工程機(jī)械液壓過濾器實(shí)際壽命的破解思路

崔本濤，金 濤，耿 聰，熊麗媛

（1.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000；2.航空工業(yè)（新鄉(xiāng)）計(jì)測科技有限公司，河南新鄉(xiāng) 453019）

0 引言

過濾器是工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中維護(hù)頻次最多的產(chǎn)品，對濾芯實(shí)際壽命[1]的預(yù)知評定對指導(dǎo)過濾器維護(hù)非常重要。在工程機(jī)械、航空、航天、船舶和汽車等工業(yè)領(lǐng)域，預(yù)知濾芯使用壽命[2]的探索和研究工作，目前形成的一系列的國家、國家軍用和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)共同的特點(diǎn)：無論是納污容量[3]或是試驗(yàn)時(shí)間[4]對濾芯實(shí)際使用壽命的評定都無關(guān)聯(lián)，無法幫助人們準(zhǔn)確知曉實(shí)際的工作時(shí)間。對特殊工程機(jī)械液壓系統(tǒng)，準(zhǔn)確評定濾芯的實(shí)際壽命，對制定科學(xué)的維護(hù)計(jì)劃意義重大。本文針對此問題對濾芯的實(shí)際壽命進(jìn)行科學(xué)地評定[5]。

濾芯的壽命有兩種定義：一是實(shí)際壽命，即使用壽命或使用時(shí)間；二是實(shí)驗(yàn)室壽命，即實(shí)驗(yàn)室堵塞壽命[6]的試驗(yàn)時(shí)間。但是實(shí)驗(yàn)室壽命并不代表實(shí)際壽命。因?yàn)樵囼?yàn)用的人造粉塵是標(biāo)準(zhǔn)粉塵[7]，擁有較好的粒度分布和一致性。實(shí)際污物的構(gòu)成是非常的復(fù)雜，很難全面、準(zhǔn)確掌握其污染的成分與分布，并且濾芯多次通過納污容量、堵塞壽命等試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中是連續(xù)不可中斷的，如果因停電突發(fā)中斷試驗(yàn)，則試驗(yàn)失敗。

目前，行業(yè)內(nèi)圍繞濾芯實(shí)際壽命的探索，基本停留在液壓過濾器和汽車“三濾”行業(yè)的“納污容量”“視在納污容量”“實(shí)際納污容量”“容塵量”“試驗(yàn)時(shí)間”“堵塞壽命”等概念的認(rèn)知上，這些數(shù)據(jù)并不能指導(dǎo)過濾器的維護(hù)周期[8]。因此，本文開展濾芯實(shí)際壽命的預(yù)知研究思路分為以下3項(xiàng)。

（1）配制“實(shí)際污染物”代替標(biāo)準(zhǔn)粉塵在實(shí)驗(yàn)室獲得濾芯壽命。在機(jī)械設(shè)備油液系統(tǒng)中取樣分析只能獲得部分的金屬或非金屬成分，有關(guān)污染物的分布與定量，尤其是油液受高壓剪切和高溫交變產(chǎn)生的化學(xué)污染物、細(xì)菌及未知的污染物很難獲知[9]。目前用收集實(shí)際污染物，在實(shí)驗(yàn)室獲得濾芯壽命的方法無法實(shí)現(xiàn)。

（2）針對流量、壓力、溫度、使用環(huán)境及油液污染度等變量，研究濾芯單位過濾面積的壽命系數(shù)，然后推算出濾芯全過濾面積的使用壽命。該思路同樣會(huì)遇到人造粉塵不能代替“實(shí)際污染物”的問題。

（3）利用壓差相等原則，結(jié)合試驗(yàn)和實(shí)際使用的數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)方法建立數(shù)學(xué)模型，研究實(shí)驗(yàn)室壽命與實(shí)際壽命的內(nèi)在關(guān)系。

《液壓傳動(dòng) 濾芯 實(shí)際壽命評定指南》，現(xiàn)已立項(xiàng)為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO∕AWI TR 12144[10]。

1 濾芯實(shí)際壽命評定理論依據(jù)

破解濾芯實(shí)際壽命評定的理論依據(jù)有3 個(gè)：濾芯壓差相等原則、擬合建模的有效性判定及實(shí)際壽命的評定模型。

1.1 濾芯壓差相等原則

1.1.1 物理意義

假設(shè)工程機(jī)械流體系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)系統(tǒng)油液中污染物的濃度是相對穩(wěn)定的，在工作與試驗(yàn)條件相同時(shí)，影響濾芯的壓差升高的變量就是時(shí)間的唯一函數(shù)。即濾芯的實(shí)際壓差升高多少，取決于使用時(shí)間的長短；濾芯的試驗(yàn)壓差升高多少，取決于試驗(yàn)時(shí)間的長短，則式（1）就會(huì)成立。

