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油气润滑技术在高速纸机干燥部上的应用研究 摘要 纸张需求量的快速增长，有力地推动了造纸机向着大型化、自动化、 高速化的方向发展，然而高速纸机的润滑已成为限制其发展的一个重要方 面，其主要体现在润滑系统复杂、油箱体积庞大、润滑油量大、需求的润 滑油品质高、污染环境、安全隐患高等方面。现今的冶金、石油、重型机 械等诸多领域，已经摒弃了传统的稀油润滑方式，多采用具有高效、环保、 油膜承载能力大、能够自动化管理、提到产品的质量、安全环保的油气润 滑技术，并且该技术在应用中取得了非常好的社会效益和经济效益。目前， 油气润滑技术还没有在造纸行业加以应用，因此加强油气润滑技术应用到 造纸干燥部的研究，以此解决现有高速纸机在传统稀油润滑系统下所面临 的问题意义重大。 本文围绕油气润滑技术的技术可行性、经济价值和应用范围等问题， 以高速纸机干燥部的轴承润滑为研究对象展开应用技术研究。主要研究工 作可总结如下： 1 ) 从轴承润滑理论出发，对高速纸机干燥部轴承进行分析研究，建立 了温度场数学模型，并确定了数学模型的理论求解方法以及求解过程。 2 ) 依据油气润滑与传统稀油润滑机理对轴承内部的热量流向进行了对 比研究，得出油气两相流润滑与稀油单相流润滑的本质区别。 3 ) 采用商业软件f l u e n t 进行油气两相流数值模拟分析，建立二维模拟 模型，分析影响油气的可模拟参数；建立合理的三维目标参数评定标准， 探讨了影响润滑效果的相关参数，定性分析相关参数对两相流成型的影响， 并验证三维目标评定标准的正确性。 4 ) 通过对高速纸机干燥部常用轴承c a r b 进行简化，采用流体分析软 件进行研究，研究在稀油润滑和油气润滑下轴承内部温度场的区别，初步 确定油气润滑相对于稀油润滑存在的优势，并初步确定参数的优化方向。 5 ) 依据纸机干燥部的实际工况参数，对高速纸机干燥部配备一套油气 润滑系统，给定整个系统的工艺流程，以及系统关键部分的结构设计图， 其主要包括：主站的结构设计、卫星站的结构设计、油气进出润滑点的设 计、油气分离装置的设计。同时对此系统的控制监测与检测给出了工艺流 程图，以及简单的控制方案。 6 ) 根据纸机的实际工况，对纸机干燥部进行油气润滑系统的配置，并 与稀油润滑系统进行经济对比分析，论证油气润滑技术在高速纸机上应用 的经济优势。 关键词：高速纸机，油气润滑技术，数值模拟，参数优化 r e s e a r c ho n t h ea p p l i c a t i o no fo i l a i r l u b r i c a t i o nt e c h n i q u et ot h e h ig h s p e e dp a p e rm a c h i n e a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ep a p e rd e m a n di n c r e a s i n g ，i tg r e a t l yp r o m o t e st h ep r o g r e s so f p a p e r m a k i n gt e c h n o l o g y , a n dp a p e r - m a k i n gm a c h i n ed e v e l o p st ol a r g e - s c a l e ， a u t o m a t e da n dh i g h - s p e e d ，b u tt h ea b i l i t yt os o l v eh i g h - s p e e dp a p e rm a c h i n e l u b r i c a t i o np r o b l e m sh a sg r a d u a l l yb e c o m eak e yt ol i m i ti t sd e v e l o p m e n t ，w h i c h w a sr e f l e c t e do nt h a tt h el u b r i c a t i o ns y s t e mw a sc o m p l e x ，a n da m o u n to f o i l ，a n d t h eo i lb a n kw a sl a r g e ，a n dh i g hq u a l i t yo fl u b eo i l ，e v e np o l l u t ee n v i r o n m e n ta n d h i g e rs e c u r i t yr i s k n o w a d a y si nt h ef i e l d so fm e t a l l u r g y , p e t r o l e u mc h e m i c a l i n d u s t r y , h e a v ye q u i p m e n ta n do t h e r sh a v ea b a n d o n e dt h et r a d i t i o n a lm e t h o do f o i ll u b r i