高壓反沖洗過濾器污染控制建模與仿真研究

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870； 2.沈陽化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

引言

由于煤礦綜采工作面支架液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境特殊性及系統(tǒng)的龐大復(fù)雜性，乳化液污染已成為影響液壓支架工作性能和效率的突出問題。高壓自動(dòng)反沖洗過濾器是保障乳化液清潔的重要設(shè)備之一，能在實(shí)現(xiàn)乳化液正向過濾及不拆除濾芯的前提下對濾芯前端的污染物進(jìn)行反向沖洗，保障乳化液介質(zhì)的清潔，實(shí)現(xiàn)濾芯的再生與重復(fù)利用。現(xiàn)有關(guān)于反沖洗過濾器的研究主要有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[1-2]、反沖洗控制方法[3]、濾網(wǎng)流場特性[4]及超聲波對反沖洗性能的輔助作用[5]等，也有石油化工領(lǐng)域關(guān)于反沖周期與納污量關(guān)系的研究[6]及反沖參數(shù)與濾料再生效果影響研究[7]等， 而從污染控制角度對反沖洗時(shí)間及反沖洗效率等反沖性能的研究相對較少。本研究在分析礦用乳化液高壓反沖洗過濾器工作原理的基礎(chǔ)上，借鑒污染控制平衡理論[8]及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[9-11]，建立了反沖洗過濾器的污染控制模型，并以此為基礎(chǔ)建立了AMESim仿真模型，研究了反沖洗效率、反沖洗流量等參數(shù)對反沖洗時(shí)間的影響關(guān)系。

1 高壓自動(dòng)反沖洗過濾器

根據(jù)支架液壓系統(tǒng)工況及過濾機(jī)理，本研究設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于乳化液介質(zhì)的高壓自動(dòng)反沖洗過濾器，其原理如圖1所示。該過濾器由2個(gè)電磁先導(dǎo)閥、2個(gè)液控主閥及2個(gè)過濾精度為25 μm的高壓過濾器組成，通過控制電磁先導(dǎo)閥的啟閉來實(shí)現(xiàn)對過濾器濾芯的清洗，根據(jù)實(shí)際工況需求可設(shè)置定時(shí)間間隔控制、壓差-時(shí)間間隔復(fù)合控制等方式。與傳統(tǒng)的單向過濾器相比，反沖洗過濾器在操作上更易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且能實(shí)現(xiàn)反沖洗時(shí)系統(tǒng)供液不間斷，用較少的乳化液流量即可把污染物沖出系統(tǒng)，從而保障支架液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖1 高壓自動(dòng)反沖洗過濾器工作原理

2 反沖洗過濾器的污染控制模型

高壓反沖洗過濾器的工作過程可以分為正向過濾和反向沖洗兩個(gè)階段。正向過濾時(shí)，過濾器濾芯上游濾網(wǎng)表面沉積的污染物逐漸增多，濾芯上下游的壓差也會(huì)相應(yīng)增加，當(dāng)壓差達(dá)到設(shè)定值后，過濾器進(jìn)入反向沖洗階段。反向沖洗時(shí)，沖洗油液來自另外1個(gè)過濾器過濾后的油液，即來自泵源的油液經(jīng)過1個(gè)過濾器過濾后，一部分用來給系統(tǒng)供油，另一部分反向經(jīng)過待沖洗過濾器后對該過濾器前端的污染物沖洗并排出系統(tǒng)。

2.1 正向過濾

正向過濾是2個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的過濾器并聯(lián)工作，引入污染重復(fù)過濾因子[12]，可以得出反沖洗過濾器在正向過濾時(shí)的污染控制模型如圖2所示。

其中Q為流經(jīng)過濾器的流量，L/min，流經(jīng)單個(gè)過濾器的流量為Q/2，L/min，V1為濾芯上游的容腔體積，mL；V2為濾芯下游的容腔體積，mL；α為過濾器污染重復(fù)過濾因子，0≤α<1，β為過濾器的過濾比。

2.2 反向沖洗

反向沖洗是在持續(xù)正向過濾一段時(shí)間后， 當(dāng)某個(gè)濾芯前后的壓差達(dá)到反沖洗設(shè)定值時(shí)開啟的。反向沖洗所用油液流量僅為總流量的一部分，用αF表示反沖洗流量占全部流量比例系數(shù)，該系數(shù)與過濾器濾筒結(jié)構(gòu)及排污口直徑長度等參數(shù)有關(guān)。由于過濾器濾筒結(jié)構(gòu)、流動(dòng)特性及污染物附著等，會(huì)有一部分污染物附著在濾網(wǎng)或筒壁上不能被反沖走，這里用反沖洗效率η來表示被反沖洗掉的污染顆粒數(shù)占總沉積污染顆粒數(shù)之比。根據(jù)上述分析，對反向沖洗階段的污染控制進(jìn)行研究，建立如圖3所示的反向沖洗污染控制模型。