式中：Δp濾芯的壓差，kPa；T為實(shí)際使用時(shí)間，h；t為試驗(yàn)時(shí)間，h。

1.1.2 Δp-T-t蜘蛛網(wǎng)圖

圖1所示為基于濾芯壓差相等原則創(chuàng)立的實(shí)際壽命-試驗(yàn)時(shí)間與壓差的關(guān)系圖，叫做Δp-T-t蜘蛛網(wǎng)圖。曲線Ⅰ是壓差隨實(shí)際使用時(shí)間升高的變化關(guān)系；曲線Ⅱ是壓差隨試驗(yàn)時(shí)間升高的變化關(guān)系；在流量-壓差相同時(shí)，由曲線Ⅰ關(guān)聯(lián)對接曲線Ⅱ，則可以得到曲線Ⅲ，即實(shí)際使用時(shí)間與試驗(yàn)時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系。這是實(shí)際壽命與實(shí)驗(yàn)室壽命內(nèi)在關(guān)系的理論依據(jù)。

圖1 實(shí)際時(shí)間-試驗(yàn)時(shí)間與壓差的關(guān)系

1.2 擬合建模有效性判定

1.2.1 實(shí)際壽命數(shù)學(xué)模型

（1）數(shù)據(jù)獲取

獲取濾芯實(shí)際使用數(shù)據(jù)的途徑有2 個(gè)：一是直接獲得，二是間接獲得。

直接獲得：現(xiàn)場在線檢測壓差、工作時(shí)間、工作流量、工作溫度和污染度，直接得到不同使用時(shí)間Ti（i=1，2，3，…，n）所對應(yīng)的工作壓差Δpi（i=1，2，3，…，n），如表1所示。

表1 實(shí)際使用時(shí)間對應(yīng)的壓差

間接獲得：針對指定的工程機(jī)械設(shè)備，有計(jì)劃收回不同使用時(shí)間Ti（i=1，2，3，…，n）的濾芯，將不同的使用時(shí)間進(jìn)行分組，參考濾芯實(shí)際工作流量與溫度（黏度影響）在實(shí)驗(yàn)室，參照ISO 3968：2001 測得Δpi（i=1，2，3，…，n）。

（2）擬合曲線

根據(jù)表1 中的時(shí)間與壓差，用不少于4 組（組數(shù)越多越精確）的數(shù)據(jù)擬合成連續(xù)曲線Ⅰ，如圖2所示。

圖2 濾芯壓差與實(shí)際工作時(shí)間擬合曲線

（3）數(shù)學(xué)模型

根據(jù)濾芯壓差與實(shí)際工作時(shí)間的關(guān)系曲線Ⅰ進(jìn)行回歸建模，得到實(shí)際壽命擬合回歸的數(shù)學(xué)模型，如式（2）所示。

式中：T為濾芯的實(shí)際壽命，h；Δp為濾芯元件的壓差，kPa；A、B分別為擬合常數(shù)；M為擬合對數(shù)的指數(shù)，一般情況下M=0、1或2。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)室壽命的數(shù)學(xué)模型

（1）數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)特定工程機(jī)械所用濾芯的實(shí)際工作流量（平均流量），參照ISO 16889 方法向試驗(yàn)系統(tǒng)添加ISO FTD 試驗(yàn)粉塵[11]，用全新濾芯分別測得在壓差為Δpi（i=1，2，3，…，n）時(shí)的實(shí)驗(yàn)室壽命為ti（i=1，2，3，…，n），如表2所示。同時(shí)測出過濾比β5、β10[12]及污染度等級[13]。

表2 實(shí)驗(yàn)室壽命對應(yīng)的壓差

（2）擬合曲線

根據(jù)表2中的實(shí)驗(yàn)室壽命與壓差，用不少于4組（組數(shù)越多越精確）的數(shù)據(jù)擬合成連續(xù)曲線Ⅱ，如圖3所示。

圖3 濾芯壓差與試驗(yàn)時(shí)間擬合曲線

（3）數(shù)學(xué)模型

根據(jù)濾芯壓差與實(shí)驗(yàn)室壽命的關(guān)系曲線Ⅱ進(jìn)行回歸建模，得到實(shí)驗(yàn)室壽命擬合回歸的數(shù)學(xué)模型，如式（3）所示。

