成形網對液壓過濾材料性能穩定性的影響

董 錟,黃昱杰,梁 云,唐 敏,賈曉楠,田 偉

(1.空軍裝備部駐新鄉地區軍事代表室,河南 新鄉 453000; 2.華南理工大學 輕工科學與工程學院,廣東 廣州 510641; 3.新鄉航空工業(集團)有限公司,河南 新鄉 453000)

引言

液壓油作為液壓傳動系統中的工作介質,對系統有著冷卻、潤滑和防銹的作用,因此,液壓油的品質對于液壓系統的正常運行至關重要[1]。但是,在儀器設備的實際使用過程中,液壓油會受到污染而變質劣化,造成系統發生故障[2-3]。引起液壓系統發生故障的原因一般是由多種因素導致的,包括固體顆粒、水、空氣和化學物質等。根據美國流體動力協會統計數據顯示,液壓系統中超過75%以上的故障都是由液壓油的污染所導致的[4-5],而當前國內外學者普遍認為這一比例已經提高到了80%甚至90%[6]。所以研究和控制液壓系統中油液的潔凈程度是提高系統穩定性和可靠性的重要舉措。

目前,在液壓系統中添加過濾器是過濾液壓油中固體污染物的主要方法。玻纖濾材是過濾器中的核心材料,通過三維網狀結構攔截和吸附油液中的固體污染物,以達到對油液的凈化作用[7-8]。但是對于液壓過濾系統中的玻纖材料而言,由于后期濾材兩側壓力升高以及液壓系統工作時液壓油對其高頻次的流量沖擊,導致液壓濾材面臨著一個嚴重影響系統安全性和可靠性的問題,即在使用過程中會出現過濾比下降的問題,極大影響了濾材過濾性能的穩定性[9-11]。針對這一問題,一些學者利用計算機軟件搭建濾材結構模型,通過模擬濾材厚度[12]、流體流速[13]、油液溫度[14]等因素對濾材過濾性能的影響,從而預測濾材的過濾過程,為提高濾材的穩定性提供指導。一些學者通過優化過濾器的結構,在過濾器內部安裝磁性的捕集器[15]、采用柱狀過濾器替代矩形過濾器[16]、過濾器前端增加真空離心設備[6]等措施,提高過濾器過濾性能的穩定性。雖然不同學者做出了一定的努力,但是到目前為止,液壓過濾材料在過濾后期過濾比下降的問題仍然沒有得到解決,如何解決或者緩解這一問題依舊是目前工作研究的重點。

對于液體介質的過濾,以玻纖為主要原料制備的濾材其過濾方式是深度過濾,依靠濾材內部的孔徑通道對污染物顆粒進行攔截[17-18]。在濾材的制備過程中,成形網肩負著紙頁成形與脫水等任務,可以將纖維和配料中的其他有效組分保留在成形網上。玻璃棉直徑分布廣泛,從幾微米到幾百納米不等,而且對于同一種型號的玻璃棉,其直徑分布非常廣泛,所以合理選擇成形網的目數至關重要。如果選擇的成形網目數較大,則會造成直徑較細的纖維流失嚴重,這樣對濾材的孔徑結構會產生較大的影響,導致濾材的孔徑分布差異較大,污染物顆粒將從濾材的最大孔徑中逃逸,從而影響濾材整體的過濾性能。所以針對以上問題,本研究擬從濾材制備過程中成形網的目數出發,首先通過仿真軟件Geodict模擬研究濾材孔徑分布差異較大時對過濾性能造成的影響,其次探究不同目數的成形網對濾材孔徑分布的影響,最后通過對比在不同目數下所制備濾材的液體過濾性能,從而選擇出合適的成形網,為提高液壓濾材過濾性能穩定性提供解決方案。

1 實驗

實驗原料為玻璃棉(14° SR,34° SR,74° SR),丙烯酸樹脂GF03A,聚酯成形網(100,200,300,500,600目),對比商品樣濾材。

實驗設備為RK3AKWT抄片器,FX3300透氣度測定儀,XSE204分析天平,CFP-1100-A毛細管流量孔徑儀,G2Pro Y掃描電子顯微鏡,MPTB-10-20多次通過試驗臺。

1.1 濾材過濾過程模擬

GeoDict是一款基于多尺度的三維圖像仿真模擬軟件,國內外越來越多的研究者采用 GeoDict 開展材料性能的數值模擬研究。本研究使用GeoDict軟件的FilterDict模塊模擬濾材模型的過濾過程。過濾過程的模擬主要是顆粒運動軌跡的求解和顆粒與纖維間碰撞模型的處理。顆粒運動軌跡的模擬可以分為兩步組成。首先,計算潔凈濾材的流場;然后基于流場和作用在顆粒上的力求解顆粒的運動軌跡。因此,顆粒的運動軌跡可由下式求解獲得:

