
摘要
石油是重要的能源,也是重要的战略物资。
润滑油在使用过程中,会因为种种原因参入杂质,比如:
灰层、纤维、金属屑,水分等,而水分是最为常见的一种污染物。
这些杂质让润滑油失效,失去润滑降温效果,不仅导致机械部件的传动失效,也导致能源的极大浪费。
鉴于此,本文提出一种润滑油净化装备——润滑油脱水净化挂车的设计方案,通过对净化挂车主要结构的设计,包括真空泵、粗过滤器、加热器、真空罐、精过滤器、油泵、冷凝器等部件的设计、计算及选型,最终形成润滑油脱水净化挂车装配总图。
关键词:
润滑油净化装配
Abstract
Oilisanimportantsourceofenergy,butalsoanimportantstrategic.Lubricatingoilinuseprocess,becauseofvariousreasons,incorporationofimpurities,forexample:
ash,fiber,metalscraps,moistureetc,whilethewaterisoneofthemostcommoncontaminants.Theseimpuritiestothefailureofthelubricatingoil,Loselubricationcoolingeffect.Notonlyleadtothefailureoftransmissionmachineryparts,alsocausedagreatwasteofenergy.
Inviewofthissituation,thispaperpresentsalubricatingoilpurificationequipment--LubricatingoilpurificationTrailerdesignscheme.Throughthedesignofthemainstructureofthetrailerpurification,Includingvacuumpumps,coarsefilter,heater,vacuumtank,finefilters,pumps,condensersandothercomponentsofthedesign,calculationandselection,Thefinalformationoflubricatingoilpurificationtrailerassemblydrawing.
Keywords:
LubricatingoilPurifyAssembly
1绪论
1.1研究背景和研究意义
自工业革命以来,科技得到迅速发展,生产行业由手工化逐步向机械化发展,世界上各个国家的生产生活水平与该国的机械化水平息息相关。
如今,车辆和机械设备在节能、环保上要求在不断的提高,因此对润滑油的要求也越来越高。
但是,原油的储量随着各国的不断开采日益减少,这些不可再生能源,威胁着每一个国家的发展。
在润滑油加工工艺中,环烷基原油是重要的原料,同时环烷基原油也是最为珍贵的原油之一[1]。
然而,其储量非常的少,仅仅占到世界原油总储量的2.2%。
润滑油本身的资源稀缺珍贵,但是每年浪费的润滑油是一个相当惊人的数字。
中国工程院2007年发表的一个报告指出[2],2006年全国消耗在润滑方面的资金估计为9500亿元,如果合理使用润滑油,可以节省人民币估计可达3270亿元,占当时国内生产总值(GDP)的1.55%。
润滑油在使用过程中,除了少部分由于挥发、氧化、泄露外,大部分仍留在机械设备中。
使用过程中润滑油会受到水分、灰层等的污染,受到污染的润滑油如果继续使用,将对机械设备造成很大的磨损消耗,影响设备的使用期限和使用性能。
在国际上,机械设备的失效70%-85%是有润滑油污染引起的。
国内油液污染更为严重,我国仅机械行业每年排放的废润滑油就达数亿吨[3]。
