管磨机高低压稀油站高压原理及应用之探讨

管磨机高低压稀油站高压原理及应用之探讨

作者：周建军南京水泥工业设计院更新日期：2007-3-9 【字体：小大】

1 前言

高低压稀油站（包括高、低压两个供油系统）可用于水泥厂磨机滑履轴承（托瓦与滑环）或主轴承（轴瓦与中空轴）的静动压润滑。其中高压供油系统在磨机启动及停止前向托瓦中间的油腔强制输入压力油，使滑环（磨机）浮起，形成一定厚度的静压油膜，以避免磨机在转速过低的情况下由于形成不了动压油膜而使托瓦与滑环干摩擦，延长托瓦的使用寿命。磨机达到正常转速或完全停止后，高压泵停止工作。低压供油系统自磨机启动前就向滑履轴承供油，一直至磨机停止后，延续一段时间再停止工作，其作用为冷却滑履轴承和提供其产生动压油膜所需的润滑油。

由于低压部分的压力和流量等参数的确定较简单，故本文仅对高压部分的参数确定作一些探讨。

2 高压供油系统工作原理

高压供油系统工作原理见图1。

高压油泵输出油液，经单向阀供给托瓦油腔，当油腔压力瞬间升高达到“高高压”，其在滑环上的作用力之和等于磨机的总重量（G）时，磨机即被顶起，在托瓦和滑环之间形成一间隙，油泵输出的油液就通过该间隙由油腔向四周溢出，形成静压油膜。此时油腔内油压也降至一恒压（高中压），且从油腔向外逐渐变低，至托瓦边缘时为零。静压油膜形成过程压力变化见图2。

当系统过载时安全阀打开产生溢流以卸压而保护系统。安全阀的调定压力应比“高高压”高出一些。电触点压力表测定的是进入油腔的油压（若不考虑管道阻力，可近似看成是油腔内的油压），用来控制磨机系统的开停。

因为1台磨机共人4个托瓦，进、出料端各2个托瓦（图3）。故油压作用在滑环上的有效总托力为：

G=4fcos30°=4Pacos30°（1）

式中 f--单个托瓦上高压油对滑环的作用力，N；

P--油压，MPa；

A--单个托瓦的承压面积，m2；

在磨机没有被顶起前，托瓦承压面积等于油腔面积，且作用面上各处的压力相等。磨机一旦被顶起后（即形成了静压油膜），承压面积扩展到整个托瓦，这时油腔内压力相等，油腔向外压力逐渐变小，直至托瓦边缘为零。因磨机在顶起前、后的重量没变，但顶起后托瓦承压面积的增大，故顶起后油腔内的压力(P高中压)要元小于顶起前油腔内的压力（P高高压）。由图4和图5可以看出，阴影面积视为油压对磨机的托力，两者面积应相等，都对应于磨机对托瓦的载荷，很显然P高中压小于P高高压，这就是磨机被顶起后压力远小于顶起前压力的根本原因。

磨机进入正常运行状态，高压泵停止后，压力表测到的压力P动压是低压供油形成动压油膜后油腔内的压力。因此时油腔内的压力不是托瓦径向的最高压力，且其压力下降段曲线变化与静压时不同等原因，造成P动压＜P高中压，见图6。

磨机进入正常运行状态，而高压泵还没有停止，此时的压力为P过渡，它介于P高中压和P动压之间，这是由于动压和静压一起作用的结果，且相互影响，故压力波动较

大。

表1是在某水泥厂调试φ3.8m×12m水泥磨（滑履轴承）高低压稀油站时测到的一组压力数据。

表1中4个托瓦的P高中压相差较大，主要是磨机制造安装偏差、磨内物料分布不均而使各个托瓦上的载荷不同和每个托瓦的实际承压面积有所不同等原因造成。

表1 某厂φ3.8m×12m磨机滑履轴承托瓦油腔的压力

压力托瓦编号

1 2 3 4

P高高压～35 ～35 ～35 ～35

P高中压 20 18 19 14

P过渡 11～15 10～17 9～11 11～12

P动压 6.5～8 5～9.5 5.5～6 7.5～8.5 注：托瓦1和2位于磨机出料端，托瓦3和4位于进料端。

3 高压供油系统压力和流量的确定

φ3.8m×12m磨机的参数见表2。

表2 φ3.8m×12m磨机参数

磨机重/t 托瓦中间托瓦托瓦与滑环在圆周

（含钢球和物料）油腔直径/mm 宽/mm 方向接触面积/mm2 360 106 550 550×550

3.1 计算P高高压

设4个托瓦所承受的载荷相等，按式（1）则P高高压=G/（4Acos30°）=50. 7（MPa）与实际的～35MPa有一定的偏差。这可能与油腔边缘在顶起前就没有被滑环完全封死，有油液渗漏出去而造成承压面积有所增加；或者是压力表反应滞后所致。

