高精度液壓系統(tǒng)兩相流分離技術(shù)研究

洪少華，林昌杰

(1. 武漢交通職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，湖北武漢430065;2. 武漢水電控制設(shè)備有限公司設(shè)計科，湖北武漢430063)

液壓系統(tǒng)污染是影響液壓系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的問題，且經(jīng)常出現(xiàn)，污染物對液壓系統(tǒng)的危害十分巨大。據(jù)統(tǒng)計，液壓系統(tǒng)75% 以上的故障是由系統(tǒng)油液污染造成的，這些污染物包括:固體顆粒、水、空氣、化學(xué)物質(zhì)、微生物、靜電離子、熱能、磁場和放射性物質(zhì)。據(jù)分析，在這些污染物中，固體顆粒產(chǎn)生的影響又是主要的，約占80%的比例。因此，可以近似把控制系統(tǒng)液壓油看成是液態(tài)油和固態(tài)微顆粒的兩相流，高精度高壓液壓系統(tǒng)兩相流分離技術(shù)是現(xiàn)代精密自動控制系統(tǒng)的一個重要的研究課題。

作者長期關(guān)注現(xiàn)代大型水電、火電發(fā)電設(shè)備的控制技術(shù)。現(xiàn)代大型水、火電機組的發(fā)展方向是超大型化、高自動化、高安全性?？刂葡到y(tǒng)對液壓系統(tǒng)用油的要求越來越苛刻。

高效、安全地除去液壓系統(tǒng)中存在的細小固體微粒，保證機組長期安全穩(wěn)定運行，是文中研究的要點。

1 高精度高壓液壓系統(tǒng)對液壓過濾設(shè)備的要求

現(xiàn)代大型水電、火電機組的控制設(shè)備液壓系統(tǒng)的特點是高油壓、大流量、高精度?，F(xiàn)在，一般機組油壓等級已經(jīng)達到6 ～10 MPa;主工作元件的進出口公稱通徑已經(jīng)達到100 ～200 mm;液壓油的允許最大顆粒等級是2 ～5 μm，局部回路已經(jīng)達到1 ～2 μm。

在這些場合，對運行的液壓油過濾設(shè)備的要求是:

(1)液壓油液流動暢通，過濾元件壓力損失小;

(2)過濾過程中主機液壓元件應(yīng)得到?jīng)_洗;

(3)過濾元件能夠在線自清污，具備自清潔功能，且不影響機組的運行;

(4)過濾液壓系統(tǒng)與主機的連接或斷開方便，并滿足產(chǎn)品多樣化的要求;

(5)過濾元件應(yīng)該有足夠的抗疲勞性和抗沖擊性，還能夠適應(yīng)一定的溫度變化;

(6)過濾液壓系統(tǒng)具有狀況自檢的功能，維護保養(yǎng)方便。

2 過濾元件的選擇與安裝

針對以上的一些特別要求，現(xiàn)在采取以下的一些應(yīng)對措施:

(1)嚴(yán)格控制新油的清潔度;

(2)嚴(yán)格控制設(shè)備裝配前和裝配期間各元件及通流部分的清潔度;

(3)在液壓回路必要的地方布置合適的過濾裝置;

(4)定期對液壓油進行整體旁路循環(huán)過濾;

(5)對系統(tǒng)的油質(zhì)量進行動態(tài)的在線監(jiān)測。

這里，能夠做到和重點研究的只能是其中的第3 項。

在液壓回路中使用的過濾器有吸油過濾器、壓力管路過濾器、回油過濾器和旁路過濾器等。它們的工作任務(wù)和安裝位置各不相同?，F(xiàn)在旁路過濾器一般已不采用，吸油過濾器和回油過濾器已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品可以直接選用，關(guān)注的是主壓力管路過濾器。主管路過濾器一般設(shè)置在液壓系統(tǒng)的核心控制元件如主配壓閥、電液轉(zhuǎn)換器和比例伺服閥之前，處于液壓控制系統(tǒng)的心臟部位，對保證機組的安全、穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

