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弹簧油淬冷却系统分析及改造DOC
弹簧油淬冷却系统分析及改造
见习生：
张冠宇
指导老师：
马永涛
专业：
材料成型及控制过程
见习单位：
弹簧事业部
完成日期：
2014.06.04
弹簧油淬冷却系统分析及改造
摘要：
弹簧淬火工序是弹簧制造过程中的一道关键工序，淬火质量的好坏直接影响了弹簧的质量。
而淬火质量的主要因素是淬火液的质量及温度，控制好这两点就能很好的控制淬火质量。
而我事业部四、五线的冷却系统存在一定的问题，油温上升较快，冷却效果不佳导致淬火效率低下（淬火温度不得大于80℃，若超过需要待油温降下来后才能继续淬火）。
本文通过对四线油淬冷却系统的管道及热交换器进行较为详细的分析，力图解决其中存在的问题，在提高淬火效率的同时能够提高淬火质量。
关键字：
弹簧淬火冷却系统热交换器
第1章绪论
1.1中国弹簧行业的现状
中国弹簧行业是由弹簧生产企业及与弹簧生产相关联企业两部分组成，前者以生产弹簧为主，后者以服务于弹簧生产的弹簧材料制造、弹簧生产设备包括检测设备制造为主。
两者以弹簧产品为纽带形成利益一致的共同体，参加行业组织，参与行业活动。
弹簧作为通用基础件，量大面广，应用领域几乎涉及到国民经济所有领域，由于使用环境、场合、功能各异，使各种弹簧的形状和大小差别悬殊，品种繁杂。
正因为弹簧本身所具有的固有特征，生产弹簧投资不大，入门技术门槛不高，所以吸引不少人投身于此，全行业内企业数量多达1000余家，遍布于全国各地。
1.2南方汇通弹簧事业部的现状
事业部目前有五条弹簧生产线，有无心磨床、自动碾尖机、轧锥机、数控卷簧机、自动卷簧机、连续式回火炉、数控磨簧机、抛丸机、探伤机、冷卷机、性能试验机等先进设备，年产能100万套。
事业部以生产圆柱螺旋压缩弹簧为主，拥有五条圆柱螺旋弹簧流水生产线和中频感应电加热设备，能生产料径9mm～50mm、最大外径Φ470mm、内径Φ40mm～350mm、最大自由高度728mm的各型热卷圆弹簧。
随着产品种类、数量增加，以及弹簧的要求更高，对设备的要求也越来越高，但是事业部许多设备陈旧，弹簧的生产效率和质量问题存在一定的挑战。
1.3弹簧油淬冷却系统分析及改造的目的及意义
在日趋激烈的竞争过程中，产品的质量与生产效率是很重要的因素。
而我事业部四、五线的冷却系统一直存在的问题，油温上升较快，冷却效果不佳导致淬火效率低下（淬火温度不得大于80℃，若超过需要待油温降下来后才能继续淬火），同时，温度过高会对淬火质量有很大影响，温度过高会批量导致淬不透，硬度偏低，导致弹簧报废。
冷却系统存在的问题影响着弹簧的质量与生产效率，进而影响了我们产品的市场竞争力。
为了更好的适应市场，对弹簧油淬冷却系统分析及改造刻不容缓。
第2章弹簧油淬冷却系统的分析
2.1弹簧油淬冷却系统油路及水路流程示意图
油淬冷却系统的主要设备参数如下
1）油水板式换热器参数
弹簧四号生产线原有冷却系统有板式换热器共3个，其中两台为水冷，一台为空冷，板式换热器参数：
型号：
BR30型；传热面积：
30m2；工作压力：
1MPa；工作温度：
150℃；
2）油泵参数
油管尺寸：
2寸、进油温度：
60℃（实测平均进油管温度）、出油温度：
49℃（实测平均出油管温度）、流量30吨/小时、扬程：
27m，功率4kW。
温度测量点为板换的进油口和出油口。
板换2周清洗一次，前两天冷却效果还可以，然后就不行了。
清洗时发现油路很脏，水路有垢。
3）水泵参数
水泵流量：
70吨/小时、扬程：
40m、功率：
15kW、水管尺寸：
2寸、进水温度：
23.3℃（实测平均进水管温度）、出水温度：
38.7℃（实测平均出水管温度）。
温度测量点为板换的进水口和出水口。
测量当天的环境温度26～30℃，水池水温26℃。
原有水泵供了3个地方的冷却用水。
4）管道及系统参数
