劉文學(xué)， 邸鵬龍

(河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 石家莊 050018)

引言

隨著工業(yè)水平的不斷提高，機(jī)械設(shè)備越來(lái)越精細(xì)化，所用到的潤(rùn)滑脂標(biāo)準(zhǔn)也逐漸提高[1]。要求潤(rùn)滑脂必須純凈、不含雜質(zhì)，所以需要采用潤(rùn)滑脂過(guò)濾裝置，通過(guò)過(guò)濾網(wǎng)將懸浮在潤(rùn)滑脂中雜質(zhì)過(guò)濾掉[2]。潤(rùn)滑脂是非牛頓流體，由于非牛頓流體黏性很大，液體對(duì)固體顆粒的攜帶力也比普通物料大得多，使得濾漿中的顆粒極易堵塞過(guò)濾介質(zhì)或進(jìn)入濾后液[3]，所以在潤(rùn)滑脂過(guò)濾過(guò)程中，潤(rùn)滑脂過(guò)濾裝置中的過(guò)濾網(wǎng)需要及時(shí)更換，以保證潤(rùn)滑脂的最佳過(guò)濾效果?，F(xiàn)有技術(shù)中，更換過(guò)濾網(wǎng)時(shí)，需要工作人員打開潤(rùn)滑脂過(guò)濾裝置，手工拆下過(guò)濾網(wǎng)并進(jìn)行更換。該種人工更換過(guò)濾網(wǎng)的方式極大的增加了工作人員的勞動(dòng)量，而且耗時(shí)較長(zhǎng)，導(dǎo)致潤(rùn)滑脂過(guò)濾裝置產(chǎn)生工作時(shí)間短、停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)的窘境，嚴(yán)重降低了潤(rùn)滑脂過(guò)濾的生產(chǎn)效率。

根據(jù)筒式壓濾機(jī)的工作原理設(shè)計(jì)了一套潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備,可以適應(yīng)不同黏度的潤(rùn)滑脂以及實(shí)現(xiàn)過(guò)濾器中過(guò)濾網(wǎng)的快速更換。該設(shè)備采用液壓系統(tǒng)，利用PLC控制，通過(guò)位置傳感器與采用時(shí)間控制策略來(lái)判斷過(guò)濾網(wǎng)是否需要更換；通過(guò)控制液壓缸等執(zhí)行元件來(lái)完成潤(rùn)滑脂的過(guò)濾和過(guò)濾網(wǎng)的快速更換，具有自動(dòng)化程度高、停機(jī)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，提高了潤(rùn)滑脂過(guò)濾的生產(chǎn)效率。

1 國(guó)內(nèi)外筒式壓濾機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

加壓過(guò)濾機(jī)與真空類過(guò)濾機(jī)相比加壓過(guò)濾機(jī)的過(guò)濾推動(dòng)力提高了數(shù)倍，由于潤(rùn)滑脂是具有高黏度的非牛頓流體，所以在潤(rùn)滑脂的過(guò)濾過(guò)程中，一般選用加壓過(guò)濾機(jī)過(guò)濾。筒式壓濾機(jī)又稱筒式過(guò)濾機(jī)、管式壓濾機(jī)、微孔過(guò)濾機(jī)等，是以濾芯作為過(guò)濾介質(zhì)、利用加壓作用使液固分離的一種過(guò)濾機(jī)。各種不同的濾芯配置在過(guò)濾管中，加上殼體組成各種濾芯型筒式壓濾機(jī)。例如某BLT系列不銹鋼過(guò)濾器內(nèi)部裝有繞線式濾芯組件，裝配上泵或者接有一定壓力的管路系統(tǒng)，可用于水、飲料等液體的過(guò)濾；某燒結(jié)金屬濾芯筒式壓濾器可在高壓下過(guò)濾高黏度的聚合物；美國(guó)GAF袋式過(guò)濾器具備高流通能力、高過(guò)濾效率、濾袋使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可用于石油化工、涂料和油漆、以及各種油脂的過(guò)濾[4]。

