采用自制的试验装置,对多层复合折叠滤芯过滤脏液压油进行了试验研究,结果表明:(1)液压油温度(或粘度)对滤芯的上下游压差影响很大。当温度小于60°时压差主要由液压油液的流动性差引起的。随着温度的增加,压差由大变小;当油温大于60°时,压差变化趋于平缓,这时产生的压差基本由污染颗粒在滤芯表面形成滤饼产生。(2)折叠滤芯在试验前30min脏油中污染颗粒数迅速下降,随后趋于平缓,运行2h时污染颗粒数量稳定在一个固定范围内,达到了一个动态平衡状态。(3)工况条件下测试的滤芯对某粒径污染颗粒的过滤比数值很小,并且变化很大。

1 前言

在液压系统中液压油的污染控制是通过滤芯的过滤实现的。滤芯阻挡污染颗粒的能力关系到液压系统的正常运转。圆筒式折叠滤芯已在液压系统中广泛应用,过滤材料有滤纸、玻璃纤维、金属丝网和金属纤维等。制备一个率折叠滤芯除了要求滤材具有很高的过滤能力外,还需充分考虑滤芯外形结构设计、滤材层数和搭配、折叠参数等方面对折叠滤芯过滤效率的综合影响[1]。液压滤芯的过滤效率和纳污容量等性能可以采用“液压滤芯过滤性能评定的多次通过法(iso16889)”检测,并由此判断滤芯过滤能力,是滤芯在液压系统中使用前对滤芯的一个实验室阶段的评价。在实验室评价过滤性能是向清洁系统中按一定速度注入一定粒度范围的污染颗粒,对滤芯上下游所含有的污染粒子进行计数,用以判断滤芯阻挡污染物的能力。然而,在实际应用中,滤芯工作在一个相对密封的液压系统中,液压系统中的污染颗粒主要产生于液压件的磨损,滤芯通过阻挡污染颗粒来实现液压系统中液压油的污染控制。为了能够准确地评价新研制的折叠滤芯在工况条件下的过滤能力,设计搭建了一个试验装置,利用此装置对折叠滤芯进行了过滤试验,对滤芯的过滤特性进行了研究,为折叠滤芯在工程中应用提供参考。

2 试验部分

2. 1 试验装置及原理

污染控制理论认为:一定污染的油液,经过反复过滤后,随着过滤时间的延长,其污染度会逐渐降低,但zui终会达到一个平衡[2],因此,可以通过检测油液的污染度的变化,可以看出滤芯过滤能力的大小。试验装置如图1所示。

整个装置形成一个整体密闭的液压系统。在过滤器中安装滤芯,在其上游压力记为p1,下游压力记为p2。流量表q串联在系统管道中,由泵的转速来调节系统中油液的流速。液压试验装置运行时滤芯对油液中的固体颗粒污染物进行过滤时滤芯上下游产生一定的压差,压差的大小在一定程度上反映滤芯被堵塞的程度。过滤器上下游的油样中污染颗粒数量的多少及其变化量是滤芯捕捉污染颗粒能力的重要反映。

2. 2 主要检测仪表及仪器

采用便携式颗粒计数器(pods)记录污染液中不同粒径固体颗粒的数量,检测前油液样品采用hy-4调速多用振荡仪振荡均匀。流量表为转子流量计。过滤试验装置中过滤器上下游的压力采用测试精密指针式压力表(量程为1mpa)测试。液压油液的温度由热交换器调节,采用数显温度感应器检测油液的温度。

2. 3 过滤元件及试验用液压油

试验元件采用某有色金属研究院研制的分离用折叠滤芯,滤芯外形尺寸为φ76mmx203mm,展开的总过滤面积为3.3x105mm2。折叠滤芯在制备时充分考虑了影响滤芯压差和寿命的相关因素,过滤控制层和支撑层进行了合理的搭配,形成了梯度孔结构,这些设计有利于提高滤芯的过滤能力和纳污容量。实验采用名义精度为10lm滤芯进行试验,并与相同名义精度、外形尺寸和总过滤面积的国外进口滤芯进行了试验对比。液压系统中采用的油液介质是某综合传动箱跑车3000km的油液,属于高污染的脏油。

2. 4 试验方法

试验装置在注入脏油前用一定量的干净液压油对整个系统进行了清洗。将总量为200l脏油采用油泵来回搅动1h,目的是将脏油中的污染颗粒均匀分布。从200l脏油中分出50l的脏油注入试验装置中,通过调节油泵转速调节流量保持在120l/min;液压油初始温度为18°。在试验中由于系统自身发热,引起试验过程中油液的温度逐步升高,实际工况应用与此类似。每隔10min在滤芯上下游取样口同时取样,取样选择管道中油液处于湍流状态,每次取样10ml。油液样品经过振荡仪振荡均匀后用超声波消除气泡颗粒,用pods颗粒计数仪进行油液污染分析。同时试验中每隔一定时间记录上、下游的压力和油液的温度。先后将某有色金属研究院研制的滤芯(编号x10,x10-2)和进口滤芯(编号v10,v10-2)安装在试验装置中,试验运行时间均为120min。

