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太原理工大学硕士研究生学位论文 I 乳化液过滤器多次通过试验系统开发 摘 要 过滤器是液压系统中的重要辅件，随着液压系统精密程度的提升，液 压元件对系统的洁净度也提出了更高的要求，因此使用者需要对过滤器进 行检测，以评价其过滤性能，从而根据需求选择相应的产品。在煤矿生产 中，除了常用的通油类过滤器外，还有大量的乳化液过滤器在液压支架、 高压过滤站得到应用。目前，通油类过滤器的检测设备、方法与标准已经 比较成熟，而乳化液过滤器一直以来缺乏有效的检测设备、方法和标准， 难以对乳化液过滤器的过滤精度进行检测，在采购乳化液过滤器时通常凭 借经验去甄别过滤器性能的优劣，容易造成选型不合理、使用不科学的情 况，因此传统的经验选择方法越来越无法满足企业在实际生产中的需求。 本论文基于现有过滤器性能检测技术手段，首次将多次通过试验法引 入到乳化液过滤器的检测中，开发了检测乳化液过滤器过滤性能的多次通 过试验系统。本论文先从总体结构设计、元器件选型等方面对试验系统硬 件组成进行了论述，然后开发了多次通过试验台的控制系统，通过对 PLC 的硬件选型、软件编程以及人机交互系统等设计，介绍了如何实现试验台 自动控制的要求；同时对试验系统中的关键技术，即油液温度的控制以及 油液污染物颗粒浓度的稳定这两个关键问题，建立数学模型并进行了分析 研究，还对试验台进行了相关验证工作；最后通过开发的多次通过试验设 备对乳化液过滤器进行了试验，对其过滤精度以及纳污容量的试验结果进 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 行了分析研究。 本次开发的多次通过试验系统，可以有效的对乳化液过滤器的过滤精 度和纳污容量进行检测，让使用者更为直观的了解过滤器的过滤性能，从 而帮助企业在过滤器的采购中选择最为合适的产品。 关键词多次通过试验；乳化液过滤器；油温控制；污染浓度；过滤精度； 纳污容量 太原理工大学硕士研究生学位论文 III THE DEVELOPMENT OF MULTI-PASS TEST SYSTEM OF EMULSION FILTER ABSTRACT Filter is an important accessory of the hydraulic system. With the improvement of the precision of hydraulic system, higher requirements for the cleanliness of the hydraulic system have been put forward. So the user needs to examine the filter to uate its filtrating perance so as to select products meeting the demands. In the mining production, a large number of emulsion filters have been applied to the hydraulic support and the high pressure filter station, except the commonly-used oil filter.At present, the detection equipment, s and standards of the oil filter have evolved. However, the emulsion filter has lacked effective testing equipment, s and standards. So it is difficult to test the filter precision of the emulsion filter definitively. Generally, more experience had been referred to identify the filter perance in the procurement of emulsion filter, which tended to cause unreasonable selecting and using. Therefore, the traditional of empirical choice is no longer able to meet the needs of enterprises in production. This paper is based on the existing testing technology of filter perance, It is the first time to introduce the multi-pass test into the testing of the 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV emulsion filter, and developed a multi-pass test system to detect the filtration peranceofemulsionfilter.Firstly,thispaperdiscussedhardware components of the testing system from the overall structure design and component selection. Then, it created controlling system of the multi-pass testing, and illustrated how to realize the automatic control of the test plat from PLC hardware selecting, software programming and human-computer interaction system designing. At the same time, the mathematical model was established to analyze the key technologiesthe controlling of oil temperature and the stability of the particle concentration of oil pollutantsin the testing system. Finally, the emulsion filter was tested through the testing equipment and the test results of the filtration accuracy and the pollutant capacity were analyzed. The