雙油路自除渣潤滑軸承座在臥螺離心機上的應(yīng)用
技術(shù)支持
1 前言
在需要將混合物按其自然屬性（液體、固體）分離的領(lǐng)域中，臥螺離心機被廣泛地使用。特別是在大中型較發(fā)達城市的市政污水、自來水行業(yè)以及規(guī)模化固液分離領(lǐng)域中，臥螺離心機憑借著低勞動強度高自動化連續(xù)工作的特性，受到了廣泛的青睞。
與國內(nèi)外臥螺離心機相比，我國由于加工制造水平、配件互換精度和潤滑輔助系統(tǒng)等因素的相對落后，使設(shè)備的性能在同級別型號上還存在著一定的差距，但由于國產(chǎn)零件以及人工成本的相對低廉，同型號類別的臥螺離心機與國外設(shè)備相比，還占據(jù)著較大的市場份額。
隨著國際化進程的深入，國內(nèi)人工成本的提高以及國外產(chǎn)品對中國巨大市場的逐步重視，采用低價方式占據(jù)市場的方式越來越相形見絀，提高產(chǎn)品性能，應(yīng)對國內(nèi)需要固液分離的復(fù)雜化混合物領(lǐng)域，才是實現(xiàn)企業(yè)盈利的有效方式。污泥與水之間存在密度差是離心分離的前提，要提高離心分離效果，增大污泥顆粒粒徑和密度，減少黏度，提高離心速度是基本突破點。提高設(shè)備轉(zhuǎn)速，改進潤滑方式是一條較為可行的短平快路線。
2 臥螺離心機原理
臥螺離心機依靠自身高速旋轉(zhuǎn)，在總成內(nèi)部形成幾千倍的重力加速度，使需要被分離的混合物由于自身密度不同的屬性，在離心力的作用下，高密度的固相向旋轉(zhuǎn)總成的轉(zhuǎn)鼓壁靠攏，而密度相對較低的液體則靠近旋轉(zhuǎn)中心，當混合物分離后，旋轉(zhuǎn)總成內(nèi)的螺旋在差速齒輪箱的作用下，與轉(zhuǎn)鼓形成相對運動，將緊貼轉(zhuǎn)鼓的固相物體推向轉(zhuǎn)鼓錐段，在擠壓下通過轉(zhuǎn)鼓錐段出口排出離心機；分離后的液體隨著進料的增加不斷向旋轉(zhuǎn)中心靠攏，分離液逆流從大端溢流口排出。
在實現(xiàn)分離的過程中，總成的旋轉(zhuǎn)速度決定了臥螺離心機的分離因數(shù)大小，分離因數(shù)越高，混合物沉降的速度也越快；螺旋結(jié)構(gòu)形式、傾斜角度、轉(zhuǎn)鼓錐度決定了推料的扭矩，在旋轉(zhuǎn)總成中，扭矩越大，被擠壓得固體所含水分也將越低，分離效果也就相對較好。
轉(zhuǎn)速的提高，可使密度較接近的混合物在有限的空間（臥螺離心機的總成容量）及時間（混合物由進入設(shè)備到排出設(shè)備的間隔）內(nèi)，快速分離并達到分離要求。
在機械結(jié)構(gòu)允許的范圍內(nèi)提高設(shè)備轉(zhuǎn)速，可能對軸承的性能、壽命以及潤滑介質(zhì)提出較高的要求。因為考慮到設(shè)計制造成本，設(shè)備安裝便捷性，維護便利性、市場滿足度等因素，常規(guī)的臥螺離心機主軸承采用的潤滑方式多為油脂潤滑。
為滿足高分離因數(shù)市場的需求，在不對原有設(shè)備尺寸進行大規(guī)模調(diào)整的情況下，將軸承座的潤滑方式改變?yōu)橄∮蜐櫥瑢⒖赡苁且粋€有效的方案。
3 臥螺離心機軸承座結(jié)構(gòu)改進
3.1 油脂潤滑軸承座與稀油潤滑軸承座
常規(guī)油脂潤滑的軸承座優(yōu)點主要有：
（1）拆裝簡便。對裝配人員的工作技能要求不高。
（2）加工精度要求不高。上下軸承座的結(jié)合面表面粗糙度要求較低，整個軸承座除軸承接觸面，安裝面以及固定螺栓尺寸等要求外，其余加工尺寸均較寬松，且密封采用填料方式，可彌補加工尺寸的不足。
（3）制造成本較低。加工精度要求較少，加工復(fù)雜程度則較低，使整個加工工時較少，人工成本下降。當臥螺離心機轉(zhuǎn)速提高，旋轉(zhuǎn)總成的dn值增加，常規(guī)使用的脂則無法達到潤滑與降溫的要求。高轉(zhuǎn)速脂的價格較常規(guī)使用脂價格而言成幾何級數(shù)增長，由于脂的損耗性，更換脂型號將導(dǎo)致配件成本的直線上升。
