過(guò)濾器多次通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　1.中船重工集團(tuán)第七。七研究所九江分部，江西九江332005;2.武漢鋼鐵集團(tuán)公司三煉鋼，湖北武漢430080)

　　摘 要：針對(duì)液壓系統(tǒng)過(guò)濾器多次通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)的要求，確定了設(shè)計(jì)該試驗(yàn)臺(tái)必須遵循的一些準(zhǔn)則;同時(shí)，采用壓力罐注入系統(tǒng)代替標(biāo)準(zhǔn)推薦的泵注入系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，提高了注入系統(tǒng)的可靠性。

　　關(guān)鍵詞：多次通過(guò);注入系統(tǒng);驗(yàn)證程序

　　中圖分類號(hào)：TH137.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1000—4858(2006)10—0069—03

　　1 引言

　　多次通過(guò)試驗(yàn)是用以評(píng)定過(guò)濾器過(guò)濾性能的一項(xiàng)及其重要的試驗(yàn)。目前該試驗(yàn)遵循的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為IS016889：1999(等效國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為GB/]r 18853—2002)。在該標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)格規(guī)定了進(jìn)行該試驗(yàn)所需的試驗(yàn)設(shè)備、系統(tǒng)回路、驗(yàn)證方法、試驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)處理等。由于進(jìn)行本試驗(yàn)時(shí)操作繁瑣苛刻，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)本身要求也非常高，因此國(guó)內(nèi)大部分過(guò)濾器生產(chǎn)企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)均由國(guó)外進(jìn)口該試驗(yàn)臺(tái)，一臺(tái)配置齊全的試驗(yàn)臺(tái)價(jià)格超過(guò)300萬(wàn)人民幣，對(duì)各企業(yè)來(lái)說(shuō)都是不小的負(fù)擔(dān)。

　　通過(guò)對(duì)多次通過(guò)試驗(yàn)的原理分析以及各條款的仔細(xì)研讀，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)在液壓試驗(yàn)臺(tái)方面的研制水平，我們認(rèn)為國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)一款符合該ISO 16889(GB/T 18853—2002)的試驗(yàn)臺(tái)是完全可行的，事實(shí)上已經(jīng)有不少國(guó)內(nèi)的專業(yè)廠家生產(chǎn)出了性能良好的多次通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)。

　　2 試驗(yàn)原理

　　如圖l所示，完成多次通過(guò)試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)由兩大部分組成，污染物注入系統(tǒng)和濾器試驗(yàn)系統(tǒng)。污染物注入系統(tǒng)的主要任務(wù)是將調(diào)和均勻呈泥漿狀的MTD試驗(yàn)粉塵加入到注入油箱，形成高污染濃度的油液，然后源源不斷地注入到試驗(yàn)回路的試驗(yàn)油箱內(nèi)，在此期間要保持注入流量和污染物濃度的穩(wěn)定。試驗(yàn)回路的主要作用是在試驗(yàn)濾器上游的污染物濃度基本保持穩(wěn)定的情況下，通過(guò)上下游的顆粒計(jì)數(shù)器連續(xù)地檢測(cè)上下游的污染物顆粒濃度，從而可以得出該過(guò)濾器的過(guò)濾效率及過(guò)濾比口。通過(guò)連接過(guò)濾器上下游的壓差變送器可以得到過(guò)濾器的壓差變化情況。當(dāng)試驗(yàn)濾器兩端的壓差達(dá)到過(guò)濾器制造商規(guī)定的數(shù)值時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

　　進(jìn)行多次通過(guò)試驗(yàn)的目的是在有效縮短試驗(yàn)時(shí)間的情況下，*大可能地模擬出過(guò)濾器工作時(shí)的實(shí)際環(huán)境。同時(shí)規(guī)定使用統(tǒng)一的試驗(yàn)粉塵——MTD(中性試驗(yàn)粉塵)以及過(guò)濾器上游的顆粒污染物濃度，使不同的過(guò)濾器相互之間有了一個(gè)共同的試驗(yàn)基準(zhǔn)，這樣，測(cè)得的過(guò)濾器性能具有了可比性。

