馬鵬杰

(航空工業(yè)過濾產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，河南新鄉(xiāng) 453019)

多次通過試驗(yàn)對濾清器過濾性能設(shè)計(jì)改進(jìn)的幫助

馬鵬杰

(航空工業(yè)過濾產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，河南新鄉(xiāng) 453019)

新型號濾清器的過濾性能會因設(shè)計(jì)工藝的改進(jìn)而變化。不同設(shè)計(jì)方案必須通過濾清器過濾性能的檢測，才能保證定型產(chǎn)品性能合格。對某型濾清器進(jìn)行試驗(yàn)并分析其試驗(yàn)結(jié)果。

濾清器；過濾性能；試驗(yàn)；分析

0 引言

在流體系統(tǒng)污染控制中起到關(guān)鍵作用的部件就是過濾器。通常情況下，不同流體機(jī)械系統(tǒng)需要不同型號的過濾器加以配套。一個新型號過濾器定型前，往往需要先設(shè)計(jì)并制造出樣件，并進(jìn)行過濾器的各項(xiàng)性能檢測。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所體現(xiàn)的性能來有針對地改進(jìn)不合格項(xiàng)，使其最終滿足預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此，在過濾性能檢測領(lǐng)域使用科學(xué)的試驗(yàn)方法、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來獲得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以此來體現(xiàn)該過濾器的各項(xiàng)性能，對過濾器的改進(jìn)起到科學(xué)的指引作用。不同型號的過濾器，其選型、設(shè)計(jì)、加工工藝等方面均有差異。在設(shè)計(jì)生產(chǎn)之初所被賦予的性能對于保障流體系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。沒有科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)就難以保障該新型號過濾器能否達(dá)到預(yù)期使用要求，由此可見客觀分析對比過濾器在改進(jìn)過程中試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要意義。

1 試驗(yàn)條件的選擇

1.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的選定

過濾器性能評定涵蓋方面較廣，常見的如平均過濾比、平均過濾效率、納污容量、結(jié)構(gòu)完整性等。另外，濾清器因其介入的系統(tǒng)不同從而分為空氣濾清器、燃油濾清器、機(jī)油濾清器等，不同類型產(chǎn)品的檢測，其技術(shù)規(guī)范往往是不同的。一個新型號設(shè)計(jì)之初會有預(yù)期的指標(biāo)需求，在試驗(yàn)之前可以根據(jù)這個預(yù)期的使用需求和過濾器的種類來選取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。某公司的機(jī)油濾清器所選取的ISO4548-12:2000是內(nèi)燃機(jī)用全流量潤滑油過濾器的試驗(yàn)方法第12部分：采用顆粒計(jì)數(shù)法測定濾清器效率和納污容量。按照ISO4548-12:2000標(biāo)準(zhǔn)，使用多次通過法對濾清器進(jìn)行試驗(yàn)用以得到10、20、30 μm(c)三擋粒徑的平均η(平均過濾效率，%)值，從而驗(yàn)證該濾清器10、20、30 μm(c)的過濾性能是否達(dá)到預(yù)期使用要求。

1.2 其他條件的選擇

在選定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)后，試驗(yàn)之前仍要確定試驗(yàn)的具體參數(shù)以及選擇能夠?qū)崿F(xiàn)該參數(shù)的試驗(yàn)臺。通常情況下，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中會有相應(yīng)的推薦參數(shù)，另外可根據(jù)具體情況選擇適合的參數(shù)。一般應(yīng)以相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為準(zhǔn)，同時(shí)保持同一型號的若干件過濾器的試驗(yàn)參數(shù)一致連貫，從而使試驗(yàn)結(jié)果可比性更強(qiáng)。根據(jù)濾清器所使用的ISO4548-12:2000標(biāo)準(zhǔn)，具體試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 某型濾清器的試驗(yàn)參數(shù)

ISO4548-12:2000標(biāo)準(zhǔn)中使用的試驗(yàn)粉塵為ISO MTD。試驗(yàn)介質(zhì)YH-15在所選擇的35 ℃試驗(yàn)環(huán)境下其油液黏度為15 mm2/s，保證了油液黏度(15±1) mm2/s的技術(shù)要求。MPTB-70-30多次通過試驗(yàn)臺可以滿足大于8.0 L/min的試驗(yàn)流量，因此選擇此試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)。

濾清器的樣件如圖1所示,其濾芯與殼體為一整體，在加工成成品前，根據(jù)ISO4548-12:2000的標(biāo)準(zhǔn)要求,其濾芯經(jīng)過結(jié)構(gòu)完整性的檢驗(yàn)，保證過濾器在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用過程中不會出現(xiàn)旁通現(xiàn)象，這也是多通實(shí)驗(yàn)的前提之一。

試驗(yàn)參數(shù)確定后，最后要檢驗(yàn)MPTB-70-30多次通過試驗(yàn)臺是否滿足開始試驗(yàn)的條件,保證多次通過試驗(yàn)臺的試驗(yàn)系統(tǒng)指標(biāo)合格以及污注系統(tǒng)滿足試驗(yàn)條件。

