陳冬京, 張 晉,2,3, 王博眾, 程昱杰, 李 瑩,2, 孔祥東,2,3

(1.燕山大學機械工程學院, 河北秦皇島 066004;2.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制實驗室, 河北秦皇島 066004;3.燕山大學先進制造成形技術(shù)及裝備國家地方聯(lián)合工程研究中心, 河北秦皇島 066004)

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,液壓系統(tǒng)以其高功重比、響應(yīng)快、無級調(diào)速等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于航空航天、工程機械和機器人等高端移動裝備領(lǐng)域[1-2]。可靠性作為衡量高端移動裝備的重要特性受到國內(nèi)外專家學者的關(guān)注。液壓系統(tǒng)的可靠性與液壓油的清潔度有著密切關(guān)系。液壓油污染是液壓系統(tǒng)故障的重要原因。部分領(lǐng)域,液壓油污染引起的液壓系統(tǒng)故障可達總體故障的75%～80%[3-6]。

現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)主要通過液壓油箱及濾油器等附件進行污染物的沉淀及氣體的分離[7-9]。在移動裝備中,由于受到空間及重量的限制,液壓油箱的結(jié)構(gòu)尺寸及體積大小會受到影響,導(dǎo)致過濾設(shè)備安裝空間減小,油箱自然除氣除雜能力下降。在移動裝備中,高壓大流量工況下,油液流速高,油箱內(nèi)部流場分布復(fù)雜,部分區(qū)域易形成湍流,將油液中雜質(zhì)夾帶進入系統(tǒng),造成液壓元件故障、系統(tǒng)可靠性下降。因此,進行液壓油箱輕量化設(shè)計時,加裝高效除雜設(shè)備或改變油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計可以平緩油液流動狀態(tài),提高污染物分離效率,避免污染物進入系統(tǒng),利于液壓系統(tǒng)可靠性的提升。

目前,國外諸多單位及學者已通過優(yōu)化油箱結(jié)構(gòu)設(shè)計[10]、采用濾油器及消泡器等附件[11]的方法與手段,開展了小型化、輕量化油箱的除氣除雜功能研究工作;我國在液壓油箱設(shè)計方法與理論方面也取得了一定的成果,但仍需開展進一步研究工作。

本研究評述了國內(nèi)外液壓領(lǐng)域中常用的除氣除雜方法及附件原理,以流道設(shè)計、功能材料、附加元件等主流方法為核心,綜合對比多領(lǐng)域中多相流分離原理,對未來液壓油箱除氣除雜方法進行了展望。

1 液壓油箱氣體分離理論與方法現(xiàn)狀

在液壓系統(tǒng)工作過程中,液壓油中通常會溶解有8%～12%的氣體[12]。該部分氣體在液壓系統(tǒng)中壓力變化的影響下,可能從油液中析出, 形成氣泡,從而引發(fā)氣穴等現(xiàn)象,對液壓系統(tǒng)造成損害[13-16]。針對氣泡對液壓系統(tǒng)運行造成的危害,國內(nèi)外學者從油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化、分離設(shè)備設(shè)計等方法出發(fā),對油箱除氣功能進行了深入研究。

1.1 油箱結(jié)構(gòu)除氣

在傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)設(shè)計中,為保證油箱的除氣性能,通常采用工程經(jīng)驗對油箱進行設(shè)計。根據(jù)回油流量、回油管及吸油管尺寸等系統(tǒng)參數(shù)確定油箱的尺寸。為減緩液壓油流動,通常需保證油箱壁到油管間的距離要大于3倍管路直徑,并在油箱中設(shè)置隔板延長流道以利于氣體分離[17]。隨著液壓系統(tǒng)輕量化與高可靠性的需求,油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成為了輕量化與高效除氣的一種關(guān)鍵方法。國外學者對油箱造型及結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了深入研究。

