孫潔，王璞，孫曄，徐菱，史元良，張瑞新

(1.華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北唐山 063210；2.中國(guó)信息通信研究院，北京 100191；3.唐山唐鋼房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，河北唐山 063100；4.中國(guó)航天建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100191；5.柯美瑞(唐山)環(huán)?？萍加邢薰?，河北唐山 063000)

0 前言

在軋鋼生產(chǎn)中，由于動(dòng)密封所固有的特點(diǎn)，總是存在較大量的水滲入油膜軸承油系統(tǒng)中的問題。如果不及時(shí)對(duì)油液進(jìn)行除水凈化，必然會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備，影響正常生產(chǎn)[1-2]。如何高效快速對(duì)油品進(jìn)行凈化已經(jīng)成為軋鋼生產(chǎn)過程中亟需解決的重大瓶頸難題[3-6]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，尤其是窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技術(shù)的快速發(fā)展與普及，設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控成為新的發(fā)展趨勢(shì)。借助NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)熱軋潤(rùn)滑系統(tǒng)中油膜油的含水量、污染度、黏度、溫度、壓力、液位等眾多參數(shù)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)分散的凈油設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，統(tǒng)籌規(guī)劃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更加高效率、低成本的運(yùn)作模式[7]。

為此，作者基于NB-IoT的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，在離心凈化和自動(dòng)排水的基礎(chǔ)上，對(duì)油膜軸承油凈化進(jìn)行研究。

1 不同除水方法的比較

游離水、溶解水、乳化水是油液中水分的主要存在形式。游離水主要是指和油液有明顯界面分層的水，形成水包油的狀態(tài)，由于水和油二者不相溶，且水的密度大于油，因此游離水會(huì)在油的底部且有明顯的分層，這類水一般比較容易分離。溶解水往往是水與油融合在一起，形成油包水的狀態(tài)，在油液中的含量一般較小，和油品的種類、外部溫度、壓力等因素有關(guān)，去除難度較大。乳化水是最難清除的，這類水的主要存在方式是懸浮在油液中的小水滴，一般需要特殊的手段進(jìn)行處理。

為此各大科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)對(duì)油液中水分的分離進(jìn)行了大量的研究，期望能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)油品的凈化除水。

1.1 重力沉淀法

工作原理：主要利用油液和水的密度不同和它們之間的不相容性，將油液靜置一段時(shí)間進(jìn)行除水。一般各軋線采用雙油箱設(shè)計(jì)，生產(chǎn)過程中兩個(gè)油箱一用一備，兩油箱定期切換，備用油箱靜置排水。

缺點(diǎn)：該方法只能除去油液中的游離水，無(wú)法除掉油液中其他形式存在的水，且需要雙倍的油液，成本較高。

1.2 真空除水法

工作原理：主要是利用水和油液的沸點(diǎn)不同，通過真空蒸餾的方法使油液中的游離水、溶解水、乳化水分離出來，可以去除油液中所有的水。

缺點(diǎn)：(1)能耗高；(2)由于真空除水的設(shè)備容量小，除水效率低；(3)加熱時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致油液的劣化，降低油液的使用壽命。

1.3 吸附和吸收法

吸附是采用某種親水介質(zhì)，將油液中的水溶于這種介質(zhì)，從而將水油分離，是一種物理反應(yīng)。吸收是利用某些化學(xué)材料與水發(fā)生反應(yīng)，生成易于從油中分離的化合物，從而將油水分離，是一種化學(xué)反應(yīng)。

缺點(diǎn)：需要經(jīng)常更換吸附和吸收介質(zhì)，成本高。

上述3種方法或是無(wú)法完全除水，或是運(yùn)行成本過高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為此采用離心重力分離方法，并輔以自主發(fā)明專利——自動(dòng)排水裝置，再借助NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)油品含水量、污染度等參數(shù)以及油品凈化設(shè)備各運(yùn)行參數(shù)的在線實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，真正達(dá)到快速高效自動(dòng)除水。

2 基于離心機(jī)制的自動(dòng)除水方案

2.1 離心凈化原理

離心凈化主要是借助離心力，使密度不同的物質(zhì)進(jìn)行分離。離心力與重力計(jì)算公式如下：

F=mω2r

(1)

G=mg

(2)