所以,对于润滑油的高效可持续使用势在必行。
这不仅能节约能源,缓解能源危机,而且可以保护环境避免废油对土壤水源的污染。
1.2国内外净油机和挂车的发展现状
国外净油机的典型产品有[4]:
美国颇尔公司的HNP021、HVP2703净油机,日本加藤公司的KLVC-AX-IA型带电在线滤油机,瑞典HERING公司EOK型净油机,瑞士麦克菲尔公司的VH061-e型净油机。
国外挂车的结构相对简单,一般为二轴,钢板弹簧,多为鹅颈式结构。
国外挂车的特点:
规模化、结构简约、个性化、轻量化、功能多、技术领先、小批量、精品化[5]。
目前,国内净油机生产厂家繁多。
但是这些生产厂家大多是小规模生产,科技含量并不高,生产的净油机单一重复,质量参差不齐,不能很好的满足社会需求[6]。
我国挂车生产有几十年历史了,生产企业目前有600多家,产量达到40余万台[7]。
和净油机生产厂家一样,挂车生产也不具备规模化生产。
没有批量化、规模化生产导致的结果就是:
我国的挂车在总体上比较粗糙,在服务和性能上得不到保障。
所以,不管是净油机还是挂车,我国和国际先进水平都存在很大的差距。
需要我们不断的提高生产水平,增强研发能力。
1.3润滑油的常用物理指标[8]
1)粘度
润滑油的作用是使机械运动的摩擦表面形成油膜,该油膜起到润滑、减震、冲洗、冷却等作用。
液体受外力作用流动时,其分子间发生的阻力叫做粘度。
它是润滑油最重要的性能之一。
2)润滑性
润滑性是指润滑油中极性分子与金属表面吸附形成一层边界油膜,以减小摩擦和磨损的性能。
润滑性越好,油膜与金属表面的吸附能力就越强。
3)极压性
极压性是润滑油中加入含硫、磷、氯的有机极性化合物后,油中极性分子在金属表面生成抗磨、耐高压的化学反应边界膜的性能。
4)闪点
当油在标准仪器中加热所蒸发出的油气,一遇火焰即能发生出闪光时的最低温度,成为油的闪点。
这是衡量油的易燃性的一种尺度,通常应使工作温度低于油的闪点30-40℃。
5)凝点
这是指润滑油在规定条件下,不能在自由流动时所达到的最高温度。
6)氧化稳定性
从化学意义上讲,矿物油是很不活泼的,但当它们暴露在高温气体中时,也会发生氧化并生产硫、磷、氯的酸性化合物。
这是一种胶装乘积物,不但腐蚀金属,而且加剧零件的磨损。
1.4润滑油主要污染物及来源[9]
润滑油主要的污染物有:
水、空气、化学物质、微生物等。
这些污染物的来源:
1)设备内部残留的物质如:
毛刺、灰层、纤维、磨削等;
2)设备使用过程中外界侵入的污染物如:
水分,灰层等;
3)设备运转是产生的污染物如:
元件磨损产生的碎屑;
4)其他来源如:
设备密封失效,润滑系统泄漏。
1.5净油机常见类型结构
净油机也俗称滤油机,主要用于提高润滑油以及其他油类的纯净度。
常见的物理净化方式有[10]:
1、重力沉淀法;
2、压力过滤法;
3、静电分离法;
4、离心分离法;
5、真空分离法。
根据物理净化方式与之相对应的出现了各种净油机,比较常见的净油机有:
普通净油机、板框式净油机、离心分离式净油机、静电净油机、真空净油机。
1.5.1板框式净油机
主要由油泵、过滤器、过滤床等部件组成,过滤介质为工业用的过滤纸,过滤精度较高。
用于变压器油、机油、柴油、航空液压油的过滤和除杂。
该设备操控容易、结果简单、成本低。
图1.5.1板框式净油机
1.5.2离心分离式净油机
净油机过滤装置内部有一个双喷式的转轴,由机油所产生的压力来驱使其转动。
由于水比油的密度大,通过离心力的作用,把水从油液中分离出来,达到净化油液的效果。
该类净油机主要用于切削油、淬火油、锻造油、防锈油的净化。
图1.5.2离心分离式净油机
1.5.3静电净油机
该净油机是一种具有高清洁度的净化设备,对大部分油液都有净化效果,具有较好的抗污染能力。