圖2 正向過濾污染控制模型

圖3 反沖洗污染控制模型

根據(jù)污染物顆粒數(shù)守恒，可列出反沖洗容腔的污染平衡方程如下：

(1)

兩邊同時(shí)除以V1可得：

(2)

式中，Q—— 進(jìn)入過濾器的總流量，L/min

Nc—— 用于反沖洗的油液污染濃度，ind/mL

Nw—— 污染腔初始濃度，ind/mL

V1，V2—— 濾芯上、下游容腔體積，mL

Np—— 排污口污染濃度，ind/mL

αF—— 反沖洗流量占總流量的比例系數(shù)

3 反沖洗過濾器的仿真研究

3.1 AMESim仿真模型

從上述污染控制模型可知，其系統(tǒng)為高階系統(tǒng)，若按照微分方程組求解，其計(jì)算將會(huì)十分困難，本研究借用AMESim軟件的強(qiáng)大仿真功能，根據(jù)油液污染控制系統(tǒng)模型，直接建立反沖洗過濾器的仿真模型如圖4所示。圖中上半部分為正向過濾階段，并實(shí)時(shí)計(jì)算過濾器前腔的沉積污染顆粒及相應(yīng)的壓差，下半部分為反向沖洗階段，兩者之間用Trigger模型進(jìn)行切換。反向沖洗時(shí)，正向過濾通道切斷，并對沉積的污染顆粒進(jìn)行沖洗，同時(shí)在模型中分別引入過濾器重復(fù)過濾因子、反沖洗效率和分流系數(shù)，具體各參數(shù)設(shè)置如表1。

圖4 反向沖洗仿真模型

表1 參數(shù)設(shè)置表

3.2 反沖洗過濾器仿真分析

1) 正向過濾仿真分析

為保證液壓系統(tǒng)乳化液泵站的正常工作，并考慮油箱的污染入侵率，從油箱泵出的油液初始濃度設(shè)置為4695 ind/mL。重復(fù)過濾因子設(shè)置為α為0， 0.01， 0.02， 0.03， 0.04， 0.05， 0.1， 0.2， 0.4， 0.6， 0.8， 0.95，仿真時(shí)間為500 s，仿真結(jié)果如表2所示。由仿真結(jié)果可知，當(dāng)污染重復(fù)過濾因子α=0時(shí)，過濾器工作于理想狀態(tài)下，濾芯攔截的污染顆粒被完全吸附，過濾器響應(yīng)迅速，2.63 s即可使過濾器出口濃度保持平衡穩(wěn)定值46.96 ind /mL。隨著α的增加，過濾器出口濃度也相應(yīng)變大；當(dāng)α=0.95時(shí)，需要62.18 s才能使過濾器出口濃度達(dá)到穩(wěn)定值789.23 ind /mL，而過濾器前后的壓差在相同過濾時(shí)間時(shí)，隨著污染重復(fù)過濾因子的增大而減小。為保證液壓系統(tǒng)正常工作，需保證油液清潔度等級(jí)高于NAS9級(jí)，即油液中直徑大于25 μm 的污染顆粒數(shù)濃度應(yīng)小于48.98 ind /mL，根據(jù)仿真結(jié)果重復(fù)過濾因子應(yīng)設(shè)置為α≤0.04。影響過濾器污染重復(fù)過濾因子大小的因素很多，比如過濾器結(jié)構(gòu)、濾芯介質(zhì)及生產(chǎn)工藝，甚至與流量脈動(dòng)、油液黏度等因素均有關(guān)系。研究過濾器工作時(shí)的污染重復(fù)過濾因子的變化規(guī)律，對于提高過濾器的效率，改善污染控制的效果具有重要意義。

表2 污染重復(fù)過濾因子對過濾器性能的影響

2) 反向沖洗仿真分析

反向沖洗是在正向過濾后，過濾器前后的壓差達(dá)到反沖洗設(shè)定值時(shí)開始的，反沖洗腔的污染度可以從正向過濾仿真獲得。根據(jù)正向過濾仿真的結(jié)果，當(dāng)過濾器前后壓差達(dá)到反沖洗的設(shè)定值0.8 MPa時(shí)，過濾器前端沉積的污染顆粒數(shù)為1.01855×1010ind，將所有顆粒溶解于過濾器對應(yīng)的容腔體積即可得到污染初始濃度。