改變油箱結(jié)構(gòu)可以改變油液在油箱內(nèi)的流動狀態(tài)。以增加油液切向速度,延長油液流道等方法為基礎(chǔ)設(shè)計的異型油箱結(jié)構(gòu)受到國外學者的廣泛研究[18-19]。美國的伊頓公司設(shè)計了一種適用于移動裝備的旋流油箱[20],如圖1所示。該油箱針對移動裝備油箱體積減小后除氣性能較差的問題進行了油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化。液壓油經(jīng)回油口切向進入下腔后形成旋流。在向心力的作用下,氣體在中心聚集并通過中心孔進入上腔內(nèi)。同時,上腔中設(shè)有緩和流動的擋板減弱旋流,便于氣體排出。相同系統(tǒng)參數(shù)下,該異型油箱在減小90%體積同時保證了50%的氣體分離效率。

圖1 伊頓旋流油箱[20]Fig.1 Eaton hydraulic fluid reservoir [20]

芬蘭的HIAB公司設(shè)計了一款帶強制旋流除氣功能的油箱[21],如圖2所示。通過在回油口處加裝旋流除氣裝置,使得油箱體積在同液壓系統(tǒng)參數(shù)下減小58%,除氣效率為自然分離狀態(tài)下的10倍。

圖2 HIAB旋流油箱[21]Fig.2 HIAB cyclone tanks[21]

油箱隔板作為另一種常用的油箱除氣結(jié)構(gòu)受到廣泛研究。POPOVA I M[22]對傳統(tǒng)油箱內(nèi)的隔板設(shè)置進行了試驗研究,在多組試驗結(jié)果得到的回歸方程基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn),在不超過油液高度下提高隔板高度并減小隔板與排油管的距離,可以提高油箱的除氣性能。

馬里博爾大學的研究人員以傳統(tǒng)液壓油箱為研究對象,通過數(shù)值仿真的方法對油箱內(nèi)部安裝不同數(shù)量及位置隔板下的油液流動狀態(tài)進行分析[23-24],如圖3所示。仿真結(jié)果表明,在油箱內(nèi)設(shè)置隔板可以有效穩(wěn)定油液流動并延長流動長度, 從而使氣體在重力作用下順利分離。但當隔板數(shù)量超過3個時,會使各區(qū)域內(nèi)油液過于穩(wěn)定,不利于系統(tǒng)工作。

圖3 油箱隔板對油液流動狀態(tài)影響[23]Fig.3 3D streamlines in different tank models[23]

莫斯科國立鮑曼技術(shù)大學的BELOV N等[25]提出了一種帶有小孔篩網(wǎng)的傾斜隔板結(jié)構(gòu),如圖4所示。這種優(yōu)化后的篩網(wǎng)隔板在不改變油箱體積的前提下實現(xiàn)了延長流道的功能,同時可以吸附油液中的小氣泡。在篩網(wǎng)兩側(cè)油液壓差較小情況下,可以實現(xiàn)良好的除氣效果。但是篩網(wǎng)隔板會帶來一定壓力損失,因此結(jié)合系統(tǒng)參數(shù)進行篩網(wǎng)孔徑的參數(shù)匹配是該方法的一個難點。

圖4 優(yōu)化油箱及篩網(wǎng)隔板[25]Fig.4 Modified tank design 3D model[25]

國內(nèi)學者也對油箱優(yōu)化問題進行了相關(guān)研究。

蘭州理工大學的冀宏教授團隊對液壓油箱內(nèi)隔板分布對氣泡分離效果的影響進行了仿真研究[26-27]。通過在油箱內(nèi)設(shè)置隔板并對比了不同位置隔板對多個直徑分布下氣泡的分離效果。仿真結(jié)果表明,隔板對直徑0.3～1.0 mm間的氣泡分離效果明顯。

燕山大學姚靜等[28]設(shè)計了一種小型化迷宮液壓油箱,如圖5所示。該油箱通過類半球結(jié)構(gòu)、帶方形孔隔板與U型流道相結(jié)合,實現(xiàn)兩次除雜效果,延長流道從而利于氣泡分離。該結(jié)構(gòu)與普通油箱對比,對0.1 mm及0.5 mm直徑氣泡的去除效率達到43%和68%,實現(xiàn)了良好的除氣效果。