c a t i o n ，a n dt h eo i l - a i rl u b r i c a t i o nt e c h n o l o g yi su s e db e c a u s eo fi t sh i 曲 e f f i c i e n c y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n do i lf i l mb e a r i n gc a p a c i t y , a u t o m a t e d m a n a g e m e n t ，a n di m p r o v e m e n to fp r o d u c tq u a l i t y , s a f e t ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n t h er e s u l t sp r o v e d i to b t a i n sv e r yg o o dr e s u l t si nt h ea c t u a l a p p l i c a t i o n a tp r e s e n t ，o i l - a i rl u b r i c a t i o nt e c h n i q u eh a sn o tb e e na p p l i e do nt h e p a p e ri n d u s t r y , t h u si ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oe n h a n c et h es t u d yo fo i l a i r l u b r i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dp r o m o t ei t sa p p l i c a t i o ni np a p e r - m a k i n gi n d u s t r y t h i sp a p e rr e v o l v e st h eo i l - a i rl u b r i c a t i o nt e c h n i q u ef e a s i b i l i t y , e c o n o m i c v a l u ea n dr a n g eo fa p p l i c a t i o n sf o rt h eb e a r i n go fh i 曲s p e e dp a p e rm a c h i n e d r y i n gs e c t i o na st h es t u d y , a n de x p a n d st h ea p p l i c a t i o no ft e c h n i q u e t h em a i n r e s e a r c hw o r kc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) b yt h el u b r i c a t i o nt h e o r y , t h eb e a r i n go fh i g hs p e e dp a p e rm a c h i n e d r y i n gs e c t i o nw a sa n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，t h ee s t a b l i s h m e n to fam a t h e m a t i c a l m o d e la b o u tt e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dt h et h e o r e t i c a ls o l u t i o no ft h em a t h e m a t i c a l m o d e la n d p r o c e s sw a si d e n t i f i e d 2 ) a c c o r d i n gt ot h eb r i e fa n a l y s i so f t h el u b r i c a t i o nm e c h a n i s mo fo i la n d g a st w o - p h a s ef l o w , b e a r i n gi n t e r n a lh e a tf l o w sh a db e e nc o m p a r a t i v es t u d i e d b a s i n go nt h em e c h a n i s mo ft h eo i ll u b r i c a t i o na n do i l a i rl u b r i c a t i o n a n dt h e e s s e n t i a ld i f f e r e n c ew a so b t a i n e db e t w e e nt h es i n g l e p h a s ef l o wl