濾油機設計與試驗研究

龐楊明，鄧樟林，雷善植，龐雄峰，李 勇，賴金力

（南寧軌道交通運營有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

濾油機在地鐵工程車等動力設備中應用廣泛，其性能直接影響設備的運行安全，隨著對動力設備運行可靠性要求的提高，對濾油機清潔功能的要求也越來越高[1]。

目前已有較多有關過濾油機的研究，如馬紅麟等[2]人提出了一種高效的HEP100S 型三級變壓器油真空濾油機，其優(yōu)勢在于抽真空速率大、過濾精度高、凈化效率高；張賢明等[3]設計出了TY-II 型透平油專用濾油機，該結構結合了主流脫水方法，能夠有效提高脫水效率。國外PALL 公司提出離子交換與真空分離相融合，能把油液中絕大多數(shù)雜質(zhì)去除的方法[4]；Pavan Kumar[5]提出了一種基于靜電作用提高原油脫水效率的方法，該方法可大大提高脫水效率。

地鐵工程車每年在隧道中作業(yè)量較大，作業(yè)工況差，發(fā)動機等關鍵部件運行對油質(zhì)有嚴格標準[6]，針對地鐵工程車維護保養(yǎng)需求，每年均有油脂需進行更換，對其關鍵部件進行維護保養(yǎng)，但生產(chǎn)物料成本較大，已經(jīng)不符合地鐵行業(yè)提出的降本增效需求。針對地鐵工程車作業(yè)量大，使用率高，在工況較差的隧道下作業(yè)，油脂未到更換周期，油脂中已增加較多機械雜質(zhì)，而機械雜質(zhì)嚴重磨損工程車機體，縮短工程車使用壽命。

本研究在滿足工程車正常維護保養(yǎng)需求的基礎上，探索延長油脂更換周期的可行性，降低生產(chǎn)成本，設計出一種新型濾油機，并通過試驗驗證了其濾油效果好，可過濾較多的顆粒狀雜質(zhì)，在一定程度上降低顆粒狀雜志對發(fā)動機的損傷，延長機體使用壽命，可適當延長油脂使用時間，降低生產(chǎn)成本。

1 濾油機機構

1.1 工作原理及結構組成

濾油機的結構由壓力表、油氣筒端蓋、安全閥、出油管、油氣筒（含精濾）、小車、油泵、泵支撐架、粗濾裝置、進油管、電機支撐架、泵-電機連接架、齒輪套、電機等組成，如圖1 所示。濾芯作為核心部件，選用蜂窩胞元結構來實現(xiàn)過濾顆粒狀雜質(zhì)功能，再根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工作要求、作業(yè)工況、濾油流量等信息，選擇管道、電機型號等關鍵部件，利用Solidworks 完成整體設計。

其工作原理如下：油氣筒5 焊接于工具小車6，電機14 通過電機支撐架11 固定于工具小車6 上，電機14 輸出端與齒輪泵7 輸入端通過齒輪套13 同軸齒輪嚙合連接，可根據(jù)不同工作需求，改變傳動比，也可起到調(diào)節(jié)流量的作用。通電后，電機14 轉動，通過齒輪嚙合帶動齒輪泵7 將廢油從吸油管11 中吸油，廢油經(jīng)過粗濾裝置9 可過濾廢油中較大的顆粒狀機械雜質(zhì)，再通過油管流進油氣筒2 中進行再次過濾。電機轉速變化會影響廢棄油脂流量大小、工作效率及過濾效果，濾芯精度等級不同，孔徑和孔數(shù)不同，也會影響廢棄油脂流量大小、工作效率及過濾效果，因此濾油機可根據(jù)不同油脂以及工作效率等要求，調(diào)節(jié)轉速和濾芯精度，滿足不同生產(chǎn)需求。

1.2 濾油芯的設計

濾油芯作為濾油機的關鍵部件，其結構的性能直接影響其工作效果。本設計根據(jù)蜂窩胞元構成的超材料結構具有優(yōu)秀的力學特性，以提高增強其面內(nèi)的承載能力，如圖2 所示，解決了因橫向壁厚較薄時引起結構縱向的坍塌問題和穩(wěn)定過濾問題。機油濾芯精度[10]一般選取范圍為5～25 μm。

圖2 濾芯結構示圖

1.3 管道直徑的計算

由于進油管道在真空負壓作用下油液流速快，進油通道一般應小于或等于出油管道直徑，故只需計算出油管道即可，該管道的直徑與液壓泵公稱流量、回油管道流速相關[7]，選取CVTt-F308 齒輪泵備件，公稱排量4～20.4 L/min，算出油管道直徑。出油管道直徑：

式中，Q為濾油機公稱流量，L/min；u為流速，m/s；一般按液壓系統(tǒng)的回油管道流速，u=1.5～2.5 m/s；?為管道直徑，mm。

由上式計算可得出油管直徑為20.7～60.3 mm，選取25 mm 直徑的PVC 管道。

1.4 電機的選型

軟管的壓力范圍一般為0.6～32.0 MPa，根據(jù)公式（2）得，功率在0.14～7.5 kW。

式中，N為功率，kW；P為壓力，MPa；Q為公稱流量，L/min。

因此，考慮經(jīng)濟性以及工作效率，選得電機及參數(shù)見表1。

表1 電機參數(shù)