通过该类净油机处理后的油液,物理、化学性能并不会改变,通过对装置的改良,具有很大的市场前景。
图1.5.3静电净油机
1.5.4真空净油机
主要由粗、精过滤器,加热器,真空泵,油泵,冷凝器等组成。
该类净油机体积小,重量轻。
能对油液进行过滤、热循环、干燥等功能,对于油液除水效果显著。
图1.5.4真空净油机
本次润滑油脱水净化挂车设计就是在原有真空净油机的基础上,针对性的进行改良,有很大工程应用前景。
为了运输上的方便,将设计好的净油机装载在挂车底盘盘上,由其他车辆牵引行驶,适合在室内或者野外工作。
2润滑油脱水净化挂车结构设计
本章节主要介绍了润滑油脱水净化挂车的工作原理,真空罐的设计校核,加热温度的确定,真空泵,油泵,过滤器的选择等,以及润滑油脱水净化挂车系统的结构设计。
2.1润滑油脱水净化挂车工作流程图
如图2.1润滑油脱水净化挂车的工作流程图
图2.1工作流程图
本次的设计的润滑油脱水净化挂车工程流程如图所示:
先打开真空泵与真空罐连接的阀门,让真空泵抽走设备中的空气,使整个工作系统达到预定的真空环境。
然后打开进油阀,使润滑油从进油管道流入,通过粗过滤器(第一次过滤)除去较大(100μm以上)的杂质,流入加热蒸发器,使润滑油加热到70℃左右,进入真空脱水罐(由真空泵抽成真空状态,极限压力为0.06MPa)后,水成为气态而润滑油依然保持液态,在真空罐中通过喷淋器、斜板和氮气的作用使润滑油中的水分充分挥发出来,真空罐中挥发出的水蒸气通过冷凝器液化成水排出,而润滑油通过油泵流入精过滤器(第二次过滤,精度在10μm)中,达到标准的润滑油则流出待用,没有达到标准的,则经过内循环让润滑油从精过滤器流回粗过滤器进行多次脱水净化。
此次设计的润滑油脱水净化挂车包括的主要设备有:
真空罐、粗过滤器、精过滤器,、加热器、底油抽吸器、真空泵、油泵、冷凝器、氮气发生器、油管卷盘、电缆卷盘、管道、挂车等。
2.2润滑油脱水净化挂车部件选型
2.2.1加热罐
2.2.1.1加热温度的确定[11]
在密闭条件中,在一定温度下,与液体或固体处于相平衡的蒸气所具有的压力称为饱和蒸气压。
纯水的饱和温度越低,饱和蒸气压也就越低,(如下表)
表2.2.1.1
当水被加热到70℃,低于80℃时,水成为气态,而润滑油能够依旧保持性能(油液正常工作温度一般在80℃以下),根据工程实际考虑,最终确定的真空度为0.06MPa。
润滑油是热的不良导体,如果加热功率太低,那么加热时间势必会延长,净化效率则会很低;
如果加热功率太高,则难以安装并且价格昂贵。
单个加热棒会导致其周围的油液温度过高使润滑油失效,所以选择多个加热棒置于加热罐内,增大受热面积,使油液受热均匀。
2.2.1.2加热功率的确定[12]
加热功率的计算过程:
加热功率计算公式:
(2.1)
C:
润滑油比热容1675-2093(J/Kg.K)
ρ:
油液密度900Kg/m³
Q:
公称流量(L)
ΔT:
一个循环内的温度差(5-10℃)
T:
加热时间(30-60min)
η:
加热效率0.5-0.6
计算中,取:
C=2000(J/Kg.K),Q=100L,ΔT=5℃。
所以,经计算得W=30KW,
考虑到管道和加热器的热损失(20%)[13]
计算得:
1.2W=36KW
取加热功率W=40KW。
图2.2.1.2加热棒
2.2.2真空发生罐
真空罐内的水蒸气是以微小的气泡形式存在的,当温度和真空度条件满足的情况下,水分的蒸发过程同时在润滑油的表面和内部进行。
由于油液处于不断“沸腾”流动的状态,挥发出来的气体被真空泵抽到冷凝器中冷却,而没有挥发出来的水蒸气,则继续夹杂在润滑油中。
真空罐的脱水效率与温度、工作压力、真空罐内的空气流动性有关,温度越高水蒸发越快,工作压力越低水蒸发越快,空气流动性越好水蒸发越快。
真空罐一般分为立式真空罐和卧式真空罐,材质一般为不锈钢。
