一種新型油箱過濾裝置的研究

文|李俊沅

齒輪箱、液壓站作為機組的主設備之一，其運行直接關系到風電機組的安全可靠性。為了保證風電機組的發電安全可靠，必須保障齒輪箱、液壓站能夠安全可靠運行。空氣過濾裝置是齒輪箱、液壓站的重要組成部分，用于保證油箱內部與外部連通，以防止油箱內產生較大的正壓力或負壓力影響設備工作。與此同時，還能防止油箱內的油液噴到外面污染環境，以及防止外部空氣中的污染物等進入油箱內部，造成對設備的損害。

目前，國內外對油箱空氣過濾裝置結構設計方面的研究較少，還處于起步階段。行業中仍主要是采用空氣濾芯結構的裝置來實現油箱的空氣過濾功能，這種裝置結構較為簡單，而且成本低。但是，由于空氣濾芯過濾性能差，油箱內含有油顆粒的氣體容易通過空氣濾芯排到外部空氣中，外部空氣中的氣態水或其他污染物等也容易進入油箱內部，造成油箱內的油質變差。

本文設計了一種新型油箱過濾裝置，通過在油箱上設置該過濾裝置，能夠有效阻止油箱內的油霧排到外部以及外部空氣中的固體顆粒、氣態水和其他污染物進入油箱內部。

油箱中主要污染物及其危害

油箱污染物分為油箱排出的污染物（主要為油箱內的油霧）與侵入油箱內部的浸染物（主要包括外部空氣中的固體顆粒、氣態水和其他污染物）。其危害主要表現為：

（1）油箱排出的油霧冷卻后，會附在設備表面，一來影響設備的正常運行，二來遇到火源時很容易起火，造成火災事故；油霧最大的危害還在于它對接觸人的影響，它直接影響著機艙內工作人員的健康，較輕的會對工作人員的鼻、眼、咽喉產生刺激，并隨著呼吸道進入體內，讓工作人員出現惡心、食欲減退、心煩等不良癥狀，嚴重的還可能會患上肺癌等疾病。

（2）進入油箱內部的固體顆粒、氣態水和其他污染物直接的危害是使設備發生故障。故障分為兩種：一種是可預見性的，如固體顆粒進入油箱后，會使有相對滑動元件表面的磨損加劇，加劇的磨損又產生更多的固體顆粒，這些固體顆粒又使磨損加劇，造成惡性循環，影響元件性能，降低其使用壽命。嚴重時會產生卡死現象，造成破壞性損壞。又如固體顆粒混合進油液后，會加速油液的老化，降低油液壽命。另一種是突然故障的發生，如固體顆粒較多時會堵塞油路，造成元件動作失靈，還會堵塞油過濾器，產生振動和噪音，嚴重時會因壓力過大擊穿油過濾器，使其喪失過濾能力，造成污染的惡性循環。造成污染物侵入與排出的主要原因如圖1所示。

因而，空氣過濾裝置的任務在于如何防止或減少油箱污染物，特別是固體顆粒、水與油霧的侵入與排出。

傳統過濾裝置

一般的空氣過濾裝置主要由器體與濾芯組成，且體積較小，安裝簡單，從而在簡化油箱結構的同時，又有利于油液的凈化。在設備運行過程中，由于元件轉動加快，溫度升高，油液會轉變成油霧，增加油箱內的壓力。當油箱內壓力大于外部壓力時，油霧會通過空氣過濾裝置向外排氣，以維持油箱內壓力與外部壓力的平衡；相反，當元件轉動減慢、溫度下降、油箱內壓力小于外部壓力時，空氣中氣態水和其他污染物會通過空氣過濾裝置進入油箱內，以維持壓力平衡。這樣來回循環既能保護設備的正常工作，又能避免油箱內壓力過大或過小而對設備造成損害。

圖1 污染物的侵入與排出

空氣過濾裝置在此過程中充當著媒介的作用，既要阻止油箱內的油霧排出，造成外部設備與環境的污染，也防止了氣態水等外部污染物進入到油箱內部，保持油箱內油液的清潔度，從而延長設備的使用壽命。

一、裝置結構

圖2為裝置的實物圖，圖3為裝置的結構示意圖。

二、工作原理

如圖3所示，過濾裝置的進氣孔4與油箱內部保持連通，當油箱內壓力大于外部壓力時，油箱內部產生的氣體可通過進氣孔4進入殼體1中，經濾芯3過濾后，從排氣孔5排出，只經一次過濾，過濾效果取決于濾芯與密封性能。

