高速動平衡試驗裝置潤滑油系統設計概述

金雙雙 胡益鑫 劉子龍

摘要：高速動平衡試驗是大型旋轉機械轉子出廠試驗必不可少的工藝過程。論文對某高速動平衡試驗裝置潤滑油系統的工作原理、系統設計和設計要點進行了闡述，以期為相關試驗站潤滑油系統設計提供參考。

Abstract： The high-speed dynamic balance test is an essential process for the factory test of large rotating machinery rotors. This paper briefly introduces the working principle， system design and design points of 32t high-speed dynamic balance test device， in order to provide reference for the design of relevant test stations.

關鍵詞：高速動平衡;試驗裝置;潤滑油系統

Key words： high speed dynamic balance;test device;lubricating oil system

0? 引言

旋轉機械種類繁多包括離心壓縮機、水泵、汽輪機、風機等，是冶金、化工、電力等工業生產中的關鍵設備。隨著科技水平不斷提高，旋轉機械往大型化、高速化和智能化的方向發展，其一旦發生故障，不僅將造成重大經濟損失，還危及人身安全[1]。據統計，旋轉機械約一半以上的故障與轉子不平衡有關，所以對大型旋轉機械轉子進行高速動平衡試驗已成為必不可少的工藝過程。

高速動平衡試驗裝置主要承擔工業汽輪機等產品轉子維修時的高速動平衡試驗和超速試驗，最高轉速可達數萬轉，需設計專門的試驗場地和試驗裝置保證試驗安全、可靠、準確的開展。動平衡試驗站設計是一項系統性很強的工作，主要由高速動平衡機系統、驅動系統、真空艙鋼結構系統、大氣潤滑油系統、真空潤滑油系統及頂軸油系統、抽真空系統、起重運輸設備和循環冷卻水系統等子系統組成[2]，如圖1所示。高速動平衡試驗裝置保證了轉子平衡精度，降低了大型回轉機組運轉中的振動和噪聲，提高了工作轉速。高速動平衡試驗裝置的建設，為企業提高產品質量、延長產品運行壽命、提升產品市場競爭力發揮了積極作用。本文以某高速動平衡試驗裝置為例，介紹了高速動平衡試驗裝置潤滑油系統的設計。

1? 潤滑油系統工作原理

高速動平衡試驗裝置運行過程中需大量潤滑油，保證機器平穩運行，故需單獨設計潤滑油系統與之配套。在設計過程中，應根據試驗裝置各部分的潤滑要求，確定油箱容量、泵類型、過濾器類型以及油品停留時間[3]。高速動平衡試驗裝置的潤滑油系統包括大氣潤滑油系統和真空潤滑油系統。

潤滑油系統采用封閉循環管路，正常工況下，潤滑油從低位油箱經油泵加壓，經過濾器、冷卻器、閥門與管路到達潤滑部位，再經回油管路返回低位油箱。為了防止試驗過程中緊急事故，需設置高位油箱，利用高差的重力勢能向機組供給潤滑油，保證機組惰轉時的潤滑和冷卻用油，大氣潤滑系統原理如圖2所示。

轉子進行動平衡時轉速高達數萬轉，如果不在真空情況下，轉子在空氣中旋轉摩擦，空氣溫度很高，造成損耗很大，所以要保證轉子在抽真空狀態下正常運轉，以減少驅動功率。為了保證真空艙內真空度，需為真空艙內運行設備提供抽真空潤滑油，防止管路中空氣逸出破壞真空環境，真空潤滑系統原理如圖3所示。

2? 潤滑油系統設計

根據潤滑部位和作用不同，可將動平衡試驗裝置潤滑油系統分為四個部分：大氣潤滑油站、大氣高位油箱、真空潤滑油站和真空高位油箱。在潤滑油系統設計時，不僅需滿足機組供油點的要求，同時油泵、過濾器、冷卻器和管路附件之間規格型號得相互匹配。

2.1 大氣潤滑油站設計

大氣潤滑油站用于高速動平衡試驗裝置大氣潤滑油系統中，向主驅動電動機、增速齒輪箱、中間軸裝置提供潤滑油。大氣潤滑油站主要包括1只大氣低位油箱，2組螺桿油泵、冷油器、濾油器（一用一備），公共底盤，管道及附件等組成。大氣潤滑油站各設備主要技術參數如表1所列。

2.2 大氣高位油箱設計

大氣高位油箱用于高速動平衡試驗裝置大氣潤滑油系統中，試驗時儲油，緊急停電情況下，為安全停機緊急向主驅動電機、增速齒輪箱、中間軸裝置提供潤滑油。大氣高位油箱主要由箱體、底座、電加熱器、溢油漏斗及各有關接口組成。高位油箱有效容積1.5m3，氣空間絕對壓力為大氣壓;最高工作溫度50℃。

2.3 真空潤滑油站設計

真空潤滑系統用于高速動平衡試驗裝置真空潤滑油系統中，用于提供真空艙內試驗轉子所需潤滑油和試驗轉子起動時期所需頂軸油。真空潤滑油系統主要由真空低位油箱、3臺螺桿油泵（二用一備）、2臺冷油器（一用一備）、3臺濾油器（二用一備），公共底盤，管道及附件組成一個整體。真空潤滑油站各設備主要技術參數如表2所列。