式中：t為濾芯元件的實(shí)驗(yàn)室壽命，h；Δp為濾芯元件的壓差，kPa；a、b分別為擬合常數(shù)；m為擬合對數(shù)的指數(shù)，一般情況下m=0、1或2。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)室壽命模型的有效性判定

實(shí)際壽命（式（2））和實(shí)驗(yàn)室壽命（式（3）），是通過尋找適當(dāng)?shù)倪B續(xù)曲線來擬合觀測“時(shí)間-壓差”多組離散數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此求得更加近似的擬合曲線后，再利用線性回歸分析方法建立的數(shù)學(xué)模型。

實(shí)際壽命和實(shí)驗(yàn)室壽命與濾芯壓差的關(guān)系未必都是相同的曲線關(guān)系，只有當(dāng)兩者的擬合曲線類似、趨勢相同時(shí)，建立的數(shù)學(xué)模型才可用來評定預(yù)估濾芯的未知壽命。當(dāng)擬合指數(shù)M=m時(shí)，建立的數(shù)學(xué)模型有效。

（1）直線擬合曲線

當(dāng)M=m=0時(shí)，濾芯的實(shí)際壽命和實(shí)驗(yàn)室壽命與流量壓差擬合的曲線均為直線斜線，變化趨勢類同，建立的實(shí)驗(yàn)室壽命數(shù)學(xué)模型是有效的。根據(jù)式（3）可得實(shí)驗(yàn)室壽命的計(jì)算方法如式（4）所示：

（2）對數(shù)擬合曲線

當(dāng)M=m=1時(shí)，濾芯的實(shí)際壽命和實(shí)驗(yàn)室壽命與流量壓差擬合的曲線均為對數(shù)曲線，變化趨勢類同，建立的實(shí)驗(yàn)室壽命數(shù)學(xué)模型是有效的。根據(jù)式（3）可得實(shí)驗(yàn)室壽命的計(jì)算方法如式（4）所示：

（3）雙對數(shù)擬合曲線

當(dāng)M=m=2時(shí)，濾芯的實(shí)際壽命和實(shí)驗(yàn)室壽命與流量壓差擬合的曲線均為雙對數(shù)曲線，變化趨勢類同，建立的實(shí)驗(yàn)室壽命數(shù)學(xué)模型是有效的。根據(jù)式（3）可得實(shí)驗(yàn)室壽命的計(jì)算方法如式（6）所示：

（4）異類擬合曲線

當(dāng)M≠m時(shí)，濾芯的實(shí)際壽命和實(shí)驗(yàn)室壽命與流量壓差擬合的曲線不是同類曲線，變化趨勢也不相同，建立的實(shí)驗(yàn)室壽命數(shù)學(xué)模型是無效的。

為解決數(shù)學(xué)模型的有效性問題，可從以下兩個(gè)方面分析原因：針對實(shí)際使用狀態(tài)存在的原因進(jìn)行分析，重新采集實(shí)際使用數(shù)據(jù)；試驗(yàn)粉塵與濾芯過濾性能可能不匹配等問題。

1.3 實(shí)際壽命的評定模型

濾芯實(shí)際壽命的評定模型有兩種：一是直接評定模型，二是間接評定模型。

1.3.1 直接評定模型

用實(shí)際使用數(shù)據(jù)擬合回歸建立的數(shù)學(xué)模型是直接評定模型，其評定濾芯預(yù)知壽命的方法叫直接評定法。即將不同工作壓差代入實(shí)際壽命數(shù)學(xué)模型式（2），可直接求出預(yù)知的實(shí)際壽命。

直接評定的優(yōu)點(diǎn)是針對性強(qiáng)，評定的預(yù)知結(jié)果準(zhǔn)確，相對偏差小。缺點(diǎn)是需要現(xiàn)場配備在線檢測能力，只能一對一地評定，對工作流量不同的濾芯不適用；如果系統(tǒng)污染度控制水平[14]不穩(wěn)定，則評定結(jié)果的重復(fù)性比較差。

1.3.2 間接評定模型

利用實(shí)驗(yàn)室壽命模型評估實(shí)際壽命的模型是間接評定模型，如式（7）所示，其評定濾芯預(yù)知壽命的方法叫間接評定。即根據(jù)有效性的判定，用式（4）～（6）先計(jì)算出濾芯極限壓差或某壓差下的實(shí)驗(yàn)室壽命t后，再按照式（7）求出濾芯同等流量條件下的實(shí)際壽命T：

