(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院 北京 100083)

隨著機(jī)械制造業(yè)的迅猛發(fā)展，各類(lèi)新型機(jī)械不斷地涌現(xiàn)，與之配套的液壓技術(shù)被廣泛地應(yīng)用，液壓傳動(dòng)、液壓控制技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為現(xiàn)代機(jī)械工程的技術(shù)基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料表明，由于油液污染所造成的液壓系統(tǒng)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(dǎo)致機(jī)械設(shè)備及潤(rùn)滑油的性能下降，減小機(jī)械設(shè)備和油液的使用壽命，還會(huì)使機(jī)械設(shè)備處于危險(xiǎn)的狀況，因此對(duì)液壓油液的污染進(jìn)行檢測(cè)和控制具有極其重要的意義[4-9]。

液壓系統(tǒng)中油液污染的程度可以用油液污染度來(lái)表示。測(cè)量油液污染度的方法有很多，其中濾膜堵塞法測(cè)試裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，不受油液中氣泡、水分、顏色以及測(cè)試環(huán)境等的影響，適合于對(duì)含水型液壓油在內(nèi)的各種性質(zhì)流體的固體顆粒污染度的分析[9-11]。濾膜堵塞法又被稱(chēng)為淤積法，當(dāng)污染油液流經(jīng)濾膜時(shí)，固體顆粒會(huì)逐漸淤積在濾膜上，引起濾膜兩邊的壓差或通過(guò)濾膜油液流量的變化，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換，可以將其變化與油液的污染度等級(jí)關(guān)聯(lián)。本文作者基于恒壓型濾膜堵塞法，通過(guò)檢測(cè)恒壓下流經(jīng)濾膜的流量衰減信息來(lái)測(cè)試油液的顆粒污染度。

1 油液污染度自動(dòng)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案及工作原理

所設(shè)計(jì)的介質(zhì)恒壓堵塞型油液污染度檢測(cè)儀的總體方案如1所示。

圖1 油液污染度自動(dòng)檢測(cè)儀方案圖

其工作原理為：(1)取樣：電機(jī)1拖動(dòng)配重塊及取樣缸活塞桿上升，待測(cè)樣液通過(guò)閥1進(jìn)入取樣缸，完成取樣；(2)恒壓測(cè)試：電機(jī)釋放配重塊，取樣缸樣液在配重塊產(chǎn)生的恒壓作用下經(jīng)閥2、閥3、閥4和微孔濾膜進(jìn)入測(cè)試缸，流量變化數(shù)據(jù)由位移傳感器轉(zhuǎn)換獲得，由上位機(jī)根據(jù)檢測(cè)模型完成油液污染度檢測(cè)；(3)反沖洗濾膜：由電機(jī)2驅(qū)動(dòng)反沖洗裝置對(duì)濾膜進(jìn)行反沖洗，測(cè)試缸中油液經(jīng)濾膜和閥4排出；(4)取樣缸排油：取樣缸中剩余油液可通過(guò)配重塊產(chǎn)生的壓力經(jīng)閥2和閥3后排出；(5)換缸：根據(jù)待測(cè)油液的等級(jí)確定選擇大缸還是小缸，當(dāng)待測(cè)樣液的較為干凈時(shí)(

2 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

油液污染檢測(cè)儀的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)包括取樣及恒壓實(shí)現(xiàn)裝置、換缸測(cè)試裝置及反沖洗裝置。圖2所示為油液污染監(jiān)測(cè)儀的三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 油液污染度檢測(cè)儀內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)

2.1 取樣及恒壓實(shí)現(xiàn)裝置的設(shè)計(jì)

取樣裝置是在低壓在線(xiàn)檢測(cè)或離線(xiàn)檢測(cè)時(shí)自動(dòng)吸取樣液的裝置(高壓時(shí)不要電機(jī)1拖動(dòng)配重塊，油液可直接進(jìn)入取樣缸)，同時(shí)產(chǎn)生測(cè)試過(guò)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(guò)程：電機(jī)9正轉(zhuǎn)，卷?yè)P(yáng)槽輪8隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)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(shí)油缸3內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓狀態(tài)，油液被吸入油缸，完成取樣；取樣完成后電機(jī)9反轉(zhuǎn)，配重塊不再受鋼絲繩拉力影響，在重力作用下對(duì)取樣缸內(nèi)油液施加恒定壓力，保證測(cè)試順利進(jìn)行。