2 潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備結(jié)構(gòu)

潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備主要由潤(rùn)滑脂增壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑脂過(guò)濾系統(tǒng)組成。潤(rùn)滑脂增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)濾潤(rùn)滑脂的加壓，使其通過(guò)管道流入過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，主要由壓脂液壓缸、液壓增壓缸、壓脂圓盤等組成；潤(rùn)滑脂過(guò)濾系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑脂的過(guò)濾和過(guò)濾網(wǎng)的快速更換，主要由壓緊液壓缸、液壓缸支架、過(guò)濾器上端蓋、導(dǎo)軌、過(guò)濾組件、過(guò)濾器下缸體、工作臺(tái)面組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 工作原理

其工作原理為：料桶通過(guò)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)運(yùn)動(dòng)到指定位置，壓緊液壓缸工作，帶動(dòng)潤(rùn)滑脂過(guò)濾器上端蓋向下運(yùn)動(dòng)，閉合過(guò)程中上端蓋先與過(guò)濾網(wǎng)頂部接觸，隨后壓緊密封圈。到達(dá)壓力繼電器設(shè)定壓力后，注脂液壓缸工作進(jìn)行注脂，液壓增壓缸活塞桿向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)行潤(rùn)滑脂的吸取，到達(dá)極限位置以后，液壓增壓缸活塞桿向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行壓脂，使高黏度的潤(rùn)滑脂通過(guò)過(guò)濾器，從而實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑脂的過(guò)濾。在過(guò)濾過(guò)程中，壓力繼電器實(shí)時(shí)判斷壓力是否在設(shè)定值，當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)注脂液壓缸和液壓增壓缸停止工作，壓緊液壓缸重新進(jìn)行加壓，保證潤(rùn)滑脂過(guò)濾器的密封性；當(dāng)潤(rùn)滑脂過(guò)濾時(shí)間超過(guò)設(shè)定的總時(shí)間或者單次過(guò)濾超過(guò)設(shè)定時(shí)間需要換網(wǎng)，則潤(rùn)滑脂過(guò)濾機(jī)構(gòu)中的壓緊液壓缸抬起，過(guò)濾器打開，進(jìn)行換網(wǎng)。

圖1 潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.3 性能指標(biāo)

潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備的主要性能指標(biāo)為工作壓力15～30 MPa，入料粒度0～0.5 mm，過(guò)濾精度500～2000，濾液固含量小于10 g/L；過(guò)濾速度0.01～0.02 L/s。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了使?jié)櫥５耐瓿蛇^(guò)濾，解決更換過(guò)濾網(wǎng)繁瑣和高壓過(guò)濾過(guò)程中過(guò)濾器密封問(wèn)題，根據(jù)潤(rùn)滑脂特性和設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑脂的過(guò)濾和過(guò)濾網(wǎng)的快速更換，保證了過(guò)濾過(guò)程中過(guò)濾器的密封性。系統(tǒng)主要由三部分組成：潤(rùn)滑脂注脂回路、過(guò)濾器液壓回路、高壓過(guò)濾回路,如圖2所示。

3.1 潤(rùn)滑脂注脂回路

工作原理：電磁換向閥1工作油口分別接入兩組并聯(lián)的調(diào)速閥和單向閥，電磁換向閥1在左位時(shí)，液壓油分兩路進(jìn)入注脂液壓缸7和注脂液壓缸8，注脂液壓缸帶動(dòng)壓脂組件向下運(yùn)動(dòng)，回油經(jīng)調(diào)速閥9和調(diào)速閥10流回油箱；電磁換向閥1在右位時(shí)，液壓油經(jīng)單向閥11和單向閥12進(jìn)入注脂液壓缸，使其快速回位。