u b r i c a t i o no fo i l a n dg a st w o - p h a s ef l o wl u b r i c a t i o nw i t ht h eo i ll u b r i c a t i o n i f l 3 ) f l u e n t a saf i n i t ee l e m e n tf l u i d a n a l y s i s s o t t w a r ew a su s i n gf o r n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fo i l - a i rt w o - p h a s ef l o wa n a l y s i s t h et w o d i m e n s i o n a l s i m u l a t i o nm o d e lw a ss e t t e da n da n a l y s i st h e i m p a c t o fo i l - a i rl u b u c a t i o n p a r a m e t e r s w i t ht h eb e s tr e s u l t so fl u b r i c a t i o n ，t h ep a r a m e t e r so fr e a s o n a b l e e v a l u a t i o ns t a n d a r d sw a se s t a b l i s h i n g ，a n dt h eo b j e c t i o nw e r ee x p l o r e dt h e r e l a t i o n s h i p so fp a r a m e t e r s ，a n a l y s i st w o - p h a s ef l o ws i m u l a t i o no ff l u i df o r m s a n d j u d g e ds t a n d a r do fc o r r e c t n e s s 4 ) b ys i m p l i f i e do nt h es a m et y p eo fc r a bb e a r i n ga n du s i n gf l u i da n a l y s i s s o w a r e ，d i f f e r e n c e su n d e rt h eb e a r i n gi n t e m a lt e m p e r a t u r ef i e l dh a v eb e e n r e s e a r c h e db e t w e e nt h eo i ll u b r i c a t i o na n do i l - a i rl u b r i c a t i o n ，t om a k es u r eo f i n i t i a l l yi d e n t i f i e da d v a n t a g e si nt h eo i l - a i rl u b r i c a t i o nc o m p a r e dw i t ht h eo i la n d t h ei n i t i a lp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z a t i o n 5 ) b a s e do nt h ea c t u a lw o r k i n gp a r a m e t e r so ft h ep a p e rm a c h i n ed r y i n g s e c t i o n ，t h eh i g h s p e e dp a p e rm a c h i n ed r y i n gs e c t i o ni se q u i p p e dw i t ha l lo i l a i r l u b r i c a t i o ns y s t e m ，a n dt h ee n t i r es y s t e mp r o c e s si s d e s i g n e d , a sw e l la st h e s t r u c t u r a ld e s i g no ft h es y s t e mk e yp a r t si n c l u d i n gt h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h e m a i ns t a t i o n ，a n dt h es t r u c t u r a lo ft h es a t e l l i t es t a t i o n ，a n dt h es w a c t u r a lo fo i l a n da i ro u to ft h el u b r i c a t i o np o i n t s ，o i la n da i rs e p a r a t i o ne q u i p m e n td e s i g n a