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过滤器 多次通过试验台的设计

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  1.中船重工集团第七。七研究所九江分部,江西九江332005;2.武汉钢 铁集团公司三炼钢,湖北武汉430080)
  摘 要:针对液 压系统过滤器多次通过试验台的要求,确定了 设计该试验台必须遵循的一些准则;同时,采用压 力罐注入系统代替标准推荐的泵注入系统,大大简化了设计,提高了 注入系统的可靠性。
  关键词:多次通过;注入系统;验证程序
  中图分类号:TH137.5 文献标识码:B 文章编号:1000—4858(2006)10—0069—03
  1 引言
  多次通 过试验是用以评定过滤器过滤性能的一项及其重要的试验。目前该 试验遵循的国际标准为IS016889:1999(等效国家标准为GB/]r 18853—2002)。在该标 准中严格规定了进行该试验所需的试验设备、系统回路、验证方法、试验步 骤和数据处理等。由于进 行本试验时操作繁琐苛刻,对试验 台本身要求也非常高,因此国 内大部分过滤器生产企业或研究机构均由国外进口该试验台,一台配 置齐全的试验台价格超过300万人民币,对各企 业来说都是不小的负担。
  通过对 多次通过试验的原理分析以及各条款的仔细研读,结合目 前国内在液压试验台方面的研制水平,我们认 为国内设计和生产一款符合该ISO 16889(GB/T 18853—2002)的试验 台是完全可行的,事实上 已经有不少国内的专业厂家生产出了性能良好的多次通过试验台。
  2 试验原理
  如图l所示,完成多 次通过试验的试验台由两大部分组成,污染物 注入系统和滤器试验系统。污染物 注入系统的主要任务是将调和均匀呈泥浆状的MTD试验粉 尘加入到注入油箱,形成高 污染浓度的油液,然后源 源不断地注入到试验回路的试验油箱内,在此期 间要保持注入流量和污染物浓度的稳定。试验回 路的主要作用是在试验滤器上游的污染物浓度基本保持稳定的情况下,通过上 下游的颗粒计数器连续地检测上下游的污染物颗粒浓度,从而可 以得出该过滤器的过滤效率及过滤比口。通过连 接过滤器上下游的压差变送器可以得到过滤器的压差变化情况。当试验 滤器两端的压差达到过滤器制造商规定的数值时,试验结束。
  进行多 次通过试验的目的是在有效缩短试验时间的情况下,最大可 能地模拟出过滤器工作时的实际环境。同时规 定使用统一的试验粉尘——MTD(中性试验粉尘)以及过 滤器上游的颗粒污染物浓度,使不同 的过滤器相互之间有了一个共同的试验基准,这样,测得的 过滤器性能具有了可比性。
  由此可见,多次通 过试验的关键是要维持注入油液的污染物颗粒浓度和保持流量恒定,在此基础上,要确保 试验回路滤器上游的颗粒污染物浓度保持不变。
随着注入油液的增加,试验回 路系统内的油液也将越来越多,这势必 降低滤器上游的污染物浓度,因此我 们在过滤器下游设置一个排放口,维持一 个与注入流量相同的排出流量,维持试 验系统内油液的体积保持不变。
  为了确 保试验台能满足以上要求,ISO 16889(GB/]r 18853—2002)标准还 规定了必须对注入系统回路和试验系统回路分别进行2项验证 程序以保证试验的有效性(具体内容参见该标准)。
  3 研制难点
  从原理上看,似乎多 次通过试验系统并不复杂,只有基 本的泵和少数截止阀、流量计、冷却器等,而实际情况绝非如此。
  首先,注入泵 的选型应该采用非啮合型输入泵,如离心 泵和单螺杆泵等,原因是 这种类型的泵不会改变注入系统中高浓度污染物的颗粒尺寸分布,即不会 将大尺寸的颗粒污染物颗粒碾磨成小尺寸的颗粒污染物,从而避 免试验条件发生改变。但标准 规定的注入流量很小,一般为0.25 L/min左右,上述类 型的泵很少有如此小的排量,因此我 们通常将注入流量设计为支路,如图1所示,但同时 带来的弊端是管路的复杂性增加,主回路 增加了调节流量用的节流阀,系统发热较快,必须加上冷却器,否则温 度升高后油液的黏度下降将使注人流量不稳定,但这又 增加了系统管路的复杂性。
  试验系 统回路的管路布置要求更高,根据验证程序,该回路 的管路安装完成后要达到这样的状态:所有的 污染物颗粒均由注入系统注入,试验系 统回路本身不产生任何污染物颗粒,也不会 将注入的污染物颗粒存留于某些区域,而是使 含有污染物颗粒的油液在系统中能够充分且均匀地流动。因此,油液在 管道内的流动必须在最小的试验流量下都能呈紊流状态,管路的 通径一般比其他的液压系统要小很多,设计时 要充分考虑到管路的沿程压力损失,尤其是 在试验流量较大时。国外的 试验台根据试验流量的范围不同,一般采取2套试验回路,其流量分别为5~50 L/min以及50~150 L/min,这样既 满足了油液流动的紊流要求,又可以 尽量减少沿程压力损失。