以上海市離心機械研究所有限公司LW530設(shè)備為例，長期以來，應(yīng)用于眾多行業(yè)領(lǐng)域的使用轉(zhuǎn)速為2200r/min左右，主軸承d為180mm，dn值為396000；而為應(yīng)對市場需求，此次制造的LW530工作轉(zhuǎn)速要求達到3100r/min，dn值達到了594000。按機械手冊建議dn值超出400000，采用稀油潤滑更為合理。因此，在不改變LW530整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對主軸承的軸承座進行結(jié)構(gòu)再設(shè)計，將是滿足設(shè)備旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)鍵。
按機械手冊關(guān)于稀油潤滑軸承座標準進行設(shè)計，兩主軸承座的寬度均需要再放大20mm，尤其是靠旋轉(zhuǎn)總成的兩個面，如此設(shè)計將增加旋轉(zhuǎn)總成的長度，影響旋轉(zhuǎn)總成的剛度，整個設(shè)備的處理容積，旋轉(zhuǎn)振動頻率，結(jié)構(gòu)壁厚均要重新計算；同時需要將設(shè)備底架進行放大，這無疑是重新設(shè)計一臺離心機，對于時間短，成本控制要求嚴格的該項目而言是不可行的。
綜上所述，在保證設(shè)備整體尺寸不變動的情況下，在原有軸承座空間位置內(nèi)對軸承座及潤滑方式進行再調(diào)整才是保證設(shè)備滿足用戶需求的唯一可行方案。
3.2 雙油路設(shè)計與自除渣方法
稀油潤滑軸承座需要解決如下問題：首先是空間限制，需要確立一套合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及密封方式來確保不出現(xiàn)漏油問題；其次是潤滑充分，除需要考慮設(shè)備在正常運轉(zhuǎn)過程中的潤滑外，還需要確保在突發(fā)狀況下設(shè)備的潤滑要求。
常規(guī)稀油潤滑軸承座通常對噴射口的位置、軸承座尺寸、被潤滑的軸承型號有著限制。在規(guī)定軸承型號的前提下，普通噴射口的位置基本采用的是對準軸承滾子噴射，由于是90°直噴，油液反彈，飛濺明顯，如果沒有足夠空間及精確的密封配合尺寸，容易產(chǎn)生軸承座漏油的現(xiàn)象；采用型號軸承，噴淋口由軸承上方口流入軸承滾道，降低了反濺，但受該型號軸承轉(zhuǎn)速限制，無法滿足臥螺離心機的設(shè)計要求。
采用雙油路設(shè)計，常規(guī)潤滑依靠滾子自身旋轉(zhuǎn)以及油液自流的方式達到與滾子接觸的目的，利用金屬軟管的可彎曲性以及位置形狀保持性，將兩根噴淋用油管分別架設(shè)到主軸承靠近軸承座上方的左右兩側(cè)，同時對軸承滾子進行噴油，提高了油與滾子的接觸面積，使?jié)櫥行蕴嵘耐瑫r，也達到了加快帶走軸承熱量的目的；從軸承的兩端沿軸承的旋轉(zhuǎn)方向?qū)S承滾子進行噴淋，由于與滾子接觸角度減小，接觸點由于是與軸承旋轉(zhuǎn)方向一致，反射得到了有效控制，接觸性相比垂直于軸承旋轉(zhuǎn)方向的接觸也更加的合理。
由于潤滑采用的是系統(tǒng)供油，由于軸承座原有結(jié)構(gòu)的限制，軸承安裝與軸承座的軸承檔較高，無法實現(xiàn)在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中保證有部分油始終能浸沒軸承滾子，一旦系統(tǒng)故障失電，噴油停止，而軸承座內(nèi)部的潤滑油由于重力作用回流進油箱，高速旋轉(zhuǎn)的臥螺離心機停機時間在3min以上，沒有潤滑的軸承在高速旋轉(zhuǎn)中由于發(fā)熱將直接導(dǎo)致燒毀。
為此，在軸承檔除增加半月環(huán)儲油，噴淋后的油將流入儲油環(huán)中，實現(xiàn)軸承底部的滾子始終浸沒在油中，保證了潤滑，一旦發(fā)生短油問題，則可確保設(shè)備在停機旋轉(zhuǎn)過程中不燒毀軸承。
由于半月環(huán)中的油始終會有部分殘留，長時間的選擇使油液中不可避免地含有雜質(zhì)，如果雜質(zhì)長期殘留在油中，將對軸承造成嚴重后果；定期拆卸軸承座，依靠人工方式除去半月環(huán)中的雜質(zhì)，不但容易引起因經(jīng)常拆裝軸承座損壞結(jié)合面的問題，而且會因為清理影響設(shè)備長期連續(xù)運行，降低生產(chǎn)效率。
