介質恒壓堵塞型油液污染度自動檢測儀的設計*

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院 北京 100083)

隨著機械制造業的迅猛發展，各類新型機械不斷地涌現，與之配套的液壓技術被廣泛地應用，液壓傳動、液壓控制技術已經發展為現代機械工程的技術基礎。國內外統計資料表明，由于油液污染所造成的液壓系統故障約占70%[1-2]，而在油液污染中，總污染故障的60%～70%又是由固體顆粒污染物引起的[3]。油液污染不僅導致機械設備及潤滑油的性能下降，減小機械設備和油液的使用壽命，還會使機械設備處于危險的狀況，因此對液壓油液的污染進行檢測和控制具有極其重要的意義[4-9]。

液壓系統中油液污染的程度可以用油液污染度來表示。測量油液污染度的方法有很多，其中濾膜堵塞法測試裝置相對簡單，不受油液中氣泡、水分、顏色以及測試環境等的影響，適合于對含水型液壓油在內的各種性質流體的固體顆粒污染度的分析[9-11]。濾膜堵塞法又被稱為淤積法，當污染油液流經濾膜時，固體顆粒會逐漸淤積在濾膜上，引起濾膜兩邊的壓差或通過濾膜油液流量的變化，通過一定的轉換，可以將其變化與油液的污染度等級關聯。本文作者基于恒壓型濾膜堵塞法，通過檢測恒壓下流經濾膜的流量衰減信息來測試油液的顆粒污染度。

1 油液污染度自動檢測儀設計方案及工作原理

所設計的介質恒壓堵塞型油液污染度檢測儀的總體方案如1所示。

圖1 油液污染度自動檢測儀方案圖

其工作原理為：(1)取樣：電機1拖動配重塊及取樣缸活塞桿上升，待測樣液通過閥1進入取樣缸，完成取樣；(2)恒壓測試：電機釋放配重塊，取樣缸樣液在配重塊產生的恒壓作用下經閥2、閥3、閥4和微孔濾膜進入測試缸，流量變化數據由位移傳感器轉換獲得，由上位機根據檢測模型完成油液污染度檢測；(3)反沖洗濾膜：由電機2驅動反沖洗裝置對濾膜進行反沖洗，測試缸中油液經濾膜和閥4排出；(4)取樣缸排油：取樣缸中剩余油液可通過配重塊產生的壓力經閥2和閥3后排出；(5)換缸：根據待測油液的等級確定選擇大缸還是小缸，當待測樣液的較為干凈時(

2 機械機構設計

油液污染檢測儀的主要機械結構包括取樣及恒壓實現裝置、換缸測試裝置及反沖洗裝置。圖2所示為油液污染監測儀的三維結構示意圖。

圖2 油液污染度檢測儀內部三維結構

2.1 取樣及恒壓實現裝置的設計

取樣裝置是在低壓在線檢測或離線檢測時自動吸取樣液的裝置(高壓時不要電機1拖動配重塊，油液可直接進入取樣缸)，同時產生測試過程中所需的恒定壓力。取樣裝置的三維效果圖如圖3所示。

圖3 取樣裝置效果圖

取樣過程：電機9正轉，卷揚槽輪8隨之轉動，帶動鋼絲繩4提著配重3上升，配重塊與取樣油缸活塞桿固連，此時油缸3內產生負壓狀態，油液被吸入油缸，完成取樣；取樣完成后電機9反轉，配重塊不再受鋼絲繩拉力影響，在重力作用下對取樣缸內油液施加恒定壓力，保證測試順利進行。

2.2 換缸測試裝置設計

油液污染度檢測儀在測試污染度較高的油液時，濾膜堵塞速度較快，所以活塞桿位移很快減小到0值，且位移量較小，這時，上位機會因采集的數據點太少而不能給出準確的檢測結果；同樣，當測試較干凈的油液時，濾膜很難堵塞，活塞桿位移速度很快，在樣液充滿測試缸時位移的變化率仍較小，此時通過濾膜的流量尚未開始有明顯衰減，上位機同樣會因獲取的數據點太少而不能給出準確的檢測結果。

