智能潤(rùn)滑系統(tǒng)變徑管路優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周 華，王嘉偉，張 輝，范華超，江 帆，陳 濤

1國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司 新疆烏魯木齊 830014

2中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116

對(duì) 生產(chǎn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，良好的潤(rùn)滑是其正常運(yùn)行的 重要保障。智能潤(rùn)滑系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得設(shè)備潤(rùn)滑更加精準(zhǔn)、及時(shí)、科學(xué)有效，從而保障了設(shè)備安全高效運(yùn)行。智能潤(rùn)滑系統(tǒng)需借助管路把潤(rùn)滑油輸送到各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，故潤(rùn)滑油管路對(duì)智能潤(rùn)滑系統(tǒng)的運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。當(dāng)對(duì)潤(rùn)滑管路出現(xiàn)的問(wèn)題，主要集中于對(duì)故障的分析，進(jìn)而對(duì)管路進(jìn)行維護(hù)。如田樂(lè)意對(duì)鉆機(jī)液壓系統(tǒng)泄露進(jìn)行了故障分析并提出了對(duì)策[1]；王立文等人提出了一種概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓管路系統(tǒng)泄露故障診斷方法[2]；陳喜通等人設(shè)計(jì)了一種液壓系統(tǒng)泄漏故障在線智能診斷系統(tǒng)[3]。新疆能源有限責(zé)任公司某套活性炭生產(chǎn)設(shè)備用智能潤(rùn)滑系統(tǒng)的管路口徑和過(guò)濾器通口口徑不一致，需通過(guò)變徑管路連接機(jī)構(gòu)將兩者連接。由于此連接機(jī)構(gòu)由多個(gè)構(gòu)件組合而成，存在焊點(diǎn)多、接口多，易爆管和泄漏等問(wèn)題。故針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)原有連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一體式高強(qiáng)度變徑接頭。通過(guò)減少連接件，提高管路可靠性，降低安裝工作量，使智能潤(rùn)滑系統(tǒng)能夠安全高效運(yùn)行[4]。

1 問(wèn)題分析

活性炭生產(chǎn)設(shè)備工作環(huán)境惡劣，存在粉塵多、溫度高、載荷重、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、潤(rùn)滑點(diǎn)分布范圍廣等特點(diǎn)，對(duì)智能潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。原新疆能源有限責(zé)任公司某套活性炭生產(chǎn)設(shè)備的智能潤(rùn)滑系統(tǒng)管路連接機(jī)構(gòu)，使用的是常規(guī)變徑管路連接件，如圖 1 所示，主要由截止閥焊接短管、變徑接頭卡套短管、變徑接頭、過(guò)濾器卡套接頭組成。

圖1 常規(guī)變徑管路Fig.1 Traditional reducing pipeline

該管路系統(tǒng)接口多，焊點(diǎn)多，不僅增加了安裝難度，還增加了泄漏和爆管的風(fēng)險(xiǎn)，影響整個(gè)智能潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。工程技術(shù)人員曾采用常規(guī)氣密性檢測(cè)方法對(duì)該管路進(jìn)行打壓測(cè)漏試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題需要關(guān)注。

(1) 焊口加工成型后未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)。相較于螺紋連接，焊接可使連接件間具有更好的氣密性。但焊接部位材料的耐壓能力比管材要低很多。此外，管路焊接部位需要做專門的防腐處理，并且質(zhì)量不易控制。在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，焊縫部位易出現(xiàn)銹蝕、脫落和破裂等現(xiàn)象，成為設(shè)備智能潤(rùn)滑系統(tǒng)爆管和泄漏的危險(xiǎn)點(diǎn)。因此，設(shè)備智能潤(rùn)滑系統(tǒng)管路中要盡量減少焊點(diǎn)數(shù)量，提高系統(tǒng)整體可靠性。

(2) 個(gè)別截止閥前后接頭處有漏點(diǎn)。智能潤(rùn)滑系統(tǒng)截止閥處存在壓力變化情況，薄弱連接部位容易出現(xiàn)泄漏。根據(jù)設(shè)備智能潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力分布情況，采用更換接頭內(nèi)耐高壓組合墊圈的措施來(lái)解決此類泄漏問(wèn)題。

(3) 整個(gè)連接件長(zhǎng) 200 mm，尺寸較長(zhǎng)，需要焊接或螺紋連接接頭較多，壓降明顯。

(4) 截止閥到過(guò)濾器間的變徑接頭有漏點(diǎn)。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，由于常規(guī)不銹鋼管表面粗糙且存在圓度偏差，用卡套連接方式會(huì)存在鎖不緊現(xiàn)象。