油路管道为DN50，循环管路总长度约20m；水路主管道为DN40，循环管路总长度约60m，设备为平面布置，高差不超过5m（含冷却塔高度）。
2.2存在的问题
1）冷却效果不够，易造成堵塞，引起测温上升，为了避免测温不升高到80℃以上，生产中两周清洗一次板换太麻烦。
2）拆卸次数多以后，就会造成密封圈（120片/1台）变形，造成油和水相互渗漏，影响产品质量。
2.3弹簧最大热负荷计算
最大产量时，同时入池的弹簧重量：
15分钟÷0.5分钟/件×9.3kg/件=280kg、淬火温度：
830℃～870℃（一般多数在850℃左右）、工件出池温度：
50℃、每池淬火时间：
15分钟（为连续流水作业，测量了单个工件进入油槽到出油槽的时间）、每天工作时间12小时。
通过以上数据，根据公式热量公式Q=Δt*m*C，可以计算出每小时需要散走的热量
Q=Δt*m*C=（850-50）x[9.3x（60/0.5）]x0.46x103J=4.11x108J
2.4冷却系统数据测量与统计
为了了解四线油淬冷却系统的现状，在中南大学的江教授帮助下，对现场的冷却系统进行了测量。
经对2013年11月1日弹簧四号生产线全天生产量统计和温度测试结果分析可知，水平均从23.3升到38.7℃，温差15.4℃，水侧流量估算最大为6.4m3/h。
油平均从60℃降到49℃，温差11℃，油侧流量估算最大为18.8m3/h。
2.5冷却系统问题分析
通过对冷却系统测量发现：
油侧和水侧的流量都偏小，与油泵和水泵参数有较大差异。
造成流量小的原因一方面是堵塞引起的，另一方面是因为油侧和水侧的管道偏小，有必要将系统和换热装置一同进行改造。
对热交换器进行分析，造成容易堵塞的原因如下：
1）换热器流体流量偏小
从上述分析可知，换热器油路和水路的流量偏小，在小流量的情况下，流体流速太小，不容易将流体中的杂质带走，换热器很容易堵塞。
造成流量小的主要原因之一是管道直径小造成系统管阻力很大。
2）现有换热器结构形式易堵
板式可拆式板换虽然方便清洗，但板式换热器对流体的干净程度要求较高，板式换热器的结构决定它很容易堵塞。
3）换热器前没加过滤装置
由于系统的工作环境较差，冷却油里含有较多杂质，容易造成换热器堵塞，最好对冷却油进行过滤后才能进入换热器。
第三章解决方案及设计
通过对现有淬火冷却系统的分析，在中南大学江教授的指导下，制定了以下方案，同时委托江教授设计了热交换器及相应的配件。
1、总体方案
1）对原有系统管路进行改造，油管路和水管路的管径最少应该使用DN80的管道,必须保证油路和水路一定的流量。
2）要重新校核水泵和油泵的流量和扬程是否符合要求：
在保证上述流量、并使用DN80管路情况下，油泵和水泵的扬程均不低于30m。
原有水泵由于供了3个地方的用水，3个回路分水不均且到换热器的管路较远、管径也小，造成流量很小，建议单独加装一台水泵直接供换热器的循环冷却水，流量20m3/h，扬程30m，管径DN80。
2、可拆特制管式换热装置
将板式换热器更换成不易堵塞的特殊结构的管式换热装置，管式换热装置两端带可拆的封头，可方便进行清洗；同时，管式换热装置内换热管采用外径为16mm（内径14mm）的整根不锈钢直管，管道与管板采用胀接加焊接，确保水与油的有效分离。
两端拆卸后只有一个圆型垫圈，便于安装，不易损坏，可拆管式换热装置外型结构如图1所示，外型尺寸为DN600*3580mm。
设计参数：
油进60℃、油出45℃，油侧流量21m3/h
水进30℃，水出40℃，水侧流量15m3/h。
图1可拆管式换热装置外型结构图
3、在水路和油路上加装去污过滤器
为了避免换热器的堵塞，有必要在水路和油路上加装去污器进行过滤处理。
在水路上加管道Y型过滤器，在油路上加特制去污器，必须进行定期清洗。
过滤器设排污口（图中C管口）可定期排污。
去污过滤器外型结构如下图所示。
4、在系统中加装温度和压力传感器
在换热装置的两测加装温度传感器，在水泵的两测加装压力表，以监测系统运行时油路和水路的阻塞情况，为清洗周期提供依据。
