空冷式机床润滑油冷却系统的设计与研究_熊志勋

0． 8
（ 9） （ 10 ）
温性能越好， 油品质量也越高。 精密机床主轴油、 液压油的粘度指数值， 都要求在 90 以上， 优异的在 100 以上。机床常用齿轮润滑油的粘温曲线图如 图 3 所示。
+B +C
1 v
0． 718 EF
（ 11 ）
1 0． 028 Q = di A Fi
( )
1． 8
λi
（ 8）
普朗特数 c' η c' ρυ Pr = = λi λi （ t01 － t w2 ） － （ t02 － t w1 ） Δt m = t01 － t02 ln t02 － t w1 将式（ 6 ） ～ 式（ 10 ） 代入式（ 5 ） 中可得： （ t01 － t w2 ） － （ t02 － t w1 ） = t01 － t w1 ln t02 － t w1 A（ t01 － t02 ） 其中：
（ 4）
—校正 系 数， 当 风 机 是 鼓 风 机 时， 取 = 1. 0 ， 当风机是引风机时， 可根据相关表查得。 2. 4 关系式的推导及其分析简化 将式（ 2 ） ～ 式（ 4 ） 代入式（ 1 ） ， 可得： Δt m = r s， d0 Q d0 Qr s， Q fQ f + + ln + + Fi 2 λF 0 di αi F i ηF f 1 （ 5） 0． 718
0．667
cp μ λ
1/3
0．164
0．075
（ 3）
f
2013 年第 9 期 ( 总第 372 期)
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节
能
d b —分别表示翅片外径和翅根直径， m； 式中： d f 、 Y、 H、 δ f —分别表示翅片的间距、 高度和厚度， m； cp 、 μ、 λ —按流体平均温度取值， 单位分别为 kJ / （ kg · K） 、 kJ / （ kg · s） 、 W/（ m · K） ； G max —最小流通截面处质量流速， kg / （ m2· h） 。 把表 1 中的参数代入式 （ 3 ） 中， 并换算到以光 管外表面积为基准， 则可得到简化计算式： α f = 412 v NF m / s； 式中： v NF —标准状况下迎面风速，
（ 1）
K0 —分别表示以翅片管外表面积及翅片管光 式中： K f 、 W/ （ m2· ℃） ； 管外表面积为基准的传热系数， Ff 、 F0 —分别表示翅片管外表面积、 翅片管光 m ； 管外表面积， ℃。 Δt m —对数平均温差， 2. 2 传热系数计算 对于石油化工行业， 工程上习惯用以光管外表 面积为基准的传热系数进行计算。 假设壁面温度 及换热系数一致且不变的条件下 ， 考虑到翅片管表 面使传热面积增加， 则可导出传热系数公式。以单 侧翅片管为例， 有： F F 0 d 0 d 0 r s， 1 1 0 1 F0 f F0 = + r s， + ln + + （ 2） i K0 α i F i Fi 2λ di η F f αf η F f 式中： α i 、 α f —分别表示光管内表面积及翅片管外
2013 年第 9 期 ( 总第 372 期)
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节， 倪锃栋， 胡修民， 邱金友 ( 上海理工大学制冷与低温工程研究所 ， 上海 200093 )
温， 对机床稳定、 可靠运行具有至关重要的作用。 1 系统设计原理 1. 1 基本原理 机油冷却散热过程如图 1 所示。
图1
机油冷却散热过程
机油散发的热量在理论上就是冷空气带走的 热量， 即： Q w = C w V w （ t w1 － t w2 ） Q0 = C0 V0 （ t01 － t02 ） Q = Q w = Q0 ℃； 式中： t01 —机油冷却前温度， t02 —机油冷却后温度， ℃； V0 —机油流量， kg / s； Q0 —机油散发的热量， W； t w1 —冷却前空气温度， ℃； t w2 —冷却后空气温度， ℃； V w —冷空气量， kg / s； Q w —冷空气带走的热量， W； C w —机油的比热容， kJ / （ kg · K） ； C0 —空气的比热容， kJ / （ kg · K） 。
2013 年第 9 期 节 能 ENEＲGY CONSEＲVATION ( 总第 372 期) — 63 — 1. 2 系统的组成及工作原理 机床润滑油冷却系统工作原理如图 2 所示。 表面积为基准时管内侧和管外侧换热系数 ， W / （ m2· ℃） ； F i —光管内表面积， m2 ； W / （ m2· ℃） ； λ —管材的导热系数， Fb ' + Ff ' ηf ； η—翅片壁面总效率， η= Ff η f —翅片效率； F b ' —以翅片根部直径为基准的无翅片部分 m ； 表面积， F f ' —翅片上翅片的表面积， m2 ； r s， r s， f、 i — 分别表示以翅片管外表面积及光管内
