董 錟,黃昱杰,梁 云,唐 敏,賈曉楠,田 偉
(1.空軍裝備部駐新鄉(xiāng)地區(qū)軍事代表室,河南 新鄉(xiāng) 453000; 2.華南理工大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510641; 3.新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453000)
液壓油作為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的工作介質(zhì),對(duì)系統(tǒng)有著冷卻、潤(rùn)滑和防銹的作用,因此,液壓油的品質(zhì)對(duì)于液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要[1]。但是,在儀器設(shè)備的實(shí)際使用過程中,液壓油會(huì)受到污染而變質(zhì)劣化,造成系統(tǒng)發(fā)生故障[2-3]。引起液壓系統(tǒng)發(fā)生故障的原因一般是由多種因素導(dǎo)致的,包括固體顆粒、水、空氣和化學(xué)物質(zhì)等。根據(jù)美國(guó)流體動(dòng)力協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,液壓系統(tǒng)中超過75%以上的故障都是由液壓油的污染所導(dǎo)致的[4-5],而當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為這一比例已經(jīng)提高到了80%甚至90%[6]。所以研究和控制液壓系統(tǒng)中油液的潔凈程度是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的重要舉措。
目前,在液壓系統(tǒng)中添加過濾器是過濾液壓油中固體污染物的主要方法。玻纖濾材是過濾器中的核心材料,通過三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)攔截和吸附油液中的固體污染物,以達(dá)到對(duì)油液的凈化作用[7-8]。但是對(duì)于液壓過濾系統(tǒng)中的玻纖材料而言,由于后期濾材兩側(cè)壓力升高以及液壓系統(tǒng)工作時(shí)液壓油對(duì)其高頻次的流量沖擊,導(dǎo)致液壓濾材面臨著一個(gè)嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全性和可靠性的問題,即在使用過程中會(huì)出現(xiàn)過濾比下降的問題,極大影響了濾材過濾性能的穩(wěn)定性[9-11]。針對(duì)這一問題,一些學(xué)者利用計(jì)算機(jī)軟件搭建濾材結(jié)構(gòu)模型,通過模擬濾材厚度[12]、流體流速[13]、油液溫度[14]等因素對(duì)濾材過濾性能的影響,從而預(yù)測(cè)濾材的過濾過程,為提高濾材的穩(wěn)定性提供指導(dǎo)。一些學(xué)者通過優(yōu)化過濾器的結(jié)構(gòu),在過濾器內(nèi)部安裝磁性的捕集器[15]、采用柱狀過濾器替代矩形過濾器[16]、過濾器前端增加真空離心設(shè)備[6]等措施,提高過濾器過濾性能的穩(wěn)定性。雖然不同學(xué)者做出了一定的努力,但是到目前為止,液壓過濾材料在過濾后期過濾比下降的問題仍然沒有得到解決,如何解決或者緩解這一問題依舊是目前工作研究的重點(diǎn)。
