润滑系统污染控制动平衡建模及仿真

文章编号：１６７１－０７１１（２００７）０３－００５２－０３

中国设备工程２００７．０３

润滑系统污染控制动平衡建模及仿真

曹

岚１，王玉梅２，黄大伟３

１０２２４９；２．大连冰山集团冷冻设备有限公司

１１６０００；

３．辽河油田油气集输公司１２４０００）

摘

要：润滑系统中油液的污染受各种因素的影响，是一个动态的过程。本文通过建立动平衡方程，分析各（１．中国石油大学（北京）机电工程学院，北京

种参数对系统的影响。并用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ．ＮＥＴ对典型润滑系统进行仿真，可以对系统的设计优化带来方便并产生很好的经济效益。

关键词：润滑系统污染；动平衡；仿真中图分类号：ＴＨ１１７

文献标识码：Ｂ

润滑系统的污染是一个复杂的动态过程，一方面由于污染物不断产生，包括外界侵入和系统内部生成，使润滑油中的污染物不断增加；另一方面，又由于各种排除机理而不断被排除。当产生的和排除的相等时，污染就达到了一个动态平衡。所以润滑系统的污染控制包含两方面的内容：一是对污染物侵入率的控制能力；二是对系统内污染物进行过滤净化的能力。本文根据污染物浓度建立了单回路动平衡方程和状态空间表达式，通过数学解析分析各参数对系统的影响。

一、润滑系统污染数学模型

润滑系统往往是复杂的多回路系统，系统中各元器件特性参数对工程机械的整体性能具有至关重要的作用。由于在润滑系统中元件的动态性能相互影响、相互制约以及系统元件自身所具有的非线性特性，使其动态性能非常复杂。数学模型的建立和求解是制约系统理论深入研究探讨的两大障碍。对于工程系统而言，即使是从简化后的系统模型出发所建立的数学模型也往往是非线性的高阶微分方油品中，获得直接经济效益２４０万元／年。

程，方程的求解很困难。为了便于研究主要因素对系统的影响，将其分成若干个单回路并简化，选取典型单回路进行研究，物理模型如图１。

数学模型是在以下假设的前提下建立的：污染物在油液内均匀分布；内其它附件不截留污染物；（４）污染物生成率相对稳定；比相对稳定；

（１）

（２）除过滤器外系统（３）系统不漏油；（５）过滤器的过滤

（６）系统流量稳定。

此系统为一阶系统，有一个变量，设Ｎ０

为状态变量，输出为ｙ＝Ｎ０，根据图２可以写出如下关系式。

令输出方程为ｙ＝Ｎ０

版社，２００４．

（１）

３．实际控制冲洗液进口温度６０℃，出口温度可以控制到８０℃左右，因此机械密封效果更好，

同时取消了机械密封冷却水，提高了现场管理水平。参考文献：

［１］王汝美．实用机械密封技术问答（第二版）［Ｍ］．中国石化出

［２］广廷洪，汪德涛．密封件使用手册［Ｍ］．机械工业出版社，１９９４．

［３］顾永泉．机械密封实用技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００１．

收稿日期：２００５－０９－２２

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统油液的污染度稳态值。根据给定的污染生成率和系统容许的油液污染度稳态值来确定所需的过滤器过滤比。

润滑与密封

分析上述污染度演变规律可以得出以下结论。

Ｎ０＝

ＱＲ１Ｒ１

＋!＋Ｎ\"#$ＶＳ＋１Ｑ!Ｑ!１

０

１

０

２

１

１．润滑系统污染控制存在动平衡现象。系统

（２）

在工作过程中，过滤器不断清除污染，当系统以一定的初始污染度开始工作后，在油液的循环流动作用下，过滤器的污染清除率（即单位时间内被过滤器清除的污染的量）不断地单调变化（初始污染度

（３）（４）

高于污染度稳定值时，单调变小，反之变大），当变化到与系统污染生成率（可以视为恒定）相等时，便达到动平衡状态，表现为单位时间内系统生成的污染等于被清除的污染，并且污染进入稳态。

拉氏反变换得

ＶｄＮ０＋Ｎ＝Ｒ０＋１Ｒ１＋１Ｎ０

ＱｄｔＱ!２Ｑ!１!２０

整理得

ｄＮ０１ＲＲ

＝!!－１ＱＮ０＋０＋１ｄｔＶＶ!２Ｖ１２

寸的颗粒浓度；

!\"其中：Ｎ０———某一瞬间系统油液中大于某给定尺

——油箱污染生成率，即单位时间内侵Ｒ０—入油箱的大于某给定尺寸的颗粒数；

——润滑点的污染生成率；Ｒ１———主油滤的过滤比；!１———回油滤的过滤比；!２———油液体积；Ｖ———系统流量。Ｑ—设Ｎ０的初值为Ｎ００，对方程（４）求解得

２．污染度稳定值Ｎ０与过滤器过滤比!\"、污染生成率Ｒ和系统流量Ｑ有关，而与污染度初始值Ｎ００和油箱容积Ｖ无关。过滤比!\"越大，则过滤效率越高，污染度稳态值Ｎ０越小；反之越大。因此，

