液压系统污染控制技术（中下）

   　液压系统污染控制是一项系统工程，首先要求液压系统的使用与维护人员对污染控制的重要性有足够的认识，其次要求其对如何控制，从哪几个环节入手，如何选择过滤器有一定的专业知识。只有充分有效的做好液压系统的污染控制工作，才能保证系统的可靠的运行。尤其在当前高压、大流量、大功率、高精度、高可靠性、自动控制、集成化、节能降噪、低成本是已经成为液压系统的发展趋势。但由于大量污染物的存在，影响了液压系统的可靠运行，所以液压系统的污染控制显得尤为迫切和重要。

　　5. 过滤原理与过滤介质

　　过滤就是利用多孔隙的可透性的介质滤除悬浮在油液中的固体颗粒污染物。

　　5.1 过滤原理

　　过滤介质对液流中颗粒污染物的滤除作用可归纳为两种主要机制，即直接阻截和吸附作用。

    直接阻截的特点是液流中的颗粒不偏离流束，直接被阻挡在过滤介质表面孔口或介质内部通道缩口处。

    吸附作用的特点是油液中的颗粒在流经过滤介质时由于各种力的作用偏离流束，并在表面力(静电力或分子吸附力等)的作用下吸附在通道内壁，对于纤维介质即吸附在纤维表面。

　　5.2 过滤介质

　　按照结构和过滤原理，过滤介质可分为表面型和深度型两大类。表面型过滤介质时靠介质表面的孔口阻截液流中的颗粒。属于这一类型的过滤介质有金属网式、线隙式和片式等过滤元件。

　　表面型过滤介质通孔的大小一般是均匀的，凡尺寸大于介质孔口的颗粒均被截留在介质靠上有油液一侧的表面，而小于介质孔口的颗粒则随液流通过介质，因此，全部过滤作用都是由过滤介质的一个表面来实现的。

　　深度型过滤介质为多孔材料，如滤纸和无纺布等。这类介质内有无数曲折迂回的通道，从介质的一面贯穿到另一面，并且每一通道中有许多狭窄的孔口，当油液流经过滤介质时，大颗粒污染物被阻截在介质表面孔口或介质内部通道的缩口处;小颗粒污染物流经通道时，有些被吸附在通道内壁或粘附在纤维表面，而有些则沉积在通道内空穴的液流静止区。因而深度型过滤介质的过滤机制既有直接阻截，又有吸附作用，过滤介质对颗粒的滤除过程发生在介质整个深度范围内。

　　表面型滤材由于过滤机制比较单一，主要是直接阻截，因此其纳污容量较小，但经过反向冲洗，介质表面的颗粒容易清除干净，所以可以反复使用。受工艺限制，一般使用表面型滤材的滤芯，其过滤精度很难达到25μm以上。

        深度型滤材纳污容量要大得多，但介质内部的污染物很难清除，一般只能一次性使用。但是其过滤精度可以做得很高，可以比较容易地达到1μm。这一点对于表面型滤材来说是不可能的。因此，在对系统油液要求比较高的液压和润滑系统中，均采用深度型滤材的滤芯作为过滤元件。

　　目前广泛使用的深度型滤材主要为超细玻璃纤维材料，相比较于原来使用的植物纤维滤材，具有纤维丝径细，过滤精度高，稳定性好，不易脱落纤维且耐热和耐酸碱等优点，基本上已经完全取代了植物纤维。

　　6. 污染控制元件的主要性能指标

　　6.1 过滤精度

　　过滤器的作用是滤除油液中的颗粒污染物。过滤精度是指过滤器(滤芯)能够有效滤除的最小颗粒污染物的尺寸。它反映了过滤器对某些尺寸颗粒污染物控制的有效性，具有过滤效率与颗粒尺寸两方面的含义，是过滤器的重要性能参数之一。