對(duì)于液體介質(zhì)的過濾,以玻纖為主要原料制備的濾材其過濾方式是深度過濾,依靠濾材內(nèi)部的孔徑通道對(duì)污染物顆粒進(jìn)行攔截[17-18]。在濾材的制備過程中,成形網(wǎng)肩負(fù)著紙頁成形與脫水等任務(wù),可以將纖維和配料中的其他有效組分保留在成形網(wǎng)上。玻璃棉直徑分布廣泛,從幾微米到幾百納米不等,而且對(duì)于同一種型號(hào)的玻璃棉,其直徑分布非常廣泛,所以合理選擇成形網(wǎng)的目數(shù)至關(guān)重要。如果選擇的成形網(wǎng)目數(shù)較大,則會(huì)造成直徑較細(xì)的纖維流失嚴(yán)重,這樣對(duì)濾材的孔徑結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的影響,導(dǎo)致濾材的孔徑分布差異較大,污染物顆粒將從濾材的最大孔徑中逃逸,從而影響濾材整體的過濾性能。所以針對(duì)以上問題,本研究擬從濾材制備過程中成形網(wǎng)的目數(shù)出發(fā),首先通過仿真軟件Geodict模擬研究濾材孔徑分布差異較大時(shí)對(duì)過濾性能造成的影響,其次探究不同目數(shù)的成形網(wǎng)對(duì)濾材孔徑分布的影響,最后通過對(duì)比在不同目數(shù)下所制備濾材的液體過濾性能,從而選擇出合適的成形網(wǎng),為提高液壓濾材過濾性能穩(wěn)定性提供解決方案。
實(shí)驗(yàn)原料為玻璃棉(14° SR,34° SR,74° SR),丙烯酸樹脂GF03A,聚酯成形網(wǎng)(100,200,300,500,600目),對(duì)比商品樣濾材。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備為RK3AKWT抄片器,FX3300透氣度測(cè)定儀,XSE204分析天平,CFP-1100-A毛細(xì)管流量孔徑儀,G2Pro Y掃描電子顯微鏡,MPTB-10-20多次通過試驗(yàn)臺(tái)。
GeoDict是一款基于多尺度的三維圖像仿真模擬軟件,國(guó)內(nèi)外越來越多的研究者采用 GeoDict 開展材料性能的數(shù)值模擬研究。本研究使用GeoDict軟件的FilterDict模塊模擬濾材模型的過濾過程。過濾過程的模擬主要是顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的求解和顆粒與纖維間碰撞模型的處理。顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬可以分為兩步組成。首先,計(jì)算潔凈濾材的流場(chǎng);然后基于流場(chǎng)和作用在顆粒上的力求解顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。因此,顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡可由下式求解獲得:
(1)
(2)
其中,mp——顆粒的質(zhì)量,kg
dp——顆粒的直徑,m
kB——玻爾茲曼常數(shù),J/K
T——溫度,K
γ——摩擦因子
W——Wiener測(cè)度,s1/2
xp——顆粒的位移距離,m
本研究采用拉格朗日法對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行求解。在數(shù)值模擬中,選取Sieving捕獲模型。在液體過濾中,篩分被認(rèn)為是主要的捕獲機(jī)制,通常假設(shè)顆粒在碰撞時(shí)由于黏附力而不會(huì)黏在纖維上,只有當(dāng)顆粒同時(shí)碰觸到濾材中的2個(gè)不同的點(diǎn)時(shí),才會(huì)被標(biāo)記和捕獲。
本實(shí)驗(yàn)選取玻璃棉14° SR和74° SR兩種平均直徑差異較大的纖維,在100,200,300,500,600目的成形網(wǎng)和自動(dòng)抄片器的金屬網(wǎng)(400目)下分別制備定量為20,50,80 g/m2的濾材。
本實(shí)驗(yàn)選取了500目成形網(wǎng)制備的濾材與80目成形網(wǎng)制備的商品樣濾材進(jìn)行液體過濾性能對(duì)比,編號(hào)分別記作80目濾材和500目濾材。
