液壓系統(tǒng)反沖洗過濾器的優(yōu)化設(shè)計

張海兵，高小龍，全麗君，張 陽，陳 娟，張小波

(1.榆林市楊伙盤煤礦，陜西 榆林 719300;2.榆林市能源局，陜西 榆林 719000)

0 引言

煤礦開采效率的提升要求液壓系統(tǒng)乳化液的精度也要隨之提升。乳化液在煤礦開采過程中并不是一次性使用的，而是要進行循環(huán)使用，這就會導(dǎo)致其在循環(huán)過程中很容易受到污染，而污染后的乳化液會對液壓系統(tǒng)和元件造成不良影響[1-3]。研究表明，有超過70%的液壓系統(tǒng)故障是因為乳化液受到污染而導(dǎo)致的[4-6]。在煤礦井下工作面液壓系統(tǒng)中，由于乳化液精度難以達到相應(yīng)標準，進而使得液壓系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中很容易出現(xiàn)故障，解決精準度問題是掃清煤礦開采工作障礙的關(guān)鍵。因此，要提升乳化液的精度，保持乳化液清潔，確保液壓支架的乳化液得到多次過濾后才可以送至液壓支架的立柱和各類油缸中。

液壓系統(tǒng)中常用的反沖洗過濾器在生產(chǎn)時，轉(zhuǎn)球在機加工時，切削弧度過大，造成部分通過排污口排出的乳化液未參與反沖洗，既造成乳化液的浪費，又增大了環(huán)境污染[7-9]。通過對反沖洗過濾器轉(zhuǎn)球的優(yōu)化設(shè)計，可在工作狀態(tài)切換為反沖洗狀態(tài)的過程中及時隔斷排污口與進液口，使從排污口排出的乳化液全部參與反沖洗，可減少乳化液浪費，節(jié)省企業(yè)的材料費用，減少環(huán)境污染。

1 傳統(tǒng)反沖洗過濾器工作過程分析

1.1 液壓系統(tǒng)雜質(zhì)來源

乳化液中的污染物一般為鐵銹渣、矸石顆粒及各類損壞的密封件等，液壓系統(tǒng)雜質(zhì)統(tǒng)計見表1。當乳化液在循環(huán)過程中混入顆粒雜質(zhì)，就會卡住致閥芯，這些顆粒物還會磨損元件，在循環(huán)過程中堵塞節(jié)流縫隙和油道，引發(fā)液壓系統(tǒng)故障，此類型的故障對于電液控支架更為明顯。電液控設(shè)計、生產(chǎn)了更多的控制小流量液體通道，故電液控支架對乳化液的清潔度要求更高。一般手動控制系統(tǒng)要求乳化液的過濾精度為40 μm，電液控系統(tǒng)要求乳化液的過濾精度為25 μm[10-12]。

表1 液壓系統(tǒng)雜質(zhì)統(tǒng)計Table 1 Statistics of impurities in hydraulic system

1.2 工作原理

1.2.1 結(jié)構(gòu)及工作方式

反沖洗過濾器是一種最傳統(tǒng)的過濾方式，主要是通過濾網(wǎng)對水中雜質(zhì)進行直接過濾，將水體中的一些顆粒雜質(zhì)、懸浮的雜質(zhì)進行過濾，使水體濁度有所降低，實現(xiàn)水質(zhì)凈化的目的，并且可以減少銹蝕和污垢等雜質(zhì)的出現(xiàn)，確保系統(tǒng)和設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn)。反沖洗過濾器有以下2種功能：過濾水質(zhì)及反沖洗濾網(wǎng)中的雜質(zhì)，其結(jié)構(gòu)及主要零部件如圖1所示。反沖洗過濾器能夠?qū)⒁簤合到y(tǒng)中的雜質(zhì)、污物等排出，使液壓系統(tǒng)可以恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。一般來說，在啟動轉(zhuǎn)向閥后，水流就會從過濾器筒流至出口后排出，在排污閥啟動之后，隨著流經(jīng)過濾器液體的進一步增多，流速進一步加快就會沖出粘在過濾器管壁周圍的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會通過排污口排出，當轉(zhuǎn)向閥關(guān)閉、排污閥啟動后，水流就會從過濾筒穿過進口處的網(wǎng)孔進入到過濾筒外部，絕大部分會從出口排出，有少部分會留至過濾器外部。通過雜質(zhì)收集處的網(wǎng)孔流經(jīng)過濾筒內(nèi)部，進而實現(xiàn)對其進行反沖洗，這樣就可以從外部對網(wǎng)孔上面的雜質(zhì)進行沖洗。