圖5 小型化迷宮液壓油箱結(jié)構(gòu)簡圖[28]Fig.5 Miniaturized labyrinth hydraulic reservoir structure sketch [28]

國內(nèi)外液壓油箱優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀表明:國內(nèi)外諸多學者對異型油箱、油箱內(nèi)部機構(gòu)設(shè)計開展研究,通過理論分析、數(shù)值仿真等手段對油箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,從理論角度明確了油箱隔板數(shù)量及位置對兩相流流動狀態(tài)的影響并提出了優(yōu)化理論。

國外部分企業(yè)已基于油箱流道設(shè)計的方法設(shè)計研發(fā)了移動裝備用小型化異型油箱,并投入使用,在減小油箱體積同時有效保證了除氣效率。國內(nèi)對于小型化高效除氣油箱優(yōu)化設(shè)計仍在研發(fā)階段,部分企業(yè)已進行一定程度的裝機試驗,異型油箱產(chǎn)品化進程也在穩(wěn)步進行中。

1.2 氣體分離設(shè)備

通過油箱結(jié)構(gòu)進行氣體自然分離效率較低。盡管隔板等結(jié)構(gòu)可以有效提升油箱除氣性能,卻對油箱體積、系統(tǒng)運行帶來一定影響。因此,部分國內(nèi)外學者對專用的氣體分離設(shè)備進行了研究與設(shè)計。

SUZUKI R等[29-30]針對油箱中含氣油液帶來的溫升問題進行了研究,設(shè)計并開發(fā)了一種氣泡消除器并進行了一系列研究,提出了一種基于旋流流動進行氣液分離的氣泡消除器,如圖6所示。油液從入口進入后,在錐形管內(nèi)形成渦流。由于氣體與油液密度相差較大,氣體在渦流中心處聚集。在出口有一定背壓的條件下,聚集的氣體通過氣體出口排出,實現(xiàn)氣液分離。

圖6 氣泡消除器結(jié)構(gòu)簡圖[30]Fig.6 Structure diagram of bubbleeliminator[30]

此后,SUZUKI R等[31-35]還通過數(shù)值仿真的方式對氣泡消除器內(nèi)的氣液兩相流流動特性進行了分析,并對氣泡消除器結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計及可視化實驗驗證,如圖7、圖8所示。仿真結(jié)果表明,該設(shè)備對0.1～0.9 mm之間的氣泡有顯著的分離效果。在影響參數(shù)中,主體直徑與氣泡直徑的比值及油液流動的雷諾數(shù)對分離效果影響較大,當兩者參數(shù)一致時,氣泡消除器的除氣性能較為穩(wěn)定。

圖7 氣泡消除器優(yōu)化結(jié)構(gòu)及可視化實驗[32]Fig.7 Photograph of transparent bubble eliminator[32]

圖8 優(yōu)化后氣泡消除器結(jié)構(gòu)簡圖[35]Fig.8 Design and principle of bubble eliminator[35]

國內(nèi)學者對氣液旋流分離器也有長期研究。氣液旋流分離器的早期被廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金工業(yè)等領(lǐng)域[36]。由于其分離效果好、成本低廉的優(yōu)勢,近年來在液壓領(lǐng)域逐漸受到重視。

虞萬海等[37]提出了一種強制式氣泡去除器,如圖9所示。通過電機帶動葉片轉(zhuǎn)動,使得進入工作腔的油液沿錐形壁面旋流。由于氣液密度相差較大, 氣體在中心處聚集,從而實現(xiàn)氣液分離效果。

圖9 一種強制式氣泡去除器[37]Fig.9 A forced air bubble eliminator[37]

浙江大學的金瑤蘭等[38]設(shè)計了一套油液抽真空除氣裝置,如圖10所示。該裝置基于油液中空氣溶解量與絕對壓力成正比的亨利定律,通過在系統(tǒng)中加裝真空泵及壓力油箱,使得裝置中的容器壓力低于空氣分離壓力,從而實現(xiàn)氣液分離。這種油氣分離裝置被應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)彈等領(lǐng)域。