微觀形貌觀測(cè):采用荷蘭Phenom-World公司型號(hào)為G2Pro Y掃描電子顯微鏡。
透氣度測(cè)試:參考GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》,使用FX3300透氣度儀(測(cè)試壓力為200 Pa)測(cè)量濾料的透氣性。
孔徑測(cè)試:參考ASTM F316,使用PMI CFP-1100-A毛細(xì)流量孔徑儀測(cè)試濾材的平均孔徑、最大孔徑和孔徑分布,潤(rùn)濕液為PMI公司的Galwick液體。
液體過濾性能測(cè)試:參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 16889,采用型號(hào)為MPTB-10-20多次通過實(shí)驗(yàn)臺(tái),其中顆粒計(jì)數(shù)器型號(hào)為HCB-LD-25/25。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。
表1 多次通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件
抗張強(qiáng)度:參考GB/T 12914—2008《紙和紙板 抗張強(qiáng)度的測(cè)定》,使用RH-KZY臥式抗張?jiān)囼?yàn)機(jī)測(cè)試濾料的抗張強(qiáng)度。
目前,原有的人工計(jì)算工具已逐漸被神集計(jì)算、廣連達(dá)、魯班等工程造價(jià)軟件所取代。在項(xiàng)目結(jié)算審計(jì)中,使用計(jì)算機(jī)作為輔助審計(jì)手段,可以減少大量的人工操作,特別是在定額、費(fèi)用、調(diào)整材料差額和勞動(dòng)成本以及調(diào)整自動(dòng)計(jì)算、生成表格等諸多方面。事半功倍。在項(xiàng)目結(jié)算審計(jì)中,如果要充分利用成本定額和收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、收費(fèi)程序,關(guān)鍵是要充分利用工程造價(jià)軟件,選擇適用的單位估價(jià)表、材料價(jià)格差等模板,檢查是否符合成本標(biāo)準(zhǔn)是準(zhǔn)確的。
本研究采用GeoDict 的FilterDict 模塊模擬濾材對(duì)顆粒物的過濾過程,驗(yàn)證提出的猜想。即在過濾過程中,當(dāng)濾材兩側(cè)壓力上升,孔徑分布差異較大時(shí),一些污染物顆??赡軙?huì)從濾材的最大孔徑中逃逸,導(dǎo)致濾材的過濾比下降,過濾穩(wěn)定性降低。
圖1a和圖2a是簡(jiǎn)化后的濾材模型,兩者濾材的平均孔徑相同,圖1a孔徑分布均勻,而圖2a孔徑分布分散,濾材的最大孔徑相對(duì)較大,這也更接近實(shí)際生產(chǎn)中制備的濾材。圖1和圖2中的圖b~圖e是模擬濾材在過濾過程中4種不同的狀態(tài):圖b代表顆粒還未接觸濾材;圖c代表顆粒剛剛接觸濾材;圖d代表顆粒穿過濾材;圖e代表顆粒堵塞濾材,這4種狀態(tài)反應(yīng)了整個(gè)濾材的過濾過程。圖1f和圖2f代表了濾材堵塞后濾材表面的狀態(tài)。
圖1 孔徑均勻的濾材過濾過程模擬
圖2 孔徑分散的濾材過濾過程模擬
從圖1b~圖1d中可以看出,當(dāng)濾材孔徑分布均勻時(shí),顆粒在流體的作用下向?yàn)V材運(yùn)動(dòng),在整個(gè)過程中,濾材的不同位置對(duì)顆粒的作用力是相同的,所以顆粒最終均勻的分布在濾材上。當(dāng)濾材的孔徑分布不均勻時(shí),如圖2b~圖2d所示,面對(duì)濾材兩側(cè)的壓力,濾材孔徑較大的區(qū)域壓力小,流體的流速大,顆粒會(huì)優(yōu)先從大孔中穿過,而且當(dāng)濾材內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)被顆粒堵塞時(shí),一部分顆粒會(huì)從濾材的最大孔徑中逃逸,如圖2f所示,從而進(jìn)入下游油液中,導(dǎo)致其過濾比下降,濾材的穩(wěn)定性降低。因此,本研究在模擬的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證孔徑分布對(duì)濾材過濾性能穩(wěn)定性的影響。