圖1 反沖洗過濾器產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Product and structure of backwash filter

1.2.2 過濾

閥體內(nèi)有2組平行、并聯(lián)的雙骨架不銹鋼濾芯組件。2組濾芯組件處于平行狀態(tài)時，液體會從Pi口流入，并經(jīng)過對應(yīng)的支撐墊朝著垂直方向轉(zhuǎn)動換向球(該位置的隔斷濾室連接著排污口)。液體經(jīng)過分流環(huán)會分別流入到左右2個濾室當中，再流經(jīng)濾芯組件的外部骨架直到濾網(wǎng)。液體在通過過濾網(wǎng)時會得到過濾，進而形成滿足條件的干凈液體，而過濾的污物則被隔離，會附著在濾網(wǎng)表面。被過濾的液體經(jīng)過內(nèi)骨架和支撐套，最后在流道進行匯合，最終從Po處流出進入到執(zhí)行元件。

1.2.3 反沖洗

對左右濾室當中過濾的污物進行清洗，如左濾室的沖洗，將左側(cè)手柄組件順時針方向旋轉(zhuǎn)90°，手柄連帶轉(zhuǎn)軸向90°方向轉(zhuǎn)動換向球，這時由Pi流入至左濾室的液體就會被阻斷。此時，左濾室和排污口RL就會連接起來，在壓力的影響下，經(jīng)過右濾室過濾的一小部分干凈液體沖著反方向流經(jīng)左濾室支撐套，再經(jīng)過內(nèi)骨架至過濾網(wǎng)，從外骨架流經(jīng)分流環(huán)，通過轉(zhuǎn)動換向球從RL排污口流出。此時的濾網(wǎng)得到清洗，進而恢復(fù)過濾能力，將手柄轉(zhuǎn)回到工作位置，則反沖洗完成。右濾室反沖洗操作流程與左濾室相同。如果將左右手柄同時轉(zhuǎn)至清洗位置，就會導(dǎo)致液體無法流經(jīng)過濾器，進而導(dǎo)致執(zhí)行元件失壓。

1.3 傳統(tǒng)反沖洗過濾器工作過程

傳統(tǒng)反沖洗過濾器工作過程如圖2所示。在旋轉(zhuǎn)過程中，當手柄還沒到終點位置，排污口就有液體排出，不熟悉的操作人員誤以為是在反沖洗。有時由于受空間限制，高壓液體憋卡，操作手柄需要的推力大，作業(yè)難度大而不再搬動手柄，隨后將手柄再搬回工作位置，造成反沖洗效果不明顯。在手柄由工作狀態(tài)切換為反沖洗狀態(tài)的過程中，參與反沖洗的液體存在“廢功”現(xiàn)象，部分進液口的液體直接通過轉(zhuǎn)球排出系統(tǒng)，起不到清洗濾網(wǎng)的功能，且消耗浪費乳化液。手柄只有旋轉(zhuǎn)到定位塊的終點位置時，才可以實現(xiàn)反沖洗功能。

圖2 傳統(tǒng)反沖洗過濾器反沖洗過程示意Fig.2 Backwash process of traditional backwash filter

2 優(yōu)化設(shè)計及效果

2.1 優(yōu)化設(shè)計

針對傳統(tǒng)反沖洗過濾器存在的問題，經(jīng)過反復(fù)論證，最終通過優(yōu)化轉(zhuǎn)球和過濾器主體，避免系統(tǒng)做“廢功”，提升反沖洗效果。

