智能润滑系统变径管路优化设计与应用

周 华，王嘉伟，张 辉，范华超，江 帆，陈 涛

1国家能源集团新疆能源有限责任公司 新疆乌鲁木齐 830014

2中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州 221116

对 生产设备来说，良好的润滑是其正常运行的 重要保障。智能润滑系统的出现，使得设备润滑更加精准、及时、科学有效，从而保障了设备安全高效运行。智能润滑系统需借助管路把润滑油输送到各个润滑点，故润滑油管路对智能润滑系统的运行起着关键作用。当对润滑管路出现的问题，主要集中于对故障的分析，进而对管路进行维护。如田乐意对钻机液压系统泄露进行了故障分析并提出了对策[1]；王立文等人提出了一种概率神经网络的液压管路系统泄露故障诊断方法[2]；陈喜通等人设计了一种液压系统泄漏故障在线智能诊断系统[3]。新疆能源有限责任公司某套活性炭生产设备用智能润滑系统的管路口径和过滤器通口口径不一致，需通过变径管路连接机构将两者连接。由于此连接机构由多个构件组合而成，存在焊点多、接口多，易爆管和泄漏等问题。故针对上述问题，对原有连接机构进行优化，设计了一体式高强度变径接头。通过减少连接件，提高管路可靠性，降低安装工作量，使智能润滑系统能够安全高效运行[4]。

1 问题分析

活性炭生产设备工作环境恶劣，存在粉尘多、温度高、载荷重、连续运行时间长、润滑点分布范围广等特点，对智能润滑系统的可靠性提出了更高的要求。原新疆能源有限责任公司某套活性炭生产设备的智能润滑系统管路连接机构，使用的是常规变径管路连接件，如图 1 所示，主要由截止阀焊接短管、变径接头卡套短管、变径接头、过滤器卡套接头组成。

图1 常规变径管路Fig.1 Traditional reducing pipeline

该管路系统接口多，焊点多，不仅增加了安装难度，还增加了泄漏和爆管的风险，影响整个智能润滑系统的可靠运行。工程技术人员曾采用常规气密性检测方法对该管路进行打压测漏试验，发现以下问题需要关注。

(1) 焊口加工成型后未发现漏点。相较于螺纹连接，焊接可使连接件间具有更好的气密性。但焊接部位材料的耐压能力比管材要低很多。此外，管路焊接部位需要做专门的防腐处理，并且质量不易控制。在长时间使用过程中，焊缝部位易出现锈蚀、脱落和破裂等现象，成为设备智能润滑系统爆管和泄漏的危险点。因此，设备智能润滑系统管路中要尽量减少焊点数量，提高系统整体可靠性。

(2) 个别截止阀前后接头处有漏点。智能润滑系统截止阀处存在压力变化情况，薄弱连接部位容易出现泄漏。根据设备智能润滑系统压力分布情况，采用更换接头内耐高压组合垫圈的措施来解决此类泄漏问题。

(3) 整个连接件长 200 mm，尺寸较长，需要焊接或螺纹连接接头较多，压降明显。

(4) 截止阀到过滤器间的变径接头有漏点。经过分析发现，由于常规不锈钢管表面粗糙且存在圆度偏差，用卡套连接方式会存在锁不紧现象。

上述问题会影响原有智能润滑系统的使用效果，最终导致设备难以正常运行。为了提高生产效率和设备使用率[5]，对常规变径管路进行了优化设计。

2 总体优化方案

2.1 优化目标

通过对常规变径管路进行优化，提升系统运行的可靠性，保障活性炭生产设备的正常运行。具体优化目标为[6]：

(1) 优化管路结构，降低施工难度，使管路安装更加方便快捷；

(2) 减少焊点和接头数量，降低管路爆管和泄漏的风险；

(3) 减少压降，润滑油经过截止阀后能够正常变径流入过滤器。

2.2 结构优化

管路是整个系统中的重要组成部分，其结构和原理并不复杂，但传统多构件实现的变径连接方式存在泄漏和额外压降等不足。针对以上问题，将常规变径管路改造为一体式高强度变径接头，如图 2 所示。将其应用于管路中，形成变径优化管路，如图 3 所示[7]。优化后的结构减少了 1 个焊口和 3 个卡套式接头，解决了不锈钢管卡套式连接方式存在的锁不紧问题，不仅降低了安装难度，还减少了爆管和泄漏风险，保证了智能润滑系统的安全运行。

图2 一体式高强度变径接头Fig.2 Integrated high-strength reducing joint

图3 变径优化管路Fig.3 Optimized reducing pipeline

3 建模仿真及分析

笔者采用建模—分析—计算—结果比较[8]，来分析常规变径管路优化前后智能润滑系统性能的优劣。首先建立三维模型，再分别导入仿真软件中进行应力和压力仿真分析，最后通过比较应力和压力来验证优化效果。

3.1 应力分析

3.1.1 有限元模型建立

采用 ANSYS 软件建立有限元分析仿真模型。首先，将三维模型导入仿真模块，然后对三维模型进行网格划分[9]。三维模型网格的单元类型和大小，影响仿真计算时间和结果精确程度。优化前常规变径管路长度为 200 mm，优化后长度为 47 mm，经过分析比较，采用四面体网格单元，最小单元尺寸为 0.5 mm 时，即可满足仿真计算时间与计算结果精度的要求。常规变径管路优化前后的网格划分如图 4 所示。对模型进行材料性能参数设置，304 不锈钢性能参数如表 1 所列。

