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矿井提升设备润滑与液压系统油液净化方案
2016-10-10
矿井提升机是承担井上井下物料或人员输送任务的大型机械设备,其安全性和可靠性至关 重要,尤其 是其稀油站润滑系统和液压系统油液污染对机械设备的损害更不能忽视,往往会导致安全系数的降 低,甚至引发设 备或人身伤亡事故。将传统的过滤式污染物控制方案与基于离心机理的油品净化方案进行对比、 分析,提出采用离 心式净油机实现稀油站润滑系统以及各液压系统油品净化方案,并且通过河钢集团矿业有限公司石 人沟铁矿生产实 际应用效果进行验证,论证了应用该方案的合理性、高效性和先进性。
Series No. 484 ꢀ Octoberꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 484期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE 2016 年第 10 期 矿井提升设备润滑与液压系统油液净化方案 1 1 2 2 3 孙ꢀ 洁 ꢀ 李广林 ꢀ 温占军 ꢀ 赵晓峰 ꢀ 张瑞新 1. 华北理工大学电气工程学院,河北 唐山 063009;2. 河钢集团矿业有限公司石人沟铁矿, 河北 唐山 063700;3. 唐山睿泽尔科技有限公司,河北 唐山 063000) ( 摘ꢀ 要ꢀ 矿井提升机是承担井上井下物料或人员输送任务的大型机械设备,其安全性和可靠性至关重要,尤其 是其稀油站润滑系统和液压系统油液污染对机械设备的损害更不能忽视,往往会导致安全系数的降低,甚至引发设 备或人身伤亡事故。 将传统的过滤式污染物控制方案与基于离心机理的油品净化方案进行对比、分析,提出采用离 心式净油机实现稀油站润滑系统以及各液压系统油品净化方案,并且通过河钢集团矿业有限公司石人沟铁矿生产实 际应用效果进行验证,论证了应用该方案的合理性、高效性和先进性。 关键词ꢀ 矿井提升机ꢀ 润滑与液压ꢀ 离心式ꢀ 油品净化 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD534ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-10-124-04 Oil Purification Scheme for Mine Hoisting Equipment Lubrication and Hydraulic System 1 1 2 2 3 Sun Jie ꢀ Li Guanglin ꢀ When Zhanjun ꢀ Zhao Xiaofeng ꢀ Zhang Ruixin ( 1. College of Electrical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China; . Shirengou Iron Mine of Hebei Iron and Steel Group Mining Co. ,Ltd,Tangshan 063700,China; . Tangshan Raser Science and Technology Co. Ltd. ,Tangshan 063000,China) 2 3 Abstractꢀ Mine hoist is large mechanical equipment of transporting the underground material or personnel and is very important for the safety and reliability,especially oil pollution damage to the equipment in the thin oil terminal lubricating sys- tem and hydraulic system cannot be ignored,which often leads to safety