提高过滤器过滤比!\"可以有效控制污染。污染生成率Ｒ越大，则污染稳态值Ｎ０越大，反之越小。因此降低污染生成率Ｒ可以有效控制污染。流量

Ｑ越大，则在单位时间内从污染源带走的污染物越多，污染稳态值Ｎ０越小，反之越大，因此大流量

系统有利于污染控制。

ＲＲＲ０＋１Ｒ０＋１Ｑ１－１\"－!!!Ｖｔ!２!２

Ｎ０＝＋Ｎ００－ｅ

１１１－１－!１!２Ｑ!１!２Ｑ

!\"%

&&&&&&&&&&&’

!\"()))))))))))*

１２

３．污染度演变过程与过滤器过滤比!、污染

系统流量Ｑ、污染度初值Ｎ００和油箱容积生成率Ｒ、

Ｖ均有关。达到平衡的时间主要受系数ｅ

的影响，指数项－１－

１

－１－!!１２

!Ｑｔ\"Ｖ（５）

式（５）可用图３所示的曲线描述，污染度随时间而变化，最终达到某一稳态值，当式（５）中的ｔ趋于无穷时，可以求得稳态值的表达式

!１Ｑ为污染度演变的惯性

!１!２Ｖ\"系数，该系数越大，达到稳定的时间越长；该系数越小，达到稳定的时间越短。过滤比!\"、污染生成率Ｒ和系统流量Ｑ均与达到稳态的时间ｔ成反

Ｒ０＋Ｎ０＝

１

１－１\"!!!Ｑ

２

Ｒ１

!２

（６）

比。此时间还与油箱容积Ｖ有关，油箱容积越大，则单位时间内参与系统循环的油液量的比例越小，达到稳态的时间越长，反之越短。

以上分析是在一定的假设和理想的条件下做出的，然而，实际系统的油液污染度往往受工作条件因素的影响，如系统的流量波动和过滤器的旁路泄漏等，因此与实际存在一定的误差。

式中：Ｎ０———Ｎ０的稳态值。

式（６）表达了污染度稳态值与过滤器过滤比、污染生成率和系统流量之间的关系。利用该式，根据给定的污染生成率和过滤器过滤比，可以确定系

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二、系统仿真

利用计算机来运行仿真模型，模仿实际系统的运行状态及其随时间变化的过程，并通过对仿真运行过程的观察和统计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能，这个过程称为系统仿真。

润滑系统污染控制仿真技术是一个新领域，对于润滑油污染这类问题，物理模拟一般都是破坏性的实验，耗资巨大，而用数字仿真大体或部分代替，可以节约许多费用。

对于此系统的仿真，主要想实现如下仿真功能：

（１）通过建立污染控制方程，可以实现对系

（２）预测油箱油液污染（３）分析系统参数尤

（４）评估过

统内任何点油液污染度随时间变化的动态模拟，预测污染达到稳态的时间；度随时间变化的动态过程；

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其是污染侵入对系统污染度的影响；滤器参数、型式和布局的合理性。

下面介绍笔者对润滑系统所做的仿真。此仿真是根据主动预防性维护的三个主要步骤进行的，首先估计系统的洁净度。因为润滑系统污染受多种因素的影响，每种因素又互相影响，所以目前没有一个具体的方法可定量计算污染侵入率。只能通过在线测量或估算的方法，本文采用估算的方法，考虑系统中所有可能的影响因素，每一项记一加权因子，所有各项相加得出污染寿命指数，转换成ＩＳＯ洁净度等级，就得到了系统要求的洁净度等级。仿真界面如图４。

例如对一润滑系统，估算出其污染寿命指数是

７０１，对应的洁净度是ＮＡＳ５级，其洁净度要求比较高。其污染侵入率为Ｒ（５!ｍ）＝３．６×１０５个／ｍｉｎ，

得到系统的洁净度等级以后，对系统进行初始化设计，根据系统油液总体积，定量地确定系统流量，此系统流量为１３５Ｌ／ｍｉｎ。点击确定将会调用基于

ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ．Ｎｅｔ工具箱建立满足公式（４）润滑系统仿真模块图，如图５所示。

这就是污染达到稳态的仿真图，从图５中可以看出，需要０．３７ｍｉｎ系统就达到了平衡，改变油液初始污染度为５００，达到稳态的时间变为０．４９ｍｉｎ，

与理论分析相符。可以改变过滤器的过滤比，仿真分析过滤比对系统污染度的影响，过滤比越高，污染度稳态值越小，与理论分析的结果是相符的。通过调整润滑系统中的参数数值来研究润滑回路各个

参数对系统的影响和变化规律。参考文献：

［１］夏志新．液压系统污染控制［Ｍ］．机械工业出版社，１９８２．［２］吴麒．自动控制原理［Ｍ］．清华大学出版社，１９９２．

［３］唐树才．ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ．ＮＥＴ程序设计与应用［Ｍ］．电子工业出

版社，２００２．

收稿日期：２００６－１１－１８

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