引言 随着我国经济总量和对外贸易在世界经济比 重的增加， 中国将成为世界工厂、 世界制造业中心。 而国民经济的发展速度， 在很大程度上取决于机械 制造工业技术水平的高低和发展速度 。据调查， 用 于机械加工制造的机床能否高效、 稳定、 可靠地运 行， 对于加工制造的水平起着很重要的作用 。 影响机床运行的主要因素之一就是机床内齿 轮油等润滑油的油温。 机床主轴箱润滑油的温度 过高会带来以下危害： 1 ） 对某些数控机床来说， 主轴箱油温高会自 动停止运行， 影响生产； 2 ） 主轴箱长期在高温下运转会使主轴箱内的 齿轮、 轴承等零部件的磨损加剧， 橡胶密封老化加 ， ； 快 严重时甚至造成漏油 3） 油 温 过 高 还 会 造 成 机 床 的 润 滑 油 性 能 下 降， 产生机件噪声、 震动等问题； 4） 主 轴 箱 的 油 温 过 高 会 导 致 润 滑 油 氧 化 加 剧， 容易变质， 缩短润滑油的换油周期； 5 ） 主轴箱的油温过高会导致机床主轴中心抬 高， 造成和尾架中心偏差太大， 从而降低机床的加 工精度， 即不易控制被加工工件的几何尺寸 。 由于机油温度过高， 最终会产生机床故障多， 维修工作量上升， 生产成本增高， 效率降低和污染 环境等问题。 因此， 消除机油内的热负荷， 降低油
（ m2· ℃ ） / W； 表面积为基准的外侧及内侧垢阻， d0 —光管外径， m。 2. 3 换热系数计算 翅片管管束外流体的换热系数和压力损失计 算都受到翅片管形式、 管束排列方式的影响， 以空 气横向流过圆管外环形低翅片管束为例 。 我国空冷器低翅片管的特性参数如表 1 所示。
表1 国产空冷器低翅片管的特性参数
Q 412 ηF f v NF
翅片管内对流换热各参数如下。 对流换热系数： αi = Nu·λ i di （ 6）
努赛尔数： Nu = 0 ． 023 Ｒe0． 8 ·Pr0． 4 雷诺数： u ·d i Ｒe = = υ Q c' π di （ t －t ） 4 01 02
2
（ 7） di υ
·
0． 718
r s， d0 Q d0 Qr s， iQ f + ln + Fi 2 λF0 d i ηF f Q C= 412 ηF f B= 式中： c' 、 ρ、 υ、 λ i —分别表示 Δt = t01 + t02 时管 2
内齿轮润滑油的比热容、 密度、 运动粘度和导热系数。 当该翅片管选定之后， 其尺寸 d、 面积 F 、 热阻 r、 C 为定值。 翅片效率 η 都是定值， 故而可得 B 、 热负荷 Q 是有齿轮摩擦产生， 而齿轮转速与 带动其转动的电机有关， 故而正常稳定工作中 Q 也是定值。 由于换热器是开式系统， 在忽略压降的情况 下， 空气净出口温度几乎不变， 则有 t w1 = t w2 。 t02 相差不大， c' 、 假如 t01 、 即 Δt 波动不大时， ρ、 、 ， A υ λ i 在误差允许范围内可认为保持不变 即 基 本保持恒定。 2. 5 换热器出口油温的限定及系统理论关系式 润滑油的粘度和温度成反比。温度升高， 粘度 下降（ 油变稀） ； 温度降低， 粘度增高 （ 油变稠 ） 。 润 称为粘温性能。温度变化 滑油粘度随温度而变化， 时， 不同润滑油的粘度变化速度也不相同， 这种性 质叫粘温特性。 表示润滑油的粘温特性常用两种 方法， 即： 粘度比和粘度指数。 油料的 50℃ 运动粘 度与 100℃ 运动粘度的比值叫粘度比。 粘度比是 表示润滑油粘度随温度变化程度的一项指标 。 粘 度指数是表明试油的粘度随温度变化的程度 ， 同标 准油粘度变化程度比较的相对值 。粘度指数越高， 粘温曲线越平稳， 粘度随温度变化的范围越小， 粘
图2 机床润滑油冷却系统工作原理图
2
机床油池内注入齿轮润滑油正常运行过程中 ， 电机带动油泵使整个系统管路循环运行起来 ， 机油 通过翅片管换热器使得机油与外面冷空气进行热 量交换， 释放热量。当温度传感器测量到的油温超 过温控仪表设定值时， 伺服器根据温控仪表的指令 进而改变风机的风量大小， 从 调节后面的调速器， 而达到调节冷空气带走的热负荷量。 当温度低于 设置温度时， 该系统自动关闭。该系统的控制程序 该系统装置通过调 由 PLC 程序自动控制。 这样， 节风机的风量从而有效地实现了控制机床油池内 齿轮润滑油的油温， 保持其在最佳黏温性能区域内 运行工作。 2 相关计算 2. 1 传热量计算 Q = K0 F0 Δt m = K f F f Δt m
2
空气流通净截面积 迎风面积 空气速度（ 管束中） 空气速度（ 迎风面）
0． 44
2． 27
d f / d b = 1． 2 ～ 1． 6 ， db = 对 于 低 翅 片 管 束， 13. 5 ～ 16mm。 db αf dG =0. 1507 b max λ μ