液壓濾清器使用過(guò)程中過(guò)濾比下降原因的初步分析

朱呂，梁云，劉勇

(1. 華南理工大學(xué)制漿造紙國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510640;2. 九江七所精密機(jī)電科技有限公司，江西九江332000)

由于受到各方面的污染，液壓系統(tǒng)油液中含有較多的污染物，必須借助于過(guò)濾或凈化裝置去除油液中的污染物，通常會(huì)設(shè)計(jì)過(guò)濾系統(tǒng)對(duì)自身液壓油進(jìn)行凈化［1］。我國(guó)從20 世紀(jì)80年代初在各工業(yè)部門(mén)逐步推行液壓污染控制技術(shù)和管理措施，在液壓污染控制方面取得了一定的成效。但是，與國(guó)外主要發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有相當(dāng)大的差距;由于受認(rèn)識(shí)觀念、設(shè)備管理制度和一些市場(chǎng)導(dǎo)向的影響，使得污染控制技術(shù)的發(fā)展受到了極大的限制［2］。

近幾年，在實(shí)際應(yīng)用液壓濾材時(shí)，發(fā)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)濾清器在整個(gè)工作過(guò)程中，其過(guò)濾比［3］下降的幅度較大，而原裝進(jìn)口的濾清器過(guò)濾比下降的幅度較小。這說(shuō)明國(guó)產(chǎn)濾芯在過(guò)濾工作后期，其過(guò)濾效率逐漸下降，工作效率明顯降低，此時(shí)濾芯的過(guò)濾作用已大大減弱，液壓系統(tǒng)油液污染加重，進(jìn)而影響工程機(jī)械的整體工作性能，甚至?xí)鸸こ虣C(jī)械的故障乃至報(bào)廢。因此，對(duì)工程機(jī)械液壓系統(tǒng)內(nèi)部的液壓元件、液壓油進(jìn)行污染控制十分重要。

液壓濾材主要由玻璃纖維構(gòu)成，玻纖濾材具有良好的過(guò)濾性能，可以達(dá)到很高的過(guò)濾精度(小至1 μm)［4－5］，但是濾材后期的打折加工、無(wú)紡布復(fù)合層和濾材的結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)濾材的精度產(chǎn)生影響。作者對(duì)以上因素進(jìn)行了分析和研究，以此為液壓濾材的使用加工及優(yōu)化提供了一些依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品與儀器

1.1.1 樣品

實(shí)際使用后液壓濾芯:分別編號(hào)為X1 和X2，九江七所精密機(jī)電科技有限公司提供。

潔凈的液壓濾材:分別編號(hào)為C1，C2，C3，C4，其中C1、C2 和C3 為玻纖濾材，沒(méi)有無(wú)紡布復(fù)合層，C4 為C3 濾材的表面復(fù)合了一層無(wú)紡布，九江七所精密機(jī)電科技有限公司提供。

打折加工后的潔凈玻纖濾材C5，九江七所精密機(jī)電科技有限公司提供。

無(wú)紡布:定量為30 g/m2，紡粘無(wú)紡布，九江七所精密機(jī)電科技有限公司提供。

1.1.2 主要儀器

FX 3300 透氣度測(cè)定儀，CFP-1100-A 毛細(xì)管流量孔徑儀，ZEISS EVO 掃描電子顯微鏡，08FB018 多通測(cè)試臺(tái)(ISO 16889-1999)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

1.2.1 使用后濾材結(jié)構(gòu)的觀察

將實(shí)際應(yīng)用后的濾芯(X1，X2)進(jìn)行切割解剖，取出內(nèi)部濾材，用石油醚洗滌并在掃描電子顯微鏡下觀察濾材結(jié)構(gòu)特征情況。

1.2.2 潔凈濾材基本物理性能和過(guò)濾性能的檢測(cè)

C1、C2 潔凈濾材定量，檢測(cè)透氣度、孔徑，參照ISO 16889-1999 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)濾材C1、C2、C3、C4 的過(guò)濾性能，表1 是測(cè)試條件。