t t h es a m et i m et h i ss y s t e mp r o c e s sf l o wd i a g r a m sa n ds i m p l ec o n t r o lm o d eo f c o n t r o lm o n i t o r i n ga n d t e s t i n ga r ep r o p o s e d 6 ) a c c o r d i n g t ot h ea c t u a lc o n d i t i o no ft h ep a p e r m a c h i n e ，p a p e rm a c h i n e d r y i n gs e c t i o nw a sl u b r i c a t i o nb yo i l a i r l u b r i c a t i o ns y s t e ma n dw h i c hw a s c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fe c o n o m i ct oo i ll u b r i c a t i o n ，v e r i f yt h a tt h ee c o n o m i c v i a b i l i t yo f o i l a hl u b f i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：h i g hs p e e d p a p e rm a c h i n e ，o i l a i rl u b r i c a t i o n t e c h n i q u e ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 油气润滑技术在高速纸机干燥部上的应用研究 1 绪论 1 1 课题的背景及来源 纸张作为当今生产和生活的一个不可或缺产品，随着生活水平的提高其用量也迅猛 增长，推动了造纸业的发展，同时也对造纸机提出了连续化、高速度生产的要求。通常 将造纸机根据纸机的车速不同分为高速纸机、中速纸机和低速纸机三个级别，但是这个 级别是相对的，还受到生产纸种不同而略有区别，如文化用纸，8 0 0 m r a i n 以上的称为高 速纸机( 车速大于1 8 0 0 m m i n 的为超高速文化纸机，1 2 0 0 r e r a i n - 1 8 0 0 r o d m i n 为高速文化 纸机8 0 0 m m i n - 1 2 0 0 m m i n 的为准高速文化纸机) ，4 0 0 m m i n 一8 0 0 m m i n 的为中速纸机， 而低于4 0 0 m m i n 的为低速纸机。目前，车速大于1 8 0 0 r e r a i n 高速纸机已经开始广泛的 应用，例如l a n gp a i e r 的5 号纸机，其车速为1 8 0 0 r e m i r a 欧洲h a i n d l 纸厂的s c h o n g a u 9 号纸机的车速达到2 2 0 0 m m i m 美国c e l l y n n e 公司酌卫生纸机车速也达到了2 0 0 0 r r g m i n ； 国内的各个纸张的生产厂采用的纸机虽然没有国外的纸机速度高但是也达到1 5 0 0 m m i n 左右。基于纸机速度的提升，纸机的润滑系统也随着变化。 在纸机的不同运作速度下，纸机的网部、压榨部、干部( 如图1 1 所示) 等采用不 同的润滑剂，例如，当车速度较小( 一般认为小于3 0 0 r e r a i n ) 的情况下采用脂润滑，在 车速在3 0 0 m m i n - 1 0 0 0 m m i n 时一般采用脂润滑与稀油润滑混合的润滑方式，而车速在 1 0 0 0 t r d m i n 以上时采用稀油润滑。纸机的润滑【啦】主要用于：控制摩擦，减小摩擦因数及 摩擦力；减少磨损，在润滑剂中加入适量的抗氧化和抗腐蚀添加剂等，可以抑制腐蚀磨 损，在润滑剂中加入油性、极压抗磨添加剂，则有效地减轻粘着磨损和表面疲劳磨损； 流体润滑剂还能对润滑点具有清洗作用；降温冷却，用液体润滑剂不仅可以实现液润滑， 减少摩擦热的产生，而且还可以将摩擦热及时地带走；防止腐蚀，摩擦副不可避免地要 与周围介质接触，引起腐蚀、锈蚀而破坏；密封作用，半固体润滑剂还具有密闭自封的 作用，它不仅可以减少润滑剂流失，而且还可以有效防止水分和杂质等的侵入润滑点； 润滑剂还具有减振作用，主要因为润滑剂具有附着在金属表面的能力，且由粘性剪切力 产生的阻力小，在润滑点对其表面受到冲击载荷时，能够达到吸振的能力。有效地润滑 方法和效果能提高摩擦副的耐摩性和机械设备的可靠性，延长关键零部件的使用寿命， 降低机械设备使用维修费用，减少机械设备故障，减少纸机停机时间，这些对纸机的运 行生产有着重大意义。 然而随着造纸机向大型、宽幅、高速、自动化方向发展，特别是纸机的车速达到高 速或以上时，其工况变得十分苛刻。以纸机的干部为例说明，润滑点的温度达到了 1 1 0 。1 3 2 甚至更高，一般润滑油无法满足。