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适用于水压系统的 过滤器的选用



前 言
自18世纪末英国 Joseph Bramah制成世界上第一台 水压机起,液压技术的发展已 经历200多年;二战后,液压技术开始广泛 应用于各种民用机械;而20世纪60年代以来,随着原子能、空间 技术、计算机技术的迅猛发展,促进了机电液气一 体化的发展进程,使液压技术深入应 用于工程机械、矿山机械、建筑机械、冶金机械、锻压机械、轻工机械、农用机械、汽车工业、机械制造设备及航海航空设备等等各个工业领域。但20世纪70年代出现的世界性 “石油危机”,以及各国的“绿色 化生产”战略,使液压传动技术面 临严峻的挑战。寻求节能、环保的工作介质来替代液压油,已是当务之急。于 是水压传动技术的研究与开发,成为流体传动及控 制技术领域国际学科前沿的重要研究方向。
1 水压传动的关键技 术
水压传动以水作为 工作介质。与矿物油相比,水具有粘度低、腐 蚀性强、可压缩性小、热膨胀系数小、比热容及导热系数大等特性,而水的较低的粘度 、极强的腐蚀性是制约水压传动技术发展的2大瓶颈。
1.1 密封技术
水压元件的阀芯与 阀体之间存在缝隙,水压传动的泄漏主 要是缝隙泄漏。以同心环形缝隙因压力差产生的泄漏量为例,其泄漏量计算式为 [1]

相同的条件下 ,水压传动的泄漏量 则为液压传动泄漏量的30 ~ 120倍,系统的效率极大地 降低。作为水压传动系统,减少泄漏量的办法 之一就是尽可能控制缝隙量δ,为此要求即提高配 合面的尺寸精度,减小配合间隙 ,当然还要保证配合 件的相对运动需要。
然而,配合间隙的减小 ,水中污染物会因此 堵塞缝隙,致使运动件动作失 灵,甚至卡死,导致系统故障。实 践证明,流体传动系统故障 80%左右源于工作介 质污染。由此可见,开发适应水压传动 的过滤器尤为重要。
1.2 抗腐蚀技术
水具有腐蚀性 ,特别是海水具有极 强的化学及电化学腐蚀能力,会引起腐蚀疲劳、 应力腐蚀开裂、材料转移、塑性老化等问题,使材料强度下降 ,零件表面质量破坏 ,同时也会影响到零 件的尺寸稳定性,使元件使用寿命下 降。
水压传动的研究热 点之一,即在水中加入何种 添加剂能解决水的腐蚀性,增强其自润滑性。 有些液压设备如水压机、矿山机械、液压支架等以水基液压油为工作介质。水基液压油的主要成分是水,加入某些防锈、润 滑等添加剂,价格便宜,耐火、抗燃 ,但润滑性差、腐蚀 性强、适用温度范围较小。国外20世纪70年代初随能源危机 开发的高水基液(HWBF)已演变到第三代。 这种高水基液实际上是一种微型乳化液,是在95%水相中均匀散布 着水溶性抗磨添加剂的胶状悬浮液。但这种高水基液却无法解决环保问题[3]。
目前水压元件的抗 腐设计主要从材料的选择入手。如不锈钢、陶瓷、碳纤维增强塑料(CFRP)、合金等抗腐蚀能 力强的材料已成为制造水压元件的主要材料。水压传动系统中过滤器的研制与开发,其壳体、滤芯的材 料选择也是关键。
2 水压传动系统的过 滤器
水压系统中的过滤 器作用在于清除混入水中的杂质,降低水的污染度 ,保证系统的正常工 作。
2.1 过滤器的性能要求
(1)过滤精度应满足水 压系统的要求。过滤精度又称绝对过滤精度,指流体通过过滤器 时,能够穿过滤芯的球 形污染物的最大直径d/μm(即过滤介质的最大 孔口尺寸数值)。天然水中除含有 大量固体杂质外,还有微生物 ,如海水中的藤壶、 海藻、细菌、病毒及原生质等。它们有的带有坚硬的外壳,形体很小且无规则 ,极可能通过滤芯进 入系统。除系统入侵物外,还会有一些系统生 成物,如元件腐蚀的剥离 物、运动部件因摩擦、磨损产生的金属颗粒等。选择过滤精度时,应考虑以下几点 :应使杂质的颗粒尺 寸小于元件运动表面间隙(一般应为间隙的一 半)或水膜厚度 ,以免杂质颗粒使运 动件卡死或使零件急剧磨损;还要求杂质颗粒尺 寸小于系统中节流孔或缝隙的最小间隙,以免造成堵塞 ;另外,系统压力越高 ,要求元件的滑动间 隙越小,则过滤精度要求越 高。根据水压系统的特点,一般要求d<10μm,通常要选用精密 (5~10μm)、甚至特精 (<5μm)过滤器。
(2)具有足够大的过滤 能力,压力损失小。过滤 能力是指在一定压差下允许通过过滤器的最大流量。对过滤器过滤能力的要求,应结合过滤器在系 统中的安装位置来考虑,如果安装在吸水管 路上,其过滤能力应为泵 流量的2倍以上。水流通过 过滤器时,会产生压力损失 ,其大小与水的流量 、粘度和混入水中的杂质数量有关。为保持滤芯不破坏或系统的压力损失不致过大,要限制过滤器的最 大允许压力降。而过滤器的最大允许压力降取决于滤芯的强度。通常要求压力降控制在0.03~0.07 MPa左右。
过滤器的工作能力 取决于滤芯的有效过滤面积、滤芯本身的性能、水的粘度、过滤器压差及水中固体颗粒的含量。过滤器进出口压差越大,阻力越小时 ,过滤器的过滤能力 越大。水流通过滤芯的速度越低,表面压力越小 ,则过滤精度越高。 过滤器的设计主要根据工作压力和过滤精度的要求选择滤芯材料,按所要求的流量及 选择的滤芯材料来计算过滤面积。过滤器的有效过滤面积[4]