采用一種除渣結(jié)構(gòu)，通過電氣設(shè)定自動控制，可幫助處理雜質(zhì)殘留問題。除渣結(jié)構(gòu)的工作原理是，在半月環(huán)下開設(shè)放空孔，通過一根由軸承座外部斜拆而入的連桿將孔封住，通過軸承座外部彈簧的拉力使連桿始終處于關(guān)閉放空口的狀態(tài)，通過設(shè)定時間，觸動電信號，當需要放空油液時，提拉連桿即可達到排除雜質(zhì)的目的。
3.3 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計
為防止飛濺油液的泄漏，考慮上下軸承座安裝的便利性，軸承座采用徑向密封的方式。由于設(shè)備高速旋轉(zhuǎn)，常規(guī)徑向密封無法完全阻止油沿著密封間的間隙滲漏出軸承座，因此將軸承座內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。
（1）增加靜態(tài)插片型檔液板，依靠螺栓與軸承座上蓋連接，使被反彈的油液在未達到軸承座壁前就較大限度地降低飛濺速度。
（2）部分未被擋液板攔截的油液仍會飛濺到軸承壁上，但數(shù)量大幅減少，此時的液體仍可沿密封間隙向外流出，但動能基本消失，在密封結(jié)構(gòu)的外側(cè)去除旋轉(zhuǎn)環(huán)密封片，防止油液接觸旋轉(zhuǎn)環(huán)密封片飛出，采用空腔收集油液，在空腔下部開設(shè)斜孔引導(dǎo)油液回流入軸承座內(nèi)。
（3）在重力作用下的油液會沿靜態(tài)插片落在旋轉(zhuǎn)軸上，部分油液會沿旋轉(zhuǎn)軸向軸承座兩側(cè)爬行，為盡可能多地阻擋油液向密封環(huán)靠攏，在旋轉(zhuǎn)軸上開設(shè)螺旋線，在旋轉(zhuǎn)軸運動過程中，兩端螺旋線的旋轉(zhuǎn)方向均指向軸承。
（4）在軸承座頂端開設(shè)直徑23mm通氣孔，排出軸承座內(nèi)部空氣，減低軸承座內(nèi)部壓力。
通過上述方面的結(jié)構(gòu)調(diào)整，在測試平臺上模擬運行，轉(zhuǎn)速為3300r/min，進油流量為1.5L/min，測試時間為3h，軸承座底端的油液收集槽內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有明顯油液滲漏。
3.4 電氣溫度控制設(shè)計
為使?jié)櫥到y(tǒng)滿足設(shè)備運行要求，針對軸承座內(nèi)軸承溫度的實時監(jiān)測，采用一種臥螺離心機的溫度控制方法來達到確保設(shè)備在高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。
控制方法原理：控制器輸出初設(shè)給定值至潤滑系統(tǒng)變頻器，使變頻器工作于初始工作頻率25Hz后起動潤滑機構(gòu)的電動機，在泵送作用在潤滑油量達到工作流量0.5L/min；隨后起動臥螺離心機，進料機構(gòu)及加藥機構(gòu)開始進料（混合物）；溫度繼電器將設(shè)于稀油潤滑軸承座上的溫度傳感器實時反饋的溫度信號傳送至控制器中；控制器將實時反饋的溫度信號與控制器中預(yù)設(shè)的溫度值（T0、T1、T2和T3）進行比較后，發(fā)出相應(yīng)的控制信號至進料、加藥量以及水冷機構(gòu)對軸承進行降溫。
其中T0預(yù)設(shè)溫度值為60℃，T1預(yù)設(shè)溫度值為70℃，T2預(yù)設(shè)溫度值為80℃，T3預(yù)設(shè)溫度值為90℃，控制器接收到的實時反饋溫度信號為軸承溫度T。當T≤T0時，控制器控制變頻器的轉(zhuǎn)速保持在25Hz，使得潤滑機構(gòu)的潤滑油流量保持在0.5L/min；當T0＜T≤T1時，控制器控制變頻器的頻率隨溫度的升高按線性比例增加，調(diào)整范圍在25～50Hz，增加進油量，加快油液流動帶走軸承熱量；當T1＜T≤T2時，控制器控制變頻器的頻率保持在50Hz，同時控制器發(fā)出控制信號開起臥螺離心機中的水冷機構(gòu)；當T2＜T≤T3時，控制器控制變頻器的頻率保持在50Hz；保持水冷機構(gòu)處于開啟狀態(tài)；控制器發(fā)出控制信號關(guān)閉進料機構(gòu)及加藥機構(gòu)，臥螺離心機停止混合物處理；當T3＜T時，控制器控制臥螺離心機停機并發(fā)出報警信號。