為了使污染檢測儀有更寬的測試范圍，需要儀器無論在檢測污染度高的油樣還是污染度低的油樣時，上位機都能采集到足夠多的數據。因此考慮將測試缸設計為可變徑結構，在檢測較干凈的油液時，使用截面大、體積大的缸；在檢測污染度高的油液時，使用截面小、體積小的缸，大小缸的切換和鎖緊通過電機驅動機械結構實現。

自動換缸測試裝置的三維模型如圖4所示。油液進入測試缸2后推動活塞桿移動，活塞桿的位移可通過位移傳感器(未在圖中繪制)傳至上位機以對油液的污染度進行分析，測試缸2為大小缸嵌套的可變徑結構，通過鎖緊裝置3來實現大小缸的切換，鎖緊裝置的運動由行程開關4、直流減速電機5、絲杠6、連接塊7、絲杠螺母8及導軌9等來傳遞和控制。

圖4 測試裝置三維效果圖

測試缸及其鎖緊裝置的裝配圖如圖5所示，測試缸由大缸和小缸嵌套構成，大缸主要包括測試缸缸底1、測試缸缸體2、大活塞頭3、一級活塞桿4和測試缸大缸蓋5。小缸主要包括一級活塞桿4(小缸缸體)、小活塞桿13、小缸蓋17。由鎖緊裝置實現大小缸的切換和鎖緊，即當切換至大缸時，小缸的缸體和大缸缸體松開，小缸的活塞桿和小缸缸體鎖緊為一個整體，成為大缸的活塞桿；切換至小缸時，小缸缸體和小缸的活塞桿解鎖同時與大缸缸體鎖緊。鎖緊裝置由盤絲壓塊6、盤絲7、碟型彈簧8、大墊片9、花鍵卡10、鍵槽聯動塊11、卡爪12、鎖緊螺母18及齒輪19等構成。濾膜傳感器15安裝在測試缸入口處。橡膠墊片14起防泄漏的作用。

從圖4、5可以看出換缸測試裝置的工作原理：電機正反轉→絲杠轉動→齒條在導軌上直線運動→齒輪旋轉→盤絲旋轉→卡爪伸縮(卡緊或松開大缸)，花鍵卡在小端蓋槽內進出(松開或卡緊小缸)。盤絲上端與齒輪通過螺栓連接，下端是平面螺紋，與卡爪配合，盤絲旋轉時，兩個卡爪在對心線上進行直線運動。

圖5 測試缸裝配圖

2.3 反沖洗裝置設計

在測試完成后，濾膜被顆粒堵塞，因此再次測試前需要將濾膜中堵塞的顆粒清除。設計中利用測試缸中的油液對濾膜反向沖洗，便可以除去濾膜中截留的顆粒。因此測試缸排油的同時也實現了對微孔濾膜的反沖洗，為下次測試做準備。反沖裝置3維效果圖如圖6所示。

圖6 反沖裝置效果圖

從圖6可以看出，反沖電機7拉動鋼絲繩2，將反沖壓塊1向下拉，測試缸3的活塞桿隨之被壓下，實現對濾膜的反沖洗及測試缸的排油；排油結束時固定在反沖裝置上的行程開關6觸發，電機7停止后開始反轉松開鋼絲繩2,反沖裝置中安裝有彈簧，在彈簧復位力的作用下反沖壓塊自動彈回原始位置。

3 油液污染度檢測模型

被測流體在恒壓下經過微孔濾膜時，隨著濾膜微孔被顆粒的阻塞，通過濾膜的流量逐漸衰減，流量衰減的程度與被測液的顆粒污染度有關，因此需要建立油液污染度與流量衰減曲線之間的關系[12]。在t時刻，通過微孔濾膜的流量Q(t)由3部分構成：

