滤芯元件实际寿命的评估

金 涛， 杜传斌

(1.航空工业(新乡)计测科技有限公司， 河南 新乡 453019； 2.中国人民解放军92574部队， 上海 200436)

引言

过滤器是液压系统中维护最频繁的辅助元件之一[1]，维护方式有清洗滤芯元件或更换滤芯元件。金属型过滤器，通常是可清洗的，可重复使用[2]；对于玻璃纤维、木质纤维和无纺滤纸等非金属过滤器，在维护时通常用新滤芯元件进行替换。

清洗或更换滤芯元件的时间间隔存在着及时性与经济性问题。通常在过滤器结构设计上增加污染压差指示器，指示器发出污染报警后，及时、适当的对滤芯元件进行清洗或更换，或者采用定期维护措施，人为规定维护时间。过滤器作为液压系统固体颗粒污染控制的主要元件，科学、正确评估滤芯元件的实际使用寿命或清洗间隔时间，对液压元件和系统工作性能及整机的运行安全至关重要。

滤芯元件试验寿命的评定主要是针对其过滤性能，主要有3种方法：多次通过试验方法[3-4]、堵塞寿命试验方法[5]、热循环试验方法。目前国内外普遍采用多次通过试验方法，其源于液压过滤行业，尤其在汽车与内燃机工业领域应用广泛，如液压过滤器、机油滤清器、柴油滤清器、电喷燃油滤等。多次通过试验不仅可以检测出过滤比(过滤精度、过滤效率)和纳污容量[6]这些过滤性能[7]的核心指标，同时还可以检测出滤芯元件从初始压差达到极限压差的试验寿命。

然而，由于实际工况下存在未知的条件，如污染的生成规律、系统的清洁程度，实际工作条件无法在实验室复现，实验室获得的试验寿命并不等于实际寿命。试验寿命要远远小于实际寿命，试验寿命相同的滤芯元件，在不同条件下的实际寿命不一定相同。因此需要一种对滤芯元件的实际寿命进行评估的方法。

针对目前滤芯元件实际寿命评估存在的问题，本研究运用多次通过试验方法，结合试验数据和实际使用结果，建立实际寿命与纳污容量的对应关系，得到一种实验室条件下滤芯元件实际寿命评估方法。

1 滤芯元件的实际寿命与试验寿命

滤芯元件在规定的工作条件下，其初始压差[8]不能超过设计值，压差随着工作时间/里程的不断增加而升高，当压差升高到一定值时，滤芯元件结构破裂、性能失效，此时的压差称为终止压差即极限压差。从初始压差升高到极限压差的时间/里程，就是滤芯元件的寿命，用小时或公里表示。

在实际工作条件下，初始压差升高到极限压差[9]的时间/里程，称之为滤芯元件的实际寿命；在实验室依据相应标准方法规定的试验条件下，初始压差升高到极限压差的时间，称之为滤芯元件的试验寿命[10]。

2 压差影响因素

2.1 实际压差的影响因素

滤芯元件从投入使用到报废的全寿命周期就是初始压差升高到极限压差的全过程，实际压差升高的影响因素可用下列函数表示：

Δp=f(q，ρ，β，α，t，…)

(1)

式中, Δp—— 滤芯元件工作压差

q—— 滤芯元件工作流量

ρ—— 油液的黏度

β—— 滤芯元件的过滤比，即过滤效率

α—— 工作系统的污染物生成率

t—— 滤芯元件的实际工作时间，即实际寿命

… —— 其他未知的影响因素

滤芯元件在实际工作中压差的升高主要受工况、污染生成及时间的影响。工况随着流量、温度、过滤效率的变化而变化，这些变化又会影响压差的变化。在系统中污染生成是复杂的，主要源于系统内固有污染物及酸性氧化物、元器件的磨损、添加剂的析出等。污染物被滤芯收集，堵塞滤层的多孔通道引起流量压差升高，滤芯元件的工作时间是压差升高的最直接变量。

假设在实际工作状态的条件下没有振动、恒流恒温，单位时间内的污染生成与过滤相对平衡，并且其他未知的影响因素忽略不计，则式(1)完全是关于时间的函数：

Δp=f(t)

(2)

根据式(2)，可以得到实际寿命与压差的曲线，如图1所示。滤芯元件的压差随着工作时间的增加，初始阶段基本上是呈线性的慢慢升高，当达到一定时间后，压差会升高的很快，基本上是呈指数倍的增大，这时污染指示器就会发出报警讯号，旁通阀也就快要开启，这是更换或清洗滤芯元件的最佳时点。

图1 实际寿命与压差的关系曲线

2.2 试验压差的影响因素

在多次通过或堵塞寿命试验时，从试验开始到试验终止的全过程，也就是记录初始压差升高到极限压差的时间过程，试验压差升高的影响因素可用下列函数表示：

Δps=f(qs，ρs，β，γ，ts，…)

(3)

式中, Δps—— 滤芯元件试验压差

qs—— 滤芯元件试验流量

γ—— 系统上游的污染物浓度(含颗粒的性质及力度分布)

ts—— 从试验开始到终止的试验时间，即试验寿命

… —— 其他未知的影响因素

在实验室设置恒温、恒流、且无振动干扰的试验条件。滤芯元件过滤比是通过滤芯元件纳污容量来影响压差升高，滤芯元件试验结束后的纳污容量可用下式进行计算：

w=qstsγ

(4)

那么，在试验时压差就完全是纳污容量的函数：

Δps=f(w)

(5)

根据式(5)，可以得到试验寿命与压差的曲线，如图2所示。被试滤芯元件的压差随着污染粉尘的不断注入，初始阶段压差基本呈线性缓慢升高，当添加的粉尘达到一定量后，压差上升加快，呈指数倍的升高，直至达到极限压差，试验结束。

图2 试验寿命与纳污容量的关系曲线

3 实际寿命评估方法

滤芯元件的压差无论是通过添加污染物而增大，还是在实际使用过程中随时间的升高，基于极限压差相等的原则，可通过实验室的测试结果[12]与实际使用的时间相结合，即由式(2)和式(5)可得：

Δp=f(t,w)

(6)

图3 实际寿命、纳污容量和压差的关系曲线

实际寿命、纳污容量和压差的关系曲线如图3所示。在实验室可以准确的检测到全新滤芯元件在Δpi(i=1,2,3，…，n)下对应的纳污容量wi(i=1,2,3，…，n)，绘制出曲线Ⅱ，即试验寿命与纳污容量的关系曲线；同理，对有计划收回的不同使用时间ti(i=1，2，3，…，n)的某型号旧滤芯， 在实验室同流量条件下侧得对应的Δpi(i=1，2，3，…，n)，绘制出曲线Ⅰ，即实际寿命与压差的曲线。根据压差相等，将曲线Ⅰ与曲线Ⅱ合成，建立了实际寿命与纳污容量的对应关系，如曲线Ⅲ所示。

本研究中的评估方法建立在“加速等效”试验基础上，即运用过滤器的多次通过试验，添加试验粉尘使滤芯元件的初始压差快速升高到极限压差，再通过压差建立联系，使添加的试验粉尘的量对应实际寿命。

4 结论

本研究结合通过实验室的测试数据与实际工况数据，建立实际寿命与纳污容量的评估对应关系，为合理确定过滤器的维护时间间隔和预知滤芯元件的使用寿命提供理论支撑。