濾芯元件實(shí)際壽命的評(píng)估

金 濤， 杜傳斌

(1.航空工業(yè)(新鄉(xiāng))計(jì)測(cè)科技有限公司， 河南 新鄉(xiāng) 453019； 2.中國(guó)人民解放軍92574部隊(duì)， 上海 200436)

引言

過(guò)濾器是液壓系統(tǒng)中維護(hù)最頻繁的輔助元件之一[1]，維護(hù)方式有清洗濾芯元件或更換濾芯元件。金屬型過(guò)濾器，通常是可清洗的，可重復(fù)使用[2]；對(duì)于玻璃纖維、木質(zhì)纖維和無(wú)紡濾紙等非金屬過(guò)濾器，在維護(hù)時(shí)通常用新濾芯元件進(jìn)行替換。

清洗或更換濾芯元件的時(shí)間間隔存在著及時(shí)性與經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。通常在過(guò)濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增加污染壓差指示器，指示器發(fā)出污染報(bào)警后，及時(shí)、適當(dāng)?shù)膶?duì)濾芯元件進(jìn)行清洗或更換，或者采用定期維護(hù)措施，人為規(guī)定維護(hù)時(shí)間。過(guò)濾器作為液壓系統(tǒng)固體顆粒污染控制的主要元件，科學(xué)、正確評(píng)估濾芯元件的實(shí)際使用壽命或清洗間隔時(shí)間，對(duì)液壓元件和系統(tǒng)工作性能及整機(jī)的運(yùn)行安全至關(guān)重要。

濾芯元件試驗(yàn)壽命的評(píng)定主要是針對(duì)其過(guò)濾性能，主要有3種方法：多次通過(guò)試驗(yàn)方法[3-4]、堵塞壽命試驗(yàn)方法[5]、熱循環(huán)試驗(yàn)方法。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用多次通過(guò)試驗(yàn)方法，其源于液壓過(guò)濾行業(yè)，尤其在汽車與內(nèi)燃機(jī)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如液壓過(guò)濾器、機(jī)油濾清器、柴油濾清器、電噴燃油濾等。多次通過(guò)試驗(yàn)不僅可以檢測(cè)出過(guò)濾比(過(guò)濾精度、過(guò)濾效率)和納污容量[6]這些過(guò)濾性能[7]的核心指標(biāo)，同時(shí)還可以檢測(cè)出濾芯元件從初始?jí)翰钸_(dá)到極限壓差的試驗(yàn)壽命。

然而，由于實(shí)際工況下存在未知的條件，如污染的生成規(guī)律、系統(tǒng)的清潔程度，實(shí)際工作條件無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室獲得的試驗(yàn)壽命并不等于實(shí)際壽命。試驗(yàn)壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際壽命，試驗(yàn)壽命相同的濾芯元件，在不同條件下的實(shí)際壽命不一定相同。因此需要一種對(duì)濾芯元件的實(shí)際壽命進(jìn)行評(píng)估的方法。

針對(duì)目前濾芯元件實(shí)際壽命評(píng)估存在的問(wèn)題，本研究運(yùn)用多次通過(guò)試驗(yàn)方法，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際使用結(jié)果，建立實(shí)際壽命與納污容量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到一種實(shí)驗(yàn)室條件下濾芯元件實(shí)際壽命評(píng)估方法。

1 濾芯元件的實(shí)際壽命與試驗(yàn)壽命

濾芯元件在規(guī)定的工作條件下，其初始?jí)翰頪8]不能超過(guò)設(shè)計(jì)值，壓差隨著工作時(shí)間/里程的不斷增加而升高，當(dāng)壓差升高到一定值時(shí)，濾芯元件結(jié)構(gòu)破裂、性能失效，此時(shí)的壓差稱為終止壓差即極限壓差。從初始?jí)翰钌叩綐O限壓差的時(shí)間/里程，就是濾芯元件的壽命，用小時(shí)或公里表示。

在實(shí)際工作條件下，初始?jí)翰钌叩綐O限壓差[9]的時(shí)間/里程，稱之為濾芯元件的實(shí)際壽命；在實(shí)驗(yàn)室依據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)方法規(guī)定的試驗(yàn)條件下，初始?jí)翰钌叩綐O限壓差的時(shí)間，稱之為濾芯元件的試驗(yàn)壽命[10]。

2 壓差影響因素

2.1 實(shí)際壓差的影響因素

濾芯元件從投入使用到報(bào)廢的全壽命周期就是初始?jí)翰钌叩綐O限壓差的全過(guò)程，實(shí)際壓差升高的影響因素可用下列函數(shù)表示：

Δp=f(q，ρ，β，α，t，…)

(1)

式中, Δp—— 濾芯元件工作壓差

q—— 濾芯元件工作流量

ρ—— 油液的黏度

β—— 濾芯元件的過(guò)濾比，即過(guò)濾效率

α—— 工作系統(tǒng)的污染物生成率

t—— 濾芯元件的實(shí)際工作時(shí)間，即實(shí)際壽命

… —— 其他未知的影響因素

濾芯元件在實(shí)際工作中壓差的升高主要受工況、污染生成及時(shí)間的影響。工況隨著流量、溫度、過(guò)濾效率的變化而變化，這些變化又會(huì)影響壓差的變化。在系統(tǒng)中污染生成是復(fù)雜的，主要源于系統(tǒng)內(nèi)固有污染物及酸性氧化物、元器件的磨損、添加劑的析出等。污染物被濾芯收集，堵塞濾層的多孔通道引起流量壓差升高，濾芯元件的工作時(shí)間是壓差升高的最直接變量。