浙江大學的鄒俊等[39-40]設(shè)計了一種液壓油在線除氣裝置,并通過計算流體力學與可視化實驗等技術(shù)手段對裝置的初期功能可行性進行了分析。中國科學院大學的王仕越等[41]利用多孔介質(zhì)對氣泡的吸附特性,設(shè)計了一種基于多孔介質(zhì)中兩相流體流動特性的氣液分離裝置,并進行了可視化驗證。

燕山大學張晉等[42-43]基于氣液旋流分離器和固液旋流分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論,設(shè)計了一種三相旋流分離器。通過選取包括旋流器主體直徑、高度、溢流口直徑、高度等多個結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)合正交實驗法進行了旋流器結(jié)構(gòu)優(yōu)化及參數(shù)匹配,并確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣體分離效果的影響大小。其中對于分離效率來說,旋流器溢流口直徑,即出口直徑為影響最大的參數(shù)。

BAI Y等[44]結(jié)合理論分析、數(shù)值仿真與可視化實驗對氣液旋流分離器的排氣口直徑與入口形狀等參數(shù)進行了研究與優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明,入口直徑與氣泡分離效率呈正相關(guān);入口形狀對油液流動速度及流動效果均有影響,其中矩形入口的流速較梯形入口低,但流動效果更好。

國內(nèi)外氣液分離設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀表明:離心式分離是一種分離效率高、成本低廉的分離方法。國外學者對氣液旋流分離器研究較早,從理論分析、數(shù)值仿真等手段對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了多次的迭代優(yōu)化,并提出了相應(yīng)的評價參數(shù)。國內(nèi)在旋流分離器領(lǐng)域起步較晚,近十年進行了深入研究。液壓領(lǐng)域氣液旋流分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計仍以經(jīng)驗公式為主,輔以數(shù)值仿真優(yōu)化,缺乏設(shè)計理論指導(dǎo),也是該類分離裝置的發(fā)展方向。

此外,針對部分工況復(fù)雜的領(lǐng)域,抽真空除氣作為一種可靠的除氣方式受到重視與應(yīng)用。

2 液壓油箱污染物分離理論與方法現(xiàn)狀

顆粒物是液壓油中污染物的一部分。隨著液壓伺服系統(tǒng)的發(fā)展,對液壓系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)、可靠性等性能要求逐漸提高,高端液壓元件如伺服閥、柱塞泵及馬達等對介觀尺度顆粒物敏感程度不斷提高。污染顆粒的來源主要有三方面,分別是系統(tǒng)內(nèi)部殘留、系統(tǒng)外部侵入及系統(tǒng)內(nèi)部滋生。其種類主要有沙子、金屬、灰塵、固態(tài)添加劑及纖維等[44]。污染顆粒中,磨損金屬顆粒占75%,粉塵占15%,其他雜質(zhì)約占10%。這些顆粒對液壓設(shè)備危害巨大,還會產(chǎn)生“鏈式反應(yīng)”,加劇磨損[45-46]。國內(nèi)外學者對油液中固體污染物的運移規(guī)律與分離方法進行了大量研究。

2.1 自然分離

傳統(tǒng)油箱主要通過較大的空間及內(nèi)部隔板設(shè)置改變流場分布,通過延長流道的方法讓固體污染物在重力場作用下沉淀,實現(xiàn)固液分離[47-48]?；谶@一方法,國內(nèi)外學者進行了油箱內(nèi)流場影響下顆粒物分布規(guī)律的研究以實現(xiàn)油箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