(3)应有很好的抗腐蚀 性。壳体及滤芯的材料应有足够的抗腐蚀能力。壳体选用不锈钢类材料有很好防腐性能,也可选用其它的轻 金属材料,同时在金属表面涂 敷防腐涂层。防腐涂料中,环氧树脂涂料更易 于加工成型,固化物性能优异 ,有良好的物理机械 性能,特别是对金属的附 着能力强,耐碱性非常好 ,可以选用。
而用不锈钢粉末与 环氧树脂涂料通过极化方法实现最优组合生成的粉末环氧涂料,有更好的耐磨性。 滤芯可采用青铜粉等金属粉末压制成型,强度高,承受热应力和冲击 性能好,耐腐蚀能力强 ,制造简单。但易堵 塞,难于清洗。选用不 锈钢纤维滤芯,耐腐蚀,过滤精度高  ,且容易清洗。还可 采用无机纤维经液态树脂浸渍处理而成的合成树脂滤芯,强度大,过滤精度高  。
(4)清洗维护方便 ,滤芯更换容易。过 滤器精度越高,滤芯堵塞越快 ,滤芯清洗或更换周 期越短。所以结构设计应时尽量简单、紧凑,充分考虑到维护的 方便性。造价尽可能较低。
(5)滤芯及外壳有足够 的机械强度,能承受高压的冲击 。
(6)在规定的工作温度 下,能保持性能稳定 ,有足够的耐久性。
2.2 过滤器的使用
根据系统管路的压 力及流量特性,过滤器安装在不同 的位置,其结构型式和滤芯 选材亦不同。水压系统中过滤器主要安装在泵的吸水管路、压力管路及低压管路上。由于以上3种管路的压力与流 量大小不同,过滤器的选择也应 分别考虑。
(1)安装在吸水管路上 。为保证泵的正常工作,吸水管路有一定的 真空度。要求过滤器有很强的过滤能力,并在泵流量的 2倍以上;压力损失要小 ,通常不超过 0.03 MPa;安装时浸没在水箱 液面之下,以防止空气侵入系 统。一般选用过滤精度稍低的表面型过滤器,采用网式或线隙式 防腐滤芯。
(2)安装在压力管路上 ,保护系统元件。要 求滤芯及壳体材料防腐能力强,耐高压,有足够的机械强度 ,过滤精度高  ,可以有较大的压力 损失。安装在溢流阀之后,或与安全阀并联 ,但安全阀的开启压 力应略低于过滤器的最大允许压差。一般选用深度型过滤器,采用不锈钢纤维或 合成树脂滤芯,过滤精度高  。
(3)安装在低压管路上 ,主要保证回到水箱 的工作介质的清洁度。可采用具有一般过滤精度的低压过滤器。
过滤器只能单向使 用,不能安装在液流方 向经常变换的管路上。如果必须在此段管路设置过滤器,应该与单向阀配合 使用。
3 结束语
因水压传动系统中 工作介质的特殊性质,对元件的结构及材 料使用有更高的要求。作为系统中重要的辅助元件,设计、加工、安装 使用过滤器时,必须考虑材料的抗 腐蚀性、机械强度、耐磨性等,并要选择有足够过 滤精度及过滤能力的滤芯。
参考文献:
[1] 左健民.液压与气压传动 [M].第1版.北京:机械工业出版社 ,2000.
[ 2] 王新华.绿色产品设计与水 压传动技术[J].机床与液压  ,2004(3):29-32.
[3] 王 强.水压传动元件的发 展及其应用前景[J].机床与液压  ,2004(10):1-3.
[4] 北京有色冶金设计 研究总院.机械设计手册 :第4卷[M].化学工业出版社 ,1993.

发布日期: 2010-12-17    阅读 4762 次   
 
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