一種新型油箱過濾裝置的研究

文|李俊沅

齒輪箱、液壓站作為機組的主設(shè)備之一，其運行直接關(guān)系到風電機組的安全可靠性。為了保證風電機組的發(fā)電安全可靠，必須保障齒輪箱、液壓站能夠安全可靠運行?？諝膺^濾裝置是齒輪箱、液壓站的重要組成部分，用于保證油箱內(nèi)部與外部連通，以防止油箱內(nèi)產(chǎn)生較大的正壓力或負壓力影響設(shè)備工作。與此同時，還能防止油箱內(nèi)的油液噴到外面污染環(huán)境，以及防止外部空氣中的污染物等進入油箱內(nèi)部，造成對設(shè)備的損害。

目前，國內(nèi)外對油箱空氣過濾裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究較少，還處于起步階段。行業(yè)中仍主要是采用空氣濾芯結(jié)構(gòu)的裝置來實現(xiàn)油箱的空氣過濾功能，這種裝置結(jié)構(gòu)較為簡單，而且成本低。但是，由于空氣濾芯過濾性能差，油箱內(nèi)含有油顆粒的氣體容易通過空氣濾芯排到外部空氣中，外部空氣中的氣態(tài)水或其他污染物等也容易進入油箱內(nèi)部，造成油箱內(nèi)的油質(zhì)變差。

本文設(shè)計了一種新型油箱過濾裝置，通過在油箱上設(shè)置該過濾裝置，能夠有效阻止油箱內(nèi)的油霧排到外部以及外部空氣中的固體顆粒、氣態(tài)水和其他污染物進入油箱內(nèi)部。

油箱中主要污染物及其危害

油箱污染物分為油箱排出的污染物（主要為油箱內(nèi)的油霧）與侵入油箱內(nèi)部的浸染物（主要包括外部空氣中的固體顆粒、氣態(tài)水和其他污染物）。其危害主要表現(xiàn)為：

（1）油箱排出的油霧冷卻后，會附在設(shè)備表面，一來影響設(shè)備的正常運行，二來遇到火源時很容易起火，造成火災(zāi)事故；油霧最大的危害還在于它對接觸人的影響，它直接影響著機艙內(nèi)工作人員的健康，較輕的會對工作人員的鼻、眼、咽喉產(chǎn)生刺激，并隨著呼吸道進入體內(nèi)，讓工作人員出現(xiàn)惡心、食欲減退、心煩等不良癥狀，嚴重的還可能會患上肺癌等疾病。

（2）進入油箱內(nèi)部的固體顆粒、氣態(tài)水和其他污染物直接的危害是使設(shè)備發(fā)生故障。故障分為兩種：一種是可預(yù)見性的，如固體顆粒進入油箱后，會使有相對滑動元件表面的磨損加劇，加劇的磨損又產(chǎn)生更多的固體顆粒，這些固體顆粒又使磨損加劇，造成惡性循環(huán)，影響元件性能，降低其使用壽命。嚴重時會產(chǎn)生卡死現(xiàn)象，造成破壞性損壞。又如固體顆?；旌线M油液后，會加速油液的老化，降低油液壽命。另一種是突然故障的發(fā)生，如固體顆粒較多時會堵塞油路，造成元件動作失靈，還會堵塞油過濾器，產(chǎn)生振動和噪音，嚴重時會因壓力過大擊穿油過濾器，使其喪失過濾能力，造成污染的惡性循環(huán)。造成污染物侵入與排出的主要原因如圖1所示。