图4 网格划分Fig.4 Grid division

表1 304 不锈钢性能参数Tab.1 Property parameters of 304 stainless steel

3.1.2 边界条件设置

对管路结构进行仿真计算前，需要限制模型的自由度，即将仿真模型的小端固定。对仿真模型分别施加一个轴向载荷和径向载荷进行仿真分析。管路优化前轴向载荷和径向载荷分别作用在大端截面上、粗管与细管卡套接头的螺母上，如图 5 所示。管路优化后，轴向载荷和径向载荷分别作用在大端截面上、大端螺母上，如图 6 所示。

图5 管路优化前载荷受力Fig.5 Loading before pipeline optimization

图6 管路优化后载荷受力Fig.6 Loading after pipeline optimization

3.1.3 仿真结果分析

在实际工况中，管路首端压力为 15～23 MPa，变径处压力为 5～10 MPa。为了直观地比较优化前后管路的优劣，施加 10 MPa 的轴向载荷进行仿真计算，管路优化前的仿真结果如图 7 所示。由图 7 可知，在 10 MPa 轴向载荷的作用下，管路优化前的最大变形量为 1.694 9 mm，最大等效弹性应变为 0.132 080，最大等效应力为 217.090 MPa。

图7 管路优化前 10 MPa 轴向载荷的仿真结果Fig.7 Simulation results at 10 MPa axial load before pipeline optimization

对优化后的管路进行仿真，其结果如图 8 所示。由图 8 可知，管路优化后最大变形量为 0.341 05 mm，最大等效弹性应变为 0.038 424，最大等效应力为 68.077 MPa。管路优化前后，受力分析对比如表 2 所列。由表 2 可知，管路优化后最大变形量、等效弹性模量、等效应力都更小，说明在轴向载荷相同的情况下，其更具有优越性。

表2 管路优化前后受力分析对比Tab.2 Comparison of stress analysis before and after pipeline optimization

图8 管路优化后 10 MPa 轴向载荷的仿真结果Fig.8 Simulation results at 10 MPa axial load after pipeline optimization

由伯努利方程可知，在系统中润滑油对管壁的压力为 0.05～ 0.20 MPa，故对优化前后管路施加 0.01 MPa 的径向载荷进行仿真分析。管路优化前后的仿真结果如图 9、10 所示。由图 9 可知，管路优化前管路在 0.01 MPa 的径向载荷下最大变形量为 1.650 60 mm，最大等效弹性应变为 0.007 611，最大等效应力为 15.212。优化后管路在 0.01 MPa 的径向载荷下最大变形量为 0.014 282 mm，最大等效弹性应变为 0.000 559 74，最大等效应力为 0.976 MPa。管路优化前后在 0.01 MPa 径向载荷作用下的受力情况如表 3 所列。由表 3 可知，在径向载荷作用下，优化后的管路更具有优越性。

图9 管路优化前 0.01 MPa 径向载荷的仿真结果Fig.9 Simulation results at 0.01 MPa radial load before pipeline optimization

图10 管路优化后 0.01 MPa 径向载荷的仿真结果Fig.10 Simulation results at 0.01 MPa radial load after pipeline optimization

表3 管路优化前后 0.01 MPa 径向载荷下受力分析对比Tab.3 Comparison of stress analysis at 0.01 MPa radial load before and after pipeline optimization

从应力仿真分析来看，无论是在轴向载荷作用还是径向载荷作用下，管路优化后都具有优越性，达到了预期的优化目标，更加符合现场使用要求。

3.2 压力分析

3.2.1 模型建立

将 SolidWorks 中生成的三维模型导入 Fluent 中，并确定求解的区域以及流场的进出口[10]；然后在平衡计算精度与迭代速度之后进行网格划分；接着对初始温度以及液体的物理参数进行设置，初始温度设置为 25 ℃，液体密度为 839.9 kg/m3，液体黏度为 0.063 8 Pa·s，进口压力设置为 10 MPa；最后选择合适的求解方程对模型进行求解。

3.2.2 仿真结果分析

经过对模型进行求解，优化前后的管路压力仿真结果如图 11 所示。由图 11 可知，在相同进口压力的情况下，管路优化前出口压力小于优化后的出口压力，优化后的压降更小。

图11 优化前后的管路压力仿真结果Fig.11 Simulation results of pipeline pressure before and after optimization

4 现场应用

2022 年 3 月底，高强度一体式变径接头在新疆能源有限责任公司活性炭生产设备智能润滑系统中投入使用，现场应用如图 12 所示。使用变径接头将截止阀与过滤器相连，与优化前相比减少了 1 个焊点和 3 个接口。现场应用结果表明，管路优化后的智能润滑系统运行可靠，在 6 个月的使用中没有出现新漏点，且生产能耗明显下降。

图12 管路优化后的润滑系统Fig.12 Lubrication system after pipeline optimization

5 结论

通过对智能润滑系统管路进行优化，将截止阀焊接短管、变径接头卡套短管、变径接头、过滤器卡套接头集成为高强度一体式变径接头，经过仿真分析及生产现场应用表明该接头有如下优点。

(1) 减少了连接件数量，降低了施工难度。

(2) 该接头在抗应力应变方面具有优越性，降低了爆管和泄漏的风险，提升了系统运行的安全性，保障了活性炭生产设备的正常运行。

(3) 该接头在压降方面也具有优越性。更小的压降使智能润滑系统能耗更低，降低了生产成本。