　　由此可見(jiàn)，多次通過(guò)試驗(yàn)的關(guān)鍵是要維持注入油液的污染物顆粒濃度和保持流量恒定，在此基礎(chǔ)上，要確保試驗(yàn)回路濾器上游的顆粒污染物濃度保持不變。

　　隨著注入油液的增加，試驗(yàn)回路系統(tǒng)內(nèi)的油液也將越來(lái)越多，這勢(shì)必降低濾器上游的污染物濃度，因此我們?cè)谶^(guò)濾器下游設(shè)置一個(gè)排放口，維持一個(gè)與注入流量相同的排出流量，維持試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)油液的體積保持不變。

　　為了確保試驗(yàn)臺(tái)能滿足以上要求，ISO 16889(GB/]r 18853—2002)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了必須對(duì)注入系統(tǒng)回路和試驗(yàn)系統(tǒng)回路分別進(jìn)行2項(xiàng)驗(yàn)證程序以保證試驗(yàn)的有效性(具體內(nèi)容參見(jiàn)該標(biāo)準(zhǔn))。

　　3 研制難點(diǎn)

　　從原理上看，似乎多次通過(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)并不復(fù)雜，只有基本的泵和少數(shù)截止閥、流量計(jì)、冷卻器等，而實(shí)際情況絕非如此。

　　首先，注入泵的選型應(yīng)該采用非嚙合型輸入泵，如離心泵和單螺桿泵等，原因是這種類型的泵不會(huì)改變注入系統(tǒng)中高濃度污染物的顆粒尺寸分布，即不會(huì)將大尺寸的顆粒污染物顆粒碾磨成小尺寸的顆粒污染物，從而避免試驗(yàn)條件發(fā)生改變。但標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的注入流量很小，一般為0.25 L/min左右，上述類型的泵很少有如此小的排量，因此我們通常將注入流量設(shè)計(jì)為支路，如圖1所示，但同時(shí)帶來(lái)的弊端是管路的復(fù)雜性增加，主回路增加了調(diào)節(jié)流量用的節(jié)流閥，系統(tǒng)發(fā)熱較快，必須加上冷卻器，否則溫度升高后油液的黏度下降將使注人流量不穩(wěn)定，但這又增加了系統(tǒng)管路的復(fù)雜性。

　　試驗(yàn)系統(tǒng)回路的管路布置要求更高，根據(jù)驗(yàn)證程序，該回路的管路安裝完成后要達(dá)到這樣的狀態(tài)：所有的污染物顆粒均由注入系統(tǒng)注入，試驗(yàn)系統(tǒng)回路本身不產(chǎn)生任何污染物顆粒，也不會(huì)將注入的污染物顆粒存留于某些區(qū)域，而是使含有污染物顆粒的油液在系統(tǒng)中能夠充分且均勻地流動(dòng)。因此，油液在管道內(nèi)的流動(dòng)必須在*小的試驗(yàn)流量下都能呈紊流狀態(tài)，管路的通徑一般比其他的液壓系統(tǒng)要小很多，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到管路的沿程壓力損失，尤其是在試驗(yàn)流量較大時(shí)。國(guó)外的試驗(yàn)臺(tái)根據(jù)試驗(yàn)流量的范圍不同，一般采取2套試驗(yàn)回路，其流量分別為5～50 L/min以及50～150 L/min，這樣既滿足了油液流動(dòng)的紊流要求，又可以盡量減少沿程壓力損失。

