采用自制的試驗裝置,對多層復合折疊濾芯過濾臟液壓油進行了試驗研究,結果表明:(1)液壓油溫度(或粘度)對濾芯的上下游壓差影響很大。當溫度小于60°時壓差主要由液壓油液的流動性差引起的。隨著溫度的增加,壓差由大變小;當油溫大于60°時,壓差變化趨于平緩,這時產生的壓差基本由污染顆粒在濾芯表面形成濾餅產生。(2)折疊濾芯在試驗前30min臟油中污染顆粒數迅速下降,隨后趨于平緩,運行2h時污染顆粒數量穩定在一個固定范圍內,達到了一個動態平衡狀態。(3)工況條件下測試的濾芯對某粒徑污染顆粒的過濾比數值很小,并且變化很大。
1 前言
在液壓系統中液壓油的污染控制是通過濾芯的過濾實現的。濾芯阻擋污染顆粒的能力關系到液壓系統的正常運轉。圓筒式折疊濾芯已在液壓系統中廣泛應用,過濾材料有濾紙、玻璃纖維、金屬絲網和金屬纖維等。制備一個率折疊濾芯除了要求濾材具有很高的過濾能力外,還需充分考慮濾芯外形結構設計、濾材層數和搭配、折疊參數等方面對折疊濾芯過濾效率的綜合影響[1]。液壓濾芯的過濾效率和納污容量等性能可以采用“液壓濾芯過濾性能評定的多次通過法(iso16889)”檢測,并由此判斷濾芯過濾能力,是濾芯在液壓系統中使用前對濾芯的一個實驗室階段的評價。在實驗室評價過濾性能是向清潔系統中按一定速度注入一定粒度范圍的污染顆粒,對濾芯上下游所含有的污染粒子進行計數,用以判斷濾芯阻擋污染物的能力。然而,在實際應用中,濾芯工作在一個相對密封的液壓系統中,液壓系統中的污染顆粒主要產生于液壓件的磨損,濾芯通過阻擋污染顆粒來實現液壓系統中液壓油的污染控制。為了能夠準確地評價新研制的折疊濾芯在工況條件下的過濾能力,設計搭建了一個試驗裝置,利用此裝置對折疊濾芯進行了過濾試驗,對濾芯的過濾特性進行了研究,為折疊濾芯在工程中應用提供參考。
2 試驗部分
2. 1 試驗裝置及原理
污染控制理論認為:一定污染的油液,經過反復過濾后,隨著過濾時間的延長,其污染度會逐漸降低,但zui終會達到一個平衡[2],因此,可以通過檢測油液的污染度的變化,可以看出濾芯過濾能力的大小。試驗裝置如圖1所示。
整個裝置形成一個整體密閉的液壓系統。在過濾器中安裝濾芯,在其上游壓力記為p1,下游壓力記為p2。流量表q串聯在系統管道中,由泵的轉速來調節系統中油液的流速。液壓試驗裝置運行時濾芯對油液中的固體顆粒污染物進行過濾時濾芯上下游產生一定的壓差,壓差的大小在一定程度上反映濾芯被堵塞的程度。過濾器上下游的油樣中污染顆粒數量的多少及其變化量是濾芯捕捉污染顆粒能力的重要反映。
2. 2 主要檢測儀表及儀器
采用便攜式顆粒計數器(pods)記錄污染液中不同粒徑固體顆粒的數量,檢測前油液樣品采用hy-4調速多用振蕩儀振蕩均勻。流量表為轉子流量計。過濾試驗裝置中過濾器上下游的壓力采用測試精密指針式壓力表(量程為1mpa)測試。液壓油液的溫度由熱交換器調節,采用數顯溫度感應器檢測油液的溫度。
2. 3 過濾元件及試驗用液壓油
試驗元件采用某有色金屬研究院研制的分離用折疊濾芯,濾芯外形尺寸為φ76mmx203mm,展開的總過濾面積為3.3x105mm2。折疊濾芯在制備時充分考慮了影響濾芯壓差和壽命的相關因素,過濾控制層和支撐層進行了合理的搭配,形成了梯度孔結構,這些設計有利于提高濾芯的過濾能力和納污容量。實驗采用名義精度為10lm濾芯進行試驗,并與相同名義精度、外形尺寸和總過濾面積的國外進口濾芯進行了試驗對比。液壓系統中采用的油液介質是某綜合傳動箱跑車3000km的油液,屬于高污染的臟油。
2. 4 試驗方法
試驗裝置在注入臟油前用一定量的干凈液壓油對整個系統進行了清洗。將總量為200l臟油采用油泵來回攪動1h,目的是將臟油中的污染顆粒均勻分布。從200l臟油中分出50l的臟油注入試驗裝置中,通過調節油泵轉速調節流量保持在120l/min;液壓油初始溫度為18°。在試驗中由于系統自身發熱,引起試驗過程中油液的溫度逐步升高,實際工況應用與此類似。每隔10min在濾芯上下游取樣口同時取樣,取樣選擇管道中油液處于湍流狀態,每次取樣10ml。油液樣品經過振蕩儀振蕩均勻后用超聲波消除氣泡顆粒,用pods顆粒計數儀進行油液污染分析。同時試驗中每隔一定時間記錄上、下游的壓力和油液的溫度。先后將某有色金屬研究院研制的濾芯(編號x10,x10-2)和進口濾芯(編號v10,v10-2)安裝在試驗裝置中,試驗運行時間均為120min。
