孫潔1，李廣林1，張國海2，趙國民2，劉水春3，張瑞新4
（1.華北理工大學電氣工程學院，河北 唐山063009 2.承德建龍特殊鋼有限公司煉鐵廠,河北 承德067000 3.承德建龍特殊鋼 有限公司供應處,河北 承德067000 4.唐山睿澤爾科技有限公司，河北 唐山063000）
摘要：分析了稀油站潤滑系統以及液壓系統油液污染對機械設備的危害性，通過將傳統的過濾式污染物控制方案與基于離心機理的油品凈化方案進行對比、分析，并且采用實際生產應用效果進行驗證,提出采用離心式凈油機實現稀油站潤滑系統以及各液壓系統油品凈化的研究方案，分析了該方案應用的合理性、高效性和先進性，為企業節能降耗、保駕護航的同時也必定具有其深遠的發展前景。
關鍵詞：潤滑系統；液壓系統；離心式；凈化
0引言
無論是稀油站潤滑系統的潤滑油、汽輪機油還是各液壓系統中的液壓油，如果油液中混入水分和機械雜質后對機械設備的正常工作會造成嚴重的危害。據有關資料介紹，潤滑油、液壓油的污染所引起的潤滑、液壓系統的故障約占稀油潤滑、液壓系統全部故障的65%以上，因此去除油液中的污染物（固體顆粒、水份、氣體等）是各企業必須完成的任務，也是當今潤滑、液壓系統控制行業亟待解決的重要課題。
1傳統的油液凈化手段
對油品污染控制，傳統的手段主要是依靠壓板式濾油機、濾網式濾油機、真空加濾網式濾油機、聚結式濾油機等以過濾的方式進行油液的凈化，這些種類濾油機受其凈化原理的制約，其效率比較低、性能不穩定、運行成本較高且凈化的效果很大程度上取決于維護工人的責任心[1]。各種傳統濾油設備其工作原理和優劣分析如下：
1.1壓板式濾油方式：利用多層濾紙層層過濾，濾油精度在定期更換濾紙的情況下可以較高，但也只能去除油液中固體顆粒，而對“水份、空氣”卻不能濾除。在使用過程中需要操作人員嚴格執行操作規程，定期更換濾紙確保過濾效果，使用不便，運行成本較高。
1.2濾網式濾油方式：和使用濾紙的壓板式濾油方式一樣，只是將濾紙改為高精度濾芯，可對油液中較小的固體顆粒濾除，但對“水份、空氣”仍不能濾除。濾芯工作壽命視濾網納污量大小而定，當濾芯納污量飽和時，濾芯不但不能起到凈化作用，反而會導致油壓升高，給系統帶來危害。為滿足精度要求且不導致油壓升高，同樣需要操作人員嚴格執行操作規程，必須在濾芯達到飽和之前更換濾芯，這就使運行費用高速增長，造成運行成本過高、性能不穩定、濾材消耗大。
1.3真空加濾網式濾油方式：是先將油液加熱，在真空加速作用下使部分游離水、溶解水蒸發，而后經過降溫及冷凝，去除水份和空氣，再經過濾網去除固體顆粒。采用油液快速
加熱并輔以高真空負壓（-0.08MPa以上）進行除水，雖然能除去油液表面水份，但除水效率較低，需長時間運行才可達到油液的除水要求，如果要達到油液對固體顆粒污染度要求，同樣需要操作人員嚴格執行操作規程，在濾芯達到飽和度前進行更換，不僅運行費用高速增長，造成運行成本過高、性能不穩定、濾材消耗大、現場維護人員工作繁重，而且油液的瞬間加熱時間過長也會導致油液劣化，降低油液的使用壽命。
1.4聚結式濾油方式：是利用不同功能的濾芯：預過濾濾芯-聚結濾芯-分離濾芯組成三重過濾的設備，對固體顆粒與游離水能起到一定的濾除，但不能除去空氣和溶解水。使用該設備必須掌握三重濾芯的納污量及過濾比β（β隨使用時間在下降）。需經常對出油口油液進行檢測，才能得以保證該設備正常的濾油精度。由于聚結式濾油機本身特點，導致效率低、性能不穩定，所以增加濾芯更換造成運行成本過高、性能不穩定、濾材消耗大是不可避免的[2]。
