基于有效过滤比的液压润滑过滤器模型的研究.pdf

2 0 1 0年 7月 第 3 5卷 第 7期 润滑与密封 LUBRI CATI ON ENGI NEERI NG J u l y 2 01 0 Vo 1 ． 3 5 No ． 7 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 40 1 5 0 ． 2 01 0 ． 0 7 ． 0 1 8 基于有效 过滤 比的液压润滑过滤 器模型 的研究 王炉平 弓 1 ．中国矿业大学 北京 北京 1 0 0 0 8 3 ；2 乐 贾瑞清 空军航空滤芯研制试验基地北京 1 0 0 7 2 0 { I 摘要 通过引入污染重复过滤因子，建立具有有效过滤比的过滤器新的理论模型，采用 L a b V i e w对过滤器模型进行 计算机仿真。结果表明过滤器的有效过滤比与污染重复过滤 因子密切相关 ，污染重复过滤因子越大 ，过滤器的有效过滤 e 比越小。研究过滤器污染重复过滤 因子及其变化规律 ，提高过滤器的有效过滤比，可改善液压润滑系统的污染控制。 关键词 污染控制 ；过滤器模型 ；有效过滤 比；污染重复过滤因子 Re s e a r c h o n Fi l t e r M o de l o f Hy d r a u l i c o r Lu b r i c a t i o n S y s t e m Ba s e d o n Effe c t i v e Fi l t r a t i 0 n Ra t i 0 W a n g L u p i n g ‘ Gon g Yu e J ia Ru i q i n g 1 ． C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g T e c h n o l o g y，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a ； 2 ． Ai r F o r c e A v i a t i o n F i l t e r D e v e l o p me n t T e s t B a s e ，B e i j i n g 1 0 0 7 2 0， C h i n a Ab s t r a c t A n e w t h e o r e t i c a l mo d e l o f f i l t e r wi t h e f f e c t i v e fil t r a t i o n r a t i o wa s e s t a b l i s h e d b y i n t r o d u c i n g t h e c o n t a mi n a n t r e p e a t fi l t r a t i o n f a c t o r ．T h e c o mp u t e r s i mu l a t i o n o f t h e fil t e r mo d e l wa s c a r r i e d o n u s i n g L a b Vi e w．T h e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e c o n t a mi n a n t r e p e a t - fih r a t i o n f a c t o r a n d e f f e c t i v e fi l t r a t i o n r a t i o o f t h e fi l t e r i s c l o s e l y r e l a t e d．T h e b i g g e r t h e c o nt a mi ． n a n t - r e p e a t fi l t r a t i o n f a c t o r ，t h e s ma l l e r t h e e f f e c t i v e fil t r a t i o n o f t he fi l t e r ．