5、系统改造原理简图
第四章使用效果分析
设备安装调试后，为了确定热交换器的使用效果，对热交换器进行了跟踪测量，测量效果如下表
时间
进油温度（℃）
出油温度（℃）
进水温度（℃）
出水温度（℃）
油温（℃）
入池个数（个）
工件单重
工件入池温度（℃）
工件出池温度（℃）
8:
40
64
44
31
40
53
0
16.5kg
830
60
9:
18
60
42
32
38
51
0
16.5kg
830
60
10:
05
60
42
32
38
68
36
16.5kg
830
60
10:
10
60
42
32
38
68
16.5kg
830
60
10:
24
66
46
34
40
70
14
16.5kg
830
60
10:
30
66.5
46
34
40
70
16.5kg
830
60
11:
00
70
48
34
42
70
29
16.5kg
830
60
11:
05
70
48
34
42
70
16.5kg
830
60
11:
32
71
49
34
42.5
70
27
16.5kg
830
60
13:
30
66
46
32
41
56
16.5kg
830
60
14:
00
68
47
32
42
66
29
16.5kg
830
60
\
\
15:
30
66
46
34
41
\
\
\
\
\
据统计，至11:
32分，弹簧淬火120件，通过上表数据可以看出：
在上午连续工作的过程中，进油温度还是有一定的上升，但上升幅度不大，能使温度控制到80℃以下，生产不会因油温的问题而停下，起到了一定的效果。
造成进油温度的上升的原因可能是水路流量不足，因为生产任务紧，没有更多的时间对水路的管道进行改造，还是使用以前DN40。
对水路流量进行估算：
每小时入池的弹簧重量=120X16.5/2.14=925Kg
每小时需要散走的热量
Q=Δt*m*C=（830-60）x[925]x0.46x103J=3.28x108J
水侧平均温差为40-33=7℃，可以推算：
水侧流量=Q/（Δt*C）=3.28x108/（7X4.2X103）=11.16m3/h
第5章存在的问题及下一步打算
通过对使用效果的分析可以看出，整个冷却系统还是存在一定的问题：
1：
进水温度偏高（30℃以上），可能影响冷却效果
2：
水侧流量低于设计值15m3/h（实际估算11.16m3/h）
针对存在的问题，在下一步的工作中：
1：
分析进水温度偏高的原因，对水路冷却系统进行分析，降低进水温度。
2：
对水路管道重新进行改造，使用DN80管道代替现有管道，保证水侧的流量，以此来提高冷却效率。
第六章结论
通过这次对五线冷却系统的改造，解决了油温升高过快的问题，使得冷却系统能满足连续工作且保证油温不高于80℃。
通过这次冷却系统的改造，使得生产线能够连续生产，大大的提高了生产效率，同时在提高了产品的质量同时，也提高了我们产品的市场竞争力，这些都将为我们带来更大的市场。
致谢
来到事业部近一年时间了，实习阶段已接近尾声，即将进入一个新的阶段，对此，我充满期待。
在这一年的工作过程中，我学到了很多，同时将学到的知识正真运用在工作中，让我积累了一段宝贵的经验。
本篇论文的编写和工作过程中，马永涛老师对我不了解问题都一一详细的解答，为我解答了很多问题，也让我学到很多知识，在此，我衷心的对马永涛老师表示感谢，同时感谢江教授对我论文相关设计提供资料并作出指导，感谢帮助过我的领导和同事，让我更快、更好的胜任这份工作。
总之，此次实习我收获颇多，不仅巩固了大学所学习的理论知识，而且还学到了很多新的东西，并真正的把理论跟实践结合在一起。
由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师批评和指正！
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