國外學者對油箱內(nèi)固體污染物的沉降進行了一定研究。馬里博爾大學的研究人員通過數(shù)值仿真的方法研究了油箱隔板對顆粒物運動規(guī)律的影響[24,49]。仿真以銅顆粒為研究對象,仿真結(jié)果表明,通過設(shè)置隔板與油液擴散器可以穩(wěn)定油液流動,利于固體污染物沉降;在設(shè)置隔板后的油液內(nèi)流場在隔板與油箱壁面附近存在死區(qū),即油液極為緩慢流動的區(qū)域。在污染物隨油液進入油箱時,大直徑顆粒會在回油管與擋板及壁面間的死區(qū)迅速沉降, 部分小直徑顆粒,如5 μm直徑顆粒會在隔板附近的油液死區(qū)沉降,如圖11所示。

圖11 仿真得到銅顆粒在油箱底部分布[24]Fig.11 Copper particles’position at the bottom of reservoir[24]

國內(nèi)學者在液壓領(lǐng)域中油箱內(nèi)流場影響下固體污染物運動規(guī)律進行了一定研究。 李瓊等[50]對油箱中固體顆粒運動軌跡及分布進行了理論與仿真分析。仿真結(jié)果表明,當回油管油液直接進入油箱中,易在壁面處出現(xiàn)回流進而引發(fā)部分區(qū)域湍流,造成固體污染物返混現(xiàn)象,并由此驗證了油液擴散器對回流油液流動的減緩效果,可以減弱顆粒返混現(xiàn)象。

隨著液壓系統(tǒng)的不斷發(fā)展,油箱外形受到空間的限制。異型油箱在滿足空間要求的同時,在內(nèi)部進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以有效實現(xiàn)固體污染物分離。研究人員受到農(nóng)業(yè)工程中的滴灌機異型流道泥沙堵塞問題優(yōu)化的啟發(fā),設(shè)計了一種小型化迷宮液壓油箱[27,51-53]。該油箱主要通過迷宮流道實現(xiàn)油液能量耗散,降低油液湍動能,穩(wěn)定油液流動,實現(xiàn)固體污染物沉降。該異型油箱對金屬顆粒除雜性能較好,對100 μm直徑金屬顆粒物去除效率達41%,對250 μm直徑金屬顆粒物去除效率達89%。

國內(nèi)外學者針對油箱內(nèi)固體顆粒物自然分離方法研究現(xiàn)狀表明:在重力場影響下,穩(wěn)定油液流動是實現(xiàn)固體污染物分離的最佳方法。運用到油箱中的主要手段包括設(shè)置隔板、回油管擴散器、改善流道形態(tài)等。其中,傳統(tǒng)油箱通常采用隔板及擴散器方法,但會對整體重量帶來一定影響。異型流道作為油箱輕量化、小型化后保證除雜性能的手段具有良好的固液分離效果。但其在開式油箱設(shè)計中,可能會由于其存在多個氣液界面而出現(xiàn)卷入空氣的現(xiàn)象。為避免氣體二次污染,需對回油區(qū)參數(shù)設(shè)計進行深入研究。

2.2 過濾式分離

過濾器是固液分離的重要手段,廣泛應(yīng)用于生物制藥、石油化工、燃油及液壓等領(lǐng)域[54]。液壓油過濾器是液壓系統(tǒng)中實現(xiàn)固體污染物分離的一種常見設(shè)備,被廣泛應(yīng)用于工程機械、航空航天等領(lǐng)域[55-56]。國內(nèi)外學者針對過濾器的過濾能力及精度進行了大量研究。

國外學者對過濾器性能的研究起步較早[57-58]。在評價標準方面,對于液壓過濾器性能評估主要采用多次通過試驗評定納污容量和不同顆粒尺寸下的過濾比,其檢測標準經(jīng)歷了從ISO 4572:1981到ISO 16889:2022的多次改進[59-60],包括選用更具代表性的ISO MTD試驗顆粒,顆粒尺寸及重量百分數(shù)規(guī)定更為細致;顆粒計數(shù)取樣選用在線全程取樣;多點粒徑尺寸分析采用內(nèi)插值法計算對應(yīng)過濾比的顆粒尺寸等,標準規(guī)定取樣方式準確性高、性能指標科學全面。

