润滑脂自动过滤设备设计及研究

刘文学， 邸鹏龙

(河北科技大学 机械工程学院， 河北 石家庄 050018)

引言

随着工业水平的不断提高，机械设备越来越精细化，所用到的润滑脂标准也逐渐提高[1]。要求润滑脂必须纯净、不含杂质，所以需要采用润滑脂过滤装置，通过过滤网将悬浮在润滑脂中杂质过滤掉[2]。润滑脂是非牛顿流体，由于非牛顿流体黏性很大，液体对固体颗粒的携带力也比普通物料大得多，使得滤浆中的颗粒极易堵塞过滤介质或进入滤后液[3]，所以在润滑脂过滤过程中，润滑脂过滤装置中的过滤网需要及时更换，以保证润滑脂的最佳过滤效果。现有技术中，更换过滤网时，需要工作人员打开润滑脂过滤装置，手工拆下过滤网并进行更换。该种人工更换过滤网的方式极大的增加了工作人员的劳动量，而且耗时较长，导致润滑脂过滤装置产生工作时间短、停机时间长的窘境，严重降低了润滑脂过滤的生产效率。

根据筒式压滤机的工作原理设计了一套润滑脂自动过滤设备,可以适应不同黏度的润滑脂以及实现过滤器中过滤网的快速更换。该设备采用液压系统，利用PLC控制，通过位置传感器与采用时间控制策略来判断过滤网是否需要更换；通过控制液压缸等执行元件来完成润滑脂的过滤和过滤网的快速更换，具有自动化程度高、停机时间短、操作简单等特点，提高了润滑脂过滤的生产效率。

1 国内外筒式压滤机发展现状

加压过滤机与真空类过滤机相比加压过滤机的过滤推动力提高了数倍，由于润滑脂是具有高黏度的非牛顿流体，所以在润滑脂的过滤过程中，一般选用加压过滤机过滤。筒式压滤机又称筒式过滤机、管式压滤机、微孔过滤机等，是以滤芯作为过滤介质、利用加压作用使液固分离的一种过滤机。各种不同的滤芯配置在过滤管中，加上壳体组成各种滤芯型筒式压滤机。例如某BLT系列不锈钢过滤器内部装有绕线式滤芯组件，装配上泵或者接有一定压力的管路系统，可用于水、饮料等液体的过滤；某烧结金属滤芯筒式压滤器可在高压下过滤高黏度的聚合物；美国GAF袋式过滤器具备高流通能力、高过滤效率、滤袋使用寿命长等特点，可用于石油化工、涂料和油漆、以及各种油脂的过滤[4]。

2 润滑脂自动过滤设备结构和工作原理

2.1 润滑脂自动过滤设备结构

润滑脂自动过滤设备主要由润滑脂增压系统、润滑脂过滤系统组成。润滑脂增压系统实现对过滤润滑脂的加压，使其通过管道流入过滤器进行过滤，主要由压脂液压缸、液压增压缸、压脂圆盘等组成；润滑脂过滤系统实现润滑脂的过滤和过滤网的快速更换，主要由压紧液压缸、液压缸支架、过滤器上端盖、导轨、过滤组件、过滤器下缸体、工作台面组成，其结构如图1所示。

2.2 工作原理

其工作原理为：料桶通过辊子输送机运动到指定位置，压紧液压缸工作，带动润滑脂过滤器上端盖向下运动，闭合过程中上端盖先与过滤网顶部接触，随后压紧密封圈。到达压力继电器设定压力后，注脂液压缸工作进行注脂，液压增压缸活塞杆向上运动进行润滑脂的吸取，到达极限位置以后，液压增压缸活塞杆向下运动进行压脂，使高黏度的润滑脂通过过滤器，从而实现润滑脂的过滤。在过滤过程中，压力继电器实时判断压力是否在设定值，当小于设定值时注脂液压缸和液压增压缸停止工作，压紧液压缸重新进行加压，保证润滑脂过滤器的密封性；当润滑脂过滤时间超过设定的总时间或者单次过滤超过设定时间需要换网，则润滑脂过滤机构中的压紧液压缸抬起，过滤器打开，进行换网。

图1 润滑脂自动过滤设备结构

2.3 性能指标

润滑脂自动过滤设备的主要性能指标为工作压力15～30 MPa，入料粒度0～0.5 mm，过滤精度500～2000，滤液固含量小于10 g/L；过滤速度0.01～0.02 L/s。

3 液压系统设计

为了使润滑脂正常的完成过滤，解决更换过滤网繁琐和高压过滤过程中过滤器密封问题，根据润滑脂特性和设备结构特点设计了液压系统，实现了润滑脂的过滤和过滤网的快速更换，保证了过滤过程中过滤器的密封性。系统主要由三部分组成：润滑脂注脂回路、过滤器液压回路、高压过滤回路,如图2所示。

3.1 润滑脂注脂回路

工作原理：电磁换向阀1工作油口分别接入两组并联的调速阀和单向阀，电磁换向阀1在左位时，液压油分两路进入注脂液压缸7和注脂液压缸8，注脂液压缸带动压脂组件向下运动，回油经调速阀9和调速阀10流回油箱；电磁换向阀1在右位时，液压油经单向阀11和单向阀12进入注脂液压缸，使其快速回位。

技术特点：润滑脂注脂系统为同步动作回路[5]，采用流量阀控制，其中2个调速阀用来调节流量使2个液压缸同步运动；单向阀的作用是为了使液压缸活塞快速退回。该回路保证了注脂液压缸的同步动作，平稳的进行注脂。