3 過濾材料的選擇

過濾器過濾層的材質(zhì)可以分為表面性和深度性兩類。表面性濾材由金屬細絲編制而成，也有其他的結(jié)構(gòu)形式。過濾精度由編織孔及線隙尺寸決定，在理想狀態(tài)下，任何大于孔隙尺寸的微粒均會被攔截。這種濾材的過濾作用只發(fā)生在濾網(wǎng)表面，所以稱為表面型過濾。隨著污物在過濾網(wǎng)面的不斷堆積，其孔隙會被不斷堵塞，從而使壓降逐漸增大，過流量逐漸減小。一般，這種濾網(wǎng)要有足夠大的過流面積，可以重復(fù)使用，但使用中還要注意表面除污。深度性濾材為有一定厚度的多孔材料。它的孔眼形狀、大小都不規(guī)則，不均勻，內(nèi)部流道彎曲、復(fù)雜，它的功率作用不光發(fā)生在材料表面，還在過濾材料的深處，所以稱為深度性濾材。用這種材料做成的濾網(wǎng)，納污容量比較大，壓降比較小，但除污、清洗比較困難，一般不能重復(fù)使用。

作者在實驗室中，對多種濾材進行了多次分析比對試驗，最后確定選用不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)為過濾設(shè)備的濾材。這是因為，燒結(jié)網(wǎng)由不銹鋼絲網(wǎng)經(jīng)疊加、真空燒結(jié)而成，具有耐腐蝕性強、滲透性好、強度高、易于清洗和反清洗、過濾精度精確、濾材衛(wèi)生潔凈、絲網(wǎng)不脫落等特性，綜合性能明顯優(yōu)于其他類型的過濾材料。

4 過濾裝置的工作原理

作者在實驗室進行了高精度高壓液壓系統(tǒng)兩相流分離裝置實驗。其原理見圖1。由不銹鋼燒結(jié)網(wǎng)制成向下開口杯狀濾網(wǎng)體與步進電機直連，可由步進電機帶動旋轉(zhuǎn)。濾網(wǎng)體內(nèi)部設(shè)有固定的吸污口，其進口緊貼濾網(wǎng)體內(nèi)壁。吸污口通過電磁閥、節(jié)流閥與污油箱連接。濾網(wǎng)殼體上還布置了差壓控制器和最后機會濾網(wǎng)。當(dāng)這種裝置接入高壓液壓油源時，壓力油從杯狀濾網(wǎng)體內(nèi)腔流入，通過濾網(wǎng)進入殼體，過濾后進入工作系統(tǒng)。當(dāng)濾網(wǎng)面上污物逐漸增多使系統(tǒng)差壓增大到設(shè)定值時，差壓開關(guān)發(fā)出信號，通過可編程控制步進電機動作，同時打開兩通閥，網(wǎng)面上附著的污物在差壓的作用下，被強行吸入吸污口，通過兩通閥、節(jié)流閥，進入污油箱。步進電機緩慢轉(zhuǎn)動一圈，網(wǎng)壁上的污物被全部清理干凈，清污過程完成。整個裝置可編程控制，有自動差壓清污、定時清污、手動清污等多種工作狀態(tài)。當(dāng)這些功能完全失效時，還有最后機會過濾器起旁通過濾作用，確保系統(tǒng)安全運行。這個裝置還具有智能工況切換功能、遠程通信控制功能和自動報警等多種功能。

圖1 液壓油兩相流分離裝置原理圖

5 結(jié)束語

目前，已經(jīng)完成了液壓油兩相流分離裝置實驗室的全部工作。實驗證明:該裝置各項指標(biāo)達到設(shè)計值，各項性能達到預(yù)期的要求。這項技術(shù)還可以用于艦船、大型冶金設(shè)備、大型工程機械和軍事工程中。

［1］戴天翼．過濾器:設(shè)計、制造和使用［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:97－98．