克蘭菲爾德大學的EKER O F等[61]結(jié)合理論與試驗分析,對恒速過濾下過濾器的堵塞模型及壽命預(yù)測進行了研究。研究中將過濾器的堵塞至失效劃分為3個過程,分別為過濾器剛投入使用的初始階段、截留部分顆粒后壓損增加而流量維持穩(wěn)定的過濾階段、有效過濾面積減小且壓損迅速增加的堵塞階段。在對比了現(xiàn)有的用于模擬多孔介質(zhì)壓損的Kozeny-Carman方程和Ergun方程后,提出了基于堵塞階段的優(yōu)化后Ergun方程的過濾器剩余使用壽命(Remaining Useful Life, RUL)模型。

科賈埃立大學的KORLMAZ Y S等[62]對液壓過濾器中內(nèi)流場進行了仿真分析與試驗研究。仿真結(jié)果中,油液并非均勻通過過濾器,而是存在部分流動死區(qū),該區(qū)域內(nèi)幾乎沒有油液流線,降低了過濾器對液壓油的過濾性能,如圖12所示。

圖12 過濾器內(nèi)流線分布[62]Fig.12 Idle regions at entrance and exit of hydraulic filter[62]

此外,國外學者還針對過濾器材料通過性能[63]、疲勞強度[64]、顆粒物性質(zhì)對過濾器性能影響[65]等方面進行了研究。

國內(nèi)對液壓過濾器方面的研究起步較晚,早期主要借鑒國外的先進技術(shù)、產(chǎn)品[66]。隨著液壓產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展,我國也制定了過濾器要求的國家標準[67-69]。目前過濾器產(chǎn)品成熟,國內(nèi)學者主要關(guān)注基于液壓系統(tǒng)的過濾器方案配置與設(shè)計。

張程等[70]結(jié)合液壓過濾器的功能與液壓系統(tǒng)的特點,將過濾器故障分為4個等級,并通過矩形坐標圖的方法對過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供了參考。

北京工業(yè)大學的聶松林團隊對液壓過濾器優(yōu)化配置進行了研究。研究以典型液壓系統(tǒng)為分析對象,先后通過多階段隨即線性規(guī)劃及區(qū)間模糊二次規(guī)劃方法建立了液壓系統(tǒng)過濾器配置及更換時間預(yù)測模型。針對多階段的優(yōu)化模型優(yōu)化了污染度特性與維修成本的預(yù)測關(guān)系,提出了安裝過濾器及更換或清洗濾芯的優(yōu)化決策[71-72]。

過濾器作為固液分離方法中最常用的手段,受到眾多領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)外學者的研究。隨著過濾器行業(yè)的發(fā)展,其本身性能穩(wěn)定,產(chǎn)品成熟。在液壓領(lǐng)域,針對過濾器的優(yōu)化往往需要同液壓系統(tǒng)特性相結(jié)合。從過濾器配置出發(fā),對液壓系統(tǒng)污染主動控制方法及策略的研究是提升過濾效果,降低相關(guān)成本的重要方向。

2.3 離心式分離

液壓油固體顆粒物中,存在如金屬顆粒等于油液存在較大密度差的污染物。離心式分離是分離兩相密度差較大物質(zhì)的一種可靠方法,在生物制藥、食品加工、化工行業(yè)中受到廣泛應(yīng)用[73]。

國外學者對固液離心式分離器研究起步較早,早在20世紀90年代已有相關(guān)專利。NAHID G等[74-75]通過3種不同的湍流模型對固液旋流分離器壓力場、速度場進行了分析,并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。仿真分析得到了旋流中流體碰撞產(chǎn)生的渦流是造成壓降的主要原因,而壓降對分離效率的影響極大。因此,通過優(yōu)化入口形狀可以有效提升分離效率。同時,研究基于最小歐拉數(shù)給出了入口直徑、主體直徑、溢流口直徑及主體長度之間的關(guān)系,完善了旋流器設(shè)計理論。