multi-pass test system can test the filter accuracy and pollutant capacity of emulsion filter in an effective way, and this will lead users to have a deeper understanding of filter perance and help them to choose the most suitable products in the procurement. KEYWORDS multi-pass test, emulsion filter, oil temperature controlling, concentration of pollution, filtration accuracy, pollutant capacity 太原理工大学硕士研究生学位论文 V 目录 第一章 绪论.....................................................................................................................................1 1.1 课题研究的目的与意义...................................................................................................1 1.2 过滤器性能测试技术国内外研究发展概况.................................................................2 1.2.1 国外过滤器性能检测技术的发展......................................................................2 1.2.2 国内过滤器性能检测技术的发展......................................................................3 1.3 课题主要研究内容...........................................................................................................4 第二章 矿用乳化液过滤器多次通过试验系统设计..................................................................5 2.1 评定过滤器滤芯过滤性能的参数指标及其相关标准................................................5 2.2 多次通过试验法概述.......................................................................................................6 2.3 多次通过试验系统设计...................................................................................................8 2.3.1 系统技术指标........................................................................................................8 2.3.2 系统结构设计........................................................................................................8 2.3.3 元器件的设计与选型.........................................................................................10 2.4 课题研究难点分析.........................................................................................................14 2.5 本章小结..........................................................................................................................15 第三章 矿用乳化液过滤器试验系统测控系统设计与选型...................................................17 3.1 控制系统的基本结构.....................................................................................................17 3.2 控制系统硬件的设计与选型........................................................................................18 3.2.1 PLC 的选型...........................................................................................................18 3.2.2 工控机选型..........................................................................................................19 3.2.3 传感器选型..........................................................................................................19 3.2.4 功能模块设计......................................................................................................20 3.2.5 PLC 编程设计.......................................................................................................22 3.3 人机交互系统设计.........................................................................................................23 