为了保证高速纸机的润滑效果，稀油润滑 陕西科技大学硕士学位论文 图1 - 1 纸机的网部、压榨部与干部 f i g l - 1w i r es e c t i o n , p r e s ss e c t i o na n dd r ys e c t i o no f p a p e rm a c h i n e 系统基本结构越来越复杂如图1 2 所示；润滑点的用油量大、设备占用空间十分具大， 危险性增加，如对于一台普通的高速纸机( 幅宽4 m 左右) 单对润滑点的耗油量在7 0 l m i n 上，这也就使在整个润滑系统中循环油量能够达到5 1 0 t ，油箱的体积一般为循环油量 的2 倍左右，如图1 3 所示；设备的安装及维护不便；污染周围介质( 水及乳化液) ，以及 造纸设备的工作环境特殊性，润滑油很容易受到污染和腐蚀，对润滑油的品质提出更高 的要求，如不能在选用液压油、齿轮油等，而是选用纸机专用循环油，车速低于1 0 0 0 m r a i n 选用2 2 0 m m 2 s 的无灰矿物质油，车速大于10 0 0 m r a i n 选用2 2 0 伽m 刁s 的无灰合成型润滑 油；要求较高的密封环境，减少杂质进入润滑点的同时还会防止润滑油的泄露；辅助以 及附加设备较多，动力能源消耗过大；投入成本与运行费用较高。由此可以看到，润滑 油润滑方式问题种种，在很大程度上已不在能满足当前快速发展的高速纸机的需求，亟 待需求新的润滑方法或者技术对现有纸机的润滑方式加以改进和提高，满足社会和企业 的实际需要。 图1 2 稀油润滑系统总站图1 3 传统纸机润滑油箱 f i g l - 2c e n t r a lo i ls y s t e m f i 9 1 - 3t r a d i t i o n a lo i lt a n k 为提高改进高速纸机干燥部的润滑，克服稀油润滑的不足，避免可利用资源的浪费 和对环境造成危害，节约资本，为高速纸机润滑提供一种新的途径下提出本课题。本课 题受陕西省重点实验室项目( 项目代号1 1 j s 0 1 7 ) 支持研究油气润滑技术应用于造纸干 燥部的应用，其目的在于为高速纸机干燥部提供一种低投入、高产出、节能好、效益高 2 油气润滑技术在高速纸机干燥部上的应用研究 的润滑方法以解决现有纸机润滑存在的弊端。 1 2 纸机润滑现状趋势 1 2 1 纸机轴承及其润滑机理 高速纸机的发展，也对纸机的轴承提出了较高的要求，纸机轴承的类型也随着纸机 速度的增加而增多，目前广泛应用的轴承按滚动体的不同分为球轴承和滚子轴承两大类， 球轴承又包含了深沟球轴承、角接触球轴承、调心球轴承等，滚子轴承又包含了圆锥滚 子轴承、调心滚子轴承和圆柱滚子轴承等。两大类轴承在纸机的干燥部均会应用起到支 撑、定位的作用，同时为了满足特定需要，几种类型的轴承进行组合应用。近年，s k f 公司开发出c a r b 圆环滚子轴承的单列轴承如图1 4 所示，其带有长而稍具弧面的对称 滚子，优化的滚道和滚子轮廓面的配合，使轴承负荷可以均匀的分布，降低了运行时的 摩擦。其独有的自动导位功能，无论内圈是否相对于外圈有否轴向位移和不对中的情况， 都能处于一个使负荷平均作用在整个滚子的位置上。c a r b 圆环滚子轴承的特点在于自 动调心、允许轴向位移、承载能力大、摩擦力小等。 图1 4c a r b 轴承 f i g l - 4b e a ro f c a r b 纸机的正常运行离不开对纸机轴承的润滑，现有的纸机润滑均采用脂润滑、油润滑 或者脂与油相结合的润滑方式，而高速纸机全部为油润滑，其原理在轴承内部形成动压 油膜，起到分开摩擦体，还起到支撑的作用。滑动轴承在运转过程中，轴和轴套间隙中润 滑油受到高速转动轴的摩擦力作用，而随同轴一起转动，在转动中将要进入轴承底部相接 触的摩擦区域时，由于轴与轴套间呈楔形间隙，油流通道变小，使油受到挤压，因而产生油 压。油压的产生使得轴受到一个向上的作用力。当轴承的转速足够高，产生的油压达一定 值时，就可以将轴抬起，在摩擦面间形成一层流动的油层。 1 2 2 高速纸机润滑现状 在现有的中低速纸机的润滑中，主要应用稀油润滑为主脂润滑为辅的润滑方式，而 目 陕西科技大学硕士学位论文 对于高速纸机的润滑中是将油脂润滑系统改进后采用稀油润滑，也就是说，随着纸机的 运行速度的提升，润滑方式全部采用稀油润滑，而目前稀油润滑在纸机上的应用弊端在 前一节做了详细说明，此处不再赘述。然随着设备生产方式的发展和系统体系的提升， 在造纸设备上应用的稀油润滑系统仍被作为研究对象，纸机的稀油润滑系统主要进行了 以下几个方面的改进： ( 1 ) 润滑主要设备结构的设计研究，在保证润滑效率的同时，减小油箱的体积， 以保证润滑的最佳效果【，1 。润滑油润滑的循环油量巨大，传统的油箱内润滑油的流动率 只有3 0 ，进行结构的合理设计能充分利用在设备内的润滑油，提高润滑油的使用效率。 如梁振奋【4 1 提出了润滑油润滑系统中油箱的变革，改进后的油箱不仅在体积上减小而且 还对润滑油中的水分进行分离。 ( 2 ) 增加润滑系统的附加设备【s 】，在纸机的工作环境中，润滑油易于受到水和水蒸 气的污染，因此在润滑系统的不同阶段增加适当的辅助设备减少和除却润滑油中的水分 或者防止水或者水蒸气以及气体进入润滑油造成润滑油的污染和腐蚀。 ( 3 ) 润滑系统的改进，润滑系统的提高多以细节部分进行改进，如增加多重过滤 网 0 3 ，改进关键管道材质，增加系统的控制能力等，其中典型对润滑油系统进行改进的 是芬兰的s a f e m a t i c 公司的润滑系统f l o wl i n es y s t e m s m 如图1 5 所示，对系统做 了全面的考虑，对系统整体进行了改观，包括基本设备的结构设计，应用了一些设备以 及监控装置如快速除水除气设备，数字化流量控制等。 图1 - 5f l o w l i n es y s t e m s f i 9 1 5f l o w l i n es y s t e m s ( 4 ) 润滑油油品的提升i s ，改进润滑油内的组成成分，添加特殊的添加剂如抗氧化 性，抗腐蚀性、反乳化性、高过滤性、稳定性等，用于保证润滑油的品质能够在多次循 环应用中不下降，提高润滑油的经济效益和价值 9 1 1 0 ，但多受国外企业的控制垄断，如 美孚( m o b m ) 、壳牌( s h e l l ) 、埃索( e s s o ) 、嘉德士( c a l t e x ) 等。 n 油气润滑技术在高速纸机干燥部上的应用研究 ( 5 ) 烘缸新型轴承形式的开发，在纸机车速提高之后，烘缸使用的轴承，已从通用 的滚珠轴承转用双列滚柱轴承来替代或者改进单列轴承，以增大高负荷的承受力】。如 单列径向滚子轴承如c a r b 轴承 1 2 1 。 总体而言，对应用于高速纸机的稀油润滑系统只是进行了一些设备的添加、设备的 更新以及润滑油的油品的提高，都是进行一些补漏工作，都无法克服润滑油润滑系统在 高速纸机上应用的诸多弊端。随着高速纸机的车速不断提高，在纸机的润滑方面已经接 近“瓶颈”，急需新的技术或者方法对现有的润滑技术加以改革或改进。 1 2 3 油气润滑技术发展 油气润滑技术从理论到实际应用经过1 5 0 多年发展【”】。十九世纪后期，就有人曾将 润滑油通过油泵将定量打入机车的蒸汽中，润滑油被蒸汽的流而进入汽缸，从而减少汽 缸和活塞间的摩擦，其可以称为油气润滑应用初始。2 0 世纪6 0 年代，人们利用压缩空 气作为载体以及动力将润滑剂输送到润滑点，可以算作油气润滑技术的理论基础。而油 气润滑技术真正意义上的在我国的应用，追溯到2 0 世纪8 0 年代，油气润滑系统率先应 用于冶金企业的轧机设备上【1 4 】。2 0 世纪末期，上海莱伯斯润滑技术有限公司( 德国r e b s 集中润滑技术有限公司在中国合资创建) 开始将油气润滑技术在各个领域推广使用【”】。 1 ) 油气润滑机理 油气润滑 1 6 1 1z ：, 是一种典型的“气液两相流体润滑技术”。它主要利用具有一定压力 ( 0 3 o 8 m p a ) 的压缩空气( 进行了预前处理) 和一定量的润滑剂( 通常为流体润滑油) 在一定长度的管道内进行混合，压缩空气能够带动润滑剂沿着管道内壁不间断的流动，把 油和气混合体输送到润滑点而实现润滑点的润滑，如图1 6 所示。压缩空气在管道内的快 速流动，带动润滑油沿管道内壁不断的流动，在气与润滑油混合过程中，润滑油不被雾化， 只是在油气混合器内，润滑油在流动的压缩空的作用下形成油膜并附着在管壁上。润滑油 膜的前进方向是沿着气流方向在管道壁内流动，并且在流动中油膜厚度逐渐变薄，最终在 润滑部位形成润滑薄 气透- 5 0 _ 舳m s 图l - 6 油气润滑基本原理图 f i g l - 6b a s i cp r i n c i p l eo f o i l - a i rl u b d c a t i o n 里 陕西科技大学硕士学位论文 2 ) 国外的研究水平 随着社会需求与发展，油气润滑技术在理论上已经趋于成熟，并且在技术上已经应 用于高速、重载、高温设备上，如轧钢、化工设备【1 8 1 9 】等。目前，国外对油气润滑的研 究主要表现在以下方面的研究：( i ) 油气润滑技术在高速轴承上应用的研究2 0 】，新加坡 的shy c o 、kr a m e s h 以及日本的zw z h o n g 在理论上计算了油气润滑下轴承的热量 的产生以及流向，并且以实验的角度对轴承的热量的产生以及热量的流向进行证明，讨 论油气润滑技术相对稀油润滑所存在的优势；( 2 ) 油气润滑系统的设计【2 1 1 冽删，其主 要是根据所润滑的对象不同进行相关设计的，如单线润滑系统，双线润滑系统等等；( 3 ) 油气润滑系统中相关参数的优化 2 s l ，油气润滑系统中相关的工艺参数很多，同时每个相 关参数都会影响到最终的润滑效果，因此很多研究人员对不同状况下的参数进行了优化 2 6 1 1 2 7 ，如润滑油量的供给量、油气混合后管道的流动的长度要求，供给气体的压力、优 化油的粘度等。台湾的c h e n g h s i e nw “2 叼、y u t a ik t m g 利用t a g u c h i 数学统计的计算 方法和实验的方法对上述的参数进行了部分的优化，并且对重要的影响参数进行了分 析，如供气气压，供油时间间隔等。 