本次设计的真空采用卧式的,一方面可以节省空间位置,另一方面可以提升脱水净化效果。
本次设计的真空发生罐罐体内主要由喷淋器、斜板和可视窗组成,是整个净油机的反应容器。
喷淋器的作用是把经过加热的油液均匀的喷洒在斜板上,而斜板起到一个缓冲油液以及增大油液中水分挥发面积的作用。
设置可视窗是为了观察真空罐中油液的高度,以方便通过控制进油阀和出油阀来调节油液高度。
净油机的公称流量是整个设计的主要参数,定为50L/min。
一般来讲,真空罐的容积应为净油机公称流量的3-5倍,故本次设计的真空罐容积至少应为150L。
初步设计的真空罐为尺寸φ500×
1300mm的圆柱型罐体,通过计算来验证尺寸是否合理。
(2.2)
由于
所以
,大于150L,故此满足设计要求。
根据设计要求,真空罐的尺寸为φ500×
1300mm,在低真空状态下运行
真空罐的应力计算[14]:
设计真空罐内极限压力为0.06Pa,罐体厚度为5mm,直径为500mm,通过应力计算来确定材料的型号。
罐体内压力:
(2.3)
罐体外压力:
(2.4)
所以真空罐所承受的压力为
。
因此在计算真空罐应力的时候主要考虑的是大气压对罐体的应力
(2.5)
由计算可知,真空罐受到的最大应力为5MPa,远远小于20钢的许用应力[σ],所以真空罐的厚度合理。
右侧端盖用螺栓与罐体连接,需要8个材质Q235的M12的螺栓,下面进行螺栓的强度校核[15]:
每个螺栓所受的轴向载荷:
(2.6)
公式中:
为总载荷,Z为螺栓个数
所以,经计算,每个螺栓所受载荷为
螺栓危险截面的拉伸强度条件为:
(2.7)
d为螺栓公称直径,[σ]为许用应力
经过计算可知:
螺纹连接的许用应力计算:
(2.8)
为屈服极限取245MPa,S为安全系数取5-4
所以,经计算得螺纹连接的许用应力为49-61MPa
由于28MPa小于49MPa,故合理。
下面计算螺栓杆的剪切强度:
(2.9)
f为摩擦系数取0.10-0.16,d为螺杆公称直径
经计算得
下面计算螺杆的许用剪切应力:
(2.10)
为屈服极限取235MPa,
为安全系数取2-2.5
经过计算得
=94-117.5MPa。
所以,螺杆的剪切应力也合理。
综上所述:
真空罐本体用20钢冲压成型,右端盖用螺栓与罐体连接,罐体外敷20mm厚的岩棉保护层,保护层外再设1mm厚的不锈钢来保护外壳[11]。
真空罐的喷淋器和斜板选用不锈钢材质的。
喷淋器焊接在罐体上部,斜板间隔为30mm,布置4块,在罐体内设置槽口(角度为45°
),用于斜板的固定。
图2.2.1真空罐
2.2.3过滤器
过滤器分为普通过滤器、粗过滤器、精过滤器和超精过滤器。
常用的过滤器类型和特性为[16]:
1)网式过滤器:
装在液压泵管路上保护液压泵,过滤精度为80-180μm,结构简单,通油能力大,但过滤效果差。
2)线隙式过滤器:
一般用于中低压系统,线隙100-200,过滤精度30-100μm,结构简单,过滤效果好,通油能力大,但清洗不方便。
3)纸质过滤器:
用于过滤要求高的液压系统中,过滤精度为5-30μm,过滤效果好,精度高,但是容易堵塞,需要常更换滤纸。
4)烧结式过滤器:
用于高质量的液压系统中,过滤精度在7-100μm,能在高压、高温下工作,抗腐蚀性好。
5)磁性过滤器:
用于吸附铁屑,结构简单,过滤效果好。
本次设计两个过滤器,一个粗过滤器,一个精过滤器。
粗滤器设置在进油管道,用于过滤掉油液中较大的杂质,过滤精度在100μm左右。
精滤器设置在出油管道,对油液进行再一次过滤,出去油液中,极小的微粒和少量水分,过滤精度在10μm左右。
过滤器的选择主要在于滤网的选择,滤网在选择上需要考虑的因素:
能否达到过滤要求、滤网抗腐蚀性能如何、过油性能如何、压力损失大小、能否长时间工作、更换清洗是否方便。
这些都将影响最后出来的润滑油质量是否达标,能否继续使用。