在實(shí)驗(yàn)室制備濾材過程中金屬網(wǎng)的目數(shù)為400目,為了探究成形網(wǎng)目數(shù)對(duì)濾材孔徑的影響,所以選擇了100,200,300,500,600目的聚酯網(wǎng)。圖3是不同目數(shù)的聚酯成形網(wǎng)以及自動(dòng)抄片器的金屬網(wǎng)電鏡圖。由電鏡照片可以看出,這些成形網(wǎng)的編制方式為平紋形式,上下纖維交織而成,組織致密,交織點(diǎn)多,孔徑大小均勻,纖維與纖維之間的相對(duì)位置穩(wěn)定。
圖3 不同目數(shù)成形網(wǎng)的電鏡照片
圖4是兩種不同直徑、不同定量的單一玻璃棉在成形過程中相對(duì)不同成形網(wǎng)的流失率。實(shí)驗(yàn)室抄片器金屬網(wǎng)的目數(shù)為400目,即為圖中參考線所處的位置,從圖中可以看出,當(dāng)成形網(wǎng)的目數(shù)較小時(shí),無論是直徑較細(xì)的玻璃棉74° SR,還是直徑較粗的玻璃棉14° SR,都流失較為嚴(yán)重,而且玻璃棉的定量越低,流失越嚴(yán)重。這是因?yàn)樵谳^低定量時(shí),除過在稱量、疏解、轉(zhuǎn)移過程中損失的纖維以外,在成形過程中,濾材本身也有攔截作用,但由于濾材定量較低,成形的紙頁厚度較薄,攔截能力較弱。當(dāng)成形網(wǎng)的目數(shù)大于抄片器金屬網(wǎng)的目數(shù)時(shí),不同直徑、不同定量的濾材在成形過程中的流失率逐漸趨于穩(wěn)定,保持在3%左右。
圖4 不同玻璃棉對(duì)不同目數(shù)成形網(wǎng)的流失率
為了驗(yàn)證成形網(wǎng)目數(shù)造成纖維流失對(duì)濾材孔徑的影響,本實(shí)驗(yàn)選取了直徑最細(xì)的玻璃棉74° SR,定量為20 g/m2,通過采用不同的成形網(wǎng)制備濾材,并測(cè)試其孔徑。該實(shí)驗(yàn)由于選擇的玻璃棉直徑較細(xì),而且制備的濾材定量較低,能代表不同直徑的玻璃棉在不同成形網(wǎng)目數(shù)下纖維流失所對(duì)應(yīng)濾材孔徑的變化。
圖5是玻璃棉74° SR在不同目數(shù)下所制備濾材的孔徑分布圖(圖5a)和孔徑分布累積曲線圖(圖5b)。從圖5a中可以看出濾材的孔徑都集中分布在1.0~1.5 μm這個(gè)區(qū)間內(nèi),在這個(gè)區(qū)間里100目成形網(wǎng)對(duì)應(yīng)的濾材孔徑占比為58.8%,而600目成形網(wǎng)對(duì)應(yīng)的濾材此區(qū)間孔徑占比為77.5%,兩者相差了18.7%,從100目成形網(wǎng)到600目成形網(wǎng),濾材在此區(qū)間的分布占比越來越大。當(dāng)濾材采用的成形網(wǎng)大于等于400目時(shí),濾材的孔徑分布也逐漸變得穩(wěn)定,此時(shí)濾材孔徑在1.0~1.5 μm這個(gè)區(qū)間內(nèi)占比74.9%。而且從圖5b中可以看出,隨著成形網(wǎng)目數(shù)逐漸增大,孔徑分布累積曲線趨于集中,也可以進(jìn)一步反應(yīng)出濾材的孔徑逐漸變得穩(wěn)定。
圖5 玻璃棉74° SR在不同成形網(wǎng)目數(shù)下制備的濾材孔徑
表2是這幾種濾材在制備過程中的平均孔徑和最大孔徑,從表中也可以看出,濾材的平均孔徑和最大孔徑隨著成形網(wǎng)目數(shù)的增大而變得穩(wěn)定,從而也驗(yàn)證了濾材在成形過程中隨著成形網(wǎng)目數(shù)的增加,纖維的流失率逐漸變得穩(wěn)定時(shí),濾材的結(jié)構(gòu)也會(huì)變得穩(wěn)定。