同樣的原理，當油箱內壓力小于外部壓力時，外部的空氣可從排氣孔5進入殼體1，經濾芯3過濾后，從進氣孔4進入到油箱內。

三、優缺點

優點：裝置結構緊湊，體積小，應用范圍大；安裝固定方便，通過裝置下端的螺紋與油箱直接連接；維護更換濾芯快捷，可根據安裝空間，直接打開裝置上端蓋更換濾芯。

缺點：單靠一個濾芯進行過濾，過濾級數不夠，過濾效果不理想；裝置密封性能差，容易導致外部污染物進入油箱內；濾芯材質差，容易造成堵塞，更換周期頻繁，維護成本較高。

新型過濾裝置

傳統過濾裝置具備結構簡單、安裝方便及更換濾芯快捷等特點，但也存在不少問題。因而，新型過濾裝置研究的關鍵在于其系統氣路結構、過濾工序的設計以及濾料的選擇。它們對過濾性能起到直接的影響，對整體性能起決定性作用，所以必須達到如下要求：首先，受環境因素影響，該裝置必須保證體積偏小，且安裝方便，濾芯更換快捷；其次，必須有多級過濾結構，分別過濾污染物中的固體顆粒、氣態水和油霧，以保證過濾效果；最后，殼體必須密封性能好，避免因密封不良導致的污染。

一、裝置設計方案

（一）濾料的選擇

目前，常用的濾料有：棉木紙漿濾紙、合成纖維濾紙和金屬纖維濾氈。從理論上講，這些材料在價格、質量等方面條件優越，但其孔隙率小、表面吸附能力差，使其截污能力受到限制。由于孔隙率小，過濾阻力大，其容易堵塞，過濾周期短。為了盡量避免這些現象的產生，根據污染物的種類與多級過濾要求，從現場常接觸到的濾料中挑選了以下三種濾料進行試驗（濾料的選擇并不僅限于以下幾種，可根據不同的需求與條件進行更換）：

（1）海綿：彈性好、濾塵速度快、濾塵率高、氣流阻力低、通風性能好等。

（2）油液：與油箱為同類油液，利用同類油液易相融的原理。

（3）變色硅膠：對空氣中的氣態水有極強的吸附作用，同時又能通過所含氯化鈷結晶水數量變化而顯示不同的顏色，即由吸濕前的藍色隨吸濕量的增加逐漸轉變成淺紅色，易于觀察。

（二）過濾的流程（圖4）

二、裝置結構

裝置結構的設計情況如下：

（1）殼體采用透明的PVC鋼性材料，能清晰了解過濾裝置各濾料的使用情況。

圖2 裝置實物圖

圖3 裝置結構示意圖

（2）頂部設置可打開的端蓋，方便濾芯的更換，且設置有密封圈，與殼體通過螺紋連接，以保證密封性能良好。

（3）裝置進氣孔的內壁上設置內螺紋，在油箱的開孔上設置具有外螺紋的安裝部分，殼體采用螺紋安裝的方式固定于油箱，且螺紋處均設置有密封圈。該外螺紋部分可進行拆卸更換，以便于安裝在不同的油箱接口處。

（4）殼體內部分為四部分：進氣管道、一級過濾區、二級過濾區和三級過濾區。四個區域均通過通氣孔進行連接。進氣管道與油箱內部連通，結合熱升冷沉等原理，將與油箱連接的進氣管道口設在裝置上端，以減緩油霧的速度，提升過濾效果；一級過濾區放置變色硅膠；二級過濾區放置油液；三級過濾區放置海綿。通過三級過濾后，從裝置下端的兩側排出。

（5）殼體下端底部設有排油孔，方便對油液的更換。

三、工作原理

如圖6所示，當該過濾裝置的進氣孔11與油箱內部保持連通、油箱內壓力大于外部壓力時，油箱內部產生的氣體可通過進氣孔11經呼吸管2進入殼體1內的第一腔體100中，由于熱升冷沉的原理，氣體經上端蓋的冷卻與硅膠的阻礙后流速降低，隨著氣體的流動經過濾芯3，氣體中的少量氣態水逐漸被濾芯3所吸收，完成第一級過濾；由于第二腔體200與第一腔體100連通，氣體流動進入第二腔體200的第二隔離腔202中，氣體中所含的油顆粒逐漸融于油液中，完成第二級過濾；之后氣體進入第一隔離腔201，氣體中所含的少量固體顆粒被隔離腔中的海綿所吸附，完成第三級過濾；最終氣體經側壁上所設置的排氣孔12排出，油箱內部氣體中的油顆粒由于密度比空氣大，在隨空氣流動過程中逐漸沉降，并被第二隔離腔202中的油液吸收與第一隔離腔201的海錦吸附后，從排氣孔12排出的氣體中含有的油顆粒已經很少了，所排出的氣體是較為純凈的空氣。

