王金春，周驥平，朱興龍，陳 健，徐鐘林

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127；2.江蘇科仕達(dá)實(shí)驗(yàn)室環(huán)保科技有限公司，揚(yáng)州 225127）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備、運(yùn)輸車輛的普及，潤(rùn)滑油和液壓油等礦物油需求量大幅增加。但這些礦物質(zhì)油在使用中，由于氧化、老化、變質(zhì)、混入雜質(zhì)、水分等等因素的影響，必須定期更換，以避免使用的機(jī)械出現(xiàn)元件堵塞故障、元件的污染磨損、加快油液性能的變質(zhì)等導(dǎo)致機(jī)械壽命減少、出現(xiàn)不必要的運(yùn)行隱患等現(xiàn)象的發(fā)生[1]。另一方面，使用后廢棄的礦物油屬于危險(xiǎn)廢物，如廢潤(rùn)滑油中含有致癌、致突變、致畸形物質(zhì)及廢酸、重金屬等物質(zhì)，難以自然分解，對(duì)環(huán)境的污染相當(dāng)大，一旦滲入泥土中，土壤幾十年都無(wú)法修復(fù)。因此，在世界能源日趨緊張的形勢(shì)下，油液的回收和再生成為迫切需要解決的問(wèn)題，已經(jīng)引起環(huán)境保護(hù)的重視。

1 超速離心技術(shù)及其在油液凈化中的應(yīng)用分析[2,3]

超速離心技術(shù)是利用旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)液體產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)，通過(guò)離心力使不同密度的液體、雜質(zhì)和油液分離。將超速離心技術(shù)應(yīng)用到油液凈化中，其基本的工作原理是：設(shè)置一個(gè)帶有雙噴式噴油嘴的轉(zhuǎn)子，借助由油液產(chǎn)生的壓力來(lái)提供其驅(qū)動(dòng)力。設(shè)備開(kāi)啟后，油泵將油液輸送到轉(zhuǎn)子內(nèi)，待油液充滿轉(zhuǎn)收稿日期：由編輯部登記子后，就沿轉(zhuǎn)子下部噴油嘴噴出，既而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力使轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速可高達(dá)4000～6000rpm以上，所產(chǎn)生的力量為重力的2000倍。以離心力原理直接驅(qū)使油液中的雜質(zhì)分離出來(lái)，這些雜質(zhì)包括硬質(zhì)金屬顆粒、粉塵以及水分，即使小于1微米大小的微粒也能被取出。分離出的雜質(zhì)會(huì)附著在轉(zhuǎn)子內(nèi)的雜質(zhì)收集罩內(nèi)，水分儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子內(nèi)積水盤(pán)中，只需定期清洗，油液會(huì)通過(guò)重力直接流回油箱。

利用超速離心技術(shù)形成的油液凈化系統(tǒng)屬于精密的潔油設(shè)備，除去雜志精度可達(dá)0.25μm以下，并且可以除去油品中的水分，完全保證機(jī)械設(shè)備能夠在高度清潔的油品下運(yùn)行，這是其他濾油設(shè)備做不到的。只要定期清理，不需要更換零件。適用范圍廣，對(duì)于大多數(shù)工業(yè)機(jī)械中的液壓油，齒輪油，潤(rùn)滑油和冷卻油都可以使用。但是超速離心油液凈化在實(shí)際的應(yīng)用中存在以下不足：一是對(duì)于少量的密度和油液基本相同的液體雜質(zhì)不能很好的分離出來(lái)，需定期清理維護(hù)；二是凈化設(shè)備多是安裝于固定位置，對(duì)特定設(shè)備進(jìn)行凈化，缺少機(jī)動(dòng)性，設(shè)備不能得到充分利用；三是只能實(shí)現(xiàn)油品的凈化，對(duì)于要求較高的復(fù)雜成份油不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的再生。

2 基于超速離心技術(shù)的油液凈化自動(dòng)處理裝置的總體設(shè)計(jì)[4,5]