ISO4548要求符合下列情況認(rèn)為試驗(yàn)系統(tǒng)合格：

(1)每次在10 μm和20 μm測取的顆粒計(jì)數(shù)與相應(yīng)的粒徑的平均顆粒計(jì)數(shù)之差不得超過10%；

(2)所有在大于10 μm通道內(nèi)測取的顆粒計(jì)數(shù)平均值不小于750 個/mL，且不大于1 000 個/mL；

(3)所有在大于20 μm通道內(nèi)測取的顆粒計(jì)數(shù)平均值不小于70 個/mL，且不大于120 個/mL。

污注系統(tǒng)也要滿足以下條件：

(1)在流量與污染物質(zhì)量方面，采用最大流量、最大質(zhì)量污染物度，要求有足夠的時(shí)間進(jìn)行攪拌，使污染物充分混合，攪拌時(shí)間為15 min；

(2)時(shí)間方面要求2 h，并且取樣都是以30 min抽取1次，對油樣進(jìn)行分析。同時(shí)還要驗(yàn)證取樣流量；

(3)對每次取樣油的雜質(zhì)質(zhì)量濃度要求4次樣油平均值在±5%以內(nèi)，且各次測量的注入流量之間的偏差不超過平均值的±5%。

2 過濾器性能試驗(yàn)

滿足以上條件后，待試驗(yàn)系統(tǒng)油液過濾干凈，將濾清器安裝到試驗(yàn)臺上，確保上下游連接順序正確。如圖2所示的MPTB-70-30多次通過試驗(yàn)臺的試驗(yàn)系統(tǒng)自動化程度很高，在試驗(yàn)中作者關(guān)心的系統(tǒng)溫度控制、污注流量控制、記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面均實(shí)現(xiàn)了自動控制，只要在控制界面輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可通過試驗(yàn)臺中的傳感器和PLC控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)期參數(shù)的穩(wěn)定。試驗(yàn)程序方面重點(diǎn)有：要求調(diào)整試驗(yàn)溫度來保證油液的黏度在(15±1.0) mm2/s范圍內(nèi)(即溫度控制)，記錄清潔濾清器總成的壓差，計(jì)算清潔濾芯的壓差，測量注入流量、試驗(yàn)結(jié)束時(shí)試驗(yàn)系統(tǒng)體積、污注系統(tǒng)體積等。MPTB-70-30通過內(nèi)置的溫度傳感器、壓力傳感器、計(jì)量泵可以自主實(shí)現(xiàn)作者所關(guān)心數(shù)據(jù)的控制和記錄，最終以圖表和數(shù)據(jù)表的形式存儲在計(jì)算機(jī)中，可依據(jù)試驗(yàn)記錄整理得出檢測報(bào)告。圖3為多次通過法試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。

在試驗(yàn)時(shí)，污注系統(tǒng)以50 mL/min的穩(wěn)定流量，經(jīng)試驗(yàn)油箱連續(xù)向試驗(yàn)系統(tǒng)注入污染物，用壓差指示器監(jiān)測被試過濾器兩端的壓降并每分鐘記錄一次，從濾清器的上下游取樣點(diǎn)采取油樣，直到濾清器壓差達(dá)到規(guī)定的極限壓差70.0 kPa時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。對油樣進(jìn)行顆粒計(jì)數(shù)分析，統(tǒng)計(jì)顆粒數(shù)量。通過對試驗(yàn)過程中采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計(jì)算,得出該濾清器的過濾效率、壓降流量特性和納污容量。

3 試驗(yàn)結(jié)果的分析對比

為保證能夠達(dá)到預(yù)期使用需求，先后對某型濾清器進(jìn)行了多次試驗(yàn)。圖4—6分別為5次試驗(yàn)中10、20、30 μm(c)粒徑的過濾效率對比，圖7為5次試驗(yàn)的壓差隨時(shí)間變化趨勢。

圖4—6中X軸為時(shí)間軸，折線的終點(diǎn)為該過濾器達(dá)到極限壓差、試驗(yàn)結(jié)束的狀態(tài)，折線點(diǎn)越靠右則試驗(yàn)時(shí)間越長。Y軸表示過濾效率，其折線點(diǎn)越高效率越高。