表2 成形網(wǎng)目數(shù)對(duì)濾材孔徑的影響
由以上實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)和結(jié)論可知,成形網(wǎng)的目數(shù)會(huì)影響濾材的孔徑分布,當(dāng)成形網(wǎng)的目數(shù)大于等于400目時(shí),不同直徑、不同定量的濾材在成形過程中的流失率逐漸趨于穩(wěn)定。本研究選取了商品樣濾材(80目制備)和實(shí)驗(yàn)室500目制備的濾材進(jìn)行物理性能與液體過濾性能測(cè)試,對(duì)比在不同成形網(wǎng)目數(shù)下制備的濾材過濾性能穩(wěn)定性的變化情況。
1) 物理性能對(duì)比結(jié)果
表3為在80目和500目制備的濾材物理性能參數(shù)。從表中可以看出,在定量相同的情況下,濾材的抗張強(qiáng)度、透氣度和平均孔徑都很接近,但是在80目制備的濾材,最大孔徑為16.82 μm,要遠(yuǎn)高于在500目成形網(wǎng)制備的濾材。圖6為兩種濾材的孔徑圖,從圖6a可以看出,兩種濾材的孔徑分布都集中在4~6 μm這個(gè)區(qū)間里,其中80目濾材占比38.7%,而500目濾材占比48.1%,兩者相差了9.4%,這個(gè)區(qū)間也是二者濾材分布差異最大的區(qū)間。圖6b是兩種濾材的孔徑分布累積曲線,從圖中也可以看出500目濾材的孔徑分布更加集中。
圖6 濾材孔徑
表3 濾材的物理性能參數(shù)
2) 液體過濾性能穩(wěn)定性的對(duì)比分析
經(jīng)多次通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,80目與500目成形網(wǎng)制備的濾材在平均過濾比為200時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒尺寸數(shù)分別為9.79 μm和9.30 μm,所以選擇80目濾材與500目濾材顆粒尺寸數(shù)大于等于10 μm的過濾比。圖7為兩種濾材10 μm過濾比隨著時(shí)間間隔的變化曲線。
圖7 濾材過濾比隨著時(shí)間間隔的變化曲線
從圖7中曲線的變化趨勢(shì)可以分析得出,對(duì)于500目濾材和80目濾材,隨著實(shí)驗(yàn)的開始,污染物顆粒進(jìn)入濾材內(nèi)部的孔隙通道,顆粒被濾材內(nèi)部的纖維所攔截吸附,下游的污染物顆粒較少,所以濾材的過濾比會(huì)有一定程度的上升;隨著實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行,油液中一些較小的污染物顆粒會(huì)逐漸穿過濾材內(nèi)部進(jìn)入到過濾器的下游,濾材的過濾比開始緩慢的下降。經(jīng)過一段時(shí)間后,濾材內(nèi)部的孔隙通道逐漸被污染物顆粒堵塞,依靠顆粒物本身在濾材表面的積聚逐漸形成一層濾餅從而對(duì)污染物顆粒進(jìn)行過濾,此時(shí)大部分的顆粒被阻隔在濾材的表面,很難進(jìn)入到濾材的下游,在這個(gè)階段濾材對(duì)顆粒物的過濾效率會(huì)有一定程度的提高,所以500目濾材的過濾比隨時(shí)間的變化曲線呈現(xiàn)先上升,再緩慢下降,最后上升的趨勢(shì)。而80目濾材的過濾比隨時(shí)間的變化曲線呈現(xiàn)的趨勢(shì)是先上升,再下降,再上升,最后再下降,該濾材比500目濾材在最后階段多了一個(gè)下降的趨勢(shì)。由孔徑參數(shù)可知,在平均孔徑一定的情況下,80目濾材的最大孔徑為16.82 μm,遠(yuǎn)大于500目濾材的最大孔徑。隨著濾材的逐漸堵塞,濾材兩側(cè)的進(jìn)出口壓差也在上升,在兩側(cè)壓力的作用下,80目濾材所攔截的污染物顆粒更容易從濾材的最大孔徑中進(jìn)入過濾器的下游,所以80目濾材在最后階段的過濾比又會(huì)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。