　　表6-1 过滤精度的表示方法

　　由于人们对过滤精度中的有效性规定还不统一，这就造成了各种各样过滤精度的出现。表6-1给出了三种比较有影响的过滤精度的表示方法。

　　由上表可见，名义过滤精度的含义较多，不能确切地表示过滤器的过滤性能，而且这种评定方法是在污染物浓度很高的条件下进行的，与过滤器实际工作条件相差很大，所以评定的结果并不能确切反映过滤器的实际性能，且重复性较差，所以名义过滤精度的概念并没有得到广泛的应用。

　　绝对过滤精度也是在一定条件下测定的。将一定容积的含有各种尺寸的球形颗粒(一般为玻璃珠或乳胶球)的液体通过被试的过滤器，收集过滤后的液体，然后用微孔滤膜过滤。在显微镜下观察微孔滤膜上被截留的颗粒，其中最大颗粒的直径就是过滤元件的绝对过滤精度。绝对精度基本上能够反映过滤材料的最大孔口尺寸，即过滤器能够滤除和控制的最小颗粒尺寸，对于实施污染控制有实际的意义。但是绝对过滤精度的定义是在自动颗粒计数器尚未普遍使用的时期定义的，其采用的显微镜确定方法在实际操作过程存在比较大的不确定性，如采样过程和采样器皿都易造成污染，而且显微镜方法对于操作人员的要求较高，主观因素很大。而且实际油液中的固体颗粒物一般都不是球形的，形状很不规则，所以长度尺寸大于绝对精度的扁长形颗粒有可能通过介质到达下游，而且绝对过滤精度也反映不出过滤器对不同尺寸颗粒的滤除能力。所以绝对过滤精度也不能很好地反映过滤器对油液中真实污染物的过滤能力。

　　近年来，随着颗粒计数水平的提高，自动颗粒计数器越来越广泛地应用于污染控制系统，目前普遍在用过滤比β值来定义过滤器的过滤精度。只有过滤比能完全、清楚地表达过滤精度的含义。如油液流经某过滤器时，对于5μm的颗粒，其上游的颗粒浓度与下游的颗粒浓度之比(即过滤比β5)不小于100，我们就称其过滤精度达到5μm，以β5≥100表示。这样的定义可以比较明确地反映过滤器在实际工况下的过滤能力。

　　过滤比是指过滤器上游油液单位体积中大于某一给定尺寸的颗粒数与下游油液单位体积内大于同一尺寸的颗粒数之比，用β表示，即：

　　式中 βx-对于某一颗粒尺寸x(μm)的过滤比;

　　        Nu-单位体积上游油液中大于尺寸x的颗粒数;

　　        Nd-单位体积下游油液中大于尺寸x的颗粒数;

　　目前，β值已被国际上普遍采用作为评定过滤器过滤精度的性能指标。

　　过滤效率的定义是被过滤器滤除的污染物数量与加入到过滤器上游的污染物数量之比，具体公式如下：

　　式中 E-过滤效率;

　　       A-在过滤器上游加入的污染物总量

　　       B-在过滤器下游收集到的污染物总量

　　污染物的量可以用重量表示，也可以用各种尺寸的颗粒数表示，因而过滤效率可以是对重量而言的，也可以是对颗粒数而言的。但目前常用的是后一种。

　　过滤比可以很方便地变换为过滤效率的形式，用颗粒数表示的过滤效率可以用下式表示：

　　表6-2给出了二者之间的一组对应值。由表可见，过滤比β比过滤效率E具有更好的分辨率。当过滤效率从99%提高到99.9%时，过滤比从100升到1000。

　　表6-2 过滤比与过滤效率

　　6.2 压差-流量特性

　　油液通过过滤器时，由于过滤介质对油液的阻力而产生一定的压力损失，因而在过滤器的进出油口之间产生一定的压差。

　　过滤器的压差与滤壳的结构、滤芯的结构与材料、通过过滤器的流量及油液的粘度等因素有关。

　　一般而言，油液流经过滤介质时一般呈层流状态，因而过滤器两端的压差随着流量的增大而呈线性增加。在流量一定的条件下，过滤器的有效过滤面积愈大，单位面积通过的流量愈小，过滤元件的压差愈小。油液的粘度愈高，过滤元件的压差也随之增大。一般而言，在流量一定的条件下，过滤器的精度愈高，其压差也愈大。