3.3.1 上位机软件界面设计.........................................................................................23 3.3.2 数据库管理系统设计.........................................................................................26 3.3.3 试验报告的生成..................................................................................................27 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 3.4 本章小结...........................................................................................................................28 第四章 多次通过试验系统关键技术分析.................................................................................31 4.1 多次通过试验系统温度控制........................................................................................31 4.1.1 油温控制系统总体设计.....................................................................................31 4.1.2 温度控制模型的建立.........................................................................................31 4.1.3 多通试验系统热平衡分析.................................................................................32 4.1.4 油温控制方式的比较与选择.............................................................................34 4.1.5 模型参数选择与油温曲线模拟........................................................................35 4.1.6 温度传感器精度分析.........................................................................................36 4.1.7 试验验证结果与分析.........................................................................................37 4.2 多次通过试验台控制污染物颗粒浓度稳定的设计..................................................38 4.2.1 试验系统污染度模型的建立.............................................................................38 4.2.2 试验系统设计......................................................................................................40 4.2.3 颗粒计数器的校准.............................................................................................42 4.2.4 试验验证结果与分析.........................................................................................43 4.3 本章小结..........................................................................................................................44 第五章 乳化液过滤器多次通过试验结果分析........................................................................45 5.1 试验准备工作.................................................................................................................45 5.2 试验参数设置.................................................................................................................46 5.2.1 试验流量的设置..................................................................................................47 5.2.2 试验浓度设置......................................................................................................47 5.2.3 极限压差选择......................................................................................................48 5.3 试验结果及其分析.........................................................................................................48 5.3.1 过滤精度的试验结果及其分析........................................................................48 5.3.2 