表1 測(cè)試條件

2 結(jié)果與討論

表2 是國(guó)內(nèi)某過(guò)濾企業(yè)給出的X1 和X2 濾芯多通測(cè)試結(jié)果，兩種濾芯的初始過(guò)濾比在實(shí)際應(yīng)用中都可滿(mǎn)足液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，但是隨著測(cè)試時(shí)間以及壓差的上升，X2 濾芯在整個(gè)工作過(guò)程中其過(guò)濾比下降幅度較大(后期10 μm 顆粒過(guò)濾比僅為1.5，這表明此時(shí)濾芯已經(jīng)完全失去了過(guò)濾的能力)。文中主要就造成上述這種現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析。液壓濾材由玻璃纖維構(gòu)成，但是玻璃纖維本身無(wú)結(jié)合力，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，濾材在過(guò)濾時(shí)，隨著其納污量的增加，其入流面和出流面的壓差也在逐漸上升，同時(shí)伴隨著液壓環(huán)境中溫度和壓力的上升及油液的沖擊，濾材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很可能會(huì)受到影響，進(jìn)一步影響到濾材的過(guò)濾比。在實(shí)際使用中，濾材的后期打折加工以及施膠和無(wú)紡布復(fù)合層等工藝有可能對(duì)濾材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。

表2 10 μm 過(guò)濾比

2.1 打折加工對(duì)濾材過(guò)濾性能的影響

從表2 可以看出:X1 濾芯在整個(gè)工作過(guò)程中其過(guò)濾比較為穩(wěn)定(后期10 μm 過(guò)濾比為300 左右，仍然保持者較高的過(guò)濾能力)，而X2 濾芯在后期已經(jīng)完全失去了過(guò)濾的能力。濾材在加工成濾芯時(shí)，需要將平板的濾材折疊加工為如圖1 所示的形狀，而打折的加工工藝對(duì)濾材的結(jié)構(gòu)有著重要的影響，圖2 是使用后的液壓濾芯(用于風(fēng)電系統(tǒng))，圖3—6 分別是X1 和X2 濾芯中濾材的電鏡照片。

圖1 液壓濾材

圖2 液壓濾芯(使用后)

圖3 X1 樣品平面

圖4 X1 樣品折疊處截面

圖5 X2 樣品平面

圖6 X2 樣品折疊處截面

圖3 和圖4 分別是X1 樣品濾材折疊處平面和截面的電鏡照片，可以看出:X1 樣品濾材在壽命終止時(shí)，其折疊處沒(méi)有發(fā)生明顯的斷裂現(xiàn)象。而從圖5 和圖6 可以看出:X2 樣品濾材在壽命終止時(shí)，其折疊處已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的斷裂現(xiàn)象，通過(guò)其截面圖片也可看出濾材結(jié)構(gòu)斷裂的現(xiàn)象。

玻纖濾材在打折加工時(shí)，有時(shí)從表面觀察并沒(méi)有發(fā)生完全的斷裂，但加工不好的玻纖濾材多數(shù)在折疊處都有裂口，只有少量玻纖維持連接，接著在儲(chǔ)存以及使用過(guò)程中，折疊處在應(yīng)力的作用下，其裂口處會(huì)逐漸破裂。圖7 和圖8 是玻纖濾材打折后折疊處的照片。

圖7 C5 樣品折疊處

圖8 C5 樣品折疊處

圖7 和圖8 是C5 樣品不同折疊位置的照片，從圖7 中可以明顯地看到斷裂現(xiàn)象，而圖8 中看不到明顯的裂口。圖9 和圖10 是相應(yīng)位置的電鏡照片，可以看出:雖然在圖8 中目測(cè)沒(méi)有明顯的裂口，但實(shí)際上兩種情況下的玻璃纖維在折疊處都發(fā)生了斷裂現(xiàn)象。濾材在加工成濾芯時(shí)，其折疊處的斷裂現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響濾材的過(guò)濾性能，而且在使用過(guò)程中，其受損程度會(huì)加深甚至破裂，那么在濾材斷裂處對(duì)污染物的過(guò)濾作用將大大降低，其過(guò)濾性能將受到嚴(yán)重的影響，同樣有可能造成在濾芯前期被捕捉的污染物就會(huì)再次進(jìn)入液壓系統(tǒng)之中的現(xiàn)象，這也是液壓濾芯在使用后期過(guò)濾比下降的重要原因。