從以上幾種傳統的以過濾和真空瞬間加熱為主要工作方式的凈油方式的對比分析來看，雖然都能實現油品的較高精度的凈化和部分水分的分離，但是普遍存在著凈化效率比較低，凈化效果取決于濾芯的精度和維護人員更換的頻度，耗材量大，運行成本高，而且真空瞬間加熱時間過長還可以導致油品的劣化，造成油液更換周期的縮短，增加油液的浪費。
2基于離心機理的凈油方式
2.1工作原理分析
將儲油箱中的油液引入到一個高速旋轉所形成的離心場中，由于油液中油和各種非金屬固體污染物，金屬粒子、水等污染物的比重不同，因而它們所承受的離心力也不一樣，所以只要污染物的比重大于被凈化油液的比重時，即可以將它們從被凈化的油液中分離出來，使被污染的油液得以凈化。其結構組成原理如圖1所示。首先，被凈化的油液從儲油箱中經吸油管在增壓泵M2的作用下抽入到輔助油箱，在此由真空泵M1實現油液中氣體的排出，液位控制器實現輔助油箱中液位的控制；其次脫除掉空氣的油液經增壓泵送至在電動機M3的驅動下高速旋轉（8000轉/分鐘）的離心桶組件所產生的離心場隨離心桶組件高速旋轉，從而將比重大于油液的污染物（各種非金屬固體污染物，金屬粒子、水等）進行純物理方式的分離，分離出來各種污染物沿離心桶壁流入納污盒，運行過程中定期清洗即可，而凈化后的油液通過回油管返回到液壓系統的油箱，經過多次循環，從而實現油液高精度的凈化。
2.2影響油液凈化效果的因素
油液被輸送到離心桶組件的離心場后，雖然油液中各組分各自比重不同而承受不同的離心力，從而實現油液中的各種非金屬固體污染物，金屬粒子、水等的有效分離，但是由于各組分質點沉降速度（沿徑向的移動速度）與油液本身以及離心力場的各項參數有以下關系：
其中: v雜質粒子沉降的速度
雜質粒子的沉降半徑
Δ雜質粒子與油液密度差
ω雜質粒子旋轉的角速度
r雜質粒子距旋轉軸中心的距離
µ 油液的動力粘度
由公式可知：影響分離效率的主要因素就是雜質粒子沉降的速度，而沉降速度又受到雜質粒子的沉降半徑、與油液密度差、旋轉的角速度、距旋轉軸中心的距離以及液體的動力粘度等因素的影響[3]。
①雜質粒子的沉降半徑
雜質粒子的沉降半徑實際上也就是離心筒的半徑，半徑越大，分離效果會越好，但伴隨而來的是對離心筒組件的動平衡要求越高，設備的制造維護成本越高。
②雜質粒子旋轉的角速度
雜質粒子旋轉的角速度實際上也就是離心筒的轉速，轉速越高，分離效率越高，同樣也會使設備的制造維護成本越高。
③雜質粒子與油液密度差
雜質粒子密度比油液密度越大，其分離效率越高。因此對于某種特定的油液如高壓抗燃油（油液的比重1.11-1.17g/m3）或某些混有纖維性雜質的油液，該種方式達不到預期的凈化效果。
④油液的動力粘度
粘度越大，分離效率越差，因此使用該種方式進行油品凈化時，對油液的動力粘度是有要求的，超出粘度要求時，要采取一定的措施。
3基于離心機理的油品凈化方案設計
根據離心機理，離心筒組件內帶有導流槽的碗狀碟片隨高速旋轉的離心筒轉動，使得含有雜質的油液在碟片表面形成離心力場，油、各種非金屬固體污染物、金屬粒子以及水等各組分由于各自比重的不同，在離心力場中所承受的離心力也不一樣，比重大的各種非金屬固體污染物、金屬粒子以及水等在較大的離心力的作用下，移動出碟片的邊緣，飛落到離心筒內壁，并順著內壁流入下方的納污盒中，而比重相對較小的潔凈油，因所受到的離心力也較小，則仍然滯留在碟片內，從中間的管道輸出返回到油箱，從而將油、各種非金屬固體污染物、金屬粒子以及水等各組分分開，完成油品的凈化。