過濾器主體上開設(shè)進液口和排污口，內(nèi)設(shè)工作腔，轉(zhuǎn)球上開設(shè)過液孔。通過在過濾器主體上開設(shè)進液口和排污口，設(shè)置有工作腔，轉(zhuǎn)球可轉(zhuǎn)動安裝在過濾器主體內(nèi)，轉(zhuǎn)球能夠封閉排污口和進液口。當進液口與工作腔導(dǎo)通時，轉(zhuǎn)球封閉排污口，隔斷排污口與進液口；當排污口與工作腔導(dǎo)通時，轉(zhuǎn)球封閉進液口，隔斷排污口與進液口。通過在轉(zhuǎn)球上開設(shè)過液孔，轉(zhuǎn)球轉(zhuǎn)動能夠使得進液口與工作腔通過過液孔導(dǎo)通，或者排污口與工作腔通過過液孔導(dǎo)通。通過對比，將排污口的直徑設(shè)計為小于與排污口同軸線處進液口的直徑。過濾器主體包括殼體、閥座、密封圈和接頭，殼體上開設(shè)通道孔，閥座裝在通道孔內(nèi)，接頭螺紋連接在通道孔的外側(cè)，轉(zhuǎn)球與密封圈相抵，且可轉(zhuǎn)動安裝在通道孔內(nèi)，位于接頭和閥座之間。進液口與閥座相通，排污口開設(shè)在接頭上。密封圈與所述轉(zhuǎn)球的接觸面為弧面。手柄與轉(zhuǎn)球連接，手柄上設(shè)置限位塊，限位塊能夠與殼體抵接。其工作原理如圖3所示。通過對反沖洗過濾器轉(zhuǎn)球的優(yōu)化設(shè)計，反沖洗過濾器在工作狀態(tài)向反沖洗狀態(tài)切換過程中使乳化液全部參與反沖洗。

圖3 優(yōu)化設(shè)計后的反沖洗過濾器反沖洗過程示意Fig.3 Backwash process of backwash filter after optimized design

2.2 產(chǎn)品特點及效果

2.2.1 產(chǎn)品特點

該產(chǎn)品通過設(shè)計優(yōu)化后，反沖徹底，反沖次數(shù)減少，排污量少，可減少非計劃停工，降低維護成本。此外，可設(shè)計為手動或電動程序控制(可選)，性能穩(wěn)定，工作可靠。經(jīng)多次試驗，優(yōu)化后的反沖洗過濾器有著明顯的優(yōu)勢，產(chǎn)品特性對比見表2。

表2 產(chǎn)品特性對比Table 2 Comparison of product characteristics

2.2.2 產(chǎn)品效果

按照煤礦液壓閥設(shè)計要求以及相關(guān)標準中液壓支架進液系統(tǒng)的流量標準，開展反沖洗過濾器優(yōu)化試驗。本次試驗工作壓力為5 MPa，流量Q=400×2=800 L/min，過濾精度為25 μm、40 μm，工作介質(zhì)為油、水、乳化液。按照試驗要求，過濾器流量要大于800 L/min，壓力損失不能超出3.5 MPa。利用DN25連接主進液管和支架，內(nèi)徑尺寸則為φ20 mm。本次試驗過濾器存在因為紊流而導(dǎo)致的局部壓力損失，可通過下式計算得出

ΔP=ζ·ρ·ν2/2

(1)

式中，ΔP為局部壓力損失，MPa;ζ為局部阻力系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；ν為流體平均流速，m/s。在過濾器內(nèi)部，流體為不規(guī)則的紊流，從工程實用的角度出發(fā)，在P=35 MPa，Q=800 L/min，過濾精度為25 μm、40 μm條件下，分3次測試ΔP，得ΔP1=3.1 MPa，ΔP2=2.95 MPa，ΔP3=3.0 MPa。取其平均值，得ΔP=3.01 MPa，小于3.5 MPa，符合標準要求。

3 結(jié)語

通過分析傳統(tǒng)反沖洗過濾器反沖洗過程，給出了具體的轉(zhuǎn)球及殼體的優(yōu)化設(shè)計方式。反沖洗過濾器在反沖洗狀態(tài)中及時隔斷排污口與進液口，使乳化液全部參與反沖洗，減少乳化液浪費，降低材料消耗，提升了反沖洗效果，減少環(huán)境污染，延長了乳化液閥的使用壽命。優(yōu)化設(shè)計后的反沖洗過濾器，作為保證液壓系統(tǒng)清潔度的核心元件，能夠進行有效過濾和自身清潔，有效保證了液壓支架的穩(wěn)定、可靠運行，提高了液壓支架的安全性與可靠性，減少了機電設(shè)備故障率及檢修時間，提高了綜采機械化水平。