滤网采用如图2.2.2类型滤网。
该类滤网纳污能力强,抗腐蚀能力强,过滤面积得到大大增强,压差低,使用寿命长。
粗过滤器选用的滤网精度为100μm的磁性过滤器,精过滤器精度为10μm的过滤器。
图2.2.2滤网
2.2.4底油抽吸器
底油抽吸器是在设备停止工作后,将真空罐内的残余润滑油抽出。
不会影响下一次的净化效果,使每一次净化后的润滑油质量稳定可靠。
此次设计选择的是一种气动式的自动抽油机,比起手动式抽油机,安装方便,使用灵活。
当罐体充满润滑油时,出口机械装置会自动关闭,安全快捷。
型号为精展JJT/PX-3090P。
图2.24底油抽吸器
2.2.5真空泵
真空泵作用在于将真空发生罐里的空气排出,抽成设备工作所需的真空度0.06MPa。
真空泵选择的主要参考因素有:
真空泵需要抽掉的气体总量及能在2分钟左右将真空罐和管道的气压降到0.06MPa或者更低;
抽气速率应大于进油速率。
真空泵按工作原理可分为:
气体输送泵和气体捕集泵。
气体输送泵一般有:
往复式真空泵、旋片式真空泵、定片式真空泵等;
气体捕集泵包括:
吸附泵和低温泵。
本次设计选择的是2X-15A型旋片式真空泵,抽气速率为15L/S,功率为1.5KW,极限压力为0.06Pa,转速为470r/min。
真空泵脱水能力计算[17]:
标准大气压下真空泵抽气能力:
Sˊ=工作真空度×
真空泵的抽气能力/标准大气压=6000×
15×
101000=0.89L/s(2.11)
标准大气压下的脱气能力:
S"=S×
273/343=0.71L/s(2.12)
Z在标准状态下,1摩尔的水体积为22.4L,重量为18g,
则脱水能力S=S”×
18/22.4×
3600=2054g/h(2.13)
图2.2.5真空泵
2.2.6油泵
油泵的作用在于将真空罐内经过净化的润滑油抽出,再通入精过滤器中。
一般来说,油泵的工作压力为泵额定压力的70-80%,及不应高于0.05MPa。
这样既能提高系统的可靠性,又能延长设备的使用寿命。
油泵的额定流量应该大于设备工作的最大流量,这样能避免系统过载。
油泵有直列式、分配式和单体式三大类。
从机械分类来看,分为:
喷油泵、自吸油泵、潜油泵、机油泵。
油泵流量的大小是通过密封工作腔被容积的变化来恒定的。
油泵工作压力的确定[18]:
(2.14)
Pa为0.06MPa,由于没有液压缸等元件,所以
所以P定为2.5MPa。
油泵流量的确定:
(2.15)
K为泄露系数为1.2,
所以,
此次设计选择的油泵型号为Y100L1-4,功率为2.2KW,流量为100L/min,转速为1430r/min,电压为380V,电流为5A。
图2.2.6油泵
2.2.7冷凝器
冷凝器安装在真空发生罐之后,将真空发生罐中的水蒸气冷凝成液态。
冷凝器一般有风冷和水冷两种结构,在冷却效果上,水冷要比风冷好。
但是风冷结构简单且价格低廉,所以此次设计采用的是风冷结构的冷凝器。
选择冷凝器的关键在于散热面积,散热面积越大冷却效果就越好。
本次设计选择的冷凝器型号为ZJYT-015,散热面积为15㎡,风扇电机功率为90-120W,风量为1800m³
/h。
图2.2.7冷凝器
2.2.8氮气发生器
氮气发生器的作用是把从空气中分离出来的氮气,通入真空发生罐中,使润滑油像沸腾一样,让水分能更好的挥发出来。
传统的氮气发生器是一套大型设备,价格高昂。
本次选用的是一种新型的氮气发生器,采用膜分离技术,直接从空气中分离出氮气和氧气,氧气直接排到大气中,氮气经过管道进入真空发生罐中。
该设备简单,安装方便灵活。
这种氮气发生器,型号为NC3020,氮气纯度达到95%-99%,产量在1-2000Nm³
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