技術(shù)特點(diǎn)：潤(rùn)滑脂注脂系統(tǒng)為同步動(dòng)作回路[5]，采用流量閥控制，其中2個(gè)調(diào)速閥用來(lái)調(diào)節(jié)流量使2個(gè)液壓缸同步運(yùn)動(dòng)；單向閥的作用是為了使液壓缸活塞快速退回。該回路保證了注脂液壓缸的同步動(dòng)作，平穩(wěn)的進(jìn)行注脂。

1～3.三位四通電磁換向閥 4.液壓泵 5.先導(dǎo)式溢流閥6.二位二通電磁換向閥 7、8.注脂液壓缸 9、10.減速閥11、12、19.單向閥 13.壓力繼電器 14.蓄能器 15.開關(guān)16.液控單向閥 17.壓緊液壓缸 18.液壓增壓缸 20.超高壓氣控球閥 21.減壓閥圖2 液壓原理圖

3.2 過(guò)濾器液壓回路

工作原理：電磁換向閥2切換到左位時(shí)，液壓油經(jīng)液控單向閥16進(jìn)入壓緊液壓缸17，壓緊液壓缸17壓緊過(guò)濾器，同時(shí)分出一路經(jīng)開關(guān)15到達(dá)蓄能器14和壓力繼電器13，實(shí)現(xiàn)蓄能和判斷系統(tǒng)壓力。電磁換向閥2切換到右位時(shí)，壓緊液壓缸回位，過(guò)濾器打開，進(jìn)行換網(wǎng)。

技術(shù)特點(diǎn)：液控單向閥設(shè)計(jì)安裝于液壓缸下行回路，以便及時(shí)閉鎖油路實(shí)現(xiàn)保壓。蓄能器[6]在換向閥回到中位時(shí)，補(bǔ)償系統(tǒng)泄漏，保持系統(tǒng)壓力，從而保證過(guò)濾器一直處于壓緊狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)過(guò)濾器的密封。壓力繼電器作為壓力開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力值時(shí)，微動(dòng)開關(guān)導(dǎo)通，控制潤(rùn)滑脂注脂回路和高壓過(guò)濾回路工作，過(guò)濾設(shè)備工作；當(dāng)壓力開關(guān)小于設(shè)定壓力值時(shí)，微動(dòng)開關(guān)關(guān)閉，使?jié)櫥⒅到y(tǒng)和高壓過(guò)濾系統(tǒng)停止工作，壓緊液壓缸重新對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行壓緊，保證其密封性。

3.3 高壓過(guò)濾系統(tǒng)

工作原理：電磁換向閥3切換到右位時(shí)，液壓油經(jīng)減壓閥21和電磁換向閥3進(jìn)入液壓增壓缸18，超高壓氣孔球閥20打開，液壓增壓缸18進(jìn)行吸脂；當(dāng)電磁換向閥3切換到左位時(shí)，超高壓氣控球閥20關(guān)閉，液壓增壓缸18進(jìn)行壓脂，經(jīng)單向閥19通過(guò)過(guò)濾器實(shí)現(xiàn)過(guò)濾。

技術(shù)特點(diǎn)：減壓閥主要用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，增加了過(guò)濾系統(tǒng)壓力的可調(diào)范圍，使其適用于不同種類的潤(rùn)滑脂。由于潤(rùn)滑脂具有很高的黏度，所以需要液壓增壓缸對(duì)潤(rùn)滑脂進(jìn)行加壓以此作為推動(dòng)力，把潤(rùn)滑脂導(dǎo)入過(guò)濾器，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑脂的過(guò)濾，并且液壓增壓缸的選擇可以增加潤(rùn)滑脂流量，提高生產(chǎn)效率。

4 控制方案設(shè)計(jì)