2.2 換缸測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

油液污染度檢測(cè)儀在測(cè)試污染度較高的油液時(shí)，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(shí)，上位機(jī)會(huì)因采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)太少而不能給出準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果；同樣，當(dāng)測(cè)試較干凈的油液時(shí)，濾膜很難堵塞，活塞桿位移速度很快，在樣液充滿(mǎn)測(cè)試缸時(shí)位移的變化率仍較小，此時(shí)通過(guò)濾膜的流量尚未開(kāi)始有明顯衰減，上位機(jī)同樣會(huì)因獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)太少而不能給出準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。

為了使污染檢測(cè)儀有更寬的測(cè)試范圍，需要儀器無(wú)論在檢測(cè)污染度高的油樣還是污染度低的油樣時(shí)，上位機(jī)都能采集到足夠多的數(shù)據(jù)。因此考慮將測(cè)試缸設(shè)計(jì)為可變徑結(jié)構(gòu)，在檢測(cè)較干凈的油液時(shí)，使用截面大、體積大的缸；在檢測(cè)污染度高的油液時(shí)，使用截面小、體積小的缸，大小缸的切換和鎖緊通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

自動(dòng)換缸測(cè)試裝置的三維模型如圖4所示。油液進(jìn)入測(cè)試缸2后推動(dòng)活塞桿移動(dòng)，活塞桿的位移可通過(guò)位移傳感器(未在圖中繪制)傳至上位機(jī)以對(duì)油液的污染度進(jìn)行分析，測(cè)試缸2為大小缸嵌套的可變徑結(jié)構(gòu)，通過(guò)鎖緊裝置3來(lái)實(shí)現(xiàn)大小缸的切換，鎖緊裝置的運(yùn)動(dòng)由行程開(kāi)關(guān)4、直流減速電機(jī)5、絲杠6、連接塊7、絲杠螺母8及導(dǎo)軌9等來(lái)傳遞和控制。

圖4 測(cè)試裝置三維效果圖

測(cè)試缸及其鎖緊裝置的裝配圖如圖5所示，測(cè)試缸由大缸和小缸嵌套構(gòu)成，大缸主要包括測(cè)試缸缸底1、測(cè)試缸缸體2、大活塞頭3、一級(jí)活塞桿4和測(cè)試缸大缸蓋5。小缸主要包括一級(jí)活塞桿4(小缸缸體)、小活塞桿13、小缸蓋17。由鎖緊裝置實(shí)現(xiàn)大小缸的切換和鎖緊，即當(dāng)切換至大缸時(shí)，小缸的缸體和大缸缸體松開(kāi)，小缸的活塞桿和小缸缸體鎖緊為一個(gè)整體，成為大缸的活塞桿；切換至小缸時(shí)，小缸缸體和小缸的活塞桿解鎖同時(shí)與大缸缸體鎖緊。鎖緊裝置由盤(pán)絲壓塊6、盤(pán)絲7、碟型彈簧8、大墊片9、花鍵卡10、鍵槽聯(lián)動(dòng)塊11、卡爪12、鎖緊螺母18及齒輪19等構(gòu)成。濾膜傳感器15安裝在測(cè)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(cè)試裝置的工作原理：電機(jī)正反轉(zhuǎn)→絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)→齒條在導(dǎo)軌上直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)→齒輪旋轉(zhuǎn)→盤(pán)絲旋轉(zhuǎn)→卡爪伸縮(卡緊或松開(kāi)大缸)，花鍵卡在小端蓋槽內(nèi)進(jìn)出(松開(kāi)或卡緊小缸)。盤(pán)絲上端與齒輪通過(guò)螺栓連接，下端是平面螺紋，與卡爪配合，盤(pán)絲旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩個(gè)卡爪在對(duì)心線(xiàn)上進(jìn)行直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

圖5 測(cè)試缸裝配圖

2.3 反沖洗裝置設(shè)計(jì)