同樣的原理，當油箱內壓力小于外部壓力時，外部的空氣、固體顆粒、氣態水等污染物可從排氣孔12進入到第二腔體200，流經第二腔體200的第一隔離腔和第二隔離腔后到第一腔體100，經濾芯3過濾后，沿呼吸管2進入油箱內部。外部的空氣、固體顆粒、氣態水等污染物經過過濾裝置的三級過濾，固體顆粒、氣態水等污染物已經逐漸被吸附、吸收，大大減少外部空氣中的氣態水及其他污染物等進入油箱內部的概率。

通過不斷循環，在維持油箱內壓力和外部壓力平衡，保證設備正常工作的同時，既防止了油顆粒排入外部環境，造成環境污染、人員傷害，又阻止了污染物侵入油箱內部，保持油液的清潔度，延長設備使用壽命。

圖4 裝置過濾流程示意圖

圖5 裝置實物圖

四、安裝注意事項

（1）硅膠，是一種高活性吸附材料，當硅膠裸露在空氣中時，如果這時的空氣濕度較大，硅膠會容易受潮、變色，影響過濾效果，因此在更換原過濾裝置前，不預先將油液與變色硅膠裝入新過濾裝置中，以避免運輸過程中油液溢出、硅膠受潮。

（2）硅膠含有一定量有毒的氧化鈷，操作人員在操作時，應注意自身的保護，避免接觸到硅膠，最好配戴手套。如不小心進入眼中，應馬上用大量的清水沖洗，并且盡快找醫生醫治。

圖6 裝置結構示意圖

（3）在拆卸與安裝前，必須清理接口周圍的環境，避免其他污染物通過接口直接進入油箱內，更換新裝置時更要迅速，避免空氣中的污染物侵入或油箱內的油霧排出。

（4）裝置的密封性能尤為重要，因而，端蓋與油箱的連接部分必須確保密封圈完備并扭緊，保證密封良好。

五、試驗結果

從實際試驗效果來看，新型過濾裝置明顯優于傳統過濾裝置，過濾效果大大提升。主要體現在以下幾方面：

（1）過濾精度：傳統過濾裝置采用一級過濾，且不是密封式過濾方式，過濾效果較差；新型過濾裝置采用三級密封式過濾方式，且過濾濾芯針對性較強，對油箱污染物過濾精度較高。

（2）壓力降/流量：傳統過濾裝置安裝帶孔的濾芯，壓力降較高，流速較快；新型過濾裝置采用密封式過濾，且是多級過濾結構，壓力降相比較低，流速較慢，但仍在可接受范圍內。

（3）更換周期：傳統過濾裝置濾芯失效周期每年平均約4個；新型過濾裝置濾芯失效周期每年平均約0.6個。

行業應用

本過濾裝置已于某風電場的風電機組齒輪箱與液壓站中投入使用，目前已取得很好的應用效果。應用表明，新型油箱過濾裝置能很好解決原過濾裝置過濾效果差的問題。經研究分析，能對主要污染物進行分別過濾，提高了過濾的精度，充分發揮空氣過濾裝置的作用，在平衡油箱內壓力與外部壓力的同時，有效防止油箱內大量油霧排出及阻止固體顆粒、氣態水等外部污染物的侵入，延長了設備的使用壽命，增加了設備的運行可靠性。該裝置已申請并獲得發明專利，可普遍應用于在工程機械的油箱上。

該裝置采取雙高密封墊圈，能保證裝置本身的密封性能，只需定期更換低成本的變色硅膠即可循環使用，能替代市場現有只能一次使用的產品，降低風電場備件購置成本；另外底部設計一個隔腔，有效阻止固體顆粒、氣態水等外部污染物的侵入，實現三級過濾功能，替代現有一級過濾的濾芯過濾器和二級過濾的干燥式過濾器等產品；而且現場安裝使用方便簡單，易操作，體積小，結構簡單，重量輕，便于維護，維護成本低。

結語

新型油箱過濾裝置包含三級過濾，具有安裝簡單、操作輕便、更換靈活、實用性強、過濾效率高等特點。現場設備的運行情況表明，新型油箱過濾裝置提供了一種空氣過濾裝置優化改造的思路，可循環再使用，降低購置成本。裝置的應用減少了污染物對設備的損害，延長了設備的使用壽命，提升了油液的清潔度，延長了油液的更換周期，降低了設備的維護成本，更重要的是增加了設備運行的安全可靠性，有利于風電機組持續、穩定、安全的運營。