过滤器多次通过试验台的设计
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。
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／]r18853—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ISO16889(GB／T18853—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，ISO16889(GB／]r18853—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0．25L／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5～50L／min以及50～150L／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2～4h，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0．25L／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0．2～0．5MVa左右，关键是一旦选定就要努力维持该压力值保持不变。进入压力罐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ISO16889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。