(1)

(2)

其中,mp——顆粒的質量,kg

dp——顆粒的直徑,m

kB——玻爾茲曼常數,J/K

T——溫度,K

γ——摩擦因子

W——Wiener測度,s1/2

xp——顆粒的位移距離,m

本研究采用拉格朗日法對顆粒的運動過程進行求解。在數值模擬中,選取Sieving捕獲模型。在液體過濾中,篩分被認為是主要的捕獲機制,通常假設顆粒在碰撞時由于黏附力而不會黏在纖維上,只有當顆粒同時碰觸到濾材中的2個不同的點時,才會被標記和捕獲。

1.2 濾材的制備

本實驗選取玻璃棉14° SR和74° SR兩種平均直徑差異較大的纖維,在100,200,300,500,600目的成形網和自動抄片器的金屬網(400目)下分別制備定量為20,50,80 g/m2的濾材。

本實驗選取了500目成形網制備的濾材與80目成形網制備的商品樣濾材進行液體過濾性能對比,編號分別記作80目濾材和500目濾材。

1.3 濾材的檢測與標準

微觀形貌觀測:采用荷蘭Phenom-World公司型號為G2Pro Y掃描電子顯微鏡。

透氣度測試:參考GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》,使用FX3300透氣度儀(測試壓力為200 Pa)測量濾料的透氣性。

孔徑測試:參考ASTM F316,使用PMI CFP-1100-A毛細流量孔徑儀測試濾材的平均孔徑、最大孔徑和孔徑分布,潤濕液為PMI公司的Galwick液體。

液體過濾性能測試:參考標準ISO 16889,采用型號為MPTB-10-20多次通過實驗臺,其中顆粒計數器型號為HCB-LD-25/25。實驗條件如表1所示。

表1 多次通過測試實驗條件

抗張強度:參考GB/T 12914—2008《紙和紙板 抗張強度的測定》,使用RH-KZY臥式抗張試驗機測試濾料的抗張強度。

目前，原有的人工計算工具已逐漸被神集計算、廣連達、魯班等工程造價軟件所取代。在項目結算審計中，使用計算機作為輔助審計手段，可以減少大量的人工操作，特別是在定額、費用、調整材料差額和勞動成本以及調整自動計算、生成表格等諸多方面。事半功倍。在項目結算審計中，如果要充分利用成本定額和收費標準、收費程序，關鍵是要充分利用工程造價軟件，選擇適用的單位估價表、材料價格差等模板，檢查是否符合成本標準是準確的。

2 結果與討論

2.1 濾材孔徑對過濾影響的模擬分析

本研究采用GeoDict 的FilterDict 模塊模擬濾材對顆粒物的過濾過程,驗證提出的猜想。即在過濾過程中,當濾材兩側壓力上升,孔徑分布差異較大時,一些污染物顆粒可能會從濾材的最大孔徑中逃逸,導致濾材的過濾比下降,過濾穩定性降低。

圖1a和圖2a是簡化后的濾材模型,兩者濾材的平均孔徑相同,圖1a孔徑分布均勻,而圖2a孔徑分布分散,濾材的最大孔徑相對較大,這也更接近實際生產中制備的濾材。圖1和圖2中的圖b～圖e是模擬濾材在過濾過程中4種不同的狀態:圖b代表顆粒還未接觸濾材;圖c代表顆粒剛剛接觸濾材;圖d代表顆粒穿過濾材;圖e代表顆粒堵塞濾材,這4種狀態反應了整個濾材的過濾過程。圖1f和圖2f代表了濾材堵塞后濾材表面的狀態。

圖1 孔徑均勻的濾材過濾過程模擬

圖2 孔徑分散的濾材過濾過程模擬

從圖1b～圖1d中可以看出,當濾材孔徑分布均勻時,顆粒在流體的作用下向濾材運動,在整個過程中,濾材的不同位置對顆粒的作用力是相同的,所以顆粒最終均勻的分布在濾材上。當濾材的孔徑分布不均勻時,如圖2b～圖2d所示,面對濾材兩側的壓力,濾材孔徑較大的區域壓力小,流體的流速大,顆粒會優先從大孔中穿過,而且當濾材內部的孔隙結構被顆粒堵塞時,一部分顆粒會從濾材的最大孔徑中逃逸,如圖2f所示,從而進入下游油液中,導致其過濾比下降,濾材的穩定性降低。因此,本研究在模擬的基礎上,進一步通過實驗驗證孔徑分布對濾材過濾性能穩定性的影響。