To r e s e a r c h t h e fi l t e r c o n t a mi n a n t r e p e a t f i h r a - t i o n f a c t o r a n d t h e c ha n g e r u l e，t o e n h a n c e t he e f f e c t i v e f i hr a t i o n r a t i o n o f t h e fi l t e r ，i t i mp r o v e s t h e c o n t a mi n a t i o n c o n t r o l o f h y d r a ul i c o r l u b r i c a t i o n s y s t e m． Ke y wo r d s c o n t a mi n a t i o n c o n t r o l ； fil t e r mo d e l ； e f f e c t i v e fil t r a t i o n r a t i o； c o n t a mi n a n t - r e p e a t fi l t r a t i o n f a c t o r 当以油液 污染度 为考察 对象时 ，任何一个液压润 滑系统可作为污染控制系统来研究。按照在污染控制 系统中的作用 ，所有 元件基本上可分为 3类⋯ 过滤 器 、油箱 和管路及工作元件 。其 中 ，过滤器是污染控 制系统 的污染 控制器 ，经典的污染控制理论将其设 为 一 个具有 常值 1 的 比例环 节 。这个 理论模 型对 于污染 控制系统的分析具有一定意义 ，但 由于其基 于 许多前提和假设，有时不能完全准确地表述过滤器的 功效 。例如，系统中安装 了过滤 比 高达 1 0 0、 甚至 1 0 0 0的滤芯 ，理论上油 液只要单 次通过过 滤 比 等 于 1 0 0的过滤 器 ，就 可 以将污 染度 提 高 6个等 级 ，即 N A S 1 2级 的油液 单 次通 过该 过滤 器就 可 以达 到 N A S 6级 以上 。而实 际上 ，即使经过 多次循环 也不 能迅速 提高油液的污染度等级 。本文作者提 出了一种 基于有效过滤比的过滤器模型，可以更好地符合工程 收稿 日期 2 0 1 00 12 2 作者简介 王炉平 1 9 7 2 一 ，男 ，博士研究生，高级工程 师， 主要从 事 流体 污染 控 制方 面 的研 究 和工 程．E m a i l w l p c u mt b ．e d u． c n ． 实际 中的应用 。 1 过滤器的结构s n - r - 作原理 管式 1 ．压 差 发信装 置 2 ．头 部 3 ． 壳体 4 ． 滤 芯 图 1 过滤 器组 成结 构 图 F i g 1 F i l t e r c o mp o s i t i o n s t r u c t u r e 7 2 润滑与密封 第 3 5卷 液压 润滑系统过滤器的典型结构如 图 1 所示 ，主 要组成部分有过滤器壳体 、滤芯和压差发信装置。工 作时 ，油液 由过滤器入 13进入 ，通过滤芯截 留污染颗 粒，干净的油液从过滤器出13流出。滤芯是过滤器中 阻隔颗粒的主要部分 ，滤芯主要依靠过滤层的过滤材 料来阻隔颗粒 。因此常常将滤芯的过滤 比等同于过滤 材料 的过滤比，又将过滤器 的过滤 比等同于滤芯 的过 滤 比。而过滤材料或滤芯的过滤 比是在特定 的实验条 件下测得 的，与实际的系统工况相差甚远 。工程实际 使用表明 ，过滤材料或滤芯 的过滤 比不能完全代表过 滤器的过滤 比。 根据过滤器的工作原理 ，将过滤器的主要结构分 为3个部分，即滤芯上游过滤器人口侧的腔体 、滤芯 或过滤层及过滤器 出口侧的腔体 ，如图 2所示 。工作 时 ，油液 由过滤 器入 口进 入 ，通 过 滤芯 截 留污染 颗 粒，干净的油液从过滤器出口流出。实际工作时，被 滤芯阻隔的颗粒一部 分被滤芯吸附截留 ，也有部分会 脱落在过滤器入口侧的腔体内重新参与过滤。污染颗 粒重新参与过滤 ，也是一个重复污染过滤器入 口的过 程 ，参与程度 的大小可 以用过滤器污染重复过滤因子 O L 来表示 。 图 2 过滤器 结构分 解和工 作原理 图 F i g 2 Fi l t e r s t r u c t u r e de c o mp o s i t i o n a n d wo r k s c h e ma t i c d i a g r a m 2过滤器的数学模型和传递 函数 2 ． 1 微分方程的推 导 根据污染颗粒守恒定律，分别对过滤器的 3 个主 要组成部分建立微分方程 ，设 管路流入过滤器的油液 污染颗粒浓度为 Ⅳ ，于是对过滤器人 口侧的油液应 用污染控制方程有 Ⅳ T Ⅳ 。。 V 1 f Q N 。 d t f Q N T 。 d ￡ f Q Ⅳ 一 Ⅳ d c 1 其 中， NF l NT l 2 对于滤芯，有 NF 。 卢‘ NF 2 3 于是由公式 2 ， 3 ，得到 Ⅳ F 。 一 4 上式代人公式 1 ，得到 Ⅳ T 1 l Ⅳ 0 l J Q Ⅳ 1 d t f Q N T l d t f Q N T 。 