式中：F為離心力；m為質(zhì)量；ω為角速度；r為半徑；G為重力；g為重力加速度(一般取9.8 N/kg)。

首先把油箱的油液引入到離心桶組件，在離心桶組件高速旋轉(zhuǎn)的過程中會(huì)產(chǎn)生很高的角速度，由離心力和重力公式可知，當(dāng)ω2r遠(yuǎn)大于g時(shí)，離心力就會(huì)遠(yuǎn)大于重力。在轉(zhuǎn)速相同的情況下，由于油液中油和水以及各種金屬或非金屬固體污染物的密度不同，因而它們所承受的離心力也不同，從而沉降速度不同。根據(jù)離心機(jī)制，密度大的各種污染物承受的離心力較大，因此會(huì)遠(yuǎn)離中心軸，在離心力的作用下，飛出碟片的邊緣，落在離心桶內(nèi)壁上，順著內(nèi)壁落在下方的納污盒中。而密度相對(duì)較小的油，因所受到的離心力也較小，則仍然滯留在碟片內(nèi)，從中間的管路返回油箱，從而能使各組分有效地分開，完成油品的凈化[8-10]。離心凈化原理如圖1所示。

圖1 離心凈化原理

油箱中的油液在增壓泵的作用下，經(jīng)過輸油管，被送至輔助油箱，然后用真空泵對(duì)油液進(jìn)行排氣處理，再將油液送至高速旋轉(zhuǎn)的離心桶組件。根據(jù)離心機(jī)制，密度大于油液的污染物會(huì)進(jìn)入納污盒，而密度較小的潔凈油會(huì)從中間的管道返回油箱[11]。經(jīng)過反復(fù)多次操作，就可以實(shí)現(xiàn)油液的高精度凈化。

2.2 自動(dòng)排水裝置

由于油液在凈化過程中分離出大量的水，如果人工進(jìn)行排放或通過控制電磁閥自動(dòng)排放，其排水速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需求。作者利用自主發(fā)明專利——自動(dòng)排水裝置，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)180 L/h速度快速將離心分離出來的水自動(dòng)連續(xù)地排出。

自動(dòng)排水裝置由殼體、閥芯、平衡彈簧等組成，殼體內(nèi)通過平衡彈簧安裝有閥芯，閥芯在水的壓力和平衡彈簧的作用下開啟完成排水作業(yè)。由流體力學(xué)可知，水的體積越大，對(duì)離心桶內(nèi)壁產(chǎn)生的壓力也就越大。所以殼體內(nèi)水的體積越大，閥芯開度越大，排水速度就越快，這就解決了排水不及時(shí)的問題，實(shí)現(xiàn)了在不停機(jī)條件下自動(dòng)連續(xù)排水的功能。自動(dòng)排水裝置結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 自動(dòng)排水裝置結(jié)構(gòu)示意

2.3 自動(dòng)排水裝置與離心組件的配裝

在離心桶本體的內(nèi)壁下部中心軸對(duì)稱位置安裝該自動(dòng)排水裝置。該裝置工作時(shí)，當(dāng)從被凈化的油液中分離出足夠的水量時(shí)，水從進(jìn)水孔進(jìn)入空腔殼體中，并在離心力的作用下流向空腔殼體的邊緣。分離水量越大，水對(duì)離心桶本體內(nèi)壁所產(chǎn)生的壓力越大，閥體與空腔殼體之間的空隙越大，水從空隙流出的排水量就越大；當(dāng)從被凈化的油液中分離的水量足夠小或者沒有水時(shí)，閥體就在平衡彈簧的作用下，通過頂緊塊頂緊出水口，以達(dá)到離心場(chǎng)密封的作用，實(shí)現(xiàn)正常的雜質(zhì)凈化功能同時(shí)，保證離心桶的正常工作。離心桶組件結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 離心組件結(jié)構(gòu)示意

3 基于NB-IoT的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控

3.1 技術(shù)路線

通過設(shè)計(jì)的各種參數(shù)的監(jiān)測(cè)模塊對(duì)油品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而得到含水量、污染度、溫度、壓力、液位等眾多參數(shù)信息。技術(shù)路線如圖4所示。

圖4 技術(shù)路線

通過設(shè)計(jì)NB-IoT的通信協(xié)議部署方案等對(duì)從感應(yīng)層收集上來的信息進(jìn)行無(wú)線傳輸，通過NB-IoT基站上傳到監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與分析[12]。