Q(t)=Q1(t)+Q2(t)+Q3(t)

(1)

式中：Q1(t)是t時刻通過所有未被顆粒堵塞的全開口微孔的流量，mL/s；Q2(t)是t時刻通過僅被大于等于10 μm顆粒堵塞后的孔的流量，mL/s；Q3(t)是t時刻通過所有被多個顆粒堵塞后的微孔的流量，mL/s。

為了方便計算通過完全開口的膜孔的流量衰降情況，可假設膜孔只要被大于膜孔尺寸的顆粒堵塞，則該孔完全被堵塞。根據濾膜過濾基本方程有：

(2)

式中：A1(t)是t時刻全開孔的面積，cm2；R1是全開口的膜孔阻力，是一常數，1/cm；μ是流體的黏性系數，Pa·s；Δp是膜兩側的壓力降，Pa。

(3)

式中：Am是每個膜孔的面積，對于10 μm濾膜，Am=100 μm2=100×10-8cm2；N10是每毫升流體中大于等于10 μm的顆粒數，個/mL；f10是膜孔的一級堵塞系數，與膜結構尺寸有關，對于通流直徑為1.2 mm的10 μm膜，取f10=0.329 6。

合并式(2)和式(3)后積分有：

(4)

式中：n為膜孔的總個數。

將式(4)代入式(2)，得：

(5)

式中：Q0是濾膜的初始流量，其表達式為

(6)

T1為一級衰降時間常數，表達式為

(7)

式(5)即為通過所有未被顆粒堵塞的全開微孔的流量衰降表達式。可見，隨著膜孔的堵塞，通過所有未被顆粒堵塞的全開微孔的流量以指數形式迅速衰降;T1越小，流量衰降越明顯。由公式(6)和(7)知，膜孔數越少，壓差越大，樣液黏度越小以及樣液污染度越大，都會導致該部分流量迅速衰降。

用同樣的思路可求得通過僅被大于等于10 μm顆粒堵塞后孔的流量Q2(t)為

(8)

(9)

式中：k1為膜孔僅被大于等于10 μm顆粒堵塞引起的流量衰降系數；T2為二級衰降時間常數；N1是每毫升流體中大于等于1 μm的顆粒數，個/mL；f0是單個膜孔的次級堵塞系數，和膜結構尺寸有關，對于通流直徑為1.2 mm的10 μm膜，取f0=0.038 5。

同樣可推出t時刻通過所有被多個顆粒堵塞后的微孔的流量：

(10)

式中：k2為總流量衰降系數，其他字母含義同前。

將式(5)，(8)，(10)代入式(1)，可獲得在任意時刻t通過微孔濾膜介質的總流量表達式為

Q(t)=Q1(t)+Q2(t)+Q3(t)=

(11)

式中:T1,T2,k1,k2和Q0都是擬合參數，可以通過對濾膜流量時間曲線的擬合直接獲得，代入公式(8)和(9)可求得油液中大于等于1 μm和10 μm的顆粒數N1和N10。

因為液壓系統油液中的顆粒分布符合修正的對數正態分布[13]：

lgND=lgN1-2.303Blg2D

(12)

式中：D為污染物顆粒的直徑；ND為顆粒直徑大于D的總數；N1為顆粒直徑大于1 μm的總數；B為lg-lg2坐標上顆粒分布的直線斜率。

因此，根據求得的N1和N10的值就可以利用式(12)求得不同尺寸范圍的顆粒數，即可以實現油液污染物等級的定量檢測。

4 結論

對介質恒壓堵塞型污染監測儀總體方案和原理進行了闡述，對其主要機械結構進行設計，其中對測試缸進行了創新設計，通過自動切換大小缸，使測試范圍變寬、測試結果更準確；對其測試理論進行了分析，基于濾膜過濾基本方程建立了濾膜恒壓堵塞法的油液污染度定量檢測模型。