因而，空氣過濾裝置的任務(wù)在于如何防止或減少油箱污染物，特別是固體顆粒、水與油霧的侵入與排出。

傳統(tǒng)過濾裝置

一般的空氣過濾裝置主要由器體與濾芯組成，且體積較小，安裝簡單，從而在簡化油箱結(jié)構(gòu)的同時，又有利于油液的凈化。在設(shè)備運行過程中，由于元件轉(zhuǎn)動加快，溫度升高，油液會轉(zhuǎn)變成油霧，增加油箱內(nèi)的壓力。當油箱內(nèi)壓力大于外部壓力時，油霧會通過空氣過濾裝置向外排氣，以維持油箱內(nèi)壓力與外部壓力的平衡；相反，當元件轉(zhuǎn)動減慢、溫度下降、油箱內(nèi)壓力小于外部壓力時，空氣中氣態(tài)水和其他污染物會通過空氣過濾裝置進入油箱內(nèi)，以維持壓力平衡。這樣來回循環(huán)既能保護設(shè)備的正常工作，又能避免油箱內(nèi)壓力過大或過小而對設(shè)備造成損害。

圖1 污染物的侵入與排出

空氣過濾裝置在此過程中充當著媒介的作用，既要阻止油箱內(nèi)的油霧排出，造成外部設(shè)備與環(huán)境的污染，也防止了氣態(tài)水等外部污染物進入到油箱內(nèi)部，保持油箱內(nèi)油液的清潔度，從而延長設(shè)備的使用壽命。

一、裝置結(jié)構(gòu)

圖2為裝置的實物圖，圖3為裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

二、工作原理

如圖3所示，過濾裝置的進氣孔4與油箱內(nèi)部保持連通，當油箱內(nèi)壓力大于外部壓力時，油箱內(nèi)部產(chǎn)生的氣體可通過進氣孔4進入殼體1中，經(jīng)濾芯3過濾后，從排氣孔5排出，只經(jīng)一次過濾，過濾效果取決于濾芯與密封性能。

同樣的原理，當油箱內(nèi)壓力小于外部壓力時，外部的空氣可從排氣孔5進入殼體1，經(jīng)濾芯3過濾后，從進氣孔4進入到油箱內(nèi)。

三、優(yōu)缺點

優(yōu)點：裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，應(yīng)用范圍大；安裝固定方便，通過裝置下端的螺紋與油箱直接連接；維護更換濾芯快捷，可根據(jù)安裝空間，直接打開裝置上端蓋更換濾芯。

缺點：單靠一個濾芯進行過濾，過濾級數(shù)不夠，過濾效果不理想；裝置密封性能差，容易導致外部污染物進入油箱內(nèi)；濾芯材質(zhì)差，容易造成堵塞，更換周期頻繁，維護成本較高。

新型過濾裝置

傳統(tǒng)過濾裝置具備結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便及更換濾芯快捷等特點，但也存在不少問題。因而，新型過濾裝置研究的關(guān)鍵在于其系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)、過濾工序的設(shè)計以及濾料的選擇。它們對過濾性能起到直接的影響，對整體性能起決定性作用，所以必須達到如下要求：首先，受環(huán)境因素影響，該裝置必須保證體積偏小，且安裝方便，濾芯更換快捷；其次，必須有多級過濾結(jié)構(gòu)，分別過濾污染物中的固體顆粒、氣態(tài)水和油霧，以保證過濾效果；最后，殼體必須密封性能好，避免因密封不良導致的污染。

一、裝置設(shè)計方案

（一）濾料的選擇

目前，常用的濾料有：棉木紙漿濾紙、合成纖維濾紙和金屬纖維濾氈。從理論上講，這些材料在價格、質(zhì)量等方面條件優(yōu)越，但其孔隙率小、表面吸附能力差，使其截污能力受到限制。由于孔隙率小，過濾阻力大，其容易堵塞，過濾周期短。為了盡量避免這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，根據(jù)污染物的種類與多級過濾要求，從現(xiàn)場常接觸到的濾料中挑選了以下三種濾料進行試驗（濾料的選擇并不僅限于以下幾種，可根據(jù)不同的需求與條件進行更換）：

（1）海綿：彈性好、濾塵速度快、濾塵率高、氣流阻力低、通風性能好等。

（2）油液：與油箱為同類油液，利用同類油液易相融的原理。

（3）變色硅膠：對空氣中的氣態(tài)水有極強的吸附作用，同時又能通過所含氯化鈷結(jié)晶水數(shù)量變化而顯示不同的顏色，即由吸濕前的藍色隨吸濕量的增加逐漸轉(zhuǎn)變成淺紅色，易于觀察。