1～3.三位四通电磁换向阀 4.液压泵 5.先导式溢流阀6.二位二通电磁换向阀 7、8.注脂液压缸 9、10.减速阀11、12、19.单向阀 13.压力继电器 14.蓄能器 15.开关16.液控单向阀 17.压紧液压缸 18.液压增压缸 20.超高压气控球阀 21.减压阀图2 液压原理图

3.2 过滤器液压回路

工作原理：电磁换向阀2切换到左位时，液压油经液控单向阀16进入压紧液压缸17，压紧液压缸17压紧过滤器，同时分出一路经开关15到达蓄能器14和压力继电器13，实现蓄能和判断系统压力。电磁换向阀2切换到右位时，压紧液压缸回位，过滤器打开，进行换网。

技术特点：液控单向阀设计安装于液压缸下行回路，以便及时闭锁油路实现保压。蓄能器[6]在换向阀回到中位时，补偿系统泄漏，保持系统压力，从而保证过滤器一直处于压紧状态，实现过滤器的密封。压力继电器作为压力开关，当系统压力达到设定压力值时，微动开关导通，控制润滑脂注脂回路和高压过滤回路工作，过滤设备工作；当压力开关小于设定压力值时，微动开关关闭，使润滑脂注脂系统和高压过滤系统停止工作，压紧液压缸重新对过滤器进行压紧，保证其密封性。

3.3 高压过滤系统

工作原理：电磁换向阀3切换到右位时，液压油经减压阀21和电磁换向阀3进入液压增压缸18，超高压气孔球阀20打开，液压增压缸18进行吸脂；当电磁换向阀3切换到左位时，超高压气控球阀20关闭，液压增压缸18进行压脂，经单向阀19通过过滤器实现过滤。

技术特点：减压阀主要用于调节系统压力，增加了过滤系统压力的可调范围，使其适用于不同种类的润滑脂。由于润滑脂具有很高的黏度，所以需要液压增压缸对润滑脂进行加压以此作为推动力，把润滑脂导入过滤器，实现润滑脂的过滤，并且液压增压缸的选择可以增加润滑脂流量，提高生产效率。

4 控制方案设计

4.1 PLC的选型与I/O口分配

根据润滑脂自动过滤装置的工作原理，过滤过程中的3个执行元件的各个动作属于典型的顺序控制问题[7]，为确保各执行元件动作准确、安全可靠、自动运行，采用PLC作为控制元件。通过对润滑脂自动过滤设备控制系统的分析，其共包括输入口7个，输出口8个。I/O口分配表如表1所示。根据控制系统需要的I/O口位数及技术要求，选取了型号为DVP24ES200T的台达PLC。其外部硬件接线图如图3所示。

表1 润滑脂自动过滤设备PLC I/O口分配表

图3 硬件接线图

4.2 控制系统流程设计

为方便操作，利用触摸屏设计了用户界面[8]，用户按下开始按钮，PLC按照既定的动作顺序控制执行元件动作，自动完成过滤器模具压紧、润滑脂过滤、更换过滤网时模具的自动开启，其控制功能流程如图4所示。当运行过程中出现故障或误操作时，装置会发出报警，提示用户按下急停按钮，提高了装置运行的安全性[9]。

图4 润滑脂自动过滤装置控制系统流程图

5 润滑脂自动过滤设备理论计算

润滑脂是具有高黏度性质的非牛顿流体，对于非牛顿流体的精细过滤,需要将膜技术应用于非牛顿流体的分离, 以毛细管模型为基础推出其滤液基础方程为：

(1)

式中,N—— 流变指数

ω—— 从滤饼底面至任意位置上单位面积的固体体积，m3/m2

p1—— 滤饼内部压力，Pa

ps—— 部分滤饼压缩压力，Pa

ρs—— 滤饼固体的真密度，kg/m3

K—— 滤液的黏度系数，(Pa·s)n

γ—— 乘方规律流体流动时的部分过滤比阻，m2-n/kg

对式(1)沿整体滤饼进行积分，便得到乘方规律流体滤浆的过滤速度方程式：

(2)

(3)

式中，α—— 平均过滤比阻，m2-n/kg

ρ—— 滤液密度，kg/m3

m—— 湿干滤饼质量比

S—— 料浆浓度

Vm—— 当量滤液量，m3

恒压条件下，式(3)可以写成如下形式：

(4)

式中,tm—— 得到当量滤液的时间，s

Ka—— 恒压条件下非牛顿流体的过滤系数，有如下的定义：

(5)

可以看出非牛顿流体的过滤速率方程与牛顿流体的过滤速率方程具有相同的形式。

由以上非牛顿流体的过滤速率方程计算得出本润滑脂自动过滤设备的过滤速度为0.0167 L/s，经过分析，设计结果能满足技术指标要求。

6 结论

根据润滑脂自动过滤设备结构特点，通过合理选择液压元件，有针对性的设计液压回路和控制系统，解决了润滑脂过滤过程中过滤网更换繁琐的难题，减少了停机换网的时间，保证了过滤过程中过滤器密封性的问题，增大了润滑脂流量，提高了生产效率。并且采用PLC控制单元，确保了设备运行安全稳定可靠。利用非牛顿流体过滤理论对设备技术性能进行了计算，设计结果满足技术指标要求。