纳污容量的试验结果及其分析........................................................................49 5.3.3 反冲洗过滤器纳污容量测试方法分析............................................................50 5.4 本章小结..........................................................................................................................51 第六章 结论与展望.......................................................................................................................53 6.1 论文结论..........................................................................................................................53 6.2 工作展望..........................................................................................................................53 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 参考文献..........................................................................................................................................55 致谢..................................................................................................................................................59 攻读学位期间发表的学术论文与参加科研项目......................................................................61 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究的目的与意义课题研究的目的与意义 在煤矿生产中，液压技术已得到广泛应用，随着越来越多精密液压元件的出现，液 压系统对其工作环境的要求也在不断提高。 液压过滤器是液压系统中不可缺少的重要液 压系统辅件[1]，其作用是滤除液压系统中的杂质，改善液压系统的工作环境，因此过滤 器性能的优劣将直接影响到液压元件的寿命以及液压系统的稳定。 同时煤炭企业在规模 化生产过程中，大量使用液压油、润滑油、乳化液、燃油等各种类型的过滤产品，其供 货厂家来自于国内外不同的企业。目前市场上的过滤器质量参差不齐，价格相差较大， 给过滤器配件的采购管理带来了很大的困难，且很多时候无法满足使用需求。因此煤炭 企业迫切需要适合于自身的过滤器性能检测设备，来指导过滤器的选型采购工作。 本课题研发的过滤器多次通过试验系统平台， 首次将多次通过试验法引入对乳化液 过滤器的检测中， 用以对乳化液过滤器的过滤精度以及纳污容量进行检测， 其意义在于 1）该试验系统为乳化液过滤器的过滤性能检测提供了依据 通过该多次通过试验系统对乳化液过滤器进行试验， 可以对过滤器的过滤精度以及 纳污容量进行有效的检测，从而对过滤器的过滤性能有较为深入的了解，进而对过滤器 以及相关液压元件的使用给予合理的指导。 2）该试验系统为乳化液过滤器试验标准的建立提供了条件 能源行业标准 NB/T 51016-2014 中对过滤器的性能给出了相应要求，但具体如何进 行检测并没有详细的说明，今后还需对该标准进行完善。本次开发的试验系统可以提供 硬件支持，为乳化液过滤器试验标准的建立提供帮助，完善其相关试验标准。 3）该试验系统有助于企业对过滤器滤芯进行科学管理 目前市场上销售的过滤器滤芯质量层次不齐，由于缺乏有效的检测手段，因此无法 对过滤器滤芯的过滤性能进行评估，企业在对过滤器滤芯进行采购时也是多凭经验，并 不能对过滤器滤芯的性能有直观的了解。 该试验系统平台可以对过滤器滤芯的过滤性能 给予直观的评价，进而指导相关工作人员进行科学采购。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1.2 过滤器性能测试技术国内外研究发展概况过滤器性能测试技术国内外研究发展概况 1.2.1 国外过滤器性能国外过滤器性能检测检测技术技术的的发展发展 上世纪 70 年代，美国军方采用标准 MIL-8815D，即玻璃微珠测试法，对过滤器进 行检测，该方法是第一个测试过滤器性能的试验方法[2]。 上世纪 80 年代，美国俄克拉荷马州立大学流体动力研究中心主任费奇教授，首次 提出了过滤比的概念， 用来表示过滤器滤出污染物的能力， 并建立了一套新的科学理论， 即评定液压过滤器过滤性能的多次通过试验法[3]。随后国际标准组织制定了标准 ISO 4572评定过滤器性能的多次通过法，该标准用来评定过滤器性能的试验方法，该标 准将 ACFTD 作为标准试验粉尘，通过多次通过试验可以对过滤器的过滤精度、过滤效 率以及纳污容量等性能参数进行评定[4]。 1999 年，国际标准组织用标准 ISO 16889-1999 取代原有标准 ISO 4572-1981，作为 评定过滤器过滤性能试验方法的新标准。新的标准采用标准中等粉末ISO MTD取代原 有标准所采用的 ACFTD 作为多次通过试验方法的标准颗粒物，并对相关试验细节进行 了修改和完善[5]。 2005 年 10 月，国际标准组织对 ISO/CD 23369液压传动过滤器脉动流量条件 下评定滤芯过滤性能的多次通过方法进行了国际联合比对试验，在这次联合比对中， 其试验流量不再是稳定流量，而是在脉动流量下进行试验，更加接近过滤器的实际工作 状况[6]。 2010 年 9 月，国际标准组织按照标准 ISO 16889-1999，分别采用 ISO MTD 和 ISO FTD（精细试验粉尘）对滤芯进行多次通过试验。此次联合比对试验得出的结论为使 用 MTD 最多可使纳污容量提高 56，使用 MTD 可使βx200 的过滤精度降低达 22。 因此国际标准组织建议今后的 ISO 标准使用 FTD，并起草使用 FTD 的多次通过方法标 准[7]。 随着过滤性能检测技术的发展，国际上也出现了一些性能优良的多次通过试验台。 美国波纳威斯塔技术公司研制的多次通过试验台， 遵循 ISO 16889、 ISO 4548-12 以及ISO 19438 等标准，具有 3 个试验回路，试验流量范围为 0.250760 L/min，最大试验压力 为 3500kMPa，稀释比可达 991，具有 64 个检测通道。