監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)通信協(xié)議提取報(bào)警信息中的報(bào)警類型及數(shù)據(jù)，并在平臺(tái)中進(jìn)行二次判定。此時(shí)如果大于閾值則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而啟動(dòng)相關(guān)的設(shè)備來進(jìn)行處理。

3.2 系統(tǒng)硬件組成

硬件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、NB-IoT 通信模組和服務(wù)器平臺(tái)三部分構(gòu)成[13-14]，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件組成框圖

首先利用STM32單片機(jī)采集傳感器的各項(xiàng)數(shù)據(jù)(污染度，含水量，溫度，壓力，液位等)，然后通過BC-95通信模組通過基站把數(shù)據(jù)傳送到云服務(wù)器存儲(chǔ)，用戶可以使用手機(jī)、iPad以及計(jì)算機(jī)客戶端訪問云平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)信息。當(dāng)油品污染度或者含水量超過某一閾值時(shí)，便發(fā)出報(bào)警信號(hào)對(duì)油品進(jìn)行處理，其目的是防止損壞相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備，以造成不必要的損失。

3.3 軟件流程

此系統(tǒng)軟件包括主程序、各項(xiàng)數(shù)據(jù)(溫度，壓力，液位，污染度，含水量)接收子程序、發(fā)射和接收子程序等。當(dāng)設(shè)備開機(jī)時(shí)，首先是系統(tǒng)和變量開始進(jìn)行初始化，然后相關(guān)設(shè)備開始連接網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)連接成功之后，把傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT基站進(jìn)行傳輸，用戶可以使用手機(jī)、iPad以及計(jì)算機(jī)客戶端接收信息，如果用戶接收不到信息，一段時(shí)間之后NB-IoT基站就會(huì)再次向用戶發(fā)送信息，直到用戶接收到信息為止。系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程

4 實(shí)際效果分析

某鋼鐵公司熱軋廠線材精軋機(jī)60 m3潤(rùn)滑站，使用殼牌T100油膜軸承油進(jìn)行潤(rùn)滑。該公司要求污染度(NAS1683)低于8級(jí)，含水量低于0.03%。使用作者設(shè)計(jì)的自動(dòng)排水式離心式凈油機(jī)對(duì)油品進(jìn)行凈化處理[15]。

安裝調(diào)試設(shè)備的第一天，對(duì)未凈化的油液取樣化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果顯示油液的含水量為0.542%，污染度指標(biāo)(NAS1683)大于12級(jí)。未凈化的油液樣本如圖7所示。

由于未經(jīng)凈化的油液含水量較大，在凈化初期大量的水經(jīng)自動(dòng)排水裝置排出，最大排水量達(dá)到了180 L/h。圖8為該自動(dòng)排水裝置的排水視頻截圖。

由于凈化前油品污染嚴(yán)重，含水量高，無(wú)法給凈油機(jī)充分的時(shí)間，為此對(duì)該凈油機(jī)進(jìn)行了兩個(gè)月的運(yùn)行跟蹤，并取樣送至河北省化工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心化驗(yàn)，具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 油品凈化過程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出：經(jīng)25 d凈化含水量由0.542%降低至0.012%，充分證明了該凈化方式快速除水的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，除雜質(zhì)的效果也非常顯著，由最初的污染度大于12級(jí)降低至污染度8級(jí)。并且在第40 d，污染度降至7級(jí)，滿足了現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)需求。從以上數(shù)據(jù)可以看出：該凈油機(jī)的凈化效果顯著，若長(zhǎng)期使用可以保持油品的潔凈狀態(tài)，并且該凈化方式不需要濾芯等耗材，可以極大地降低油品凈化的費(fèi)用。

5 結(jié)論

使用設(shè)計(jì)的凈油機(jī)對(duì)某鋼鐵公司的潤(rùn)滑站油品進(jìn)行凈化，通過兩個(gè)月的運(yùn)行過程跟蹤與相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，表明該離心凈化方式可以有效凈化油品，滿足企業(yè)生產(chǎn)需求，并且無(wú)需其他耗材等附加費(fèi)用，降低了油品凈化的費(fèi)用，提高了公司的效益。

通過NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱軋潤(rùn)滑系統(tǒng)眾多參數(shù)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且將分散的凈油設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)告警，取代了傳統(tǒng)的人工巡檢方式，使工作人員能夠高效準(zhǔn)確地對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，保障了設(shè)備的安全使用，提高了企業(yè)生產(chǎn)效益。