（二）過濾的流程（圖4）

二、裝置結(jié)構(gòu)

裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計情況如下：

（1）殼體采用透明的PVC鋼性材料，能清晰了解過濾裝置各濾料的使用情況。

圖2 裝置實物圖

圖3 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（2）頂部設(shè)置可打開的端蓋，方便濾芯的更換，且設(shè)置有密封圈，與殼體通過螺紋連接，以保證密封性能良好。

（3）裝置進氣孔的內(nèi)壁上設(shè)置內(nèi)螺紋，在油箱的開孔上設(shè)置具有外螺紋的安裝部分，殼體采用螺紋安裝的方式固定于油箱，且螺紋處均設(shè)置有密封圈。該外螺紋部分可進行拆卸更換，以便于安裝在不同的油箱接口處。

（4）殼體內(nèi)部分為四部分：進氣管道、一級過濾區(qū)、二級過濾區(qū)和三級過濾區(qū)。四個區(qū)域均通過通氣孔進行連接。進氣管道與油箱內(nèi)部連通，結(jié)合熱升冷沉等原理，將與油箱連接的進氣管道口設(shè)在裝置上端，以減緩油霧的速度，提升過濾效果；一級過濾區(qū)放置變色硅膠；二級過濾區(qū)放置油液；三級過濾區(qū)放置海綿。通過三級過濾后，從裝置下端的兩側(cè)排出。

（5）殼體下端底部設(shè)有排油孔，方便對油液的更換。

三、工作原理

如圖6所示，當該過濾裝置的進氣孔11與油箱內(nèi)部保持連通、油箱內(nèi)壓力大于外部壓力時，油箱內(nèi)部產(chǎn)生的氣體可通過進氣孔11經(jīng)呼吸管2進入殼體1內(nèi)的第一腔體100中，由于熱升冷沉的原理，氣體經(jīng)上端蓋的冷卻與硅膠的阻礙后流速降低，隨著氣體的流動經(jīng)過濾芯3，氣體中的少量氣態(tài)水逐漸被濾芯3所吸收，完成第一級過濾；由于第二腔體200與第一腔體100連通，氣體流動進入第二腔體200的第二隔離腔202中，氣體中所含的油顆粒逐漸融于油液中，完成第二級過濾；之后氣體進入第一隔離腔201，氣體中所含的少量固體顆粒被隔離腔中的海綿所吸附，完成第三級過濾；最終氣體經(jīng)側(cè)壁上所設(shè)置的排氣孔12排出，油箱內(nèi)部氣體中的油顆粒由于密度比空氣大，在隨空氣流動過程中逐漸沉降，并被第二隔離腔202中的油液吸收與第一隔離腔201的海錦吸附后，從排氣孔12排出的氣體中含有的油顆粒已經(jīng)很少了，所排出的氣體是較為純凈的空氣。

同樣的原理，當油箱內(nèi)壓力小于外部壓力時，外部的空氣、固體顆粒、氣態(tài)水等污染物可從排氣孔12進入到第二腔體200，流經(jīng)第二腔體200的第一隔離腔和第二隔離腔后到第一腔體100，經(jīng)濾芯3過濾后，沿呼吸管2進入油箱內(nèi)部。外部的空氣、固體顆粒、氣態(tài)水等污染物經(jīng)過過濾裝置的三級過濾，固體顆粒、氣態(tài)水等污染物已經(jīng)逐漸被吸附、吸收，大大減少外部空氣中的氣態(tài)水及其他污染物等進入油箱內(nèi)部的概率。

通過不斷循環(huán)，在維持油箱內(nèi)壓力和外部壓力平衡，保證設(shè)備正常工作的同時，既防止了油顆粒排入外部環(huán)境，造成環(huán)境污染、人員傷害，又阻止了污染物侵入油箱內(nèi)部，保持油液的清潔度，延長設(shè)備使用壽命。

