多次通過(guò)試驗(yàn)對(duì)濾清器過(guò)濾性能設(shè)計(jì)改進(jìn)的幫助

馬鵬杰

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

多次通過(guò)試驗(yàn)對(duì)濾清器過(guò)濾性能設(shè)計(jì)改進(jìn)的幫助

馬鵬杰

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

新型號(hào)濾清器的過(guò)濾性能會(huì)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(guò)濾清器過(guò)濾性能的檢測(cè)，才能保證定型產(chǎn)品性能合格。對(duì)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(guò)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(guò)濾器。通常情況下，不同流體機(jī)械系統(tǒng)需要不同型號(hào)的過(guò)濾器加以配套。一個(gè)新型號(hào)過(guò)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(guò)濾器的各項(xiàng)性能檢測(cè)。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所體現(xiàn)的性能來(lái)有針對(duì)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(guò)濾性能檢測(cè)領(lǐng)域使用科學(xué)的試驗(yàn)方法、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)獲得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并以此來(lái)體現(xiàn)該過(guò)濾器的各項(xiàng)性能，對(duì)過(guò)濾器的改進(jìn)起到科學(xué)的指引作用。不同型號(hào)的過(guò)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(duì)于保障流體系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。沒(méi)有科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)就難以保障該新型號(hào)過(guò)濾器能否達(dá)到預(yù)期使用要求，由此可見(jiàn)客觀分析對(duì)比過(guò)濾器在改進(jìn)過(guò)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(guò)濾器性能評(píng)定涵蓋方面較廣，常見(jiàn)的如平均過(guò)濾比、平均過(guò)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(lèi)型產(chǎn)品的檢測(cè)，其技術(shù)規(guī)范往往是不同的。一個(gè)新型號(hào)設(shè)計(jì)之初會(huì)有預(yù)期的指標(biāo)需求，在試驗(yàn)之前可以根據(jù)這個(gè)預(yù)期的使用需求和過(guò)濾器的種類(lèi)來(lái)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(rùn)滑油過(guò)濾器的試驗(yàn)方法第12部分：采用顆粒計(jì)數(shù)法測(cè)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(guò)法對(duì)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(guò)濾效率，%)值，從而驗(yàn)證該濾清器10、20、30 μm(c)的過(guò)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(tái)。通常情況下，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中會(huì)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(hào)的若干件過(guò)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(jiàn)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(guò)試驗(yàn)臺(tái)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(tái)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(guò)結(jié)構(gòu)完整性的檢驗(yàn)，保證過(guò)濾器在實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用過(guò)程中不會(huì)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(guò)試驗(yàn)臺(tái)是否滿足開(kāi)始試驗(yàn)的條件,保證多次通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)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(cè)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(guò)10%；

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

(3)所有在大于20 μm通道內(nèi)測(cè)取的顆粒計(jì)數(shù)平均值不小于70 個(gè)/mL，且不大于120 個(gè)/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(duì)油樣進(jìn)行分析。同時(shí)還要驗(yàn)證取樣流量；

(3)對(duì)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?xún)?nèi)，且各次測(cè)量的注入流量之間的偏差不超過(guò)平均值的±5%。

2 過(guò)濾器性能試驗(yàn)

滿足以上條件后，待試驗(yàn)系統(tǒng)油液過(guò)濾干凈，將濾清器安裝到試驗(yàn)臺(tái)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(guò)試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)控制，只要在控制界面輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)即可通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)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(lái)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(cè)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(guò)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(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，可依據(jù)試驗(yàn)記錄整理得出檢測(cè)報(bào)告。圖3為多次通過(guò)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(cè)被試過(guò)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(duì)油樣進(jìn)行顆粒計(jì)數(shù)分析，統(tǒng)計(jì)顆粒數(shù)量。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)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(guò)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(duì)比

為保證能夠達(dá)到預(yù)期使用需求，先后對(duì)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(guò)濾效率對(duì)比，圖7為5次試驗(yàn)的壓差隨時(shí)間變化趨勢(shì)。

圖4—6中X軸為時(shí)間軸，折線的終點(diǎn)為該過(guò)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(zhǎng)。Y軸表示過(guò)濾效率，其折線點(diǎn)越高效率越高。