上述問(wèn)題會(huì)影響原有智能潤(rùn)滑系統(tǒng)的使用效果，最終導(dǎo)致設(shè)備難以正常運(yùn)行。為了提高生產(chǎn)效率和設(shè)備使用率[5]，對(duì)常規(guī)變徑管路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 總體優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

通過(guò)對(duì)常規(guī)變徑管路進(jìn)行優(yōu)化，提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，保障活性炭生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行。具體優(yōu)化目標(biāo)為[6]：

(1) 優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)，降低施工難度，使管路安裝更加方便快捷；

(2) 減少焊點(diǎn)和接頭數(shù)量，降低管路爆管和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)；

(3) 減少壓降，潤(rùn)滑油經(jīng)過(guò)截止閥后能夠正常變徑流入過(guò)濾器。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

管路是整個(gè)系統(tǒng)中的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)和原理并不復(fù)雜，但傳統(tǒng)多構(gòu)件實(shí)現(xiàn)的變徑連接方式存在泄漏和額外壓降等不足。針對(duì)以上問(wèn)題，將常規(guī)變徑管路改造為一體式高強(qiáng)度變徑接頭，如圖 2 所示。將其應(yīng)用于管路中，形成變徑優(yōu)化管路，如圖 3 所示[7]。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)減少了 1 個(gè)焊口和 3 個(gè)卡套式接頭，解決了不銹鋼管卡套式連接方式存在的鎖不緊問(wèn)題，不僅降低了安裝難度，還減少了爆管和泄漏風(fēng)險(xiǎn)，保證了智能潤(rùn)滑系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖2 一體式高強(qiáng)度變徑接頭Fig.2 Integrated high-strength reducing joint

圖3 變徑優(yōu)化管路Fig.3 Optimized reducing pipeline

3 建模仿真及分析

筆者采用建?！治觥?jì)算—結(jié)果比較[8]，來(lái)分析常規(guī)變徑管路優(yōu)化前后智能潤(rùn)滑系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。首先建立三維模型，再分別導(dǎo)入仿真軟件中進(jìn)行應(yīng)力和壓力仿真分析，最后通過(guò)比較應(yīng)力和壓力來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化效果。

3.1 應(yīng)力分析

3.1.1 有限元模型建立

采用 ANSYS 軟件建立有限元分析仿真模型。首先，將三維模型導(dǎo)入仿真模塊，然后對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[9]。三維模型網(wǎng)格的單元類型和大小，影響仿真計(jì)算時(shí)間和結(jié)果精確程度。優(yōu)化前常規(guī)變徑管路長(zhǎng)度為 200 mm，優(yōu)化后長(zhǎng)度為 47 mm，經(jīng)過(guò)分析比較，采用四面體網(wǎng)格單元，最小單元尺寸為 0.5 mm 時(shí)，即可滿足仿真計(jì)算時(shí)間與計(jì)算結(jié)果精度的要求。常規(guī)變徑管路優(yōu)化前后的網(wǎng)格劃分如圖 4 所示。對(duì)模型進(jìn)行材料性能參數(shù)設(shè)置，304 不銹鋼性能參數(shù)如表 1 所列。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division

表1 304 不銹鋼性能參數(shù)Tab.1 Property parameters of 304 stainless steel

3.1.2 邊界條件設(shè)置

對(duì)管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算前，需要限制模型的自由度，即將仿真模型的小端固定。對(duì)仿真模型分別施加一個(gè)軸向載荷和徑向載荷進(jìn)行仿真分析。管路優(yōu)化前軸向載荷和徑向載荷分別作用在大端截面上、粗管與細(xì)管卡套接頭的螺母上，如圖 5 所示。管路優(yōu)化后，軸向載荷和徑向載荷分別作用在大端截面上、大端螺母上，如圖 6 所示。

圖5 管路優(yōu)化前載荷受力Fig.5 Loading before pipeline optimization

圖6 管路優(yōu)化后載荷受力Fig.6 Loading after pipeline optimization

3.1.3 仿真結(jié)果分析

在實(shí)際工況中，管路首端壓力為 15～23 MPa，變徑處壓力為 5～10 MPa。為了直觀地比較優(yōu)化前后管路的優(yōu)劣，施加 10 MPa 的軸向載荷進(jìn)行仿真計(jì)算，管路優(yōu)化前的仿真結(jié)果如圖 7 所示。由圖 7 可知，在 10 MPa 軸向載荷的作用下，管路優(yōu)化前的最大變形量為 1.694 9 mm，最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?0.132 080，最大等效應(yīng)力為 217.090 MPa。

圖7 管路優(yōu)化前 10 MPa 軸向載荷的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results at 10 MPa axial load before pipeline optimization