式中：T為濾芯元件的實(shí)際使用壽命，h；N為實(shí)際工況下油液的污染度等級（ISO 4406）；T為濾芯元件的實(shí)驗(yàn)室壽命，h；n為試驗(yàn)條件下油液的污染度等級（ISO 4406）。

其中，式（7）中的n-N取ISO 4406[15]對應(yīng)的3 個(gè)污染度等級差值結(jié)果的最小值；實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的油液溫度根據(jù)實(shí)際工況的溫度進(jìn)行控制。

間接評定的優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)驗(yàn)室便于獲得不同流量的實(shí)驗(yàn)室壽命模型，針對不同的濾芯對象視情開展研究評定，對同類的濾芯根據(jù)使用條件也可參考評定；缺點(diǎn)是對全壽命周期評定結(jié)果的相對偏差較大，時(shí)間周期與成本較高。

2 評定濾芯實(shí)際壽命的試驗(yàn)驗(yàn)證

用2 件濾芯開展試驗(yàn)驗(yàn)證，1#件實(shí)施實(shí)際壽命的在線實(shí)測，2#件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室壽命的檢測試驗(yàn)。

2.1 直接評定法的驗(yàn)證實(shí)踐

2.1.1 在線實(shí)測結(jié)果與擬合曲線

1#件在線實(shí)測條件：油液46 號(hào)液壓油，工作流量、溫度、被實(shí)測過濾器的進(jìn)、出口油液的污染度（ISO4406）和累計(jì)的使用工作時(shí)間等參數(shù)數(shù)據(jù)均為在線實(shí)時(shí)檢測并記錄，濾芯的過濾比β5≥100、β10≥200?，F(xiàn)場在線實(shí)測獲得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示。

從表3 序號(hào)1 至序號(hào)10 的10 組數(shù)據(jù)中可以看出，1月16 日下午13:06:58 系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)油溫26 ℃相對較低，濾芯壓差24 kPa 相對較高，隨著工作時(shí)間的延長，油溫逐漸升高、壓差緩慢下降，當(dāng)工作到0.81 h 時(shí)油溫升到28.36 ℃、濾芯壓差穩(wěn)定在22 kPa，工作流量基本控制在45 L∕min 的水平。開啟測試系統(tǒng)，在流量不變時(shí)壓差偏高的現(xiàn)象是啟動(dòng)油溫偏低造成的，當(dāng)油溫升高穩(wěn)定后對壓差的影響起決于濾芯攔截污染物的多少。這種現(xiàn)象記錄在圖4 實(shí)時(shí)檢測的曲線中，每次啟動(dòng)時(shí)由于油溫偏低引起壓差偏高，隨著工作時(shí)間延長，壓差回落到接近上次工作的水平再繼續(xù)緩慢升高，隨著啟動(dòng)工作次數(shù)的遞增及累計(jì)使用時(shí)間的增長，濾芯攔截的污染物持續(xù)增多，壓差連續(xù)增大。序號(hào)40 到序號(hào)570，是每次啟動(dòng)工作壓差回穩(wěn)的記錄數(shù)據(jù)。

將表3 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并結(jié)合圖4 將濾芯壓差與累計(jì)工作時(shí)間擬合成連續(xù)的曲線，如圖5所示。

圖4 濾芯1#在線實(shí)時(shí)檢測的壓差與時(shí)間記錄曲線

表3 濾芯1#在線實(shí)測的數(shù)據(jù)

2.1.2 濾芯1#在線實(shí)測建立的數(shù)學(xué)模型根據(jù)圖5 擬合曲線建立的濾芯實(shí)際壽命T與壓差Δp的數(shù)學(xué)模型如式（8）所示，其中擬合對數(shù)指數(shù)M=2，系雙對數(shù)函數(shù)；相關(guān)系數(shù)R2=0.983 2，說明擬合曲線與在線實(shí)測的曲線高度近似。

圖5 濾芯1#實(shí)時(shí)檢測壓差與時(shí)間擬合曲線

2.1.3 直接評定濾芯1#實(shí)際壽命

基于相同工作條件，將不同的壓差代入式（8），就可直接推算濾芯1#對應(yīng)的實(shí)際使用壽命，其壽命的評定值與在線實(shí)測壽命的相對偏差如表（4）所示。表中可見，用在線實(shí)測結(jié)果擬合建立的模型直接評定的壽命，其相對偏差較小，最小2%左右，最大不超過20%。

