船用全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗油濾器設(shè)計(jì)

陳 東 許德勤

（南通航海機(jī)械集團(tuán)有限公司 南通226003）

引 言

油濾器是保障船舶主機(jī)滑油系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要輔助元件，按清洗類(lèi)型可分為人工拆卸清洗［1］、半自動(dòng)清洗、全自動(dòng)清洗，其中全自動(dòng)清洗又可分為全自動(dòng)液體反沖洗型和全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗型。

人工拆卸清洗型油濾器通常為雙聯(lián)濾器，在正常工作情況下，當(dāng)工作濾芯的壓降超過(guò)規(guī)定值時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換閥，切換另一個(gè)濾腔工作，并對(duì)原濾腔進(jìn)行拆卸清洗，以保證油濾器不斷進(jìn)行正常的工作，由于該型濾器濾芯臟堵后需要人工清洗，極大地浪費(fèi)了人力物力。

液體反沖洗型油濾器是利用過(guò)濾后的液體進(jìn)行反沖洗，濾器的工作壓力和大氣壓力間的壓差決定了清洗效果。當(dāng)油液工作壓力低的時(shí)候，清洗效果不佳，并且由于濾器采用出口的油液進(jìn)行反沖洗，故濾器出口壓力會(huì)下降，難以保證油液進(jìn)主機(jī)的壓力要求。

全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗型過(guò)濾器是當(dāng)濾器進(jìn)出口壓差達(dá)到清洗點(diǎn)時(shí)，濾器自動(dòng)反沖洗，反沖洗介質(zhì)為壓縮空氣，反沖洗效果好，且與工作壓力無(wú)關(guān)，反沖洗時(shí)出口壓力無(wú)波動(dòng)，也可在不停機(jī)的情況下，對(duì)清洗腔進(jìn)行人工拆卸維修。

1 全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗油濾器組成

船用全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗油濾器采用壓縮空氣為反沖介質(zhì)，通過(guò)全自動(dòng)沖洗裝置對(duì)過(guò)濾器濾芯進(jìn)行反向沖洗，以保持濾器始終處于一種較干凈的狀態(tài)，該濾器總有一個(gè)潔凈的濾室作為備用。全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗油濾器可設(shè)計(jì)兩個(gè)濾室，其中一個(gè)濾室處于工作狀態(tài)，另一個(gè)濾室處于備用狀態(tài)。其主要組成部分如圖1 中所示。

圖1 船用全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗油濾器組成

2 工作原理

船用全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗油濾器可分為正常過(guò)濾狀態(tài)和反沖洗狀態(tài)。

正常過(guò)濾狀態(tài)是指濾器攔截油液中的固體雜質(zhì)、磨屑、鐵銹和氧化物等沉積不溶物，以?xún)艋?、滑油和保護(hù)燃、滑油系統(tǒng)中其他設(shè)備的正常工作。

反沖洗狀態(tài)是指在不中斷濾器正常過(guò)濾的情況下，將另外一個(gè)腔室滯留在濾網(wǎng)表面的雜質(zhì)顆粒逆向沖洗，沖洗的污油從排污口排出，沖洗的介質(zhì)為干凈、干燥的壓縮空氣。

2.1 濾器的正常過(guò)濾狀態(tài)

濾器正常過(guò)濾狀態(tài)如圖2 所示?；瓦M(jìn)入濾器底部進(jìn)口①，流入本體②后到達(dá)濾室③，然后由外向內(nèi)通過(guò)濾芯④，其中大于規(guī)定過(guò)濾精度的雜質(zhì)則被濾網(wǎng)滯留，過(guò)濾后的清潔液體⑤流向?yàn)V器上端出口⑥。

圖2 正常過(guò)濾狀態(tài)

2.2 濾器的反沖洗狀態(tài)

濾器反沖洗狀態(tài)如下頁(yè)圖3 所示。隨著濾器工作時(shí)間的增加，越來(lái)越多的被滯留在濾芯上的雜質(zhì)，導(dǎo)致濾器進(jìn)出口兩端的壓力差不斷上升，當(dāng)壓力差達(dá)到清洗值時(shí)，壓差發(fā)訊器會(huì)發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)電氣系統(tǒng)，此時(shí)執(zhí)行器⑦換向，帶動(dòng)轉(zhuǎn)閥⑧從備用濾室轉(zhuǎn)到需沖洗的濾室位置上，備用濾室內(nèi)的干凈濾芯參加過(guò)濾，致使濾器壓差即刻下降。

圖3 反沖洗狀態(tài)