由于機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑油、液壓油的使用均有一定的更換周期，采用固定于單臺(tái)設(shè)備上的基于超聲離心技術(shù)的凈化系統(tǒng)，在設(shè)備運(yùn)行中大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài)，利用率不高；同時(shí)也影響機(jī)械設(shè)備的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，增加設(shè)備制造成本。因此，有必要研制一種移動(dòng)式的應(yīng)用于工作現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)設(shè)備的油液凈化自動(dòng)處理裝置，對(duì)機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑油、液壓油系統(tǒng)等進(jìn)行定期凈化處理，延長(zhǎng)潤(rùn)滑油、液壓油的使用壽命，減輕油液污染對(duì)機(jī)械設(shè)備動(dòng)力部件的損害。油液凈化自動(dòng)處理裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 油液自動(dòng)凈化處理裝置的總體結(jié)構(gòu)

該裝置由機(jī)架、對(duì)外連接模塊、動(dòng)力模塊、電氣控制模塊、液壓控制模塊、超速離心凈化器和儲(chǔ)油模塊等部分組成。

機(jī)架采用封閉式設(shè)計(jì)，用于各部件的按照，同時(shí)，為方便對(duì)不同地點(diǎn)設(shè)備的油液的凈化處理，在機(jī)架的底部設(shè)置有萬(wàn)向輪，方便處理裝置的移動(dòng)。

對(duì)外連接模塊包括對(duì)外油管連接和廢油收集機(jī)構(gòu)。對(duì)外油管連接用于對(duì)機(jī)械中的廢油直接抽取，廢油收集機(jī)構(gòu)是針對(duì)于一些散裝廢棄礦物油而設(shè)計(jì)，桶裝廢油可以直接輸入到廢油儲(chǔ)油箱。

動(dòng)力模塊由電動(dòng)機(jī)和液壓泵組成，一方面為超聲離心凈化器提供動(dòng)力，另一方面也是與機(jī)械設(shè)備油箱的油液輸入、輸出提供動(dòng)力源。

電氣控制模塊是控制機(jī)器運(yùn)行的核心，由人機(jī)交互界面，PLC可編程邏輯控制器和傳感器等組成。人機(jī)交互界面為觸屏式，屏幕按鈕用于人工指令操作，顯示框用來(lái)顯示油箱油液高度和系統(tǒng)壓力；PLC對(duì)傳感器信息和屏幕指令進(jìn)行處理，通過(guò)發(fā)送控制信號(hào)對(duì)油泵和三位四通閥進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制；傳感器是對(duì)系統(tǒng)壓力和油箱油液高度的測(cè)量信息反饋到PLC中。

液壓控制模塊主要由兩個(gè)三位四通電磁閥和單向閥構(gòu)成，三位四通電磁閥是用于交換外油箱、內(nèi)部?jī)?chǔ)油箱、凈化器和油泵之間的管路連接，控制液壓回路中油液的來(lái)源和流向。單向電磁閥防止油泵停止后油液反向流動(dòng)。

超速離心凈化器是自動(dòng)處理裝置的核心部件，待凈化的油液通過(guò)液壓泵輸入到超聲離心凈化器中，凈化后的油液直接流回到凈油油箱中。

儲(chǔ)油模塊用于存儲(chǔ)待凈化油液和凈化后的油液。根據(jù)對(duì)各種機(jī)械設(shè)備油箱容量的分析，大部分油箱的容積低于300升，故儲(chǔ)油模塊設(shè)置了容量為150升的兩只儲(chǔ)油箱，可滿足大部分設(shè)備的油液的存儲(chǔ)凈化需求。

3 油液凈化自動(dòng)處理裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制過(guò)程分析

在油液凈化處理的過(guò)程中，需要對(duì)油液的抽取，凈化，儲(chǔ)存以及抽出等過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。根據(jù)機(jī)械設(shè)備油箱容積的大小，油液凈化過(guò)程分為一次循環(huán)和二次循環(huán)兩種控制模式。其過(guò)程控制如圖2所示。