2 樣機試驗與結果分析

2.1 試驗參數(shù)及評價指標

均勻攪拌后的廢油，可近似看作密度均勻的液體，取相同體積的油脂進行質(zhì)量測量，所測結果可近似作為真實油脂質(zhì)量。根據(jù)參考文獻[8]可知，通過廢棄油脂的過濾效率間接在一定程度上反映濾油裝置性能，濾油機過濾效率越高，濾油裝置過濾效果越好，表明過濾后的油脂所含顆粒狀雜質(zhì)含量越少，因此過濾效率作為濾油機過濾性能的評價指標之一。過濾效率是指一定油液均勻攪拌后，過濾前后污物質(zhì)量比值的百分數(shù)，將油液均勻攪拌后，取相同體積的油脂進行稱重，過濾效率可通過同體積油脂質(zhì)量進行計算，即

式中，η為過濾效率，%；m為50 mL 新油重量，g；m1為50 mL 過濾后廢油重量，g；m2為50 mL 過濾前廢油重量，g。

根據(jù)上述濾油機工作原理分析，轉速、濾芯精度均能影響過濾效果和工作效率，本次試驗以轉速、濾芯精度為因素，濾芯由于過濾膜以及孔道大小不一[9]，也會影響廢油過濾效果，因此本試驗以電機轉速、濾芯精度等級作為試驗因素，過濾效率為試驗指標開展試驗。

2.2 試驗條件

本次試驗所需試驗樣機1 臺，1 L 新油，80 L 廢棄油脂，重復測量20 次，測得50 mL 廢油平均質(zhì)量為46.75 g，50 mL 新油平均質(zhì)量為38.05 g，50 mL 容量量杯5 個，5 L 容量量杯1 個，廢油桶3 個，精度0.001 g 電子稱1 個，抹布若干。

2.3 試驗設計

本次試驗轉速根據(jù)電機功能，選取范圍為720～1450 r/min，濾芯精度[9]一般選取范圍為5～25 μm。為了降低操作誤差帶來的影響，適當增加試驗次數(shù)，同因素同水平做2 組試驗，總共需做24 組試驗，單組試驗需要同一因素同一水平下重復試驗5 次，并取5 次試驗數(shù)據(jù)的平均值作為單組試驗的結果，設計方案及試驗結果見表2。

表2 試驗結果

2.4 試驗結果分析

利用SPSS 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析，得到分析結果見表3。由表3 可知電機轉速、濾芯精度均對廢油的過濾效率具有高度顯著影響；影響因子電機轉速和濾芯精度交互作用對過濾效果影響不顯著，可忽略不計。由表中F值可知，電機轉速F值為16.42，濾芯精度F值為26.35，影響過濾效率的因素主次順序為濾芯精度＞電機轉速。

表3 主體間效應檢驗

根據(jù)圖3 可知，當濾芯精度一定時，電機轉速越小，過濾效率越高，廢油的過濾效果越好；當電機轉速一定時，精度越低，過濾效率越高，廢油的過濾效果越好。條件有限，無法開展更為精確的試驗，即使可以通過理論計算所得最適濾芯精度，由于考慮到加工成本，更為高精度的濾芯加工成本高，不符合公司降本增效目標，無法準確復現(xiàn)，只能根據(jù)現(xiàn)有實際情況選擇適合參數(shù)進行驗證性試驗。

圖3 不同因素對過濾效率試驗結果

3 驗證試驗

由于地鐵工程車計劃檢修時間有限，本次試驗還需驗證濾油機的工作效率是否滿足生產(chǎn)需求。由于現(xiàn)有10 μm 精濾庫存量較大，為響應降本增效的號召，優(yōu)先選取10 μm 精濾，電機轉速為720 r/min 開展驗證性試驗，利用比重計測量密度，重復試驗10 次，現(xiàn)場見圖4。

圖4 試驗現(xiàn)場

試驗結果見表4，由表4 可知，濾油機平均過濾效率為95.3461%，根據(jù)文獻[10]可知，過濾效率不小于95%時，濾油機對于機械雜質(zhì)的過濾性能可滿足油脂潤滑需求。濾油機平均工作效率為16.95 L/min，工程車計劃檢修時間為2 個工作日，濾油機工作效率可滿足生產(chǎn)需求。

表4 驗證試驗結果

綜上所述，選取10 μm 精濾，電機轉速為720 r/min時，無需再額外采購精度更小的濾芯，可節(jié)省更多采購成本，濾油機工作效率及過濾效果均可滿足生產(chǎn)需要。

4 結論

（1）為落實公司降本增效要求，節(jié)省生產(chǎn)物資消耗，設計了具有蜂窩胞元結構濾油芯的濾油機，對管道直徑選擇直徑為20 mm 的PVC 管，選用電機型號為YE3-90L-1.5KW-B14-4P。機械雜質(zhì)過濾效果達標，若檢測油脂其他化學指標也達到可重復使用的標準，就可適當延長油脂更換時間，每年節(jié)省大量生產(chǎn)物料消耗成本。

（2）為了確定濾油機過濾效率影響因素的具體參數(shù)，對濾油機進行試驗，試驗結果表明：電機轉速及濾芯精度對過濾效率有高度顯著性影響，2 個因素之間的交互作用對過濾效率的影響可忽略不計，根據(jù)F值大小可知，影響過濾效率的因素主次順序為濾芯精度＞電機轉速。

（3）根據(jù)驗證試驗結果可知，選取10 μm 精濾，電機轉速設定為720 r/min 時，濾油機過濾效率為95.3461%，可過濾直徑較大的機械雜質(zhì)，降低磨粒雜質(zhì)對工程車關鍵部件的傷害，延長工程車備件更換周期，減少大量更換備件成本，符合降本增效的預期目標；而通過驗證試驗可知濾油機工作效率為16.95 L/min，也可滿足工程車維護保養(yǎng)需求。