2.2 成形網目數對濾材孔徑分布的影響

在實驗室制備濾材過程中金屬網的目數為400目,為了探究成形網目數對濾材孔徑的影響,所以選擇了100,200,300,500,600目的聚酯網。圖3是不同目數的聚酯成形網以及自動抄片器的金屬網電鏡圖。由電鏡照片可以看出,這些成形網的編制方式為平紋形式,上下纖維交織而成,組織致密,交織點多,孔徑大小均勻,纖維與纖維之間的相對位置穩定。

圖3 不同目數成形網的電鏡照片

圖4是兩種不同直徑、不同定量的單一玻璃棉在成形過程中相對不同成形網的流失率。實驗室抄片器金屬網的目數為400目,即為圖中參考線所處的位置,從圖中可以看出,當成形網的目數較小時,無論是直徑較細的玻璃棉74° SR,還是直徑較粗的玻璃棉14° SR,都流失較為嚴重,而且玻璃棉的定量越低,流失越嚴重。這是因為在較低定量時,除過在稱量、疏解、轉移過程中損失的纖維以外,在成形過程中,濾材本身也有攔截作用,但由于濾材定量較低,成形的紙頁厚度較薄,攔截能力較弱。當成形網的目數大于抄片器金屬網的目數時,不同直徑、不同定量的濾材在成形過程中的流失率逐漸趨于穩定,保持在3%左右。

圖4 不同玻璃棉對不同目數成形網的流失率

為了驗證成形網目數造成纖維流失對濾材孔徑的影響,本實驗選取了直徑最細的玻璃棉74° SR,定量為20 g/m2,通過采用不同的成形網制備濾材,并測試其孔徑。該實驗由于選擇的玻璃棉直徑較細,而且制備的濾材定量較低,能代表不同直徑的玻璃棉在不同成形網目數下纖維流失所對應濾材孔徑的變化。

圖5是玻璃棉74° SR在不同目數下所制備濾材的孔徑分布圖(圖5a)和孔徑分布累積曲線圖(圖5b)。從圖5a中可以看出濾材的孔徑都集中分布在1.0～1.5 μm這個區間內,在這個區間里100目成形網對應的濾材孔徑占比為58.8%,而600目成形網對應的濾材此區間孔徑占比為77.5%,兩者相差了18.7%,從100目成形網到600目成形網,濾材在此區間的分布占比越來越大。當濾材采用的成形網大于等于400目時,濾材的孔徑分布也逐漸變得穩定,此時濾材孔徑在1.0～1.5 μm這個區間內占比74.9%。而且從圖5b中可以看出,隨著成形網目數逐漸增大,孔徑分布累積曲線趨于集中,也可以進一步反應出濾材的孔徑逐漸變得穩定。

圖5 玻璃棉74° SR在不同成形網目數下制備的濾材孔徑

表2是這幾種濾材在制備過程中的平均孔徑和最大孔徑,從表中也可以看出,濾材的平均孔徑和最大孔徑隨著成形網目數的增大而變得穩定,從而也驗證了濾材在成形過程中隨著成形網目數的增加,纖維的流失率逐漸變得穩定時,濾材的結構也會變得穩定。

表2 成形網目數對濾材孔徑的影響

2.3 濾材過濾性能穩定性的對比

由以上實驗得出的數據和結論可知,成形網的目數會影響濾材的孔徑分布,當成形網的目數大于等于400目時,不同直徑、不同定量的濾材在成形過程中的流失率逐漸趨于穩定。本研究選取了商品樣濾材(80目制備)和實驗室500目制備的濾材進行物理性能與液體過濾性能測試,對比在不同成形網目數下制備的濾材過濾性能穩定性的變化情況。

1) 物理性能對比結果

表3為在80目和500目制備的濾材物理性能參數。從表中可以看出,在定量相同的情況下,濾材的抗張強度、透氣度和平均孔徑都很接近,但是在80目制備的濾材,最大孔徑為16.82 μm,要遠高于在500目成形網制備的濾材。圖6為兩種濾材的孔徑圖,從圖6a可以看出,兩種濾材的孔徑分布都集中在4～6 μm這個區間里,其中80目濾材占比38.7%,而500目濾材占比48.1%,兩者相差了9.4%,這個區間也是二者濾材分布差異最大的區間。圖6b是兩種濾材的孔徑分布累積曲線,從圖中也可以看出500目濾材的孔徑分布更加集中。

圖6 濾材孔徑

表3 濾材的物理性能參數

2) 液體過濾性能穩定性的對比分析

經多次通過實驗測試,80目與500目成形網制備的濾材在平均過濾比為200時對應的顆粒尺寸數分別為9.79 μm和9.30 μm,所以選擇80目濾材與500目濾材顆粒尺寸數大于等于10 μm的過濾比。圖7為兩種濾材10 μm過濾比隨著時間間隔的變化曲線。