3 試驗結果及分析
3. 1 液壓油溫度對濾芯上下游壓差的影響
圖2為兩種濾芯上下游壓差的變化對比。由圖可知,壓差隨溫度升高而下降,溫度升到60°時壓差穩定在0.09~0.10mpa。由流體滲透理論可知:在流量和溫度一定的情況下,清潔濾芯對臟油過濾時污染顆粒會被濾芯的濾材攔截并堵塞孔,隨著時間的延長形成濾餅,濾芯上下游的壓差會升高。但是本次試驗中兩個濾芯的上下游壓差值是下降的,說明由于濾餅的形成對濾芯壓差的產生貢獻很小,油液溫度對過濾壓差的影響很大,并且處于優勢。這是因為油液的溫度低時其黏度大,流動性差,需加大壓差才能透過濾芯;隨著溫度的增加,油液的黏度變小,流動性增強,壓差變小。當油液溫度大于60°時,油液粘度產生的壓差數值較小,而由污染顆粒堵塞濾芯引起的壓差數值起決定性作用,說明了試驗運行1h后,濾餅已經形成,油液中的污染顆粒已經處于一種動態平衡。在流量恒定為120l/min的情況下,濾芯的壓差將保持不變。圖2中顯示x10的壓差較v10-2的壓差大,說明影響壓差的因素除了油液的溫度(具體說是粘度)外,還有其它因素,比如初始臟液壓油的污染度等[3]。
3. 2 液壓油污染顆粒數量的變化
該試驗條件下,近似認為外界對試驗系統沒有污染的侵入,整個系統污染源主要是齒輪泵的磨損。由于系統的負載相當小,試驗認為整個系統中的污染顆粒的總數是一個定值。根據污染控制理論,在臟油中污染顆粒在過濾一段時間后將迅速降低,其污染顆粒數量的變化見圖3、4。
由圖可看出,兩次試驗所使用的臟液壓油的污染顆粒的粒度分布有很大的差別,這一點可以從油液的初始污染顆粒數獲得,即過濾x10濾芯所采用的臟油偏粗,而v10濾芯所采用的臟油偏細。雖然初始污染度不同,但經過2h的試驗后,污染顆粒都降到55000個/ml左右。在過濾試驗運行的前30min,對于大于1lm的污染顆粒下降的幅度很快,說明清潔濾芯的初始一段時間的過濾能力很強。從下降的幅度來看,v10濾芯要略快于x10濾芯,但從下游的走勢曲線對比來看,兩條曲線的差別不大,即兩者的過濾能力相當。由圖5可知, 1lm污染顆粒的過濾比大致在1~1. 15之間,甚至有出現小于1的情況,說明名義精度為10lm的濾芯對1lm污染顆粒的阻擋能力非常弱。圖6顯示, 10lm污染顆粒的過濾比明顯高于1lm污染顆粒的過濾比,但遠小于在實驗室根據iso16889多次通過法檢測的數值。造成這種現象的原因除了本試驗方法和多次通過法有不同外,還說明濾芯在工況環境下使用濾芯在形成濾餅后其過濾比一直在發生變化。在過濾過程中,濾芯對某粒徑的污染顆粒的過濾能力是相對的,隨著過濾時間的延長,上下游顆粒數量zui終達到一個平衡,這一點從圖2中曲線的走勢亦可看出。由圖5、6的過濾比對比結果顯示,x10濾芯的過濾比高于v10濾芯,說明x10的過濾能力優于v10,這與實驗室檢測的結果一致;但是不能排除由于兩種濾芯過濾臟油的污染顆粒的粒度分布不同造成的這種可能。
4 結論
(1)兩種折疊濾芯在過濾臟液壓油時,隨著油液的溫度升高,濾芯上下的壓差下降,說明液壓油溫(粘度)對濾芯壓差影響大大超過了由于臟油過濾堵塞引起壓差增大的趨勢。當油溫大于60°時,壓差變化趨于平緩,這時產生的壓差基本由污染顆粒在濾芯表面形成濾餅產生。
(2)兩種名義精度為10lm的折疊濾芯在初始時間(30min前)過濾能力均很強,使得臟油中污染顆粒數迅速下降,隨后趨于平緩,運行120min后,污染顆粒數量穩定在一個固定范圍內,達到了一個動態平衡狀態。
(3)工況條件下測試的濾芯對某污染顆粒粒徑的過濾比數值很小,并且變化很大,甚至有小于1的情況發生,說明工況條件下濾芯的過濾比與實驗室檢測的過濾比含義不同,并且受到污染顆粒粒度分布等因素的影響。根據本實驗結果,x10濾芯的過濾比高于v10,說明x10的過濾能力優于v10,這與實驗室檢測的結果一致。