圖2 控制流程圖

一次循環(huán)狀態(tài)：當(dāng)機(jī)械設(shè)備油箱容積VD小于等于廢油儲(chǔ)油箱V1時(shí)，系統(tǒng)會(huì)首先將待處理油液注入廢油儲(chǔ)油箱V1。待油液抽取完畢，系統(tǒng)進(jìn)入凈化處理階段啟動(dòng)凈化處理模塊，凈化的油液進(jìn)入凈油儲(chǔ)油箱V2。系統(tǒng)會(huì)在屏幕上顯示凈化結(jié)束，等待外界油箱清理準(zhǔn)備完畢，進(jìn)行凈油輸出模塊將凈化后的油輸出。

二次循環(huán)狀態(tài)：當(dāng)機(jī)械設(shè)備油箱容積VD大于廢油儲(chǔ)油箱V1小于兩油箱總體時(shí)，系統(tǒng)會(huì)首先輸入V1體積，這部分油液全部?jī)艋斎氲絍2，這時(shí)設(shè)備會(huì)重新切換到凈油輸入模塊，將VD剩余的油液輸入廢油儲(chǔ)油箱，待凈油儲(chǔ)油箱油液輸出之后再次進(jìn)入油液凈化模塊。

3.2 機(jī)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在控制流程設(shè)計(jì)中涉及到了待處理油輸入控制模塊，油液凈化處理模塊和凈油輸出控制模塊，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)了不同的設(shè)備功能，程序設(shè)計(jì)時(shí)需要分模塊化設(shè)計(jì)，使程序設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)每種模塊的功能需要處理器對(duì)于不同硬件的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩個(gè)方面。

控制系統(tǒng)的硬件由液壓控制裝置和電氣控制裝置構(gòu)成。液壓控制的原理如圖3所示，通過(guò)液壓泵與二個(gè)三位四通換向閥的聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)待處理設(shè)備油箱油液抽取、油液凈化處理以及凈化后的油液輸出到設(shè)備油箱中等控制功能[6～8]。

圖3 液壓控制原理圖

電氣控制裝置主要是對(duì)電磁換向閥和液壓泵的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，采用PLC、液位傳感器、壓力傳感器和觸摸屏操控方式。液位傳感器分別位于兩個(gè)油箱中，壓力傳感器設(shè)置在液壓泵的輸出端。傳感器將模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸入到PLC中，PLC對(duì)信息進(jìn)行處理判斷以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的調(diào)整和系統(tǒng)的監(jiān)控。觸摸屏作為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)處理過(guò)程的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)信息顯示和裝置運(yùn)行的操控[9,10]。

裝置的控制程序分為全自動(dòng)控制模塊、油液輸入模塊、油液凈化模塊和凈化油輸出模塊，分別與控制流程中各個(gè)模塊對(duì)應(yīng)。觸摸屏幕按鈕和顯示框?qū)?yīng)PLC中寄存器地址，觸摸屏對(duì)寄存器進(jìn)行輸入和數(shù)據(jù)讀取，實(shí)現(xiàn)對(duì)程序模塊的運(yùn)行控制和系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

基于超速離心技術(shù)的油液凈化自動(dòng)處理裝置的研發(fā)，充分發(fā)揮超速離心的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)離心力使不同密度的液體、雜質(zhì)和油液分離，從而達(dá)到凈化的目的，為機(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑油、液壓油的凈化處理提供了一種新方法和新途徑。經(jīng)過(guò)樣機(jī)制造、調(diào)試，并對(duì)學(xué)校液壓實(shí)驗(yàn)室的液壓試驗(yàn)臺(tái)油箱中的液壓油進(jìn)行凈化處理測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期目的和效果。下一步將進(jìn)一步完善裝置的結(jié)構(gòu)和控制過(guò)程，尤其對(duì)于一些對(duì)油液凈化精度要求較高的設(shè)備，通過(guò)增加油品成分檢測(cè)與補(bǔ)充功能，以實(shí)現(xiàn)油液的高品質(zhì)再生。為油液的完全凈化回收再利用，減少?gòu)U油處理對(duì)環(huán)境造成的不利影響做出我們的努力。