3 ) 国内的研究应用水平 随着油气润滑的现有优势的发展，国内各大高校对油气润滑技术也有了比较好的研 究结果，东北大学1 2 9 ) 的研究了油气润滑比传统单一稀油润滑承载能力增强的原因，以及 采用动画模式对润滑系统中的关键部件进行了工作原理进行了模拟，同时建立油气润滑 系统应用于平整机的轴承上；华东理工大学1 3 0 】【3 1 1 3 2 】的研究人员采用实验的方法，对油气 润滑技术在轴承上应用的相关参数进行了优化，取得了很好的研究结果；哈尔滨工业大 学1 3 3 ) p 4 1 ，广东工业大学脚】等高校也有很多研究人员对油气润滑进行了研究，其均采用了 数值模拟分析的方法，对油气两相流的相关参数进行数值模拟，分析对两相流的油膜成 膜的影响因素，从微观上分析了油气润滑的本质，但是不同的研究所研究的侧重点还是 有一点差异的。在油气润滑系统的研究和设计上均以在冶金、化工等设备上应用，其均 引进于国外技术的比较多，所以尽管我国国内的大中院校以及科研院所对油气润滑技术 有所研究且取得了很大的成果，但是在应用范围上还与国外存在很大的差距。 4 ) 油气润滑技术优点 油气润滑作为典型的气液两相流体润滑方式，其输送润滑剂的气压在2 一i o m p a ，其 中气体的速度3 0 - - 8 0 m s ( 润滑剂没有被雾化，气流速远远大于润滑剂流速) ，特殊情况 下可高达1 5 0 - 2 0 0 m s ，润滑油的速度2 - 5 c m s ( 润滑剂没有被雾化，气流速远远大于润 滑剂流速) ，无特殊条件下，润滑油不用进行加热，且几乎适应于任何粘度的润滑剂， 粘度大于6 8 0 e s t 4 0 0 c 或润滑剂中添加高比例固体颗粒也都能顺利输送，可适用于高速 度( 或极低速) 、重载荷、温度很高、轴承座受杂质、水及有化学危害性的流体侵蚀的 6 油气润滑技术在高速纸机干燥部上的应用研究 场合。润滑剂1 0 0 被利用，可实现定时定量给油，要多少给多少；可在极宽的范围内 对给油量进行调节。对管道的布置没有限制，油气可向下或克服重力向上输送，中间管 道有弯折或呈盘状及中间连接接头的应用均不会影响油气正常输送；油气管可长达 1 0 0 m 。0 0 3 , - - 0 0 8 m p a ；可防止外界脏物、水或有化学危害性的流体侵入轴承座并危害轴 承，系统检测上可对任何部件进行监测，回报率在5 0 以上，对环境没有任何的污染。 1 2 4 小结 目前高速纸机的干燥部的润滑存在很多问题，提出一种新的润滑方式或者方法是很 必要的，而油气润滑技术( 方法) 作为一种新型技术正可以改善造纸设备目前所面临的 问题。在对油气润滑技术的研究以及现有稀油润滑系统关键部件改进保证纸机的正常运 行，是本文研究的最终目的。 1 3 课题的研究的内容与方法 1 3 i 研究的内容 基于油气润滑技术理论趋于成熟和润滑环境的改变必然对润滑系统部件加以改进才 能在此领域加以应用的原则。本文对高速纸机常用轴承的温度场建立数学模型，分析轴 承内部产生热量的来源以散热的方向：采用f l u e n t 软件进行数值模拟，以最佳润滑效 果为目的，选择对供气量，供气压力，供油量、管道长度等主要参数进行分析；确定这 些参数对润滑效果的影响，最终优化系统参数；针对油气润滑技术在高速纸机干燥部上 应用得以实现，采用主站+ 卫星站的润滑系统结构，对系统中的主站、卫星站、油气进 出润滑点的结构、对特殊润滑点设计必要的润滑装置以及部件( 油气的回收装置) 进行 了详细的结构设计；同时；基于关键部件的研究和系统结构参数确定的前提下，设计润 滑系统的布局以及部件的排列，控制系统的设计，建立一套适合于纸机干燥部润滑的系 统。 1 3 2 研究的方法及路线 本研究课题的研究路线分为系统参数研究和系统关键部分的结构设计两个部分： 1 油气润滑系统的参数优化研究 1 ) 从润滑理论出发，建立高速纸机轴承腔内的温度场数学模型，给出求解方式。 2 ) 利用g a m b i t 建立二维模拟模型，应用f l u e n t 中的v o f 模型分析油气两相 流可影响因素，以及可模拟因素或者因素之间的关系。 3 ) 选用恰当的数值模拟方法，建立油气两相流的评价标准，并判定标准的正确性， 同时采用三维模拟建模，分析影响油气润滑参数的变化趋势。 4 ) 根据高速纸机轴承的实际情况，建立恰当的模拟模型，对影响润滑油的主要参数 进行一个定量的优化分析。 ( 2 ) 系统结构设计研究 7 陕西科技大学硕士学位论文 根据高速纸机干燥部的润滑点，采用主站+ 卫星站的排列布局方式，对于关键部 件的结构设计主要包含了：主站的结构设计、卫星站的结构设计。 采用的技术路线： 本文主要采用结构设计与系统参数相结合的技术路线，结构设计主要包括：油气润 滑系统的基本构成、关键部件的结构分析与研究、系统的布局方式、系统各部件的设计； 系统参数包括：两相流的模拟研究、建立纸机的数学模型、系统参数的研究、最佳参数 的选取。通过结构设计与参数的相结合最终建立起一套高速纸机干燥部的润滑系统。 1 3 3 本课题的主要意义 本课题是关于纸机润滑技术方面的应用研究与，将油气润滑技术应用于高速纸机干 燥部，将原有稀油润滑技术所支撑的设备构件基础上进行改进，与此同时采用数值模拟 分析的方法优化系统相关参数，设计适用于高速纸机干燥部的润滑系统，解决当前高速 纸机干燥部润滑所存在的问题，为高速纸机的润滑提供一条新的途径。 8 油气润滑技术在高速纸机干燥部上的应用研究 2 润滑的相关理论计算研究 新式高速纸机干燥部的润滑主要集中在纸机的轴承和齿轮上，其中以轴承的润滑为 主。