為了更加清晰直觀的反映出濾材污染物顆粒尺寸數(shù)在不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間間隔下的過濾比變化情況,本實(shí)驗(yàn)選取了3種不同尺寸顆粒數(shù)的過濾比數(shù)據(jù)。80目濾材和500目濾材在時(shí)間間隔為10%時(shí)的過濾比記為初始過濾比,然后對(duì)比了不同尺寸的污染物顆粒在不同時(shí)間間隔下的過濾比相對(duì)于初始過濾比的下降率。例如,80目濾材在β≥8時(shí),時(shí)間間隔為10%對(duì)應(yīng)的過濾比為32.9,即βT=10=32.9;時(shí)間間隔為20%對(duì)應(yīng)的過濾比為38.1,所以βT=t即為βT=20=38.1,由式(3)即可得出β≥8在時(shí)間間隔為20%時(shí)的過濾比相對(duì)于初始過濾比的下降率為15.8%:
(3)
式中,βx代表污染物顆粒尺寸x的過濾比;βT=t代表t%時(shí)間間隔下的過濾比;βT=10代表時(shí)間間隔為10%對(duì)應(yīng)的濾材的過濾比,即初始過濾比。
表4和表5分別是80目濾材和500目濾材在不同時(shí)間間隔的過濾比βx比初始過濾比的下降率。
表4 80目濾材在不同時(shí)間間隔下的過濾比βx變化情況
表5 500目濾材在不同時(shí)間間隔下的過濾比βx變化情況
注:表中數(shù)據(jù)為負(fù)值代表該階段的過濾比大于初始過濾比。
從表4和表5中可以看出,80目濾材在實(shí)驗(yàn)時(shí)間90%~100%這段時(shí)間里,濾材的過濾比出現(xiàn)的很大程度的下降,這會(huì)導(dǎo)致濾材在過濾過程中的過濾穩(wěn)定性大大降低,這可能是因?yàn)殡S著濾材的逐漸堵塞,濾材兩側(cè)的壓差也在逐漸上升,在兩側(cè)壓力的作用下,一些污染物顆粒可能會(huì)從濾材的最大孔徑中逃逸進(jìn)入到濾材的下游,導(dǎo)致濾材的過濾比急劇下降。而500目濾材對(duì)應(yīng)的過濾比在不同的過濾時(shí)間段,濾材的過濾比都高于初始過濾比,表現(xiàn)出了較好的過濾性能穩(wěn)定性。
研究了成形網(wǎng)目數(shù)對(duì)濾材液體過濾性能的影響,首先采用了Geodict模擬軟件分析不同孔徑分布的濾材過濾過程,然后通過實(shí)驗(yàn)證明了成形網(wǎng)目數(shù)對(duì)濾材孔徑分布的影響,并探究了對(duì)濾材液體過濾性能的影響,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:
(1) 采用Geodict模擬軟件簡(jiǎn)化濾材模型,制備了兩種孔徑分布差異較大的濾材,并模擬了濾材的過濾過程。結(jié)果表明,在平均孔徑一定的情況下,最大孔徑會(huì)導(dǎo)致污染物顆粒在過濾后期從濾材的大孔中逃逸,影響下游油液的潔凈程度;
(2) 通過選取玻璃棉14° SR和74° SR分別在100,200,300,500,600目的聚酯網(wǎng)和抄片器金屬網(wǎng)(400目)上制備定量為20,50,80 g/m2的濾材,并測(cè)試其孔徑,結(jié)果表明,當(dāng)成形網(wǎng)的目數(shù)大于等于400目時(shí),不同直徑、不同定量的濾材在成形過程中的流失率和孔徑分布逐漸趨于穩(wěn)定;
(3) 在濾材物理性能和過濾精度接近的條件下,通過對(duì)不同目數(shù)下的成形網(wǎng)進(jìn)行多次通過實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:選用的成形網(wǎng)目數(shù)越大,濾材的過濾穩(wěn)定性越高。