2.4 真空高位油箱設計

為高速動平衡試驗站真空潤滑油系統的高位油箱，試驗時貯油，緊急停電時為安全停機緊急提供真空潤滑油。高位油箱出廠前應做真空試驗，將高位油箱抽到一定真空度后保持一段時間，泄漏量應小于50Pa/h（50L·Pa/s）。高位油箱有效容積1.8m3，氣空間最小絕對壓力133Pa，最高工作溫度50℃。

3? 潤滑油系統設計要點

3.1 油箱容積設計

油箱必須有足夠的容積，一方面須滿足散熱的要求，另一方面在液壓系統停止工作時應能容納系統中的所有工作介質，工作時又能保持適當的液位。油箱容量與系統的流量有關，一般容量可取最大流量的2～7倍[4]。在設計過程中，先按經驗公式確定油箱的容量，待系統確定后，再按散熱的要求進行校核。油箱容積（V）的經驗公式采用式（1）計算：

V=a×Q（1）

式中，a為經驗系數，低壓系統取2～4，高壓系統取5～7;Q為油泵每分鐘排出的油的容積m3。

式（1）計算的油箱容量大小再從散熱要求校核，計算出系統發熱量與散熱量，再考慮冷卻器散熱后，如果散熱量大于發熱量則該油箱容量滿足要求。油箱散熱量（H）計算公式采用式（2）：

H=A×K×？駐t（2）

式中，A為油箱的散熱面積;K為散熱系數，與油箱周圍通風條件有關;？駐t油溫與周圍環境的溫差。

3.2 潤滑油系統的測控點配置

潤滑油系統在運行過程中，需實時監測潤滑油流量、溫度和壓力等參數，并設置報警值、跳機值，以滿足機組正常運行的要求。油箱內油溫低于供油溫度時，開啟電加熱器進行加熱工作。油箱內液位過低，使電加熱器裸露時，不能開啟電加熱器，避免其過熱燒壞。系統應考慮設置溫度開關，油箱內的油溫高于供油溫度時，能自動關閉開啟的電加熱器。濾油器為雙筒濾油器并帶有差壓報警裝置，設備工作中當在用濾油器濾芯堵塞需要清洗或更換（壓差超過設定值）時，可在不停機狀況下轉動換向閥，另一只濾油器即投入工作，然后更換已堵塞的濾芯。

該項目潤滑油系統主要測控點配置要求如下：①低位油箱側面設有液位計，頂上設有液位傳感器接口。②大氣低位油箱側面設有測量油溫的熱電阻接口。③大氣低位油箱側面設有一個溫度控制器接口。油箱內液位過低，使電加熱器裸露時，不能開啟電加熱器;油箱內油溫高于供油溫度時，自動關閉開啟的電加熱器。④螺桿油泵出油口設有壓力表。⑤螺桿油泵與濾油器之間的油管道上設有流量開關，油流暢通時發出信號。⑥濾油器上帶有差壓報警裝置，工作中濾油器進、出油口壓差超過設定值時即發出信號。⑦冷油器油水進出口均設有就地顯示溫度計。⑧高位油箱側面設有液位計、熱電阻接口、溫度控制器接口，頂上設有液位傳感器接口。

3.3 潤滑油系統的工藝平面布置

本高速動平衡試驗裝置橫向布置在試車間東南角，潤滑油系統布置在真空艙的右下角，該工藝布局分區明確、布局合理、流程順暢，工藝平面布置圖如圖4所示。

低位油箱安裝高度應確保潤滑油經機組后通過回油管順利回流，本項目低位油箱布置在深3.5米的地坑內。真空潤滑油系統運行在絕對壓力為133Pa的真空環境，真空油站與真空油箱的安裝高度應滿足油泵允許汽蝕余量的要求。高位油箱安裝在東側輔房的三層剛平臺上，高度應滿足設備的供油壓力不小于0.05MPa[5]。

4? 結論

高速動平衡試驗裝置潤滑油系統的設計是一項專業性強、涉及面廣的工作，是高速動平衡試驗裝置運行必不可少的組成部分。該試驗裝置潤滑系統吸取了國內外動平衡試驗裝置的先進經驗，同時結合被試轉子的試驗要求，合理設計與布置，滿足了機組運行中的潤滑需求。本文對高速動平衡裝置潤滑油系統運行原理和系統設計進行了說明，最后介紹了潤滑油系統的設計要點，供同行和相關讀者參考。

參考文獻：

[1]金雙雙.基于云服務的旋轉機械故障自動診斷系統研究[D].北京：北京化工大學，2018.

[2]陳波，周丹誠.國內大型高速動平衡試驗裝置概述[J].燃氣輪機技術，2010，23（3）：15-17.

[3]王成勇，楊惠君.與機械要求相匹配的潤滑系統設計[J].潤滑與密封，2006（02）：194-197.

[4]張冬，孟凡剛.泵、馬達液壓實驗臺中油箱的設計[J].煤礦現代化（5）：28.

[5]盧杰，盛偉，江友鈿.大型高速動平衡試驗站設計流程[J]. 工程建設與設計，2012（2）：73-76.