為確保凈化效率達到最佳狀態，其主要因素就是離心桶組件的結構、轉速以及物理尺寸的合理匹配。轉速低，所產生的的離心力不足以將各組分完全分離，達不到最佳凈化效果；轉速過高，所產生的離心力過大，不僅會將本來的純凈油也移動到有效半徑的碟片之外，達不到最佳凈化效率，同時設備運行的穩定性也大大下降，故障率升高[4]。因此必須將離心桶轉速、油液的流量和碟片半徑合理匹配，才能達到最佳的分離效果以及最佳的設備穩定性和低維護率。經過理論計算和多次的實際試驗，最終確定離心桶轉速8000轉/分鐘，油液的流量50升/分鐘，碟片半徑138mm時其分離效率最高，設備運行穩定，故障率保持在最低水平。
4現場實際使用效果分析
利用此方案設計的離心式凈油機在承德建龍特殊鋼有限公司煉鐵廠爐前液壓站進行了試用并對近一年的設備運行狀況以及油液凈化后所產生的效果進行了跟蹤和效益總結。
2013年8月31日至9月5日，實際約30小時的試運行中，將該離心式凈油機凈化前后的油樣分別進行了定性和定量比對，如圖2所示。
圖2中是凈化前后油樣的定性對比及從油液中分離出的污染物情況，很明顯的可以看出油液在排出大量的污染物后其清澈度有了很大的變化。該兩樣品經河北省化工產品質量監督檢驗站（唐山）進行檢驗發現，凈化前后液壓油中污染物每百升的顆粒度數及對應的潔凈度NAS級別見表1：
從表1所給出的數據得知，僅用了5天的時間，實際運行了也只有大約30個小時的時間。（2013年8月31日取樣）5-15um的顆粒個數每100ml中150947個，潔凈度為NAS10級，15-25um 顆粒個數每100ml中1560個，潔凈度為NAS6級,25-50um顆粒個數每100ml中80個，潔凈度為NAS4級；凈化后的液壓油（2013年9月5日取樣）5-15um顆粒個數每100ml中下降到105460個，即最小的污染物顆粒潔凈度提高了一個NAS級別，達到NAS 9級， 15-25um 顆粒個數每100ml中253個，潔凈度提高4個級別為NAS2級，而25-50um顆粒個數每100ml中7個，潔凈度提高6個級別達NAS00級，充分證明了該離心式凈油機有著非常明顯的凈化效果，如延長凈化運行時間其效果會更明顯。
2014年7月1日，也就是該離心式凈油機10個月后，承德建龍特殊鋼有限公司煉鐵廠和供應處根據公司ERP系統統計的數據，對該液壓油站濾芯等耗材的數量、恒壓變量泵、爐前開口機的液壓鑿巖機更換的數量等進行了統計對比發現，以前使用以過濾方式進行濾油時所需的每年大約一萬元左右濾芯的消耗省掉了；恒壓變量泵更換的數量僅為原來的四分之一，爐前開口機的液壓鑿巖機更換的數量為原來的七分之三，綜合計算一年僅此項費用可減少近40萬元。
2013年10月13日至20日，該離心式凈油機在天津榮程鋼鐵公司煉鋼廠連鑄液壓站46#液壓油進行了凈化試驗，凈化前后的除水效果見圖3
凈化前后的油樣以及從納污盒放出的水樣如圖3所示，左側油樣為凈化前的取樣，已嚴重乳化；中間油樣為使用該設備凈化兩個半小時后所取的油樣，油中的水已分離出一大部分，狀態發生了很大改觀；右側是凈化兩個半小時后從納污盒排放出的水。圖4最右側為未凈化的油樣，中間為凈化3天后的油樣，最左側為6天后的油樣，從整個試驗過程中水污染物的排出，油樣的逐漸清澈也充分驗證了該設備的油水分離作用高效性。
結論：通過不同油品凈化方式的分析、對比，以及針對離心式油品凈化機理的理論分析、計算和實際生產運行數據的驗證，充分證明了離心式油品凈化方案的合理性、高效性和先進性，該方案的實施可以為各企業帶來較大的經濟效益，節能降耗的同時也必定具有其深遠的發展前景。
參考文獻
[1] 逮建英.實驗室離心機結構原理與維修[M],北京:科學普及出版社,2010.
[2] 劉永強、張棟.潤滑技術的新進展和發展趨勢、潤滑與密封.2003(4).
[3] 邵一興.工程建設機械液壓與液力系統維護與故障分析,工程建設機械.2O04(11).
[4] 傅鐘慶.油凈化系統的設計計算.熱力發電,2003(9).