3.2 “高中压”、流量和缝隙量之间的关系

图7为固定平行平板缝隙内的流动示意，根据资料[1]所述，通过固定平行平板缝隙的流量为：

Q=Δpbδ3/12μL

则有Δp=12μLQ/bδ3 （2）

式中Δp--缝隙前后压差，Pa；

μ--动力粘度，Pa·s（μ=ρν，其中ρ为流体密度，kg/m3；ν为运行粘度，m2/s）；

L--缝隙长度，m；

Q--通过缝隙的流量，m3/s；

b--缝隙宽度，m；

δ--缝隙量，m。

根据托瓦的制造图，滑环和托瓦的接触是在550mm×550mm范围内（图3），按这种情况来计算压力、流量等参数极其复杂。因此可以把接触范围简化为在φ550mm的圆内（如图3中的虚线所示），再对计算结果作出修正。另外，托瓦的半径（R2197mm）与φ550 mm相比相差较大，根据流体的特性，又可以把静压油膜假定为在一平面缝隙内；滑环的半径为R2195mm，通过计算，在接触的边缘，滑环和托瓦之间的间隙仅为0.0157mm（图8），再考虑托瓦的弹性变形，最后可以把静压油膜假定为在两个圆形平行平面形成的等间隙内（图9）。图9中微小圆环ds段内从里向外的流动可以认为是平行平板缝隙的流动，缝隙宽度为2πs，缝隙长度为ds，缝隙为δ。

由式（2）可以得到圆环ds两端的压差为：

dΔP=12ρνdsQ/2πsδ3=6ρνdsQ/πsδ3

则静压油膜从内到外的压差ΔP为：（略）

由于托瓦边缘的压力为零，则Δp=p（p为油腔内的压力），从上述可知，此时油腔内的压力应为“高中压”，即

P高中压=（6ρνQ/πδ3）1nR/γ（3）

则 Q=πδ3P高中压/（6ρν1nR/γ）（4）

（5）（略）从式（5）可看出，在滑履结构一定的情况下（即R和γ确定的情况下），静压油膜的厚度δ与流量Q、运动粘度ν成递增关系；与P高中压成递减关系，即与磨机重量成递减关系。

对φ3.8m×12m水泥磨，已知：Q=9.47×10-5m3/s，R=275mm，γ=80mm，ρ=950kg/m3，代入式（5），求出在不同的运行粘度ν下，δ和P高中压之间的关系，见表3。

表3 不同压力P高中压和运动粘度ν时的缝隙δ值mm

ν P高中压/MPa

（mm2·s-1） 5 10 15 20

50 0.13（0.11） 0.10（0.09） 0.09（0.08） 0.08（0.07）

100 0.16（0.14） 0.13（0.11） 0.11（0.10） 0.10（0.09）

400 0.26（0.23） 0.20（0.17） 0.18（0.16） 0.16（0.14）

1000 0.35（0.30） 0.28（0.24） 0.24（0.21） 0.22（0.19）

1500 0.40（0.35） 0.32（0.28） 0.28（0.24） 0.25（0.22）

2000 0.44（0.38） 0.35（0.30） 0.30（0.26） 0.28（0.24）

3000 0.51（0.44） 0.40（0.35） 0.35（0.30） 0.32（0.28）

注：括号内的值由δ×cks30°算出，为磨机的上抬高度。

式（5）是在把滑环和托瓦的接触范围假定在φ550mm的圆内得出的，实际的接触范围是在550mm×550mm的方形内。由流体特性可知，在相同的接触面积下，圆形接触范围形成的油膜厚度应是最大的（针对滑环和托瓦这种结构形式）。由方形550mm×550mm算出与其面积相等的圆形半径为R310.3mm，代入式（5）可求出在R310.3mm和R275mm下的油膜厚度比值为1.09。因此，磨机的上抬高度应在（δ×cos30°）和（1.09×δ×cos 30°）之间。这与现场实测的上抬高度在0.1mm～0.45mm之间（油液粘度约在100mm2/s～3000mm2/s范围内，磨机从空载到满载）是吻合的。

3.3 计算P高中压

式（3）P高中压关系式中没有磨机重量（G），故下面来推导与磨机重量有关的P

高中压计算式。同样，先将磨机滑环和托瓦之间的接触假定为两个圆形平行平板的接触，如图9所示，其中圆环ds处的压力为p′。

根据式（3）求得

p′=（6рνQ/πδ3）1nR/γ-（6рνQ/πδ3）1ns/γ

则油压对上平板（滑环）的作用压力为

f=P高中压πγ2+ =P高中压π（R2-γ2）/21nR/γ

由G=4fcos30°。

得到：P高中压=（G1nR/γ）/ [2πfcos30°（R2-γ2）] （6）

由式（6）可看出，在滑履结构一定的情况下，（即R和γ确定的情况下），“高中压”值只与磨机总重量成正比。对φ3.8m×12m水泥磨，P高中压=11.6MPa。

同样，式（6）也是在把滑环和托瓦的接触范围假定在φ550mm的圆内而得出的，而实际上“高中压”值应比式（6）的计算值略小一些。

这与4个托瓦的实际“高中压”值（14MPa～20MPa）有一定的差距。式（6）结果是