高速纸机的轴承润滑均归属于以弹性润滑理论为基础的润滑，因此无论采用目前的 任何润滑方式都应建立在润滑油膜的理解基础上，本部分在理论上分析轴承润滑，对轴 承腔体内建立恰当的温度场数学模型，用以分析轴承内部的温度的分布情况。同时解析 油气润滑在高速纸机上应用的理论数学模型。 2 1 纸机轴承润滑计算 随着高速纸机的发展，对轴承的类型以及结构也有了很高的要求，由以前滚动轴承， 再到现在的c a r b 轴承【，e l 等，无论那种轴承，目前在高速纸机上应用比较多的还是滚子 轴承。因此进一步的加强滚子轴承( c a r b 为滚子轴承) 的润滑有很重要的意义。 1 ) r e y n o l d s 方程 在一定的载荷、速速条件下，轴承的滚动体和滑道之间是存在润滑油膜的，以二维流 体润滑进行分析，并采用粘度为t 1 的不可压缩等粘度牛顿流体润滑，则 f ：7 7 空 ( 2 1 )f = 7 7 l z - lj 。瑟 式中，锄昆是局部流体z 方向上的速度梯度，由于流体具有粘性、流体惯性力相对于 粘性剪切力较小，可认为流体只受到流体的压力和剪切力的作用。 根据静力平衡条件，在任何方向上，合力为零： 础一( p + 舟哪一( - ) = 。 协2 ， 在边界条件为z = 0 时，u = 0u = u 时，z = h 时，u = 0 ，代入上式可以得到： u _ 1 2 ra 砂p 七叫+ u ( t 一书 协3 ， 式中， b 油膜的厚度。 在稳态情况下，应用流体的连续定律可以将式子( 2 3 ) 进行变换计算得到二维的 r e y n o l d s 方程： 舡豺6 彬考 q 舢 2 ) 粘压关系 在滚动体运动过程中，润滑剂会受到来自滚子的压强作用，因而改变了润滑剂的粘 度，目前对于润滑剂的粘度与压强之间的关系主要有以下几个模型： 9 陕西科技大学硕士学位论文 ( 1 ) b a r u s t 3 7 】建立的粘压关系公式 丑p (25r=roe 5 ) ( 2 - ) 式中， n 阽压系数，恒温条件下为常数。 ( 2 ) r o e l a n d s 建立温度粘压关系方程 祟l g r 1 2 = ( 螋t + 1 3 5m “2 0 0 ) 亿6 ， o + ll 。 式中， p _ 一压力( m p a ) 。 瑚度( k ) ； 对于不同的润滑油，指数s 。和z 根据经验而定。 ( 3 ) b a i t 和k o t t k e 建立绝度粘度与压力和温度关系方程 例o e x p 文彘一剖 协7 ， 式中， ，7 。_ 2 0 时大气压力下的粘度： r o _ 2 0 时的相对体积； & 一由d o l i t t l e 表可以查得， l 一r = l + s ( r 一丁o ) ，8 是体积膨胀系数，趋近于负值。 体积随压力和温度的变化有以下公式决定： 瓦v - 1 + 口( h o ) 1 忐h 陀”叫) 仁8 ， 式中， 口热膨胀系数3 k o 假定为常数，体积模量与温度的关系： k o = k 。+ 譬 ( 2 9 ) 式中， t - 一力学温度。 对于式子2 5 、2 - 6 、2 7 均可用于计算润滑油膜的计算中，均比较精确。 3 ) 油膜厚度 3 t 1 0 9 1 所谓最小油膜厚度就是等效滚子接触表面出口处与相对接触平面之间的油膜厚度， 油气润滑技术在高速纸机干燥部上的应用研究 目前在油膜厚度计算上有以下几种方式： a ) d o w s o n 和h i g g i n s o n 提出的公式，以无量纲表示： 1 ” ) o 5 4 i o - 2 6 5 u ( 2 e 01 3 q z 西= 蒜 r 1 ，n ， - 上j 、 虿= 景 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 其中日o = h o r , ， i j 一卷席速度即u 1 - u 2 ； e 当量模量； 尺量半径； q 一作用在滚子或者球上的力，q 的下脚标为作用力的方向，如z 为坐标轴z 的 方向。 从公式中可以看出，油膜的厚度受到速度和润滑粘度的影响很大，而与轴承所承受 的载荷很小。 b ) a r c h a r d 和k i r k 提出两个球体接触的最小油膜厚度计算公式： 毒0 协 c ) h a m r o c k 和d o w s o n 提出椭圆点接触最小油膜厚度计算公式： h 。：塑掣掣 ( 2 蟛z 式中， k 椭圆率a b 。 通过式子2 1 0 、2 1 3 、2 1 4 可以计算不同类型轴承在工作中所需要的润滑油膜的厚 度。 2 2 轴承温度场模型 2 2 1 轴承的热量 轴承的工作温度与很多因素有关，其中主要因素有：轴承的载荷、轴承的转速、润 滑剂的类型及其流变特性、轴承的安装布置与轴承腔的设计、工作环境等。在稳定工作 状态下，滚动轴承的摩擦热量必须散发出去，因此，一个轴承系统与另外有着相同尺寸 和数量轴承的系统在稳态温度水平上比较的应该是系统散热率的一种度量。 i l 陕西科技大学硕士学位论文 如果系统散热速率小于发热速率，轴承会出现温度不稳定状态，系统的温度会不断 地上升直到润滑效果失去作用，最后轴承损坏。因此讨论滚动轴承的热稳定状态，是判 断采用不同润滑方式的一个重要的依据。目前对于比同类型的轴承，其热量的计算方法 因其工况的差别也有很大的差