圖4 裝置過濾流程示意圖

圖5 裝置實物圖

四、安裝注意事項

（1）硅膠，是一種高活性吸附材料，當硅膠裸露在空氣中時，如果這時的空氣濕度較大，硅膠會容易受潮、變色，影響過濾效果，因此在更換原過濾裝置前，不預(yù)先將油液與變色硅膠裝入新過濾裝置中，以避免運輸過程中油液溢出、硅膠受潮。

（2）硅膠含有一定量有毒的氧化鈷，操作人員在操作時，應(yīng)注意自身的保護，避免接觸到硅膠，最好配戴手套。如不小心進入眼中，應(yīng)馬上用大量的清水沖洗，并且盡快找醫(yī)生醫(yī)治。

圖6 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

（3）在拆卸與安裝前，必須清理接口周圍的環(huán)境，避免其他污染物通過接口直接進入油箱內(nèi)，更換新裝置時更要迅速，避免空氣中的污染物侵入或油箱內(nèi)的油霧排出。

（4）裝置的密封性能尤為重要，因而，端蓋與油箱的連接部分必須確保密封圈完備并扭緊，保證密封良好。

五、試驗結(jié)果

從實際試驗效果來看，新型過濾裝置明顯優(yōu)于傳統(tǒng)過濾裝置，過濾效果大大提升。主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）過濾精度：傳統(tǒng)過濾裝置采用一級過濾，且不是密封式過濾方式，過濾效果較差；新型過濾裝置采用三級密封式過濾方式，且過濾濾芯針對性較強，對油箱污染物過濾精度較高。

（2）壓力降/流量：傳統(tǒng)過濾裝置安裝帶孔的濾芯，壓力降較高，流速較快；新型過濾裝置采用密封式過濾，且是多級過濾結(jié)構(gòu)，壓力降相比較低，流速較慢，但仍在可接受范圍內(nèi)。

（3）更換周期：傳統(tǒng)過濾裝置濾芯失效周期每年平均約4個；新型過濾裝置濾芯失效周期每年平均約0.6個。

行業(yè)應(yīng)用

本過濾裝置已于某風電場的風電機組齒輪箱與液壓站中投入使用，目前已取得很好的應(yīng)用效果。應(yīng)用表明，新型油箱過濾裝置能很好解決原過濾裝置過濾效果差的問題。經(jīng)研究分析，能對主要污染物進行分別過濾，提高了過濾的精度，充分發(fā)揮空氣過濾裝置的作用，在平衡油箱內(nèi)壓力與外部壓力的同時，有效防止油箱內(nèi)大量油霧排出及阻止固體顆粒、氣態(tài)水等外部污染物的侵入，延長了設(shè)備的使用壽命，增加了設(shè)備的運行可靠性。該裝置已申請并獲得發(fā)明專利，可普遍應(yīng)用于在工程機械的油箱上。

該裝置采取雙高密封墊圈，能保證裝置本身的密封性能，只需定期更換低成本的變色硅膠即可循環(huán)使用，能替代市場現(xiàn)有只能一次使用的產(chǎn)品，降低風電場備件購置成本；另外底部設(shè)計一個隔腔，有效阻止固體顆粒、氣態(tài)水等外部污染物的侵入，實現(xiàn)三級過濾功能，替代現(xiàn)有一級過濾的濾芯過濾器和二級過濾的干燥式過濾器等產(chǎn)品；而且現(xiàn)場安裝使用方便簡單，易操作，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，便于維護，維護成本低。

結(jié)語

新型油箱過濾裝置包含三級過濾，具有安裝簡單、操作輕便、更換靈活、實用性強、過濾效率高等特點?，F(xiàn)場設(shè)備的運行情況表明，新型油箱過濾裝置提供了一種空氣過濾裝置優(yōu)化改造的思路，可循環(huán)再使用，降低購置成本。裝置的應(yīng)用減少了污染物對設(shè)備的損害，延長了設(shè)備的使用壽命，提升了油液的清潔度，延長了油液的更換周期，降低了設(shè)備的維護成本，更重要的是增加了設(shè)備運行的安全可靠性，有利于風電機組持續(xù)、穩(wěn)定、安全的運營。