圖9 C5 樣品折疊處電鏡照片

圖10 C5 樣品折疊處電鏡照片

2.2 無(wú)紡布復(fù)合層對(duì)過(guò)濾性能的影響

在液壓濾材的實(shí)際應(yīng)用中，有的濾芯是單層的玻纖濾材，有的濾芯在玻纖濾材表面復(fù)合了一層無(wú)紡布。液壓濾清器制造企業(yè)在使用單層玻纖濾材時(shí)，也常常會(huì)在打折加工時(shí)在表面復(fù)合一層無(wú)紡布，但其目的主要是避免濾材結(jié)構(gòu)受到破壞，而沒(méi)有考慮無(wú)紡布是否會(huì)對(duì)材料在實(shí)際使用過(guò)程中的性能產(chǎn)生影響。圖11—12 給出了C3 濾材在入流面是否復(fù)合無(wú)紡布的情況下，多通效率測(cè)試的過(guò)濾性能(10 μm 顆粒過(guò)濾比)的變化情況以及壓差的上升情況。

圖11 10 μm 顆粒過(guò)濾比

圖12 濾材壓差曲線(xiàn)

圖11 是C3 和C4 樣品在整個(gè)多通測(cè)試過(guò)程中10 μm 顆粒過(guò)濾比的變化情況，C4 樣品在入流面復(fù)合了無(wú)紡布的情況下，它對(duì)10 μm 顆粒的過(guò)濾比數(shù)值較C3 高，也就是說(shuō)對(duì)于顆粒的過(guò)濾能力占優(yōu)，且在測(cè)試后期C4 樣品的過(guò)濾比相對(duì)于C 樣3品而言仍然較高。從整個(gè)測(cè)試時(shí)間看來(lái)，C4 樣品其過(guò)濾比下降了68. 7%，C3 樣品其過(guò)濾比下降了60. 1%，兩種樣品在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)的過(guò)濾比下降程度并沒(méi)有較大的區(qū)別，但是C4 樣品末尾過(guò)濾比與C3 樣品的初始過(guò)濾比差別不大，說(shuō)明C4 樣品在后期的過(guò)濾比仍然有利于維持液壓系統(tǒng)良好的工作環(huán)境。

圖12 是C3 和C4 樣品在整個(gè)多通測(cè)試過(guò)程中濾材壓差的變化情況，在整個(gè)多通測(cè)試過(guò)程中，在前期C3 和C4 樣品的壓差都較穩(wěn)定，上升并不明顯，而在測(cè)試后期，隨著濾材納污量的增加其兩端壓差逐漸上升，但是C4 樣品在入流面復(fù)合了無(wú)紡布的情況下，相比于C3 樣品其壓差依然上升較緩，且上升幅度不大，圖中可見(jiàn)t=90 min 時(shí)C3 樣品的壓差是C4 樣品壓差的6 倍。

從以上結(jié)果可以看出，無(wú)紡布不僅起著一定的粗濾作用，而且在一定程度上維持濾材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)一步延長(zhǎng)了濾材的工作壽命，使得濾材后期的過(guò)濾比仍然有利于維持液壓系統(tǒng)良好的工作環(huán)境。考慮到上述因素，采用單層濾材自己復(fù)合無(wú)紡布加工濾芯的企業(yè)要加強(qiáng)對(duì)無(wú)紡布復(fù)合層的重視，同時(shí)無(wú)紡布與玻纖濾材間還會(huì)有匹配性問(wèn)題，理想的無(wú)紡布復(fù)合層既可以讓濾材保持較高的過(guò)濾比和過(guò)濾精度，同時(shí)也可以維持濾材結(jié)構(gòu)，延長(zhǎng)濾材的工作壽命。

2.3 材料結(jié)構(gòu)對(duì)過(guò)濾性能的影響

材料的結(jié)構(gòu)包括孔隙、樹(shù)脂分布等都會(huì)對(duì)濾材過(guò)濾性能造成影響，圖13—16 分別是不同的濾材(C1，C2)表面的電鏡圖片，顯示了纖維和樹(shù)脂的分布情況。

圖13 C1 樣品SEM 圖(100 ×)