假設(shè)在實(shí)際工作狀態(tài)的條件下沒(méi)有振動(dòng)、恒流恒溫，單位時(shí)間內(nèi)的污染生成與過(guò)濾相對(duì)平衡，并且其他未知的影響因素忽略不計(jì)，則式(1)完全是關(guān)于時(shí)間的函數(shù)：

Δp=f(t)

(2)

根據(jù)式(2)，可以得到實(shí)際壽命與壓差的曲線，如圖1所示。濾芯元件的壓差隨著工作時(shí)間的增加，初始階段基本上是呈線性的慢慢升高，當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間后，壓差會(huì)升高的很快，基本上是呈指數(shù)倍的增大，這時(shí)污染指示器就會(huì)發(fā)出報(bào)警訊號(hào)，旁通閥也就快要開(kāi)啟，這是更換或清洗濾芯元件的最佳時(shí)點(diǎn)。

圖1 實(shí)際壽命與壓差的關(guān)系曲線

2.2 試驗(yàn)壓差的影響因素

在多次通過(guò)或堵塞壽命試驗(yàn)時(shí)，從試驗(yàn)開(kāi)始到試驗(yàn)終止的全過(guò)程，也就是記錄初始?jí)翰钌叩綐O限壓差的時(shí)間過(guò)程，試驗(yàn)壓差升高的影響因素可用下列函數(shù)表示：

Δps=f(qs，ρs，β，γ，ts，…)

(3)

式中, Δps—— 濾芯元件試驗(yàn)壓差

qs—— 濾芯元件試驗(yàn)流量

γ—— 系統(tǒng)上游的污染物濃度(含顆粒的性質(zhì)及力度分布)

ts—— 從試驗(yàn)開(kāi)始到終止的試驗(yàn)時(shí)間，即試驗(yàn)壽命

… —— 其他未知的影響因素

在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置恒溫、恒流、且無(wú)振動(dòng)干擾的試驗(yàn)條件。濾芯元件過(guò)濾比是通過(guò)濾芯元件納污容量來(lái)影響壓差升高，濾芯元件試驗(yàn)結(jié)束后的納污容量可用下式進(jìn)行計(jì)算：

w=qstsγ

(4)

那么，在試驗(yàn)時(shí)壓差就完全是納污容量的函數(shù)：

Δps=f(w)

(5)

根據(jù)式(5)，可以得到試驗(yàn)壽命與壓差的曲線，如圖2所示。被試濾芯元件的壓差隨著污染粉塵的不斷注入，初始階段壓差基本呈線性緩慢升高，當(dāng)添加的粉塵達(dá)到一定量后，壓差上升加快，呈指數(shù)倍的升高，直至達(dá)到極限壓差，試驗(yàn)結(jié)束。

圖2 試驗(yàn)壽命與納污容量的關(guān)系曲線

3 實(shí)際壽命評(píng)估方法

濾芯元件的壓差無(wú)論是通過(guò)添加污染物而增大，還是在實(shí)際使用過(guò)程中隨時(shí)間的升高，基于極限壓差相等的原則，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果[12]與實(shí)際使用的時(shí)間相結(jié)合，即由式(2)和式(5)可得：

Δp=f(t,w)

(6)

圖3 實(shí)際壽命、納污容量和壓差的關(guān)系曲線

實(shí)際壽命、納污容量和壓差的關(guān)系曲線如圖3所示。在實(shí)驗(yàn)室可以準(zhǔn)確的檢測(cè)到全新濾芯元件在Δpi(i=1,2,3，…，n)下對(duì)應(yīng)的納污容量wi(i=1,2,3，…，n)，繪制出曲線Ⅱ，即試驗(yàn)壽命與納污容量的關(guān)系曲線；同理，對(duì)有計(jì)劃收回的不同使用時(shí)間ti(i=1，2，3，…，n)的某型號(hào)舊濾芯， 在實(shí)驗(yàn)室同流量條件下側(cè)得對(duì)應(yīng)的Δpi(i=1，2，3，…，n)，繪制出曲線Ⅰ，即實(shí)際壽命與壓差的曲線。根據(jù)壓差相等，將曲線Ⅰ與曲線Ⅱ合成，建立了實(shí)際壽命與納污容量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如曲線Ⅲ所示。

本研究中的評(píng)估方法建立在“加速等效”試驗(yàn)基礎(chǔ)上，即運(yùn)用過(guò)濾器的多次通過(guò)試驗(yàn)，添加試驗(yàn)粉塵使濾芯元件的初始?jí)翰羁焖偕叩綐O限壓差，再通過(guò)壓差建立聯(lián)系，使添加的試驗(yàn)粉塵的量對(duì)應(yīng)實(shí)際壽命。

4 結(jié)論

本研究結(jié)合通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際工況數(shù)據(jù)，建立實(shí)際壽命與納污容量的評(píng)估對(duì)應(yīng)關(guān)系，為合理確定過(guò)濾器的維護(hù)時(shí)間間隔和預(yù)知濾芯元件的使用壽命提供理論支撐。