對(duì)優(yōu)化后的管路進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖 8 所示。由圖 8 可知，管路優(yōu)化后最大變形量為 0.341 05 mm，最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?0.038 424，最大等效應(yīng)力為 68.077 MPa。管路優(yōu)化前后，受力分析對(duì)比如表 2 所列。由表 2 可知，管路優(yōu)化后最大變形量、等效彈性模量、等效應(yīng)力都更小，說(shuō)明在軸向載荷相同的情況下，其更具有優(yōu)越性。

表2 管路優(yōu)化前后受力分析對(duì)比Tab.2 Comparison of stress analysis before and after pipeline optimization

圖8 管路優(yōu)化后 10 MPa 軸向載荷的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results at 10 MPa axial load after pipeline optimization

由伯努利方程可知，在系統(tǒng)中潤(rùn)滑油對(duì)管壁的壓力為 0.05～ 0.20 MPa，故對(duì)優(yōu)化前后管路施加 0.01 MPa 的徑向載荷進(jìn)行仿真分析。管路優(yōu)化前后的仿真結(jié)果如圖 9、10 所示。由圖 9 可知，管路優(yōu)化前管路在 0.01 MPa 的徑向載荷下最大變形量為 1.650 60 mm，最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?0.007 611，最大等效應(yīng)力為 15.212。優(yōu)化后管路在 0.01 MPa 的徑向載荷下最大變形量為 0.014 282 mm，最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?0.000 559 74，最大等效應(yīng)力為 0.976 MPa。管路優(yōu)化前后在 0.01 MPa 徑向載荷作用下的受力情況如表 3 所列。由表 3 可知，在徑向載荷作用下，優(yōu)化后的管路更具有優(yōu)越性。

圖9 管路優(yōu)化前 0.01 MPa 徑向載荷的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results at 0.01 MPa radial load before pipeline optimization

圖10 管路優(yōu)化后 0.01 MPa 徑向載荷的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results at 0.01 MPa radial load after pipeline optimization

表3 管路優(yōu)化前后 0.01 MPa 徑向載荷下受力分析對(duì)比Tab.3 Comparison of stress analysis at 0.01 MPa radial load before and after pipeline optimization

從應(yīng)力仿真分析來(lái)看，無(wú)論是在軸向載荷作用還是徑向載荷作用下，管路優(yōu)化后都具有優(yōu)越性，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)，更加符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3.2 壓力分析

3.2.1 模型建立

將 SolidWorks 中生成的三維模型導(dǎo)入 Fluent 中，并確定求解的區(qū)域以及流場(chǎng)的進(jìn)出口[10]；然后在平衡計(jì)算精度與迭代速度之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分；接著對(duì)初始溫度以及液體的物理參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，初始溫度設(shè)置為 25 ℃，液體密度為 839.9 kg/m3，液體黏度為 0.063 8 Pa·s，進(jìn)口壓力設(shè)置為 10 MPa；最后選擇合適的求解方程對(duì)模型進(jìn)行求解。

3.2.2 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)對(duì)模型進(jìn)行求解，優(yōu)化前后的管路壓力仿真結(jié)果如圖 11 所示。由圖 11 可知，在相同進(jìn)口壓力的情況下，管路優(yōu)化前出口壓力小于優(yōu)化后的出口壓力，優(yōu)化后的壓降更小。

圖11 優(yōu)化前后的管路壓力仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of pipeline pressure before and after optimization

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2022 年 3 月底，高強(qiáng)度一體式變徑接頭在新疆能源有限責(zé)任公司活性炭生產(chǎn)設(shè)備智能潤(rùn)滑系統(tǒng)中投入使用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖 12 所示。使用變徑接頭將截止閥與過(guò)濾器相連，與優(yōu)化前相比減少了 1 個(gè)焊點(diǎn)和 3 個(gè)接口?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，管路優(yōu)化后的智能潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行可靠，在 6 個(gè)月的使用中沒(méi)有出現(xiàn)新漏點(diǎn)，且生產(chǎn)能耗明顯下降。

圖12 管路優(yōu)化后的潤(rùn)滑系統(tǒng)Fig.12 Lubrication system after pipeline optimization

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)智能潤(rùn)滑系統(tǒng)管路進(jìn)行優(yōu)化，將截止閥焊接短管、變徑接頭卡套短管、變徑接頭、過(guò)濾器卡套接頭集成為高強(qiáng)度一體式變徑接頭，經(jīng)過(guò)仿真分析及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該接頭有如下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 減少了連接件數(shù)量，降低了施工難度。

(2) 該接頭在抗應(yīng)力應(yīng)變方面具有優(yōu)越性，降低了爆管和泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，保障了活性炭生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行。

(3) 該接頭在壓降方面也具有優(yōu)越性。更小的壓降使智能潤(rùn)滑系統(tǒng)能耗更低，降低了生產(chǎn)成本。