factor reduced,and even results in equipment or per- sonal casualty accident. The traditional type of pollutants control scheme filter and the oil purification scheme based on the mechanism of centrifugal machine are compared and analyzed,proposing that the centrifugal oil purifier can realize oil purifica- tion for the lubrication system and each hydraulic system. The practical application in Shirengou Iron Mine of Hebei Iron and Steel Group Mining Co. ,Ltd approved that this scheme is reasonable,high efficient and high-level. Keywordsꢀ Mine hoist,Lubrication and hydraulic pressure,Centrifugal,Oil purification ꢀ ꢀ 矿井提升机是承担井上井下物料或人员输送任 去除油液中的污染物(固体颗粒、水份、气体等)是各 企业必须完成的任务,也是当今润滑、液压系统控制 务的大型机械设备,主要由电动机、减速器、卷筒(或 摩擦轮)、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和 操纵系统等组成。 其运转部分的润滑和液压制动、操 纵系统的可靠性至关重要,是确保人员安全和生产正 常进行的先决条件,各润滑油站和液压油站的油品净 化在保障该系统中的作用不容小觑。 无论是稀油站 润滑系统的润滑油、汽轮机油还是各液压系统中的液 压油,油液中混入水分和机械杂质后对机械设备的正 常工作都会造成严重的危害。 据有关资料介绍,润滑 油、液压油的污染所引起的润滑、液压系统的故障约 占稀油润滑、液压系统全部故障的 65% 以上。 因此 [ 1] 行业亟待解决的重要课题 。 河钢集团矿业有限公 司石人沟铁矿的主井、副井提升机各润滑部件及制动 操作、液压张紧系统中液压器件使用不到 1 a 器件表 面就出现蚀刻、麻点的现象,极大地威胁人员输送的 安全性及生产的连续性,增加设备维护成本及维修人 员的劳动强度。 通过现场实地考察、分析,确定引起 该问题的根本原因就是润滑油和液压油油品不达标, 油品的污染度级别已超过 12 级(NAS1638 标准),油 品的净化势在必行。 收稿日期ꢀ 2016-07-04 基金项目ꢀ 河北省自然科学基金项目(编号:F2013209326)。 作者简介ꢀ 孙ꢀ 洁(1963—),男,教授,博士。 · 124· ꢀ ꢀ ꢀ 孙ꢀ 洁等:矿井提升设备润滑与液压系统油液净化方案ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 10 期 1 ꢀ 油品净化方案的分析 对油品污染度控制,传统的方案主要是采用压板 常的滤油精度。 由于聚结式滤油机本身特点,导致效 率低、性能不稳定,所以增加滤芯更换造成运行成本 [ 3] 式滤油机、滤网式滤油机、真空加滤网式滤油机、聚结 式滤油机等以过滤的方式进行油液的过滤净化。 这 些种类滤油机受其净化原理的制约,其效率比较低、 性能不稳定、运行成本较高且净化的效果很大程度上 过高、性能不稳定、滤材消耗大是不可避免的 。 从以上几种传统的以过滤和真空瞬间加热为主 要工作方式的净油方式的对比分析来看,虽然都能实 现油品较高精度的净化和部分水分的分离,但是普遍 存在着净化效率比较低,净化效果取决于滤芯的精度 和维护人员更换的频度,耗材量大,运行成本高。 而 且真空瞬间加热时间过长还可能导致油品的劣化,缩 短油液更换周期,增加油液的浪费。 [ 2] 取决于维护工人的责任心 。 各种净化方案其工作 原理和优劣分析如下: ( 1)压板式滤油方式。 该方式采用多层滤纸层 层过滤的方式将油液中的杂质挡住以便杂质不进入 到系统。 那么为保证净化效果就必须根据污染度状 况定期更换滤纸,使用过程中需要操作人员严格执行 操作规程,定期更换滤纸确保过滤效果。 使用不便, 运行成本较高,但也只能去除油液中固体颗粒,而对 2ꢀ 基于离心机理的净油方式 2. 1ꢀ 工作原理分析 将储油箱中的油液引入到一个高速旋转所形成 的离心场中,由于油液中油和各种非金属固体污染 物、金属粒子、水等污染物的比重不同,因而它们所承 受的离心力也不一样,所以只要污染物的比重大于被 净化油液的比重时,即可以将它们从被净化的油液中 分离出来,使被污染的油液得以净化。 其结构组成原 理如图 1 所示。 首先,被净化的油液从储油箱中经吸 油管在增压泵 M2 的作用下抽入到辅助油箱,在此由 真空泵 M1 实现油液中气体的排出,液位控制器实现 辅助油箱中液位的控制。 其次由真空泵脱除掉空气 的油液,经增压泵送至在电动机 M3 的驱动下高速旋 转(8 000 r/ min)的离心桶组件所产生的离心场中随 离心桶组件高速旋转,从而将比重大于油液的污染物 (各种非金属固体污染物、金属粒子、水等)进行纯物 理方式的分离,分离出来各种污染物沿离心桶壁下沉 流入底部纳污盒,而净化后的油液通过回油管返回到 液压系统的油箱,经过多次循环,从而实现油液高精 度的净化。 “ 水份、空气”却不能滤除,对设备的保护效果会大打 折扣。 ( 2)滤网式滤油方式。 其工作原理和使用滤纸 的压板式滤油方式一样,只是将滤纸改为高精度滤 芯,尽管可对油液中较小的固体颗粒滤除,但对“水 份、空气”仍不能滤除。 滤芯工作寿命同样视滤网纳 污量大小而定,必须定期更换,否则当滤芯纳污量饱 和时,滤芯不但不能起到净化作用,反而会导致油压 升高,给系统带来危害。 为满足精度要求且不导致油 压升高,同样需要操作人员严格执行操作规程,必须 在滤芯达到饱和之前更换,这就使运行费用高速增 长,造成运行成本过高、性能不稳定、滤材消耗大。 ( 3)真空加滤网式滤油方式。 该方式采用油液 快速加热并辅以高真空负压( ꢁ0. 08 MPa 以上)进行 除水,即油液在高真空负压( ꢁ0. 08 MPa 以上) 环境 下加热,在真空加速作用下使部分游离水、溶解水蒸 发,而后经过降温及冷凝,去除水份和空气,再经过滤 网去除固体颗粒。 虽然能除去油液表面水份,但除水 效率较低,需长时间运行才可达到油液的除水要求。 如果要达到油液对固体颗粒污染度要求,同样需要操 作人员严格执行操作规程,在滤芯达到饱和度前定期 进行更换,不仅运行费用高速增长,造成运行成本过 高、性能不稳定、滤材消耗大、现场维护人员工作繁 重,而且油液的瞬间加热时间过长也会导致油液劣 化,降低油液的使用寿命。 图 1ꢀ 油液净化原理结构 Fig. 1ꢀ Oil purification principle diagram 2. 2ꢀ 影响油液净化效果的因素 ( 4)聚结式滤油方式。 利用不同功能的滤芯,预 油液被输送到离心桶组件的离心场后,油液中各 过滤滤芯—聚结滤芯—分离滤芯组成三重过滤的设 备,对固体颗粒与游离水能起到一定的滤除,但不能 除去空气和溶解水。 使用该设备必须掌握三重滤芯 的纳污量及过滤比 β(β 随使用时间逐步下降)。 需 经常对出油口油液进行检测,才能得以保证该设备正 组分各自比重不同而承受不同的离心力,从而实现油 液中的各种非金属固体污染物、金属粒子、水等的有 效分离。 各组分质点沉降速度(沿径向的移动速度) 与油液本身以及离心力场的各项参数有以下关系: 2 v = 2ρ Δωr/ (9μ), (1) · 125· 总第 484 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 10 期 式中, v 为杂质粒子沉降的速度,ρ 为杂质粒子的沉降 半径,Δ 为杂质粒子与油液密度差,ω 为杂质粒子旋 转的角速度,r 为杂质粒子距旋转轴中心的距离,μ 为 油液的动力黏度。 