液力渦流過(guò)濾器的過(guò)濾性能分析

工作液體的污染直接影響系統(tǒng)工作可靠性和元件壽命。有關(guān)統(tǒng)計(jì)表明,液壓系統(tǒng)70%以上潤(rùn)滑液壓系統(tǒng)的故障源于液壓油液的顆粒污染,隨著液壓工業(yè)的發(fā)展,液壓系統(tǒng)的污染控制已經(jīng)成為液壓技術(shù)界的重要技術(shù)課題。
　　軍用車(chē)輛傳動(dòng)油液中的主要污染物是摩擦元件和其他零件的磨損產(chǎn)物,以及生產(chǎn)或維修之后殘留在傳動(dòng)裝置內(nèi)的異物,這些污染物嚴(yán)重縮短了液壓各系統(tǒng)元件的使用壽命,造成液壓系統(tǒng)的功能失靈等故障。因此,恰當(dāng)?shù)剡x用油液過(guò)濾器是保證液壓系統(tǒng)的性能和提高液壓系統(tǒng)與有關(guān)部件正常使用壽命的必要手段,對(duì)保障軍用車(chē)輛傳動(dòng)裝置的正常工作和戰(zhàn)技指標(biāo)的正常起著重要作用。目前,在歐美國(guó)家和我國(guó)的傳動(dòng)裝置液壓系統(tǒng)中,通常采用過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾器,其體積大,濾芯因不易清洗一般為一次性使用,并且使用周期短,成本高。而液力渦流過(guò)濾器是靠離心力進(jìn)行分離雜質(zhì)的,具有尺寸小,質(zhì)量輕,成本低等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外一些軍用車(chē)輛上使用,然而在國(guó)內(nèi)對(duì)其相關(guān)的研究很少。文中在實(shí)際使用條件下,對(duì)過(guò)濾器的過(guò)濾性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1、主要結(jié)構(gòu)與分離機(jī)理
　1.1　結(jié)構(gòu)概述
　　液力渦流過(guò)濾器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,主要結(jié)構(gòu)在圖中標(biāo)出,溢流口上端與液壓系統(tǒng)管道相接,底流口下端與集塵室相接,其中圓錐段是過(guò)濾器的關(guān)鍵部位,顆粒的分離主要在其內(nèi)部進(jìn)行。過(guò)濾器各個(gè)組成部分均為固定元件,當(dāng)潤(rùn)滑油以一定的初速度進(jìn)入過(guò)濾器的內(nèi)部,便會(huì)在離心力和重力的作用下形成螺旋流,最后從溢流口和底流口流出。這種過(guò)濾器的公稱(chēng)直徑D=35 mm,Do和Du分別為過(guò)濾器上部溢流和下部底流口的直徑,Do=0.43D,Du=0.17D,圓柱段長(zhǎng)度h1=0.97D,圓錐段h2=3.31D,錐角β=8°。
　1.2　分離機(jī)理
　　為考核濾清效果,選取的是使用了400 h的潤(rùn)滑油,其中固體雜質(zhì)體積含量小于0.5%,液相中的固相濃度較低時(shí),固相顆粒間的距離較大,相互間的作用及影響很小,尺寸和密度不同的顆粒各自以自己不同的速度沉降,這時(shí)固相顆粒處于自由沉降狀態(tài),顆粒沿徑向沉降,離心沉降的速度隨著位置半徑的增大而不斷增大?！　?/p>

　　固液兩相同時(shí)進(jìn)入過(guò)濾器,在圓錐段形成螺旋流,在渦流中的各種不同質(zhì)量的物質(zhì),所受的離心力不同;顯然,在單位體積內(nèi)固體(金屬)雜質(zhì)的密度遠(yuǎn)大于液相的密度,因此,在螺旋流中固體顆粒所受的離心力比油液的大,在離心力的作用下,質(zhì)量越大的固體越容易向渦流的外層運(yùn)動(dòng),最終沿著過(guò)濾器的器壁流入集塵室,達(dá)到過(guò)濾效果。由過(guò)濾機(jī)理可以得到顆粒在過(guò)濾器橫截面上的運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖2所示。

2、試驗(yàn)臺(tái)架和試驗(yàn)方法
　2.1　試驗(yàn)臺(tái)架
　　試驗(yàn)件是液力渦流過(guò)濾器,相應(yīng)的配套設(shè)備還包括:轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器ZJ-2000、便攜式顆粒計(jì)數(shù)器、流量計(jì)、加溫器、節(jié)流閥、標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、電動(dòng)機(jī)、取樣閥、金屬探針點(diǎn)溫計(jì)和紅外點(diǎn)溫計(jì)等。試驗(yàn)臺(tái)布置見(jiàn)圖3。由于試驗(yàn)系統(tǒng)沒(méi)有帶負(fù)載,因此,通過(guò)節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力。在節(jié)流閥的下游有一流量計(jì),通過(guò)調(diào)速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)齒輪泵的轉(zhuǎn)速,達(dá)到實(shí)際的流量。在過(guò)濾器的上下游各安裝了標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器和取樣閥,用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)濾器進(jìn)出口壓力和試驗(yàn)中取樣,然后對(duì)油樣進(jìn)行分析,最后求得這種過(guò)濾器的過(guò)濾效率。