　　本試驗(yàn)臺(tái)的電控系統(tǒng)相對(duì)其他的液壓試驗(yàn)臺(tái)來(lái)說(shuō)是比較復(fù)雜的，需要控制的物理量有：試驗(yàn)泵電機(jī)的變頻控制(控制試驗(yàn)流量)，顆粒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)功能的啟閉，冷卻水閥的啟閉(試驗(yàn)油溫的控制)，注人流量的控制等;需要利用傳感器或儀表進(jìn)行監(jiān)測(cè)及采集的物理量有：系統(tǒng)壓力，試驗(yàn)流量，注人流量，試驗(yàn)濾器壓差，試驗(yàn)油溫，試驗(yàn)容器液位變化，顆粒計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。涉及到了強(qiáng)電、弱電、數(shù)據(jù)采集處理以及通信等內(nèi)容，工作量很大。

　　4 壓力罐注入系統(tǒng)

　　采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的方式進(jìn)行注入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的。我們知道，設(shè)計(jì)注入系統(tǒng)的*終目的是為了給試驗(yàn)系統(tǒng)提供恒定流量和恒定污染物濃度的污染油液，我們完全可以考慮采取其他的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。在某位學(xué)者的《測(cè)定液壓過(guò)濾器特性的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“多次通過(guò)試驗(yàn)法”的系統(tǒng)應(yīng)該簡(jiǎn)化》一文中，也很明確地提出了這個(gè)思路。

　　我們選取了一種密閉的壓力罐注入系統(tǒng)來(lái)取代上述的泵注入系統(tǒng)。壓力罐系統(tǒng)的原理如圖2所示。首先將清潔的油液加入壓力罐中，配以調(diào)和均勻呈泥漿狀的MTD污染粉塵形成規(guī)定濃度的污染油液。開(kāi)啟攪拌器運(yùn)行2～4 h，使顆粒污染物在油液中得到均勻的擴(kuò)散，然后在密閉的壓力罐內(nèi)通人穩(wěn)定壓力的潔凈壓縮空氣，注入油液經(jīng)過(guò)流量計(jì)和節(jié)流閥，以恒定的流量和污染物濃度向試驗(yàn)系統(tǒng)回路注油，在此期間，攪拌器應(yīng)一直工作。

　　采用壓力罐注入系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯：

　　(1)沒(méi)有了復(fù)雜的注入泵系統(tǒng)，管路異常簡(jiǎn)單，避免了污染物顆粒沉積的可能性，清洗更加容易。因?yàn)橛鸵涸谧⑷胂到y(tǒng)管路中的流動(dòng)也要求紊流，注人流量又很小，一般在0.25 L/min左右，因此管路就會(huì)被設(shè)計(jì)得特別細(xì)，無(wú)論是注入系統(tǒng)中元件的選擇還是管路的連接都比較麻煩，所以要求管路越簡(jiǎn)單越好;

　　(2)流量易于控制。只要保證壓力罐內(nèi)的氣壓穩(wěn)定，注入的流量就可以保持恒定，而這并不難做到;

　　(3)系統(tǒng)無(wú)發(fā)熱部件，溫度容易控制，無(wú)需冷卻器;

　　(4)使用維護(hù)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。而再好的注入泵，由于長(zhǎng)期工作于超高污染濃度的環(huán)境中，壽命始終有限;

　　(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、容易普及。在壓力罐注入系統(tǒng)的研制過(guò)程中，也要注意如下問(wèn)題：

　　(1)依然要采用底部錐形的結(jié)構(gòu)，避免顆粒污染物沉積;

　　(2)攪拌器的選擇。攪拌器可以買成品，也可以自制。關(guān)鍵是要保證倒裝于壓力罐蓋板上時(shí)能保證密封不漏氣。攪拌器的大小可以根據(jù)壓力罐的大小合理選擇;

　　(3)壓力罐內(nèi)壓力值的選擇。具體壓力值可以控制在0.2～0.5 MVa左右，關(guān)鍵是一旦選定就要努力維持該壓力值保持不變。進(jìn)入賀德克濾芯的壓力氣體除了要預(yù)先進(jìn)行過(guò)濾以外，還要通過(guò)一個(gè)精度較高的調(diào)壓閥，并利用精確度較高的壓力表監(jiān)測(cè)該壓力值;