由圖4所示的 10 μm(c)過濾效率對比的擬合曲線可以得出表2。

表2 10 μm(c)過濾效率對比 %

由圖5所示的 20 μm(c)過濾效率對比的擬合曲線可以得出表3。

表3 20 μm(c)過濾效率對比 %

由圖6所示的30 μm(c)過濾效率對比的擬合曲線可以得出表4。

表4 30 μm(c)過濾效率對比 %

多通試驗(yàn)1號樣件對10 μm(c)平均過濾效率僅為17.9%，20 μm(c)平均過濾效率為54.4%，30 μm(c)平均過濾效率僅為93.4%。10 μm(c)擋的過濾效率過低，20 μm(c)擋的過濾效率與試驗(yàn)預(yù)期仍有差距，30 μm(c)擋的大顆粒過濾效率達(dá)到較高水平。由此分析，該樣件對20 μm(c)以下的顆粒過濾性能較差，尤其是10 μm(c)以下顆粒過濾效率嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)，建議著重改進(jìn)設(shè)計(jì)提高對小顆粒的過濾能力。

多通試驗(yàn)2號樣件對10、20、30 μm(c)三擋的過濾效率都在97%以上，改進(jìn)了1號樣件過濾效率低的缺點(diǎn)。但是從圖7中可看出：該樣件在試驗(yàn)開始后，壓差迅速升高至極限壓差，也就說其使用壽命明顯短于預(yù)期。由于過濾器不同性能之間的相互制約，提升過濾效率的同時(shí)可能會引起使用壽命相對縮短。在高效率、長壽命、大納污容量、低流阻這些優(yōu)良性能間找到一個最佳平衡點(diǎn)，就是一個型號設(shè)計(jì)成功的標(biāo)志。但是2號樣件在改進(jìn)1號樣件缺點(diǎn)的同時(shí)，使得該型號壽命指標(biāo)大幅下降，且2號樣件的初始流阻較大。2號樣件并沒有很好地達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，建議在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重與1號樣件相比較。

多通試驗(yàn)3號樣件在10、20、30 μm(c)三擋的過濾效率幾乎與1號樣件重合，流阻相對優(yōu)于同效率的1號樣件。此次總結(jié)了2號樣件壽命過短的問題并加以改進(jìn)，但是3號樣件同1號樣件一樣存在小顆粒過濾效率過低的問題。因此，該次試驗(yàn)未達(dá)到預(yù)期效果，仍應(yīng)著重解決10 μm(c)粒徑的過濾效率問題。

多通試驗(yàn)4號樣件相對于1號、2號樣件整體提高了其各粒徑的過濾效率，使用壽命較3號來說大幅增加，應(yīng)該說較好地解決了前3組試驗(yàn)出現(xiàn)的問題。4號樣件過濾效率隨試驗(yàn)時(shí)間的增加呈下降趨勢，尤其以10 μm(c)擋整體降幅最為明顯，20、30 μm(c)擋該樣件在壓差加速上升階段也出現(xiàn)了過濾效率下降的情況。此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)意味著該過濾器在正常使用壽命的中后期將不能保證良好的過濾性能。如果能在過濾性能大幅下降前，使得過濾器達(dá)到極限壓差并報(bào)警，就可以保證整個使用過程中的過濾效率。

多通試驗(yàn)5號樣件過濾效率在5個樣件中整體較高，且在整個試驗(yàn)階段都維持較為穩(wěn)定的過濾性能。在到達(dá)極限壓差前，并沒有出現(xiàn)像4號樣件中過濾效率大幅下降的趨勢，可以有效保證在使用壽命內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)有效過濾。5號樣件使得1號、2號樣件效率低與3號樣件壽命短的矛盾得到較好的平衡，且解決了4號樣件在使用壽命的中后期性能大幅下降的問題?？傮w來講通過不斷改進(jìn)，最終5號樣件過濾性能最為優(yōu)越，滿足了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

一種型號過濾器性能的好壞，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以較為科學(xué)地體現(xiàn)出來。新型號過濾器的設(shè)計(jì)在選型、材料、加工工藝等諸多方面影響著該型號的最終過濾性能。從某型號濾清器的5次試驗(yàn)中不難看出，科學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)能一針見血地指出樣品的缺點(diǎn)。不同的性能缺陷往往與某些工藝設(shè)計(jì)有關(guān)，突出解決試驗(yàn)中暴露的問題，就使得型號改進(jìn)更有針對性。通過不斷的試驗(yàn)，積累大量科學(xué)的數(shù)據(jù)，并從中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對提高過濾器的工藝設(shè)計(jì)水平意義重大。

【1】ISO 4548 12:2000內(nèi)燃機(jī)全流式機(jī)油濾清器試驗(yàn)方法 第12部分 用顆粒計(jì)數(shù)法測試過濾效率和納垢容量[S].

Help of Multi-pass Test to Improve Design of Filter Filtration Performance

MA Pengjie

(Aviation Industry Filtration Product Quality Supervision and Test Center, Xinxiang Henan 453019, China)

Performance of new type of filter filtration will be changed by designation improvement. Different design schemes for filters should be test to ensure the filtration performance of the products. Some type of filter was tested and the results were analyzed.

Filter; Filtration performance; Test; Analysis

2015-06-03

馬鵬杰(1989— )，男，本科，工程師，從事顆粒度計(jì)量及過濾產(chǎn)品的檢測工作。E-mail:yywkfb@sina.com。