　2.2　試驗(yàn)方法
　　2.2.1　進(jìn)出口壓力
　　通過(guò)控制節(jié)流閥,使液力渦流過(guò)濾器溢流口處的壓力為某一實(shí)際工況值不變,改變進(jìn)口流量和溫度,測(cè)試進(jìn)口壓力的變化。
　　2.2.2　過(guò)濾效率
　　試驗(yàn)的最終目的是監(jiān)測(cè)這種過(guò)濾器的過(guò)濾性能,過(guò)濾效率是衡量過(guò)濾器過(guò)濾能力的一個(gè)重要指標(biāo)。過(guò)濾效率定義為進(jìn)口油液?jiǎn)挝惑w積中大于某一x尺寸的顆粒數(shù)與溢流口油液中的顆粒數(shù)之差,再和進(jìn)口油液顆粒數(shù)目之比,用ηx表示,其表達(dá)式:　　

　　其中顆粒的數(shù)目是由該試驗(yàn)中采用的便攜式顆粒計(jì)數(shù)器(PODS)得出。便攜式顆粒計(jì)數(shù)器監(jiān)測(cè)的顆粒尺寸范圍:(4~100)μm(ISO-MTD),是世界上第一臺(tái)按照最新的ISO11171:1999標(biāo)準(zhǔn)使用ISO-MTD,在出廠(chǎng)標(biāo)定時(shí)使用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局(NIST)測(cè)試粉末SRM2806,其大小和濃度分布重復(fù)性好,計(jì)數(shù)的精度高。便攜式顆粒計(jì)數(shù)器在本試驗(yàn)中用于測(cè)量污染物的數(shù)量,從而計(jì)算得出過(guò)濾效率。實(shí)物如圖4所示。

3、試驗(yàn)結(jié)果分析
　　試驗(yàn)開(kāi)始之前,在油箱中加入CD 15W/40多用途潤(rùn)滑油,加溫至40℃,調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,使通過(guò)過(guò)濾器的流量為100 L/min,調(diào)節(jié)節(jié)流閥,控制溢流口處壓力為1.35 MPa,測(cè)量進(jìn)出口壓力,過(guò)濾器進(jìn)出口壓力隨時(shí)間的變化如下。
　　圖5是在流量為100 L/min時(shí)得到的壓力隨油溫的變化圖,從圖中可以看出,液力渦流過(guò)濾器進(jìn)出口壓力之差隨油溫的增加而增大,由于流量的脈動(dòng)較大,使進(jìn)出口的壓差有所波動(dòng)。

　　調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,使流量控制在110 L/min左右,在不同溫度下從進(jìn)出口取樣,溫度為62℃時(shí)取油樣1;65.1℃時(shí)取油樣2;67.5℃時(shí)取油樣3;73.4℃時(shí)取得油樣4。測(cè)得不同油樣每10mL中污染顆粒的含量如表1所示。從表中可以看出,對(duì)于粒徑在4.0μm和6.0μm之間的顆粒出口數(shù)目比進(jìn)口時(shí)還要多,其原因:油液雖然經(jīng)過(guò)了超聲波振蕩,大的氣泡已經(jīng)破碎,但油液中還是會(huì)含有大量的微小氣泡,這樣會(huì)使顆粒計(jì)數(shù)器在計(jì)算顆粒數(shù)目時(shí)產(chǎn)生誤差;同時(shí)也可能是計(jì)數(shù)器的分析誤差造成這種現(xiàn)象。
　　由表1做出了不同油樣的過(guò)濾效率圖,如圖6。從圖中可以看出,這種過(guò)濾器對(duì)固體顆粒的分離起到了一定的效果,隨著油溫的增加,油液的粘度降低,過(guò)濾器的過(guò)濾效率增加;同時(shí)發(fā)現(xiàn)大顆粒的過(guò)濾效果有所降低,這是由于單位體積的油液中含有的固體顆粒數(shù)目很少,計(jì)算結(jié)果會(huì)有偏差。

4、結(jié)論
　　(1)液力渦流過(guò)濾器的過(guò)濾性能受溫度和流量的影響很大,溫度越高流量越大,其過(guò)濾性能越好;
　　(2)當(dāng)油溫超過(guò)65℃時(shí),這種過(guò)濾器對(duì)10μm以上的顆粒過(guò)濾效果較好,能夠保證潤(rùn)滑油的清潔度要求;
　　(3)在高溫高壓下對(duì)液力渦流過(guò)濾器進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果較好,說(shuō)明了這種過(guò)濾器可靠性高;
　　(4)與介質(zhì)型濾油器相比,不存在污染物阻塞濾網(wǎng)而使過(guò)濾性能下降的情況,并且這種過(guò)濾器采用金屬材質(zhì),在使用期間,過(guò)濾性能變化不大,使用的壽命長(zhǎng)。
　　(5)試驗(yàn)表明液力渦流過(guò)濾器能夠較好地滿(mǎn)足車(chē)輛液壓系統(tǒng)對(duì)濾油器的性能要求。