在測(cè)試完成后，濾膜被顆粒堵塞，因此再次測(cè)試前需要將濾膜中堵塞的顆粒清除。設(shè)計(jì)中利用測(cè)試缸中的油液對(duì)濾膜反向沖洗，便可以除去濾膜中截留的顆粒。因此測(cè)試缸排油的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)微孔濾膜的反沖洗，為下次測(cè)試做準(zhǔn)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(jī)7拉動(dòng)鋼絲繩2，將反沖壓塊1向下拉，測(cè)試缸3的活塞桿隨之被壓下，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾膜的反沖洗及測(cè)試缸的排油；排油結(jié)束時(shí)固定在反沖裝置上的行程開(kāi)關(guān)6觸發(fā)，電機(jī)7停止后開(kāi)始反轉(zhuǎn)松開(kāi)鋼絲繩2,反沖裝置中安裝有彈簧，在彈簧復(fù)位力的作用下反沖壓塊自動(dòng)彈回原始位置。

3 油液污染度檢測(cè)模型

被測(cè)流體在恒壓下經(jīng)過(guò)微孔濾膜時(shí)，隨著濾膜微孔被顆粒的阻塞，通過(guò)濾膜的流量逐漸衰減，流量衰減的程度與被測(cè)液的顆粒污染度有關(guān)，因此需要建立油液污染度與流量衰減曲線(xiàn)之間的關(guān)系[12]。在t時(shí)刻，通過(guò)微孔濾膜的流量Q(t)由3部分構(gòu)成：

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

(1)

式中：Q1(t)是t時(shí)刻通過(guò)所有未被顆粒堵塞的全開(kāi)口微孔的流量，mL/s；Q2(t)是t時(shí)刻通過(guò)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(shí)刻通過(guò)所有被多個(gè)顆粒堵塞后的微孔的流量，mL/s。

為了方便計(jì)算通過(guò)完全開(kāi)口的膜孔的流量衰降情況，可假設(shè)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(jù)濾膜過(guò)濾基本方程有：

(2)

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

(3)

式中：Am是每個(gè)膜孔的面積，對(duì)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(shù)，個(gè)/mL；f10是膜孔的一級(jí)堵塞系數(shù)，與膜結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，對(duì)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(gè)數(shù)。

將式(4)代入式(2)，得：

(5)

式中：Q0是濾膜的初始流量，其表達(dá)式為

(6)

T1為一級(jí)衰降時(shí)間常數(shù)，表達(dá)式為

(7)

式(5)即為通過(guò)所有未被顆粒堵塞的全開(kāi)微孔的流量衰降表達(dá)式。可見(jiàn)，隨著膜孔的堵塞，通過(guò)所有未被顆粒堵塞的全開(kāi)微孔的流量以指數(shù)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(shù)越少，壓差越大，樣液黏度越小以及樣液污染度越大，都會(huì)導(dǎo)致該部分流量迅速衰降。

用同樣的思路可求得通過(guò)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(shù)；T2為二級(jí)衰降時(shí)間常數(shù)；N1是每毫升流體中大于等于1 μm的顆粒數(shù)，個(gè)/mL；f0是單個(gè)膜孔的次級(jí)堵塞系數(shù)，和膜結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，對(duì)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(shí)刻通過(guò)所有被多個(gè)顆粒堵塞后的微孔的流量：

(10)

式中：k2為總流量衰降系數(shù)，其他字母含義同前。

將式(5)，(8)，(10)代入式(1)，可獲得在任意時(shí)刻t通過(guò)微孔濾膜介質(zhì)的總流量表達(dá)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(shù)，可以通過(guò)對(duì)濾膜流量時(shí)間曲線(xiàn)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(shù)N1和N10。

因?yàn)橐簤合到y(tǒng)油液中的顆粒分布符合修正的對(duì)數(shù)正態(tài)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(shù)；N1為顆粒直徑大于1 μm的總數(shù)；B為lg-lg2坐標(biāo)上顆粒分布的直線(xiàn)斜率。

因此，根據(jù)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(shù)，即可以實(shí)現(xiàn)油液污染物等級(jí)的定量檢測(cè)。

4 結(jié)論

對(duì)介質(zhì)恒壓堵塞型污染監(jiān)測(cè)儀總體方案和原理進(jìn)行了闡述，對(duì)其主要機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中對(duì)測(cè)試缸進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)自動(dòng)切換大小缸，使測(cè)試范圍變寬、測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確；對(duì)其測(cè)試?yán)碚撨M(jìn)行了分析，基于濾膜過(guò)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(cè)模型。