表4 實(shí)際壽命直接評定結(jié)果的相對偏差

2.2 間接評定法的驗(yàn)證實(shí)踐

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室壽命的測試與擬合曲線

對濾芯2#參照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 16889 用添加粉塵的方法測試實(shí)驗(yàn)室壽命。油液溫度、流量參考在線實(shí)測相同條件分別控制在35 ℃±2 ℃和45 L∕min，粉塵為細(xì)粉塵ISO FTD、濃度5 mg∕L，終止壓差200 kPa，試驗(yàn)油液為15 號(hào)航空液壓油[16]。隨著添加粉塵的增加所測得實(shí)驗(yàn)室壽命及壓差等數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 濾芯2#的實(shí)驗(yàn)室壽命及壓差

將表5 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并擬合成連續(xù)的曲線，如圖6所示。

圖6 濾芯2#試驗(yàn)壓差與實(shí)驗(yàn)室壽命擬合曲線

2.2.2 實(shí)驗(yàn)室壽命的數(shù)學(xué)模型與有效性判定

根據(jù)圖6 擬合曲線建立的實(shí)驗(yàn)室壽命t與壓差Δp的數(shù)學(xué)模型如式（9）所示，其中擬合對數(shù)的指數(shù)m=2，系雙對數(shù)函數(shù)；相關(guān)系數(shù)R2=0.962 4，說明擬合曲線與實(shí)驗(yàn)檢測的曲線高度近似。

從式（8）～（9）中可見：擬合指數(shù)M=m=2，兩者均系雙對數(shù)函，即實(shí)驗(yàn)室壽命的數(shù)學(xué)模型有效。

2.2.3 間接評定濾芯1#的實(shí)際壽命

基于同流量、同溫度條件下的等壓差原則，濾芯1#在線實(shí)測與濾芯2#實(shí)驗(yàn)室測試的進(jìn)口油液污染度差值最小值n-N=4，那么用式（7）和式（9）間接評定濾芯1#的實(shí)際壽命，其評定結(jié)果與相對偏差如表6 所示。從表中可見，在32～65 kPa 的低壓差段，間接評定濾芯壽命的誤差比較大，最大超過50%；在95～140 kPa 的中壓差段，間接評定濾芯壽命的誤差比較小，不超過8.3%；在180 kPa 的高壓段，間接評定濾芯壽命的誤差稍微增大，超過了10%。

表6 用2#實(shí)驗(yàn)室壽命模型評定1#實(shí)際壽命的誤差

在濾芯的壽命周期內(nèi)，開始使用時(shí)的壓差隨時(shí)間增長變化不大，壓差增長非常緩慢、基本沒明顯的升高，即壽命前期擬合建模的誤差比較大；當(dāng)濾芯壓差明顯增長時(shí)就進(jìn)入壽命周期的中期，壽命中期壓差隨時(shí)間增大的規(guī)律性比較強(qiáng)，建立的數(shù)學(xué)模型比較接近實(shí)際情況，間接評定實(shí)際壽命的誤差也就相對較??；在壽命后期壓差的增長很快，用擬合模型評定的誤差也會(huì)增大。

綜上分析，間接評定方法比較適合于濾芯中后期壽命的評估，對濾芯前期壽命的評定沒有參考價(jià)值。

3 結(jié)束語

本文針對工程機(jī)械液壓過濾器實(shí)際壽命的評定方法，建立了直接評定模型和間接評定模型。該模型在滿足以下條件時(shí)才能夠成立，因此，過濾器實(shí)際壽命在應(yīng)用評定實(shí)踐時(shí)也需要滿足同樣條件才具有參考意義：

（1）工作和試驗(yàn)條件相同，即工作流量、溫度與試驗(yàn)流量、溫度（油液黏度對等）相同；

（2）試驗(yàn)粉塵須用ISO FTD細(xì)粉塵；

（3）被評定過濾器濾芯的過濾比β5≥100、β10≥200。

本文的研究，解決了工程機(jī)械領(lǐng)域液壓過濾器實(shí)際壽命的科學(xué)評定，為用戶制定科學(xué)合理的維護(hù)計(jì)劃提供技術(shù)支持，能夠有效降低液壓過濾器，尤其是大型裝備系統(tǒng)液壓過濾器的維護(hù)成本。同時(shí)，本文論述的研究內(nèi)容和破解思路，也為制定國際標(biāo)準(zhǔn)ISO∕AWI TR 12144 并最終頒布提供了理論依據(jù)與驗(yàn)證支撐。