SUPACHART P等[76]以旋流分離器的分離銳度為研究對象,總結(jié)了分離銳度模型的優(yōu)化過程,并根據(jù)548組測試庫數(shù)據(jù)提出一種優(yōu)化后分離銳度模型。優(yōu)化后模型包括了結(jié)構(gòu)參數(shù)、入口參數(shù)對分離銳度的影響,并大幅提升了分離銳度預(yù)測精度,對旋流器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

此外,部分國外學者對旋流分離器的仿真模型[77]、實驗方法[78]等進行了研究,為旋流分離器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能評價提供了參考。

國內(nèi)液壓領(lǐng)域?qū)W者將這一分離方法應(yīng)用在液壓系統(tǒng)中,并進行了深入研究。

北京工業(yè)大學的紀輝等[79-80]基于一種新型超重力凈油裝置,將超重力床與旋流分離器相結(jié)合,實現(xiàn)固液及油水分離,超重力凈油裝置結(jié)構(gòu)如圖13所示。該裝置將超重力分離與旋流分離相結(jié)合,在普通旋流分離的基礎(chǔ)上提高固液分離效率,拓展分離范圍。仿真結(jié)果表明,該裝置可有效去除5 μm的固體顆粒物,可完全去除15 μm及50 μm的固體顆粒物。凈化后的油液污染度等級低,可滿足敏感度較高的液壓系統(tǒng)需求。

1.出油口 2.矩形入口 3.溢流管 4.圓錐段 5.底流口 6.圓柱段 7.出水口 8.旋轉(zhuǎn)填料床

張晉等[81]設(shè)計了一種液壓油箱用固液旋流分離器,其結(jié)構(gòu)如圖14所示。研究通過仿真對比了旋流器主體直徑和長度對分離效果的影響并進行了可視化實驗驗證。優(yōu)化后的旋流器采用4 mm×8 mm的矩形入口,主體直徑在40～50 mm,主體長度在150～200 mm,對15 μm的鐵粉顆粒,分離效率可達92.78%,為旋流器設(shè)計理論提供了參考。

圖14 液壓油箱用固液旋流器結(jié)構(gòu)簡圖[81]Fig.14 Solid-liquid cyclone separator structure sketch[81]

固液旋流器作為基于離心式分離方法的一種設(shè)備在國內(nèi)外眾多領(lǐng)域受到廣泛應(yīng)用。針對其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化也已進行了大量研究。但相關(guān)研究多以歸納仿真及實驗結(jié)果,形成經(jīng)驗公式進行設(shè)計,缺少基于旋流理論的設(shè)計方法。同時,在液壓領(lǐng)域,旋流器的應(yīng)用起步較晚,液壓油液及油液污染物的復(fù)雜特性對旋流效果的影響尚待研究。將旋流器與液壓系統(tǒng)相結(jié)合,提升液壓系統(tǒng)的可靠性與使用壽命是未來研究的一個方向。

2.4 磁分離技術(shù)

液壓油固體污染物中,金屬顆粒是一種占比較大的顆粒物類型。其中,具有磁性的顆粒物含量較高。該部分污染物可以通過磁分離技術(shù)進行分離。佟澤源等[82]設(shè)計了一種磁分離過濾器并進行了試驗驗證,其試驗樣機如圖15所示。試驗以45 μm的Fe3O4粉末為污染物試樣,在3,5,10 L/min的工況下進行了試驗。試驗結(jié)果表明,流量低的工況下磁分離效果較好,3 L/min時可達95%以上。而在流量增大后逐步下降,10 L/min時,同類型顆粒分離效率為90%,對粒徑更小的顆粒分離效率約為77%。

圖15 磁分離過濾器試驗樣機[82]Fig.15 Magnetic separation filter[82]

磁分離技術(shù)可以有效實現(xiàn)帶磁性顆粒物的分離,但其一方面重量較大, 另一方面受工況限制嚴重。磁分離難以實現(xiàn)大流量工況下的移動裝備液壓系統(tǒng)污染物高效分離,更適用于液壓油使用時的前置過濾。