根據(jù)上述設(shè)置進(jìn)行仿真，圖5為反沖洗效率η與反沖洗效果的關(guān)系曲線，由仿真結(jié)果可知，反沖洗效率越高，所用反沖時(shí)間越短，當(dāng)η為1時(shí)，反沖時(shí)間僅為4.638 s，而當(dāng)η為0.94時(shí)，反沖所需時(shí)間為7.278 s。而當(dāng)η小于0.94時(shí)，過濾器前后壓力無法降至要求的0.2 MPa。因此，反沖洗效率越高對反沖效果越有利，反沖時(shí)間也越短，在設(shè)計(jì)反沖洗過濾器時(shí)可考慮加入超聲波裝置，利用超聲波每秒數(shù)萬次的高頻振動(dòng)形成的空化作用，將濾芯上附著的污染物分離出來，從而有效提高反沖洗效率，進(jìn)而提高反沖過濾器的反沖效果。

圖5 反沖洗效率對反沖效果的影響

圖6為分流系數(shù)αF與反沖洗效果的關(guān)系曲線，分流系數(shù)根據(jù)液壓常用軟管通徑尺寸與主油路尺寸按αF為0.06， 0.1， 0.16， 0.25四種規(guī)格進(jìn)行分析。由仿真結(jié)果可知，分流系數(shù)越高，所用反沖時(shí)間越短，當(dāng)αF為0.25時(shí)，反沖時(shí)間僅為1.615 s，而當(dāng)η為0.06時(shí)，反沖所需時(shí)間為6.746 s。但是，分流系數(shù)越高表明反沖洗所用的油液體積也越多，成本越高。因此有必要對分流系數(shù)和反沖時(shí)間進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，在考慮反沖時(shí)間的同時(shí)，權(quán)衡其經(jīng)濟(jì)成本。

圖6 分流系數(shù)對反沖效果的影響

3) 反沖洗過濾器污染控制仿真分析

圖7a為反沖洗過濾器整體仿真時(shí)濾芯前后壓差的變化曲線，圖7b為反沖洗階段濾芯壓差變化局部圖。由仿真曲線可知，過濾器先正向過濾，壓差逐漸增加，從0.15 MPa到0.8 MPa用時(shí)657.8 s，隨后觸發(fā)反沖信號(hào)，過濾器開始反沖，壓差降低，到660.31 s時(shí)，壓差減至0.2 MPa，反沖洗用時(shí)2.51 s，反沖洗結(jié)束，又進(jìn)入正向過濾階段，開始下一循環(huán)。

圖7 反沖洗濾芯壓差變化曲線

圖8 反沖污水口濃度與納污量變化曲線

圖8a為反沖洗過濾器反沖污水口的污水濃度隨時(shí)間的變化曲線。在過濾器正向過濾階段，反沖洗口沒有污水沖出，直至657.8 s反沖洗開始，污水濃度由初始的9.769×106ind/mL逐漸降低，經(jīng)2.51 s后濃度降至7.534×103ind /mL，此時(shí)反沖洗結(jié)束，反沖洗口關(guān)閉，出水口濃度變回0，進(jìn)入正向過濾階段。圖8b為反沖洗過濾器納污量隨時(shí)間的變化曲線。在過濾器正向過濾階段，濾芯納污量逐漸增加，直至657.8 s正向過濾結(jié)束時(shí)，納污量達(dá)到最大值69.3 g，觸發(fā)反沖洗信號(hào)，進(jìn)入反沖洗階段，納污量逐漸降低，經(jīng)2.51 s后降至59.331 g，反沖洗結(jié)束。反沖洗結(jié)束，再次進(jìn)入正向過濾階段，這與反沖洗過濾器的實(shí)際工作是相符的。

4 結(jié)論

通過對反沖洗過濾器建立污染控制模型并仿真研究，可以得出如下結(jié)論：

(1) 可以應(yīng)用污染控制平衡理論實(shí)現(xiàn)高壓過濾器的反沖洗分析與計(jì)算；

(2) 在相同過濾時(shí)間內(nèi)，過濾器出口濃度隨污染重復(fù)過濾因子的增大而增大，而過濾器前后壓差隨污染重復(fù)過濾因子的增大而減??；

(3) 反沖洗效率越高，所用反沖時(shí)間越短，可采用超聲波或振動(dòng)等手段提高反沖洗效率；

(4) 分流系數(shù)越高，所用反沖時(shí)間越短，同時(shí)反沖洗所用的油液流量也越多，成本越高，需對分流系數(shù)和反沖時(shí)間進(jìn)行合理選擇與設(shè)計(jì)。