圖7 濾材過濾比隨著時間間隔的變化曲線

從圖7中曲線的變化趨勢可以分析得出,對于500目濾材和80目濾材,隨著實驗的開始,污染物顆粒進入濾材內部的孔隙通道,顆粒被濾材內部的纖維所攔截吸附,下游的污染物顆粒較少,所以濾材的過濾比會有一定程度的上升;隨著實驗的繼續進行,油液中一些較小的污染物顆粒會逐漸穿過濾材內部進入到過濾器的下游,濾材的過濾比開始緩慢的下降。經過一段時間后,濾材內部的孔隙通道逐漸被污染物顆粒堵塞,依靠顆粒物本身在濾材表面的積聚逐漸形成一層濾餅從而對污染物顆粒進行過濾,此時大部分的顆粒被阻隔在濾材的表面,很難進入到濾材的下游,在這個階段濾材對顆粒物的過濾效率會有一定程度的提高,所以500目濾材的過濾比隨時間的變化曲線呈現先上升,再緩慢下降,最后上升的趨勢。而80目濾材的過濾比隨時間的變化曲線呈現的趨勢是先上升,再下降,再上升,最后再下降,該濾材比500目濾材在最后階段多了一個下降的趨勢。由孔徑參數可知,在平均孔徑一定的情況下,80目濾材的最大孔徑為16.82 μm,遠大于500目濾材的最大孔徑。隨著濾材的逐漸堵塞,濾材兩側的進出口壓差也在上升,在兩側壓力的作用下,80目濾材所攔截的污染物顆粒更容易從濾材的最大孔徑中進入過濾器的下游,所以80目濾材在最后階段的過濾比又會呈現出下降的趨勢。

為了更加清晰直觀的反映出濾材污染物顆粒尺寸數在不同實驗時間間隔下的過濾比變化情況,本實驗選取了3種不同尺寸顆粒數的過濾比數據。80目濾材和500目濾材在時間間隔為10%時的過濾比記為初始過濾比,然后對比了不同尺寸的污染物顆粒在不同時間間隔下的過濾比相對于初始過濾比的下降率。例如,80目濾材在β≥8時,時間間隔為10%對應的過濾比為32.9,即βT=10=32.9;時間間隔為20%對應的過濾比為38.1,所以βT=t即為βT=20=38.1,由式(3)即可得出β≥8在時間間隔為20%時的過濾比相對于初始過濾比的下降率為15.8%:

(3)

式中,βx代表污染物顆粒尺寸x的過濾比;βT=t代表t%時間間隔下的過濾比;βT=10代表時間間隔為10%對應的濾材的過濾比,即初始過濾比。

表4和表5分別是80目濾材和500目濾材在不同時間間隔的過濾比βx比初始過濾比的下降率。

表4 80目濾材在不同時間間隔下的過濾比βx變化情況

表5 500目濾材在不同時間間隔下的過濾比βx變化情況

注:表中數據為負值代表該階段的過濾比大于初始過濾比。

從表4和表5中可以看出,80目濾材在實驗時間90%～100%這段時間里,濾材的過濾比出現的很大程度的下降,這會導致濾材在過濾過程中的過濾穩定性大大降低,這可能是因為隨著濾材的逐漸堵塞,濾材兩側的壓差也在逐漸上升,在兩側壓力的作用下,一些污染物顆粒可能會從濾材的最大孔徑中逃逸進入到濾材的下游,導致濾材的過濾比急劇下降。而500目濾材對應的過濾比在不同的過濾時間段,濾材的過濾比都高于初始過濾比,表現出了較好的過濾性能穩定性。

3 結論

研究了成形網目數對濾材液體過濾性能的影響,首先采用了Geodict模擬軟件分析不同孔徑分布的濾材過濾過程,然后通過實驗證明了成形網目數對濾材孔徑分布的影響,并探究了對濾材液體過濾性能的影響,其實驗結果如下:

(1) 采用Geodict模擬軟件簡化濾材模型,制備了兩種孔徑分布差異較大的濾材,并模擬了濾材的過濾過程。結果表明,在平均孔徑一定的情況下,最大孔徑會導致污染物顆粒在過濾后期從濾材的大孔中逃逸,影響下游油液的潔凈程度;

(2) 通過選取玻璃棉14° SR和74° SR分別在100,200,300,500,600目的聚酯網和抄片器金屬網(400目)上制備定量為20,50,80 g/m2的濾材,并測試其孔徑,結果表明,當成形網的目數大于等于400目時,不同直徑、不同定量的濾材在成形過程中的流失率和孔徑分布逐漸趨于穩定;

(3) 在濾材物理性能和過濾精度接近的條件下,通過對不同目數下的成形網進行多次通過實驗,結果表明:選用的成形網目數越大,濾材的過濾穩定性越高。