3 液壓油箱除氣除雜方法發(fā)展方向

隨著我國制造業(yè)不斷發(fā)展,高端裝備的綜合性能需求不斷提高。液壓系統(tǒng)小型化、輕量化等發(fā)展方向更需要實現(xiàn)油液中污染物高效分離以保證系統(tǒng)的可靠性。本研究基于對油液中氣體及固體污染物的分離方法研究現(xiàn)狀進行總結(jié),結(jié)合國家重點研發(fā)計劃在“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”重點專項中設(shè)立的基礎(chǔ)前沿類項目“液壓元件與系統(tǒng)輕量化設(shè)計制造新方法”研究,對高端裝備液壓系統(tǒng)中油箱除氣除雜方法從以下2個方向開展研究工作:

(1) 油箱設(shè)計新方法:傳統(tǒng)液壓油箱主要通過油箱內(nèi)設(shè)置隔板結(jié)構(gòu)延長流道,增強油液中污染物自然分離效果。普通隔板結(jié)構(gòu)延長流道效果有限,且在惡劣工況下存在水躍卷吸等現(xiàn)象;通過設(shè)計異形油箱結(jié)構(gòu),改變油箱內(nèi)流場,在回油區(qū)形成渦旋流場迫使污染物聚集在除氣除雜區(qū),在吸油區(qū)設(shè)置橫流流場進行穩(wěn)流,防止污染物隨油液再次進入系統(tǒng),大幅強化油箱自然分離效果,并改變流場分布防止二次污染,進行油箱減重的同時實現(xiàn)油液中氣固污染物高效分離。

(2) 過濾裝備新構(gòu)型:過濾器作為液壓系統(tǒng)的主要除雜裝備,其濾芯結(jié)構(gòu)對固體污染物有較好的分離效果,但其質(zhì)量重,氣體吸附效果差,使用壽命短。離心式分離設(shè)備對氣固兩相污染物均有較好的分離效果,通過形成旋流流場改變回油油液壓力場分布,促使氣體污染物聚集排出、固體污染物在高速流場下甩出后,在設(shè)備底部渦流中聚集滯留后分離。旋流器結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕,分離效果好,可重復(fù)使用;侵入體積小,可有效降低油箱最小排布容積,利于液壓油箱乃至整體系統(tǒng)的輕量化。

4 結(jié)論

本研究評述了液壓油箱中空氣與固體兩種污染物主要的分離方法及相關(guān)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。液壓油污染作為液壓系統(tǒng)故障的主要原因,極大地限制了我國高端液壓裝備的可靠性。本研究旨在通過對國內(nèi)外液壓領(lǐng)域除氣除雜方法現(xiàn)狀進行總結(jié),突出污染控制的重要性,闡明各種分離方法的優(yōu)劣及發(fā)展趨勢,以為我國液壓裝備可靠性的提升提供參考。

國內(nèi)外除氣方法發(fā)展現(xiàn)狀表明:液壓系統(tǒng)中空氣帶來的危害逐漸受到領(lǐng)域內(nèi)專家學者的重視。在國外液壓行業(yè)內(nèi)已形成基于旋流、流場分布等理論的除氣產(chǎn)品并已實現(xiàn)市場化。國內(nèi)的除氣設(shè)備起步較晚,但已形成初步設(shè)計理論,取得了階段性成果,之后也需實現(xiàn)工程應(yīng)用。

國內(nèi)外除雜方法發(fā)展現(xiàn)狀表明:固體顆粒物作為油液中最早受到關(guān)注的污染物,其分離方法成熟,分離效果良好。但隨著液壓系統(tǒng)發(fā)展,傳統(tǒng)過濾器的大重量、高耗材不利于液壓系統(tǒng)輕量化、環(huán)境友好化發(fā)展。通過結(jié)合新材料、新設(shè)計理論,以及旋流、超重力等新技術(shù),固液分離設(shè)備可以在小型化、輕量化的同時保證高效率,進一步提升我國高端液壓裝備綜合競爭力。