　　过滤器的压差由滤壳压差与滤芯压差两部分组成。对于某一特定的过滤器来说，在油液粘度不变的条件下，滤壳压差与流量的关系是恒定的，但滤芯压差与流量的关系随着滤芯上捕获颗粒的多少而发生变化。一般情况下，过滤器的压差-流量特性是指滤芯洁净时过滤器的压差与通过过滤器流量之间的关系。为了减小油液通过过滤器的压差，在设计过滤器时，滤壳需要良好的流体通道，尽量减轻油液的变速与变向;滤芯要使用流通阻力小的滤材，更为重要的是尽量增大滤材的有效过滤面积。

　　过滤器的压差-流量特性是确定过滤器流量的重要依据。图6-1给出了滤芯洁净时过滤器的压差-流量特性曲线。

　　实际的滤芯在使用过程中，随着不断的阻截和吸附污染物，油液流经过滤器也就越来越困难，当压差增长到一定值后，压差会急剧增大，直至滤芯破裂。如图6-2表示以特定过滤器在一定流量下过滤污染油液的压差特性。图中曲线的拐点表示过滤元件严重堵塞的开始，因此拐点的压差可以看作过滤元件的饱和压差，即滤芯的最大极限压差，此时应该及时更换或清洗滤芯。

　　6.3 纳污容量

　　在过滤器使用过程中，随着滤芯不断滤除油液中的污染物，过滤器的压差越来越大。当过滤器压差达到其极限值时(该值由过滤器制造商给定)，需要更换滤芯。过滤器在压差达到极限值时，滤芯所捕获的污染物重量，称为滤芯的纳污容量。滤芯的纳污容量主要与其所使用的滤材及其有效过滤面积有关。一般而言，高精度滤材的纳污容量小些，低精度滤材的纳污容量大些。为了缓解滤芯过滤精度与纳污容量之间的矛盾，有时采用渐变孔径滤材或多层复合滤材的结构，滤材进油面的孔隙大、出油面的孔隙小，这样大颗粒被上游的大孔隙滤材截留，小颗粒被下游的小孔隙滤材截留，既保证了过滤精度，又保证了纳污容量。增大滤材有效过滤面积可以大幅度提高过滤器的纳污容量。这是因为，过滤面积的增大不仅增大了截留污染物的面积，而且降低了滤材单位面积上通过的流量。纳污容量C与有效过滤面积A之间的关系可以用下式表示：

　　式中 C1—原纳污容量;

　　       C2—增大后的纳污容量;

　       　A1—原有效过滤面积

　       　A2—增大后有效过滤面积

　　6.4 相关标准的介绍

　　为了评定一个过滤元件的技术性能，国际上通用ISO16889等其中标准，分别对过滤芯和滤器的过滤精度、纳污容量、压差-流量特性、结构完整性、相容性、耐压强度、轴向强度、疲劳强度等特性提出了评定方法和检验标准，详见表6-3。

    表6-3

　　目前，我国参照上述国际标准，制定了相应的国家标准。除了对一些附录的删减以及编辑性的修改以外，从内容上来讲是基本等同的。标准号之间的对应关系如下：

    表6-4 国家与国际标准的对应关系

　　滤芯的结构完整性的测定(ISO2942,GB/T14041.1)

　　滤芯的结构完整性的测定主要检验滤芯在加工中的缺陷和在储运中可能造成的损坏，如滤芯滤材破裂、滤芯端盖或接缝粘接缺陷及破裂等。如图6-3所示，检验时将滤芯装在试验装置上，浸入盛有异丙醇或工业酒精的容器内，平放在液面以下12.5cm处，然后向滤芯内部通入压缩空气，将滤芯绕其轴线缓慢旋转360°，同时缓慢增加压缩空气的气压，在规定的压力下滤芯表面若无明显的连续气泡出现，则认为滤芯的结构完整性合格。

　　滤芯流动疲劳特性的测定(ISO3724,GB/T17488)(图6-4)