最佳的分离效果以及最佳的设备稳定性和低维护率。 经过理论计算和多次的实际试验,将离心桶转速、油 液流量、碟片半径合理进行匹配,使分离效率达到最 高,设备运行稳定,故障率保持在最低水平。 由式(1)可知:影响分离效率的主要因素就是杂 质粒子沉降的速度,而沉降速度又受到杂质粒子的沉 降半径、与油液密度差、旋转的角速度、距旋转轴中心 4ꢀ 现场应用效果分析 利用此方案设计的离心式净油机在河钢集团矿 业有限公司石人沟铁矿的主井、副井提升机各润滑部 件及制动操作、液压张紧系统中各润滑站和液压站进 行了试用并对油液净化后 2 a 多的设备运行状况以 及所产生的效果进行了跟踪和效益总结。 [ 4] 的距离以及液体的动力黏度等因素的影响 。 ( 1)杂质粒子的沉降半径。 杂质粒子的沉降半 径实际上也就是离心筒的半径,半径越大,分离效果 会越好,但伴随而来的是对离心筒组件的动平衡要求 越高,设备的制造维护成本越高。 2013 年 10 月 24 日至 10 月 27 日,实际约 20 h 的试运行中,将该离心式净油机净化前后的油样分别 进行了定性和定量比对,如图 2 所示。 ( 2)杂质粒子旋转的角速度。 杂质粒子旋转的 角速度实际上也就是离心筒的转速,转速越高,分离 效率越高,同样也会使设备的制造维护成本越高。 ( 3)杂质粒子与油液密度差。 杂质粒子密度比 油液密度越大,其分离效率越高。 因此对于某种特定 的油 液 如 高 压 抗 燃 油 ( 油 液 的 比 重 1. 11 ~ 1. 17 3 g / m )或某些混有纤维性杂质的油液,该种方式达不 到预期的净化效果。 ( 4)油液的动力黏度。 黏度越大,分离效率越 差,因此使用该种方式进行油品净化时,对油液的动 力黏度是有要求的,超出黏度要求时,要采取诸如辅 助加热等相应措施。 3 ꢀ 基于离心机理的油品净化方案设计 基于离心机理,离心筒组件内带有导流槽的碗状 碟片随高速旋转的离心筒转动,使得含有杂质的油液 在碟片表面形成离心力场。 油、各种非金属固体污染 物、金属粒子以及水等各组分由于各自比重的不同, 在离心力场中所承受的离心力也不一样,比重大的各 种非金属固体污染物、金属粒子以及水等在较大的离 心力的作用下,移动出碟片的边缘,飞落到离心筒内 壁,并顺着内壁流入下方的纳污盒中;而比重相对较 小的洁净油,因所受到的离心力也较小,则仍然滞留 在碟片内,从中间的管道输出返回到油箱,从而将油、 各种非金属固体污染物、金属粒子以及水等各组分分 开,完成油品的净化。 图 2ꢀ 分离出污染物状况及净化前后油样对比 Fig. 2ꢀ The status of the pollutants isolated and sample contrast before and after purification 图 2(a)是设备运行一段时间后离心桶壁附着的 杂质的状况,充分的定性证明该设备可以高效地将油 液中的杂质迅速分离出来。 图 2(b)则为净化前后 2 油样的定性对比情况,很明显地可以看出油液在排出 大量的污染物后其清澈度有了较大的变化。 该 2 样 品经河北省化工产品质量监督检验站(唐山)进行检 验发现,净化前后液压油中污染物每百升的颗粒度数 及对应的洁净度 NAS1638 级别见表 1。 为确保净化效率达到最佳状态,其主要因素就是 离心桶组件的结构、 转速以及物理尺寸的合理匹 [ 5] 。 转速低,所产生的的离心力不足以将各组分 配 从表 1 所给出的数据得知,净化前的液压油粒径 完全分离,达不到最佳净化效果;转速过高,所产生的 离心力过大,不仅会将本来的纯净油也移动到有效半 径的碟片之外,达不到最佳净化效率,同时设备运行 的稳定性也大大下降,故障率升高。 因此必须将离心 桶转速、油液的流量和碟片半径合理匹配,才能达到 5 ~ 15 μm 的颗粒数 2 260 153 个/ hmL,洁净度已超 出 NAS12 级; 粒 径 15 ~ 25 um 颗 粒 数 74 740 个/ hmL,洁净度为 NAS11 级;粒径 25 ~ 50 μm 颗粒 数 3 307 个/ hmL,洁净度为NAS9 级。