圖14 C1 樣品SEM 圖(500 ×)

圖15 C2 樣品SEM 圖(100 ×)

圖16 C2 樣品SEM 圖(500 ×)

可以看出:C1 樣品濾材其膠液分布不均勻，其纖維所構(gòu)成的孔隙也較小，結(jié)構(gòu)較為致密，與C2 樣品濾材相比而言，C1 樣品濾材的孔在較大程度上被堵塞，降低了濾材的過(guò)濾空間，這對(duì)濾材的過(guò)濾作用有嚴(yán)重的影響，可能會(huì)造成濾材在工作的過(guò)程中流阻較大;C2 樣品濾材施膠相對(duì)均勻，且膠液并沒(méi)有造成明顯地堵塞濾材內(nèi)部的孔。

表3 是C1 和C2 濾材基本物理性能的檢測(cè)結(jié)果，圖17 和圖18 是C1 和C2 濾材的多通測(cè)試結(jié)果。

表3 物理性能

圖17 濾材壓差曲線(xiàn)

圖18 10 μm 顆粒過(guò)濾比

從表3 可以看出:兩種濾材的定量相差不大，但是C1 樣品的平均孔徑是C2 樣品平均孔徑的1.7 倍左右，說(shuō)明在C1 樣品的結(jié)構(gòu)中，其孔隙較大;同樣，從透氣度這一指標(biāo)可看出C1 樣品的透氣度是C2 樣品的1.8 倍。

圖17 是C1 和C2 樣品在整個(gè)多通測(cè)試過(guò)程中濾材壓差的變化情況，C1 樣品在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，其壓差上升較快。從表3 中知道C1 樣品的透氣度是C2樣品的1.8 倍，因此在圖17 中可以看到:C1 樣品的初始?jí)翰?188 kPa)低于C2 樣品的初始?jí)翰?195 kPa);C1 樣品的初始?jí)翰钤谠囼?yàn)進(jìn)行18 min 開(kāi)始上升，在t=27 min 到達(dá)480 kPa，而C2 樣品的壓差在試驗(yàn)進(jìn)行38 min 開(kāi)始上升，到達(dá)480 kPa 的時(shí)間是50 min。圖18 是C1 和C2 樣品在整個(gè)多通測(cè)試過(guò)程中10 μm 顆粒過(guò)濾比的變化情況，可以看到:C1 樣品在t=18 min 左右時(shí)，其10 μm 顆粒過(guò)濾比開(kāi)始下降，而C2 樣品對(duì)10 μm 顆粒的過(guò)濾比在t =32 min 左右開(kāi)始下降。結(jié)合上面的電鏡照片可以看出:由于樹(shù)脂分布的情況有較明顯的差異，雖然兩種濾材的透氣度值相差不大，但是其結(jié)構(gòu)的差異會(huì)對(duì)濾材兩端壓差和過(guò)濾性能產(chǎn)生影響，在實(shí)際使用中C2 樣品濾材更有利于延長(zhǎng)濾材的壽命以及維持較高的過(guò)濾比;同時(shí)壓差快速的上升會(huì)嚴(yán)重影響濾材的工作壽命及造成濾材結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，這樣有可能使得已被截留的污染物再次進(jìn)入液壓系統(tǒng)之中，造成濾材過(guò)濾比下降的現(xiàn)象。上面的結(jié)果也說(shuō)明了一些企業(yè)在選擇和使用液壓濾材時(shí)，只看重濾材的物理指標(biāo)是不全面的，因?yàn)閮H僅依靠物理指標(biāo)無(wú)法評(píng)估出材料結(jié)構(gòu)對(duì)濾材使用過(guò)程中性能變化的影響。

2.4 樹(shù)脂對(duì)過(guò)濾性能的影響

因?yàn)椴ＡЮw維本身無(wú)結(jié)合力，所以濾材都會(huì)用樹(shù)脂進(jìn)行增強(qiáng)，從而使玻璃纖維更好地結(jié)合在一起。在油液過(guò)濾的濾材中，一般使用酚醛和丙烯酸樹(shù)脂［6－7］。目前應(yīng)用較多的液壓玻纖濾材一般使用丙烯酸樹(shù)脂［7］，因?yàn)榉尤?shù)脂會(huì)增加玻纖濾材的脆性，這不利于濾材后期的打折加工;同時(shí)不同的樹(shù)脂其實(shí)際應(yīng)用性能是不同的，需要選擇合適的樹(shù)脂來(lái)適應(yīng)不同的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。