d ￡ 5 J D 对于过滤器出口一侧，根据污染控制平衡方程 有 Ⅳ Ⅳ 20 J Q Ⅳ d t J Q Ⅳ d t 6 过滤器流出的油液污染颗粒浓度就等于其出口侧 的污染颗粒浓度 ，即 N 7 过滤器的有效过滤比 就等于其人1 3 和出13油 液的污染颗粒浓度之 比 Ⅳ． 。 8 』’ 2 上述各公式 中的参数 ，意义如下 Ⅳ 1 为过滤器入 口大于某一尺寸颗粒浓度 ，／ m L ； 为过滤器出口大于某一尺寸颗粒浓度，个／ m L ； Ⅳ T 为过滤器上游大于某一尺寸颗粒浓度，个／ m L ； Ⅳ 为过滤器下游大于某一尺寸颗粒浓度 ，／ m L ； Ⅳ ， 为滤芯上游大于某一尺寸颗粒浓度 ，个／ m L ； Ⅳ 为滤芯下游大于某一尺寸颗粒浓度 ，个／ m L ； 。为过滤器上游大于某一尺寸颗粒初始浓度， 个／ m L ； Ⅳ 2 0 为过滤器下游大于某一尺寸颗粒初始浓度， 个／ m L ； 为过滤器 内腔人 口侧 滤芯上游 的体积 ，m L ； 为过滤器内腔出口侧 滤芯下游的体积 ， m L ； Q为通过过滤器 和滤芯 的流量 ，L ／ m i n ； 为滤芯大于某一尺寸颗粒 的理论过滤 比； 。为过滤器 大于某一尺寸颗粒 的有效过滤 比； O t 为过滤器污染重复过滤因子 ，0≤ 1。 2 ． 2 传递 函数和传递框 图 对公式 5 ， 2 ， 3 ， 6 和 7 分别进 行积分变换，得到传递函数 9 一 1 3 ， ⋯ 1 卜 Nv lNT 1 L “ Ⅳ 2 N T 2 9 1 0 1 1 1 2 1 3 得到过滤器模型的传 2 0 1 0年第 7期 王炉平等 基于有效过滤 比的液压 润滑过滤器模型的研究 7 3 递框 图 ，如 图 3所示 。 图 3 过滤器的传递框图 F i g 3 Tr a n s mi s s i o n di a g r a m o f fil t e r 3 分析 与讨论 由过滤器的传递框 图可知 ，过滤器 的传递 函数 是 一 个二阶系统 ，直接计算过 于复杂 ，为 此根据过 滤器 的传递函数或传递框图，可以使用 L a b V i e w软件对过 滤器模 型进行计算机仿 真 ，仿真程序界面如 图4所示 。 图4 过滤器仿真程序界面 F i g 4 F i l t e r s i mu l a t e d p r o g r a m c o n t a c t s u r f a c e 仿真结果表明 ，过滤器 的有效过滤 比与污染重复 过滤因子密切相关。当污染重复过滤因子等于 0时， 过滤器工作处于理想状态下 ，滤芯拦截 的污染颗粒被 完全 吸附 ，过滤器 的有效过滤 比等 于滤 芯的过 滤 比。 当污染重复过滤 因子增大 ，过滤器 的有效过滤 比 逐渐降低 ，此时过滤器的有效过滤 比小 于滤芯 的过滤 比而大于 l ，过滤器处 于正常工作状 态。 如果污染 重复过 滤 因子 继续 增 大 ，过 滤器 的有 效 过滤 比减小直 至接 近 于 1时 ，表 明过 滤器 几乎 不 能起到净 化油液 的作用 。这 时滤 芯上 游过 滤 器 内腔 积聚 了极 大量 的悬浮 污染 颗粒 ，滤 芯也 已经 被严 重 堵 塞 ；过 滤器压差 发信 装 置应 在此 之前 报警 ，提 醒 维 护人员及 时更换 新滤 芯 ，并 将 过滤 器 内的 污染物 彻底 排放 干净 。 4结束语 影 响过滤 器污染 重复过 滤因子 大小 和变化 的因素 很复杂 ，初步研究表 明过滤器污染重复过滤 因子与过 滤器的结构、滤芯的材料和制作工艺以及系统工况 如流量脉动等因素有关。研究过滤器污染重复过 滤 因子及 其变 化 规律 ，对于 提高 过滤 器 的有效 过 滤 比 ，充分发挥过滤 系统 的净化能力 ，改善污染控制的 效能具有重要意义 ，是液压润滑系统污染控制研究的 一 个重要 内容 。 参考文献 【 1 】夏志新． 液压系统污染控制[ M]北京 机械工业出版社， 1 99 2 ． 【 2 】郑长松 ， 马彪， 孙宪林 ， 等． 液压系统污染控制 动平衡研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 ， 3 3 8 1 2 6 1 2 9 ． Z HENG Cha n g s o n g， MA Bi a o， S UN Xi a n l i n， e t a 1 ． S t u d y o n Dy n a mi c B a l a n c e o f Co n t a mi na t i o n Co n t r o l f o r t h e Hy d r a u l i c S y s - 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