仅用了 3 d的 · 126· ꢀ ꢀ ꢀ 孙ꢀ 洁等:矿井提升设备润滑与液压系统油液净化方案ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 10 期 表 1ꢀ 净化前后润滑油中污染物颗粒数及对应的洁净度对比 提升系统各润滑站、液压站滤芯、油料等耗材的消耗 数量、电机、卷扬机各运转部件以及各液压缸、活塞等 部件的更换数据进行的统计对比,综合计算 1 a 仅此 项费用可减少成本近 40 万元。 Table 1ꢀ Particle numbers and the corresponding cleanliness contrast of pollutants before and after purification in lubricating oil 污染物 颗粒数 / (个/ hmL) 洁净度 NAS1638 级别 5 ꢀ 结ꢀ 论 取样时间 取样地点 粒径 / μm (1)通过不同油品净化方案的分析、对比,以及 5 ~ 15 2 260 153 超出 NAS12 级 针对离心式油品净化机理的理论分析、计算和在河钢 集团矿业有限公司石人沟铁矿实际生产运行数据的 验证,充分地定性及定量证明了该基于离心机理的油 品净化方案的合理性、高效性和先进性。 2 013-10-24 石人沟铁矿 1 5 ~ 25 5 ~ 50 74 740 3 307 NAS11 级 NAS9 级 NAS12 级 NAS10 级 NAS9 级 NAS7 级 NAS7 级 NAS7 级 ( 净化前) 主井牵引润滑站 2 5 ~ 15 5 ~ 25 5 ~ 50 1 022 753 29 787 2 033 2 013-10-27 石人沟铁矿 1 ( 2)该方案的实施不仅可以为矿山企业生产保 ( 净化后 1) 主井牵引润滑站 2 驾护航,并带来较大的经济效益,任何行业的大型运 转设备、液压设备其油品的净化都势在必行,节能降 耗的同时也必定具有其深远的发展前景。 5 ~ 15 5 ~ 25 5 ~ 50 18 153 3 360 2 013-11-12 石人沟铁矿 1 ( 净化后 2) 主井牵引润滑站 2 700 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 时间,实际运行时间只有大约 20 h,净化后 1 的液压 油粒径 5 ~ 15 μm 颗粒数下降到 1 022 753 个/ hmL, 即最小的污染物颗粒洁净度提高了 1 个 NAS1638 级 别;达到 NAS12 级;粒径 15 ~ 25 μm 颗粒数 29 787 个/ hmL,洁净度达到 NAS10 级;而粒径 25 ~ 50 μm 颗粒数虽然下降到 2 033 个/ hmL, 洁净度仍 然 是 NAS9 级。 证明了该离心式净油机有着非常明显的 净化效果,如延长净化运行时间其效果会更明显。 鉴 于此,2013 年 10 月 28 日又开始针对该油站继续净 化了 15 d,近 100 h,11 月 12 日取样化验结果,净化 后 2 的液压油粒径 5 ~ 15 μm 的颗粒数下降到 18 153 个/ hmL,洁净度已达到 NAS7 级;粒径 15 ~ 25 μm 颗 粒数下降到 3 360 个/ hmL,洁净度也达到 NAS7 级; 粒径 25 ~ 50 μm 颗粒数 700 个/ hmL,洁净度同样为 NAS7 级。 充分定量地证明了该离心式净油机确实 具有非常明显的净化效果。 采用该方案进行油品污 染度的控制,既具有其他传统方案无法比拟的高效 性,又省掉了需要操作人员定期更换滤芯所带来的耗 材费用的发生以及人员管理的难度。 该方案的推广 必定为保障设备正常运行,延长设备使用寿命,为该 设备安全的高质高产奠定坚实的基础。 [ 1]ꢀ 赵ꢀ 强,王英军. 离心式净油机在轧机稀油润滑系统上的应用 J]. 中国设备工程,2011(5):52-53. 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