德国 GMN 公司研制的多次通过 试验台以 ISO 19438，ISO 16889 和 ISO 4548-12 为依据，其流量范围为 0.5260 L/min， 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 最大试验压差为 2.5MPa，污注流量范围为 50250 ml/min，最大稀释比为 51，试验油 箱体积为 100L。 目前，国外正在积极开展过滤产品试验技术研究和相关科技人才储备，试验标准也 在随着过滤产品技术水平的持续提升而不断改进完善。 1.2.2 国国内内过滤器性能过滤器性能检测检测技术技术的的发展发展 1987 年， 夏志新教授将多次通过试验法引入国内， 对液压系统油液污染控制进行研 究[8]。 1990 年，戴天翼等规划创建了“航空部颗粒度测试站”，主要研究液压过滤器精度 评定标准[9]。 1998 年，新乡航空工业集团通过国家技术监督局中国实验室国家认可委员会的认 可，成为中国唯一具有中国实验室资格的颗粒度校准/过滤产品检测实验室国防流体 系统污染测试与控制中心。国防流体系统污染测试与控制中心，是我国第一个通过国家 实验室认可的颗粒度校准/检测实验室，流体污染测试与控制技术填补了国内空白，技 术能力居世界前列[10]。 2002 年， 我国液压气动标准化技术委员会制定了检测过滤器性能的国家标准 GB/T 18853-2002 液压传动过滤器评定滤芯过滤性能的多次通过方法[11]。 近年来， 超大过滤器的过滤性能试验数量与需求增长较快。 该类滤芯具有以下特点 滤芯长度 2 m 左右；工作流量大于 200 L/min；试验时间可达（520）h 甚至更长；纳 污容量少则几百克，多则上千克。这无疑对我国多次通过试验台的综合性能提出了更高 的要求[12]。 目前，多次通过试验设备国内外品牌并存，国内多次通过试验台技术水平与数量发 展迅速。新乡天翼过滤技术检测有限公司生产的多次通过试验台，其试验流量范围 10350L/min，最大稀释比为 110，在试验过程中可以实时显示压力、流量、温度、过 滤效率、流量压降等主要试验技术参数。除企业外，国内的一些科研院所也对多次通过 试验台进行了研究，如华南理工大学、中船重工 707 研究所九江分部等都研发出自己的 试验设备。 国内产品的主要优势有外观美化程度提升，布局渐趋合理；智能化、自动化程度 提高；对操作人员的专业知识和技能要求不高；售价和售后服务更有竞争力[13]。然而国 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 内产品也有自己不足之处，在污染耐受性或工作可靠性还有较大提升空间。 1.3 课题主要研究内容课题主要研究内容 本课题为乳化液过滤器多次通过试验系统的设计与研制， 并对其中若干关键问题与 技术进行研究，其主要研究内容有 1）多次通过试验台结构设计 根据设计参数指标要求以及相关标准要求，对试验台进行总体结构的设计，其中主 要包括液压系统回路设计、相关元器件的选型等。 2）控制系统开发 主要包括 PLC 的选型应用、PLC 编程以及人机交互系统的开发，实现试验台的自动 控制与运行。 3）油液温度控制 建立试验系统油液温度的数学模型，设计油液温度的控制方案，并验证试验系统对 油液温度的控制能力。 4）油液污染物浓度控制 建立试验系统油液污染物浓度的数学模型，并从设计角度出发，分析如何保证试验 系统油液污染物浓度的稳定。 5）乳化液过滤器试验分析 根据多次通过试验法对乳化液过滤器进行试验， 并对其过滤精度以及纳污容量的试 验结果进行分析研究。 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 第二章第二章 矿用乳化液过滤器多次通过试验系统设计矿用乳化液过滤器多次通过试验系统设计 2.1 评定过滤器滤芯过滤性能的参数指标及其相关标准评定过滤器滤芯过滤性能的参数指标及其相关标准 过滤器和滤芯的技术指标很多，有过滤性能、温度性能、机械性能、辅助元件性能 和环境性能等，可细分为过滤精度、过滤比、过滤效率、流量、温度、压力、纳垢容量、 压降、旁通压力、污染指示压力等[14]。其中主要的性能指标有过滤精度、过滤比、纳污 容量、压降以及初始冒泡压力[15]。 1）过滤精度 过滤精度是指过滤器能够有效滤除的最小固体颗粒污染物的尺寸， 该性能参数可以 反映过滤器能够有效拦截颗粒粒径尺寸的大小，其单位用μm 表示。 2）过滤比 过滤比的定义为过滤器上下游两端在某给定尺寸 x 处的颗粒数之比，用βx来表示， βx值越大证明过滤效果越好。在通油类过滤器中，常把βx≥75 时的所对应的颗粒尺寸值 x 定义为过滤器滤芯的过滤精度。 3）纳污容量 纳污容量的定义为在滤芯规定的试验条件下，过滤器滤芯的压降达到规定的极限 压降时所能拦截的污染物的总量，该指标反映了过滤器存储污染物多少的能力。 4）压降 压降是液压介质流经过滤器时而产生的压力损失，随着过滤器滤芯使用时间的增 加，过滤器滤芯逐渐堵塞，两端的压降逐渐升高，当压力达到一定值时过滤器滤芯的使 用寿命达到极限，因此压降也是判定过滤器滤芯使用寿命的重要指标。在满足过滤性能 的前提下过滤器滤芯的压降越小越好。 5）初始冒泡压力 将滤芯浸入规定的试验介质中并向滤芯内部通入一定压力的空气， 当滤芯表面出现 第一串连续的气泡时，此时气体的压力即为滤芯的初始冒泡压力。该参数用来反映滤芯 的结构是否完整，当滤芯出现破损、端盖黏合不紧密等缺陷时，通过检测滤芯的初始冒 泡压力可以发现此类问题。 目前针对通油类过滤器的产品， 已经有了一系列成熟的检验方法和相关标准， 表 2-1 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 中列出了目前现有过滤器和滤芯的检测项目和与之相对应的国内、国际的检测标准 [16]-[23]，生产者可以根据不同的过滤器滤芯产品选择不同的检验项目以及相关检测标准。 表 2-1 液压过滤产品检验项目及其方法标准 Table 2-1 Hydraulic filter products‘ inspection items and standards 检验项目过滤产品国际方法标准国内方法标准 过滤精度试验滤芯、 过滤器 ISO 16889-1999 ISO 4572-1981 GB/T 18853-2002 纳污容量试验滤芯、 过滤器 ISO 16889-1999 ISO 4572-1981 GB/T 18853-2002 发讯压降试验过滤器ISO 3968-2001GB/T 17486-1998 旁通阀开启压降试验滤芯、 过滤器ISO 3968-2001 GB/T 17486-1998 GB/T 20079-2006 旁通阀关闭压降试验滤芯、 过滤器ISO 3968-2001 GB/T 17486-1998 GB/T 20079-2006 旁通阀压降流量试验滤芯、 过滤器ISO 3968-2001 GB/T 17486-1998 GB/T 200