　　1.首先对滤芯进行结构完整性的测定，记录此时的气泡值。

       2.将滤芯烘干后装入试验过滤器。

       3.向试验系统加入污染物，在额定流量下滤芯两端的压差达到规定的极限值后，停止注入污染物。通过换向阀的不间断的切换动作，使通过滤芯的流量在零和最大值之间循环变化，相应地，滤芯两端的压差也在零和极限值之间循环变化，在完成了规定的流量波动循环次数后，对滤芯进行检验，各部位应无损坏迹象。在以上试验过程中，我们至少要取得一条滤芯两端压差随时间变化的曲线。

       4.进行结构完整性的测定,记录此时的气泡值。

       5.进行滤芯抗破裂性试验。

       6.进行结构完整性的测定，记录最终的气泡值。

　　滤芯抗破裂性试验(ISO2941,GB/T14041.3)

　　滤芯抗破裂性试验主要用来检验滤芯耐压差的能力。试验时系统流量保持试验滤芯流量的额定值，在该滤油器上游连续或间断地加入试验粉尘。随着污染物的注入，滤芯两端的压差逐渐增大，直至达到规定的抗破裂压差值为止，对滤芯进一步作结构完整性试验，滤芯结构应无损坏迹象。

　　滤芯端面负荷试验方法(ISO3723,GB/T14041.4)

　　滤芯在使用过程中，其端部受液压力和安装施加力的作用，因而需要通过试验检验在端向负荷下滤芯是否发生永久性变形和损坏。

    试验程序如下：按ISO2943滤芯材料相容性试验的要求将滤芯热浸72小时后取出，并冷却到室温，然后对滤芯施加由制造厂规定的轴向载荷，持续5min。滤芯的结构和材料应无损坏迹象，并且要求通过ISO2941规定的抗破裂性试验。

　　滤芯材料与流体相容性的验证(ISO2943,GB/T14041.2)

　　这个试验用以评定一定温度的工作液体对滤芯材料的影响，滤芯材料是否发生变脆，发胀发软和分解等性能变化。

　　试验方法是将滤芯浸在系统将使用的工作液体中，将工作液体加热到比规定的最高工作温度(由滤芯制造厂给定)高15℃，但不得超过工作液体的闪点。在这个温度下，将滤芯浸泡72h后取出，其材料应无变质迹象，并且要求通过ISO2941规定的抗破裂性试验。

　　过滤器-流量压降特性的测定

       过滤器的流量压降特性是评定过滤器过滤性能的重要技术指标之一。通过该试验，我们可以知道油液流经某指定过滤器时，在零到某一指定流量范围之内所对应的压差值。

　　典型的实验回路如图6-5所示。系统采用变频调速系统，使得泵的流量能在很大范围内进行调节，同时检测并记录系统中被测滤器两端压差随流量的变化情况，最终形成如图所示的流量压降性能曲线。

　　过滤器-测定过滤特性的多次通过方法(ISO16889, GB/T 18853)

　　多次通过试验法作为评定液压和润滑系统中过滤器过滤性能的标准试验方法已被各国普遍采用，我国的标准试验方法也等效采用该国际标准。详见图6-6。

　　多次通过试验的内容包括：评定过滤器不同颗粒尺寸的过滤比(β值)，压差特性以及纳污容量。本试验方法模拟过滤器在液压和润滑系统内的工作条件，污染物连续不断地侵入系统油液，过滤器不断的滤除油液，而未被滤除的部分又回到油箱，在系统内多次循环。试验时保持系统的流量和油温不变，实时地检测被试滤芯两端的压差以及上下游的颗粒污染物浓度，当滤芯两端的压差达到制造厂家规定的报警压差时，停止试验。多次通过试验对试验装置以及操作人员的要求较高，如在整个试验过程中，要求管路中的油液呈现紊流状态，且管路中不得留有任何容易造成污染物沉积的死角，为了准确评定过滤器滤芯的纳污容量，还要借助称重法对试验的油液进行重量分析。目前，国内只有707所九江分部及少数几个专业过滤厂家拥有此类试验设备。