3 试验结果及分析

3. 1 液压油温度对滤芯上下游压差的影响

图2为两种滤芯上下游压差的变化对比。由图可知,压差随温度升高而下降,温度升到60°时压差稳定在0.09~0.10mpa。由流体渗透理论可知:在流量和温度一定的情况下,清洁滤芯对脏油过滤时污染颗粒会被滤芯的滤材拦截并堵塞孔,随着时间的延长形成滤饼,滤芯上下游的压差会升高。但是本次试验中两个滤芯的上下游压差值是下降的,说明由于滤饼的形成对滤芯压差的产生贡献很小,油液温度对过滤压差的影响很大,并且处于优势。这是因为油液的温度低时其黏度大,流动性差,需加大压差才能透过滤芯;随着温度的增加,油液的黏度变小,流动性增强,压差变小。当油液温度大于60°时,油液粘度产生的压差数值较小,而由污染颗粒堵塞滤芯引起的压差数值起决定性作用,说明了试验运行1h后,滤饼已经形成,油液中的污染颗粒已经处于一种动态平衡。在流量恒定为120l/min的情况下,滤芯的压差将保持不变。图2中显示x10的压差较v10-2的压差大,说明影响压差的因素除了油液的温度(具体说是粘度)外,还有其它因素,比如初始脏液压油的污染度等[3]。

3. 2 液压油污染颗粒数量的变化

该试验条件下,近似认为外界对试验系统没有污染的侵入,整个系统污染源主要是齿轮泵的磨损。由于系统的负载相当小,试验认为整个系统中的污染颗粒的总数是一个定值。根据污染控制理论,在脏油中污染颗粒在过滤一段时间后将迅速降低,其污染颗粒数量的变化见图3、4。

由图可看出,两次试验所使用的脏液压油的污染颗粒的粒度分布有很大的差别,这一点可以从油液的初始污染颗粒数获得,即过滤x10滤芯所采用的脏油偏粗,而v10滤芯所采用的脏油偏细。虽然初始污染度不同,但经过2h的试验后,污染颗粒都降到55000个/ml左右。在过滤试验运行的前30min,对于大于1lm的污染颗粒下降的幅度很快,说明清洁滤芯的初始一段时间的过滤能力很强。从下降的幅度来看,v10滤芯要略快于x10滤芯,但从下游的走势曲线对比来看,两条曲线的差别不大,即两者的过滤能力相当。由图5可知, 1lm污染颗粒的过滤比大致在1~1. 15之间,甚至有出现小于1的情况,说明名义精度为10lm的滤芯对1lm污染颗粒的阻挡能力非常弱。图6显示, 10lm污染颗粒的过滤比明显高于1lm污染颗粒的过滤比,但远小于在实验室根据iso16889多次通过法检测的数值。造成这种现象的原因除了本试验方法和多次通过法有不同外,还说明滤芯在工况环境下使用滤芯在形成滤饼后其过滤比一直在发生变化。在过滤过程中,滤芯对某粒径的污染颗粒的过滤能力是相对的,随着过滤时间的延长,上下游颗粒数量zui终达到一个平衡,这一点从图2中曲线的走势亦可看出。由图5、6的过滤比对比结果显示,x10滤芯的过滤比高于v10滤芯,说明x10的过滤能力优于v10,这与实验室检测的结果一致;但是不能排除由于两种滤芯过滤脏油的污染颗粒的粒度分布不同造成的这种可能。

4 结论

(1)两种折叠滤芯在过滤脏液压油时,随着油液的温度升高,滤芯上下的压差下降,说明液压油温(粘度)对滤芯压差影响大大超过了由于脏油过滤堵塞引起压差增大的趋势。当油温大于60°时,压差变化趋于平缓,这时产生的压差基本由污染颗粒在滤芯表面形成滤饼产生。

(2)两种名义精度为10lm的折叠滤芯在初始时间(30min前)过滤能力均很强,使得脏油中污染颗粒数迅速下降,随后趋于平缓,运行120min后,污染颗粒数量稳定在一个固定范围内,达到了一个动态平衡状态。

(3)工况条件下测试的滤芯对某污染颗粒粒径的过滤比数值很小,并且变化很大,甚至有小于1的情况发生,说明工况条件下滤芯的过滤比与实验室检测的过滤比含义不同,并且受到污染颗粒粒度分布等因素的影响。根据本实验结果,x10滤芯的过滤比高于v10,说明x10的过滤能力优于v10,这与实验室检测的结果一致。