據(jù)國(guó)內(nèi)外研究資料及實(shí)際應(yīng)用:液壓濾材上膠量一般低于10%，上膠量過(guò)大會(huì)造成孔的堵塞，從而影響濾材的過(guò)濾作用;上膠量過(guò)低則會(huì)造成纖維結(jié)合力不足，導(dǎo)致濾材結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。另外樹(shù)脂在液壓系統(tǒng)高溫高壓的環(huán)境中有可能會(huì)發(fā)生溶出以及分解等現(xiàn)象，這些溶出物造成油液污染的同時(shí)也導(dǎo)致濾材結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，這也會(huì)產(chǎn)生濾材過(guò)濾比下降的現(xiàn)象。因此理想的樹(shù)脂應(yīng)該既能適應(yīng)液壓系統(tǒng)環(huán)境，不會(huì)在工作過(guò)程中產(chǎn)生上述的溶出和分解現(xiàn)象，又能使纖維更好地結(jié)合在一起，使濾材有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而在其壽命期間維持較高的過(guò)濾比。

3 結(jié)論

通過(guò)文中的研究可以得出以下結(jié)論:

(1)液壓濾材后期的打折處理對(duì)濾材過(guò)濾性能有著嚴(yán)重的影響，其折疊處的斷裂會(huì)造成已被截留的污染物重新進(jìn)入液壓系統(tǒng)，導(dǎo)致過(guò)濾比下降的現(xiàn)象;

(2)無(wú)紡布復(fù)合層在對(duì)尺寸較大污染物進(jìn)行過(guò)濾的同時(shí)，也在一定程度上維持了濾材結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步維持了濾材的工作壽命，使得濾材在后期的過(guò)濾比仍然有利于維持液壓系統(tǒng)良好的工作環(huán)境;

(3)濾材的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)濾材的過(guò)濾性能造成影響，在濾材工作的過(guò)程中，濾材的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)濾材兩端的壓差產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，將直接導(dǎo)致濾材工作壽命的縮短，同時(shí)會(huì)影響濾材的過(guò)濾性能，結(jié)合文中對(duì)C1 和C2 樣品的研究，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，兩種濾材達(dá)到相同阻力的時(shí)間相差了1 倍，C2 樣品的最高10 μm顆粒過(guò)濾比是C1 樣品最高10 μm 顆粒過(guò)濾比的2.6倍，因此濾材的結(jié)構(gòu)對(duì)濾材的工作壽命和污染物顆粒的過(guò)濾比都有著嚴(yán)重的影響;

(4)樹(shù)脂對(duì)于玻璃纖維之間的結(jié)合有著重要的作用，在選用樹(shù)脂時(shí)要考慮到對(duì)液壓系統(tǒng)環(huán)境的適應(yīng)性，又能使纖維更好地結(jié)合在一起，使濾材有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而使濾材在其壽命期間維持較高的過(guò)濾比。

［1］FITCH E C，HONG I T．Hydraulic System Design for Service Assurance［M］．BarDyne，Inc．，2004．

［2］賈瑞清，王爐平．液壓污染控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀及重點(diǎn)展望［J］．液壓氣動(dòng)與密封，2004(1):15－17．

［3］THOMSON Cameron，GODSAY Milind，KEISLER Randall．Filter Media Suitable for Hydraulic Applications:United States，0079553［P］．2011．

［4］姜肇中，鄒寧宇，葉鼎銓?zhuān)ＡЮw維應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:中國(guó)石化出版社，2004．

［5］GODSAY Milind，KEISLER Randall．Filter Media Suitable for Hydraulic Applications:United States，0252510［P］．2010

［6］趙美英，紀(jì)玉珍．浸漬樹(shù)脂在汽車(chē)濾紙生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］．天津造紙，1996．

［7］GOMEZ I Luis，COLE Robert．Glass Fiber Bonding Resins:United States，4289644［P］．1981．