　　(4)注入到試驗(yàn)系統(tǒng)回路中的油液體積可以通過(guò)流量計(jì)積算得出，也可以通過(guò)稱量壓力罐試驗(yàn)前后的重量計(jì)算出。盡管壓力罐注入系統(tǒng)管路非常簡(jiǎn)單，但也要按試驗(yàn)要求進(jìn)行驗(yàn)證程序。

　　5 其他需要考慮的問(wèn)題

　　(1)要使試驗(yàn)回路系統(tǒng)順利通過(guò)驗(yàn)證程序，必須避免管路中出現(xiàn)盲區(qū)和死角，試驗(yàn)管路的內(nèi)壁也要盡可能的光滑，使得污染物顆粒不易在系統(tǒng)內(nèi)滯留;

　　(2)如果試驗(yàn)系統(tǒng)回路已經(jīng)有很多次滿足了驗(yàn)證程序的要求，而且管路結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生改變，則不必每次試驗(yàn)前均執(zhí)行驗(yàn)證，特別是進(jìn)行批量濾芯的試驗(yàn)時(shí)，但前提是試驗(yàn)回路內(nèi)的精細(xì)過(guò)濾器能有效濾除管路內(nèi)殘留的顆粒污染物;

　　(3)試驗(yàn)系統(tǒng)回路中的冷卻器不能采用市售的成品，因?yàn)檫@些產(chǎn)品內(nèi)部管路彎曲復(fù)雜，容易藏污納垢，應(yīng)自行設(shè)計(jì);

　　(4)試驗(yàn)臺(tái)可以采用工控機(jī)(IPC)進(jìn)行控制。包括試驗(yàn)泵電機(jī)的變頻調(diào)速，各種物理量的采集，顆粒計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)的處理等;

　　(5)電控系統(tǒng)的操作界面采用多次通過(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖進(jìn)行顯示，這樣各個(gè)位置的數(shù)據(jù)非常直觀，如在泵出口壓力表符號(hào)處顯示泵出口壓力值，試驗(yàn)濾器上下游處均可表示出實(shí)時(shí)的顆粒污染物濃度，以及過(guò)濾比、壓差等，流量計(jì)處顯示流量，試驗(yàn)容器可以顯示油液的液面高度和溫度;

　　(6)顆粒計(jì)數(shù)器可采用國(guó)外相應(yīng)公司的產(chǎn)品。利用RS232串口通信功能與IPC進(jìn)行連接，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制試驗(yàn)濾器上下游的顆粒計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，且檢測(cè)數(shù)據(jù)可以及時(shí)被IPC存儲(chǔ)及處理;

　　(7)在試驗(yàn)濾器沒(méi)有安裝濾芯的情況下，同時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)濾器上下游的顆粒污染物濃度，理論上濃度應(yīng)該相同，但由于顆粒計(jì)數(shù)器個(gè)體上的差異，只要數(shù)據(jù)相差小于2倍關(guān)系，一般都認(rèn)為正常，但在計(jì)算試驗(yàn)濾器的過(guò)濾比 值時(shí)要考慮這個(gè)差異，進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　多次通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)是一種比較復(fù)雜的液壓試驗(yàn)臺(tái)，但只要我們?cè)O(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足ISO 16889的驗(yàn)證程序要求，那么它就是合格的，而不必拘泥于標(biāo)準(zhǔn)所推薦的結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)采用壓力罐注入系統(tǒng)，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低研制成本，提高系統(tǒng)的可靠性和延長(zhǎng)使用壽命，便于實(shí)現(xiàn)普及。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 雷天覺(jué).液壓工程手冊(cè)[M]，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

　　[2] 戴天翼.測(cè)定液壓過(guò)濾器特性的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)“多次通過(guò)試驗(yàn)法”的系統(tǒng)應(yīng)該簡(jiǎn)化[J].液壓與氣動(dòng)，2001(10).

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