  本试验 台的电控系统相对其他的液压试验台来说是比较复杂的,需要控制的物理量有:试验泵 电机的变频控制(控制试验流量),颗粒计 数器计数功能的启闭,冷却水阀的启闭(试验油温的控制),注人流量的控制等;需要利 用传感器或仪表进行监测及采集的物理量有:系统压力,试验流量,注人流量,试验滤器压差,试验油温,试验容器液位变化,颗粒计数器计数数据。涉及到了强电、弱电、数据采 集处理以及通信等内容,工作量很大。
  4 压力罐注入系统
  采用标 准推荐的方式进行注入系统的设计是比较复杂的。我们知道,设计注 入系统的最终目的是为了给试验系统提供恒定流量和恒定污染物浓度的污染油液,我们完 全可以考虑采取其他的方式来实现这个目的。在某位学者的《测定液 压过滤器特性的国际标准“多次通过试验法”的系统应该简化》一文中,也很明 确地提出了这个思路。
  我们选 取了一种密闭的压力罐注入系统来取代上述的泵注入系统。压力罐 系统的原理如图2所示。首先将 清洁的油液加入压力罐中,配以调 和均匀呈泥浆状的MTD污染粉 尘形成规定浓度的污染油液。开启搅拌器运行2~4 h,使颗粒 污染物在油液中得到均匀的扩散,然后在 密闭的压力罐内通人稳定压力的洁净压缩空气,注入油 液经过流量计和节流阀,以恒定 的流量和污染物浓度向试验系统回路注油,在此期间,搅拌器应一直工作。
  采用压 力罐注入系统的优点非常明显:
  (1)没有了 复杂的注入泵系统,管路异常简单,避免了 污染物颗粒沉积的可能性,清洗更加容易。因为油 液在注入系统管路中的流动也要求紊流,注人流量又很小,一般在0.25 L/min左右,因此管 路就会被设计得特别细,无论是 注入系统中元件的选择还是管路的连接都比较麻烦,所以要 求管路越简单越好;
  (2)流量易于控制。只要保 证压力罐内的气压稳定,注入的 流量就可以保持恒定,而这并不难做到;
  (3)系统无发热部件,温度容易控制,无需冷却器;
  (4)使用维护简单,寿命长。而再好的注入泵,由于长 期工作于超高污染浓度的环境中,寿命始终有限;
  (5)结构简单、成本低廉、容易普及。在压力 罐注入系统的研制过程中,也要注意如下问题:
  (1)依然要 采用底部锥形的结构,避免颗粒污染物沉积;
  (2)搅拌器的选择。搅拌器可以买成品,也可以自制。关键是 要保证倒装于压力罐盖板上时能保证密封不漏气。搅拌器 的大小可以根据压力罐的大小合理选择;
  (3)压力罐 内压力值的选择。具体压 力值可以控制在0.2~0.5 MVa左右,关键是 一旦选定就要努力维持该压力值保持不变。进入的 压力气体除了要预先进行过滤以外,还要通 过一个精度较高的调压阀,并利用 精确度较高的压力表监测该压力值;
  (4)注入到 试验系统回路中的油液体积可以通过流量计积算得出,也可以 通过称量压力罐试验前后的重量计算出。尽管压 力罐注入系统管路非常简单,但也要 按试验要求进行验证程序。
  5 其他需要考虑的问题
  (1)要使试 验回路系统顺利通过验证程序,必须避 免管路中出现盲区和死角,试验管 路的内壁也要尽可能的光滑,使得污 染物颗粒不易在系统内滞留;
  (2)如果试 验系统回路已经有很多次满足了验证程序的要求,而且管 路结构没有发生改变,则不必 每次试验前均执行验证,特别是 进行批量滤芯的试验时,但前提 是试验回路内的精细过滤器能有效滤除管路内残留的颗粒污染物;
  (3)试验系 统回路中的冷却器不能采用市售的成品,因为这 些产品内部管路弯曲复杂,容易藏污纳垢,应自行设计;
  (4)试验台 可以采用工控机(IPC)进行控制。包括试 验泵电机的变频调速,各种物理量的采集,颗粒计 数器数据的处理等;
  (5)电控系 统的操作界面采用多次通过试验系统原理图进行显示,这样各 个位置的数据非常直观,如在泵 出口压力表符号处显示泵出口压力值,试验滤 器上下游处均可表示出实时的颗粒污染物浓度,以及过滤比、压差等,流量计处显示流量,试验容 器可以显示油液的液面高度和温度;
  (6)颗粒计 数器可采用国外相应公司的产品。利用RS232串口通信功能与IPC进行连接,可以实 现同时控制试验滤器上下游的颗粒计数器进行计数,且检测 数据可以及时被IPC存储及处理;
  (7)在试验 滤器没有安装滤芯的情况下,同时检 测试验滤器上下游的颗粒污染物浓度,理论上浓度应该相同,但由于 颗粒计数器个体上的差异,只要数据相差小于2倍关系,一般都认为正常,但在计 算试验滤器的过滤比 值时要考虑这个差异,进行补偿计算。
  6 结束语
  多次通 过试验台是一种比较复杂的液压试验台,但只要 我们设计的试验台能够满足ISO 16889的验证程序要求,那么它就是合格的,而不必 拘泥于标准所推荐的结构形式。通过采 用压力罐注入系统,可以大大简化系统,降低研制成本,提高系 统的可靠性和延长使用寿命,便于实现普及。
    参考文献:
    [1] 雷天觉.液压工程手册[M],北京,机械工业出版社,1990.
    [2] 戴天翼.测定液 压过滤器特性的国际标准“多次通过试验法”的系统应该简化[J].液压与气动,2001(10).

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