由于電氣控制的作用，轉(zhuǎn)閥一旦轉(zhuǎn)到需沖洗的濾室位置時(shí)，即停止動(dòng)作；同時(shí)，滑閥上方的控制空氣排空，滑閥⑨向上移動(dòng)，貯氣室⑩中的壓縮空氣促使濾室中的液體反向流過(guò)濾芯，將粘結(jié)在濾網(wǎng)上的雜質(zhì)沖洗掉，沖洗下來(lái)的污油從排

經(jīng)過(guò)短時(shí)間的反沖洗，電磁閥復(fù)位，控制空氣進(jìn)入，迫使中間滑閥向下移動(dòng)，封住貯氣室內(nèi)的壓縮空氣，經(jīng)沖洗和排空的濾室此時(shí)則通過(guò)轉(zhuǎn)閥上的注油孔進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)液，濾室中的空氣通過(guò)自動(dòng)排氣裝置排出。

在正常工作狀態(tài)下，滑閥下部的閥盤(pán)關(guān)閉排污口，壓縮空氣聚集在貯氣室內(nèi)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次反沖洗。

3 設(shè) 計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

某一系統(tǒng)油濾器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：工作介質(zhì)為滑油，含有固體顆粒雜質(zhì)；過(guò)濾精度10 μm；流量9.0 m3/h；設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa；工作溫度小于80℃；要求出口壓力無(wú)波動(dòng)；沖洗方式：采用壓差沖洗、定時(shí)沖洗和手動(dòng)沖洗。

3.2 進(jìn)出口通徑確定

管路中介質(zhì)流速按管路經(jīng)濟(jì)流速選取，一般與進(jìn)口管路口徑一致，取進(jìn)口流速Vi和出口流速Vo相等，即Vi=Vo= 0.8～2.0 m/s，則過(guò)濾器進(jìn)出口通徑［2］Di、Do為：

所以選取Di=Do= 50 mm。

另外，對(duì)于濾器內(nèi)部的流道截面積，均不得小于管路通徑面積。

3.3 過(guò)濾器濾網(wǎng)面積的計(jì)算

過(guò)濾器是滑油系統(tǒng)中的重要部件，而過(guò)濾器濾芯則是過(guò)濾器的關(guān)鍵。要求中濾器的過(guò)濾精度為10 μm，該過(guò)濾精度較高，普通編制金屬網(wǎng)很難達(dá)到，而且選擇的濾網(wǎng)還要適合反沖洗，因此，濾芯濾網(wǎng)選擇可折疊、孔徑成梯度結(jié)構(gòu)的不銹鋼纖維燒結(jié)氈，當(dāng)滑油從細(xì)纖維層向粗纖維層流動(dòng)時(shí)，濾網(wǎng)的流入面會(huì)形成濾餅，特別適用于氣體反沖洗的場(chǎng)合。

濾網(wǎng)的過(guò)濾精度越高，滑油的通過(guò)能力就越低，因此要達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定流量就必須增大濾網(wǎng)的過(guò)濾面積，而折疊濾芯有很大的過(guò)濾面積，因此選用折疊濾芯。計(jì)算濾器總過(guò)濾面積按以下計(jì)算：

式中：Q為流量，m3/h；QS為濾網(wǎng)在額定壓降下的過(guò)濾能力參數(shù)，L/cm2·h。

QS由濾網(wǎng)的編織類(lèi)型、工作介質(zhì)的粘度決定，可通過(guò)流量-壓降試驗(yàn)［3］得出。

通過(guò)試驗(yàn)QS= 3.06 L/cm2·h。A為工作濾網(wǎng)的總面積，cm2；A= 1000Q/QS= 2941 cm2。

另外，考慮到維修拆卸因素，在折疊濾網(wǎng)外加裝保護(hù)孔板，防止在拆卸濾筒時(shí)碰擦到濾網(wǎng)表面，造成濾網(wǎng)的破損。折疊濾芯的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4 所示。

圖4 折疊濾芯的結(jié)構(gòu)

3.4 自動(dòng)排氣閥的設(shè)計(jì)

一般油濾器的排氣方式均采用手動(dòng)的針形放氣閥，但是手動(dòng)排氣閥自動(dòng)化程度低，在每次開(kāi)機(jī)進(jìn)油時(shí)均需要手工排氣。因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)小巧的自動(dòng)排氣閥來(lái)自動(dòng)排出空氣，排出的空氣排放至濾器的排污口，圖5 所示。

圖5 排氣閥打開(kāi)