由圖4所示的 10 μm(c)過(guò)濾效率對(duì)比的擬合曲線可以得出表2。

表2 10 μm(c)過(guò)濾效率對(duì)比 %

由圖5所示的 20 μm(c)過(guò)濾效率對(duì)比的擬合曲線可以得出表3。

表3 20 μm(c)過(guò)濾效率對(duì)比 %

由圖6所示的30 μm(c)過(guò)濾效率對(duì)比的擬合曲線可以得出表4。

表4 30 μm(c)過(guò)濾效率對(duì)比 %

多通試驗(yàn)1號(hào)樣件對(duì)10 μm(c)平均過(guò)濾效率僅為17.9%，20 μm(c)平均過(guò)濾效率為54.4%，30 μm(c)平均過(guò)濾效率僅為93.4%。10 μm(c)擋的過(guò)濾效率過(guò)低，20 μm(c)擋的過(guò)濾效率與試驗(yàn)預(yù)期仍有差距，30 μm(c)擋的大顆粒過(guò)濾效率達(dá)到較高水平。由此分析，該樣件對(duì)20 μm(c)以下的顆粒過(guò)濾性能較差，尤其是10 μm(c)以下顆粒過(guò)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(duì)小顆粒的過(guò)濾能力。

多通試驗(yàn)2號(hào)樣件對(duì)10、20、30 μm(c)三擋的過(guò)濾效率都在97%以上，改進(jìn)了1號(hào)樣件過(guò)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(kāi)始后，壓差迅速升高至極限壓差，也就說(shuō)其使用壽命明顯短于預(yù)期。由于過(guò)濾器不同性能之間的相互制約，提升過(guò)濾效率的同時(shí)可能會(huì)引起使用壽命相對(duì)縮短。在高效率、長(zhǎng)壽命、大納污容量、低流阻這些優(yōu)良性能間找到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)，就是一個(gè)型號(hào)設(shè)計(jì)成功的標(biāo)志。但是2號(hào)樣件在改進(jìn)1號(hào)樣件缺點(diǎn)的同時(shí)，使得該型號(hào)壽命指標(biāo)大幅下降，且2號(hào)樣件的初始流阻較大。2號(hào)樣件并沒(méi)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(hào)樣件相比較。

多通試驗(yàn)3號(hào)樣件在10、20、30 μm(c)三擋的過(guò)濾效率幾乎與1號(hào)樣件重合，流阻相對(duì)優(yōu)于同效率的1號(hào)樣件。此次總結(jié)了2號(hào)樣件壽命過(guò)短的問(wèn)題并加以改進(jìn)，但是3號(hào)樣件同1號(hào)樣件一樣存在小顆粒過(guò)濾效率過(guò)低的問(wèn)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(guò)濾效率問(wèn)題。

多通試驗(yàn)4號(hào)樣件相對(duì)于1號(hào)、2號(hào)樣件整體提高了其各粒徑的過(guò)濾效率，使用壽命較3號(hào)來(lái)說(shuō)大幅增加，應(yīng)該說(shuō)較好地解決了前3組試驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題。4號(hào)樣件過(guò)濾效率隨試驗(yàn)時(shí)間的增加呈下降趨勢(shì)，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(guò)濾效率下降的情況。此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)意味著該過(guò)濾器在正常使用壽命的中后期將不能保證良好的過(guò)濾性能。如果能在過(guò)濾性能大幅下降前，使得過(guò)濾器達(dá)到極限壓差并報(bào)警，就可以保證整個(gè)使用過(guò)程中的過(guò)濾效率。

多通試驗(yàn)5號(hào)樣件過(guò)濾效率在5個(gè)樣件中整體較高，且在整個(gè)試驗(yàn)階段都維持較為穩(wěn)定的過(guò)濾性能。在到達(dá)極限壓差前，并沒(méi)有出現(xiàn)像4號(hào)樣件中過(guò)濾效率大幅下降的趨勢(shì)，可以有效保證在使用壽命內(nèi)均能實(shí)現(xiàn)有效過(guò)濾。5號(hào)樣件使得1號(hào)、2號(hào)樣件效率低與3號(hào)樣件壽命短的矛盾得到較好的平衡，且解決了4號(hào)樣件在使用壽命的中后期性能大幅下降的問(wèn)題。總體來(lái)講通過(guò)不斷改進(jìn)，最終5號(hào)樣件過(guò)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(hào)過(guò)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(lái)。新型號(hào)過(guò)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(hào)的最終過(guò)濾性能。從某型號(hào)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(jiàn)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(wèn)題，就使得型號(hào)改進(jìn)更有針對(duì)性。通過(guò)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(duì)提高過(guò)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(cè)試過(guò)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(guò)濾產(chǎn)品的檢測(cè)工作。E-mail:yywkfb@sina.com。