4.1 PLC的選型與I/O口分配

根據(jù)潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾裝置的工作原理，過(guò)濾過(guò)程中的3個(gè)執(zhí)行元件的各個(gè)動(dòng)作屬于典型的順序控制問(wèn)題[7]，為確保各執(zhí)行元件動(dòng)作準(zhǔn)確、安全可靠、自動(dòng)運(yùn)行，采用PLC作為控制元件。通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備控制系統(tǒng)的分析，其共包括輸入口7個(gè)，輸出口8個(gè)。I/O口分配表如表1所示。根據(jù)控制系統(tǒng)需要的I/O口位數(shù)及技術(shù)要求，選取了型號(hào)為DVP24ES200T的臺(tái)達(dá)PLC。其外部硬件接線圖如圖3所示。

表1 潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備PLC I/O口分配表

圖3 硬件接線圖

4.2 控制系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

為方便操作，利用觸摸屏設(shè)計(jì)了用戶界面[8]，用戶按下開始按鈕，PLC按照既定的動(dòng)作順序控制執(zhí)行元件動(dòng)作，自動(dòng)完成過(guò)濾器模具壓緊、潤(rùn)滑脂過(guò)濾、更換過(guò)濾網(wǎng)時(shí)模具的自動(dòng)開啟，其控制功能流程如圖4所示。當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障或誤操作時(shí)，裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警，提示用戶按下急停按鈕，提高了裝置運(yùn)行的安全性[9]。

圖4 潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾裝置控制系統(tǒng)流程圖

5 潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備理論計(jì)算

潤(rùn)滑脂是具有高黏度性質(zhì)的非牛頓流體，對(duì)于非牛頓流體的精細(xì)過(guò)濾,需要將膜技術(shù)應(yīng)用于非牛頓流體的分離, 以毛細(xì)管模型為基礎(chǔ)推出其濾液基礎(chǔ)方程為：

(1)

式中,N—— 流變指數(shù)

ω—— 從濾餅底面至任意位置上單位面積的固體體積，m3/m2

p1—— 濾餅內(nèi)部壓力，Pa

ps—— 部分濾餅壓縮壓力，Pa

ρs—— 濾餅固體的真密度，kg/m3

K—— 濾液的黏度系數(shù)，(Pa·s)n

γ—— 乘方規(guī)律流體流動(dòng)時(shí)的部分過(guò)濾比阻，m2-n/kg

對(duì)式(1)沿整體濾餅進(jìn)行積分，便得到乘方規(guī)律流體濾漿的過(guò)濾速度方程式：

(2)

(3)

式中，α—— 平均過(guò)濾比阻，m2-n/kg

ρ—— 濾液密度，kg/m3

m—— 濕干濾餅質(zhì)量比

S—— 料漿濃度

Vm—— 當(dāng)量濾液量，m3

恒壓條件下，式(3)可以寫成如下形式：

(4)

式中,tm—— 得到當(dāng)量濾液的時(shí)間，s

Ka—— 恒壓條件下非牛頓流體的過(guò)濾系數(shù)，有如下的定義：

(5)

可以看出非牛頓流體的過(guò)濾速率方程與牛頓流體的過(guò)濾速率方程具有相同的形式。

由以上非牛頓流體的過(guò)濾速率方程計(jì)算得出本潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備的過(guò)濾速度為0.0167 L/s，經(jīng)過(guò)分析，設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

6 結(jié)論

根據(jù)潤(rùn)滑脂自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)合理選擇液壓元件，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)液壓回路和控制系統(tǒng)，解決了潤(rùn)滑脂過(guò)濾過(guò)程中過(guò)濾網(wǎng)更換繁瑣的難題，減少了停機(jī)換網(wǎng)的時(shí)間，保證了過(guò)濾過(guò)程中過(guò)濾器密封性的問(wèn)題，增大了潤(rùn)滑脂流量，提高了生產(chǎn)效率。并且采用PLC控制單元，確保了設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定可靠。利用非牛頓流體過(guò)濾理論對(duì)設(shè)備技術(shù)性能進(jìn)行了計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足技術(shù)指標(biāo)要求。