采用本發(fā)明的溫度控制方法可以時時把安裝在軸承座上溫度傳感器測試的溫度轉(zhuǎn)化成信號及時反饋給控制器，根據(jù)溫度的變化，控制器能夠及時地調(diào)整臥螺離心機的降溫方案，避免軸承因高溫而損壞。
4 設(shè)備實際應(yīng)用
在經(jīng)過6個月的針對LW530臥螺離心機的再設(shè)計及制造后，將16臺套設(shè)備準時交付給了某城市多臺套聯(lián)動印染污泥水處理項目，經(jīng)過3個月的設(shè)備安裝以及調(diào)試，實現(xiàn)分離印染污泥混合液過程中，達到進料濃度3%～5%，設(shè)備轉(zhuǎn)速3100r/min，單機處理量45m3/h，出泥含固率20%，出液SS值小于700的效果。設(shè)備主軸承溫度及潤滑系統(tǒng)工作參數(shù)如下：
序號 | 轉(zhuǎn)速 | 差速 r/min | 進料濃度 % | 進料流量 m3/h | 加藥濃度 % | 加藥流量m3/h | 加藥量 kg/t | 出渣含固率 % | 分離液SS 10-4% | 左軸承溫度 ℃ | 右軸承溫度 ℃ |
1 | 2750 | 12.1 | 3.1 | 45.2 | 2 | 4.2 | 8.97 | 19.43 | 800 | 45 | 43 |
2 | 2750 | 9.2 | 3.1 | 38.9 | 2 | 4.2 | 9.06 | 20.15 | 750 | 47 | 43 |
3 | 3010 | 12.3 | 3.1 | 45.2 | 2 | 4.2 | 9.09 | 22.1 | 730 | 52 | 50 |
4 | 3010 | 9.1 | 3.1 | 39.8 | 2 | 4.2 | 9.09 | 19.01 | 730 | 50 | 48 |
5 | 3010 | 8.7 | 3.1 | 46.8 | 2 | 4.3 | 9.13 | 19.76 | 700 | 52 | 48 |
6 | 3100 | 12.1 | 3.1 | 51.2 | 2 | 3.5 | 7.63 | 16.21 | 600 | 50 | 50 |
7 | 3100 | 12.2 | 3.1 | 50.5 | 2 | 4.3 | 9.13 | 18.08 | 650 | 52 | 48 |
8 | 3100 | 9.3 | 3.1 | 52.1 | 2 | 4.4 | 9.49 | 19.37 | 630 | 52 | 48 |
由上表中看出，連續(xù)運行的臥螺離心機主軸承的溫度始終保持在50℃左右，經(jīng)過振動儀器以及離心機四面兩側(cè)的噪聲測試，均保持在86dB以下，且無異?，F(xiàn)象，說明軸承座的使用達到了預(yù)期的效果。
5 結(jié)論
（1）采用稀油潤滑軸承座，在不改變原有LW530臥螺離心機整體結(jié)構(gòu)和尺寸下，達到了設(shè)備設(shè)計要求的工作轉(zhuǎn)速3100r/min。
（2）通過增加靜態(tài)檔液板，預(yù)留軸承座外檔密封環(huán)，旋轉(zhuǎn)軸開設(shè)推油螺旋線，增設(shè)密封環(huán)回油斜孔的方式，解決了因空間局限而可能出現(xiàn)油液泄漏的問題，使設(shè)備運轉(zhuǎn)環(huán)境保持清潔。
（3）采用軸承兩側(cè)依靠金屬軟管沿軸承旋轉(zhuǎn)方向供油潤滑的形式增加接觸面積，加快散熱的同時，考慮極端條件下斷油軸承保護，增加浸潤結(jié)構(gòu)的同時，還加裝除渣裝置以及軸承溫度控制方式，有效降低了軸承過熱燒毀的可能性。雙油路自除渣潤滑軸承座的使用，使設(shè)備轉(zhuǎn)速得到了明顯提升，為設(shè)備深化應(yīng)用領(lǐng)域提供了必要的技術(shù)保障。