當(dāng)全自動(dòng)反沖洗油濾器開(kāi)始通油時(shí)，由于自動(dòng)排氣閥裝在濾筒的最高位，油液在下位，浮球由于重力作用，處于懸掛位置，密封頭處于開(kāi)啟狀態(tài)，空氣從密封頭和密封座之間的間隙排出。隨著油液上升，浮球受浮力作用上浮，密封頭關(guān)閉，從而阻止油液的流出。如圖6 所示。

圖6 排氣閥關(guān)閉

3.5 排污閥與壓縮空氣控制閥聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)

全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗油濾器采用的清洗方式為壓縮空氣反沖洗，這就要求在打開(kāi)排污口的同時(shí)打開(kāi)壓縮空氣口，讓壓縮空氣進(jìn)入進(jìn)行反沖洗。雖然這里可以采用2 個(gè)電磁閥來(lái)分別控制2 個(gè)閥，但由此也會(huì)造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件增多、維修不方便等問(wèn)題；若其中一個(gè)電磁閥損壞，還會(huì)影響濾器性能，造成反沖洗無(wú)效、滑油損失等缺點(diǎn)。因此需要設(shè)計(jì)1 個(gè)聯(lián)動(dòng)閥，由1 個(gè)電磁閥來(lái)控制，在打開(kāi)排污口的同時(shí)打開(kāi)壓縮空氣口，在關(guān)閉排污口的同時(shí)也關(guān)閉壓縮空氣口。參見(jiàn)圖7 和下頁(yè)圖8。

圖7 排污閥關(guān)閉狀態(tài)

圖8 排污閥打開(kāi)狀態(tài)

從中可以看出，該結(jié)構(gòu)通過(guò)中間滑閥的滑動(dòng)來(lái)同時(shí)控制2 個(gè)閥的狀態(tài)，而滑閥則由1 個(gè)電磁閥來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化。

3.6 不停機(jī)拆卸及反沖洗時(shí)對(duì)出口壓力的影響

全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗油濾器可設(shè)計(jì)為兩個(gè)濾室，其中一個(gè)濾室處于工作狀態(tài)，另一個(gè)濾室處于備用狀態(tài)。濾器在不中斷油液過(guò)濾的前提下，對(duì)備用腔進(jìn)行拆卸檢查，實(shí)現(xiàn)的手段是通過(guò)控制轉(zhuǎn)閥與本體之間的配合間隙來(lái)控制滲漏量，利用轉(zhuǎn)閥隔離工作腔和備用腔，拆卸時(shí)只有少量油從轉(zhuǎn)閥滲漏過(guò)來(lái)。

濾器進(jìn)行反沖洗后，為了不影響下次沖洗時(shí)失壓，需要對(duì)反沖洗腔進(jìn)行補(bǔ)液。液體反沖型濾器沖洗是利用出口處的油液進(jìn)行反沖洗，同時(shí)完成補(bǔ)液，會(huì)造成出口壓力下降，主機(jī)供油不足。全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗油濾器先利用壓縮空氣反沖洗，之后通過(guò)轉(zhuǎn)閥上的小補(bǔ)液孔進(jìn)行緩慢補(bǔ)液，由于補(bǔ)液的流量小，因此對(duì)濾器出口壓力幾乎無(wú)影響。

3.7 濾器設(shè)計(jì)壓力和溫度的要求

濾器設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa，因此全自動(dòng)反沖洗油濾器需按照CCS 規(guī)范壓力容器進(jìn)行壁厚校核、螺栓螺母強(qiáng)度校核［4］；濾器的設(shè)計(jì)溫度為80℃，因此在密封元件的選擇上要選擇耐溫的材料，可選擇丁腈橡膠。

3.8 壓縮空氣的要求

接入濾器的壓縮空氣要求干凈、無(wú)塵、無(wú)水，壓力0.7～1.0 MPa。

4 結(jié) 語(yǔ)

全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗油濾器是船舶燃、滑油系統(tǒng)中非常重要的輔助設(shè)備，其性能的好壞關(guān)系到船舶主輔機(jī)等動(dòng)力設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命，本文介紹的這種全自動(dòng)壓縮空氣反沖洗濾器結(jié)構(gòu)緊湊、合理，維修方便，對(duì)設(shè)計(jì)同類(lèi)產(chǎn)品具有參考意義。

全自動(dòng)壓縮空氣過(guò)濾器可根據(jù)燃、滑油系統(tǒng)所需要的流量要求設(shè)計(jì)成系列產(chǎn)品，采用多腔室設(shè)計(jì)，并可用于其他液體的過(guò)濾，因而具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。