实验室评定滤芯元件实际寿命的方法

熊丽媛， 韩凤娟

(1. 航空工业(新乡)计测科技有限公司， 河南 新乡 453019； 2. 新乡航空工业(集团)有限公司， 河南 新乡 453000)

引言

液压过滤器是流体传动系统中维护频次最多的产品，维护方式主要有两种:一是清洗滤芯元件，二是更换滤芯元件。无论是清洗还是更换滤芯，均面临同一问题，即何时清洗或何时更换滤芯。如果能够预测评估滤芯元件的实际寿命或者清洗间隔时间，就能够及时、准确、经济的维护过滤器，进而保证过滤器所保护的液压系统能够持续安全、可靠的运行。

滤芯元件的实际寿命是根据其进、出口间油液压差的升高来判定的。滤芯在使用过程中， 不同工作时间对应于不同的压差。在实验室参考实际使用中相同的工作条件，通过添加试验粉尘可以测得不同的压差所对应的不同试验时间。本研究即基于上述压差相等原则，建立了滤芯元件实际寿命与试验寿命[1]的对应关系，并结合多项实验室试验数据和实际在线采集数据分析，以及拟合回归的计算方法，建立了实际寿命的数学模型，再根据该数学模型对滤芯元件的实际寿命进行结果评定，将其评定结果与实际在线采集数据进行统计分析和对比，从而对本研究实际寿命的评定方法进行有效性验证，最终验证结果充分证明了该评定方法的科学性和可行性。

1 国内外现状分析

目前，国外普遍采用ISO 16889多次通过试验[2]或堵塞寿命试验[3]方法测得的纳污容量[4]或试验时间来评定滤芯元件的寿命，纳污容量越大或试验时间越长就说明滤芯元件的寿命也越长；国内的液压过滤器行业也是采用与ISO 16889等同采标的国家标准试验方法对滤芯元件进行寿命评定。但这些方法仅仅适用于两个滤芯元件寿命长短的比较，而就单个滤芯元件来说，仍不知道其实际使用寿命到底有多长；而纳污容量或试验寿命与实际使用寿命并不相等，在实验室测得的试验时间(纳污容量)很短，往往只有1～2 h甚至几十分钟，同时，大量试验数据与事实证明，该试验时间要远远小于其滤芯的实际使用寿命。也就是说，国内外现有的试验方法不能用于评定滤芯元件的实际寿命，更无法帮助用户制定合理、经济的维护和清洗时间间隔[5]。

就发展状况而言，国内外相关行业内围绕滤芯元件实际寿命的探索从未停止。本公司团队申报的国际标准新提案《液压传动 滤芯 实际寿命评定指南》通过国际标准化组织的多轮技术研讨与质疑答辩，现已批准立项为国际标准ISO/AWI TR 12144[6]，要求在2年内完成该国际标准正式文本的研究与编制工作，这是我国在液压污染控制国际标准体系中的原创标准。

本研究论述的研究内容，为制定国际标准ISO/AWI TR 12144并最终颁布提供理论依据与验证支撑。

2 理论依据

2.1 理论分析

在特定的工作条件下，滤芯元件随着使用时间的延长，其滤层多孔通道被堵塞的程度会越来越严重,其压差也会随之不断升高，从开始使用到压差升高至极限压差[7]的累计工作时间称为滤芯元件的实际寿命。由该定义可知，无论在实验室试验还是在实际使用过程中，只要滤芯元件达到其极限压差，即代表该滤芯元件应进行维护或直接报废。因此对于同一滤芯元件来说，基于压差相等原则，滤芯元件的实际寿命和试验寿命必然存在某一对应关系，如式(1)所示：

Δp=f(Q1，ρ1，α1，T1，X1)=f(Q2，ρ2，α2，T2，X2)

(1)

式中, Δp—— 滤芯元件的压差

Q1—— 滤芯元件的工作流量

ρ1—— 滤芯元件工作油液的黏度

α1—— 滤芯元件工作系统的污染物浓度

T1—— 滤芯元件的实际寿命

Q2—— 滤芯元件的试验流量

ρ2—— 滤芯元件试验油液的黏度

α2—— 滤芯元件试验系统上游污染物浓度

T2—— 滤芯元件的试验寿命

X1，X2—— 其他未知的影响因素

2.2 实际寿命的影响因素分析

由上述分析表明，滤芯元件从投入使用到报废的全寿命周期即为初始压差[8]升高至极限压差的全过程。在此过程中，影响滤芯实际寿命的因素主要有：滤芯元件的工作流量、滤芯元件工作油液的黏度[9]、滤芯元件工作系统的污染物浓度，以及其他未知的影响因素。

在实验室进行滤芯元件寿命试验时，可以参考实际使用中相同的工作条件，设置滤芯元件的试验条件对其进行寿命评定：

(1) 工作油液的黏度与其温度相关，而油液温度可根据实际工作温度进行控制，因此工作油液的黏度在滤芯实际寿命评定过程中的影响可忽略；

(2) 液压系统中的污染构成主要为固体颗粒，因此其污染物浓度的表示方法即为固体颗粒污染度等级，为便于统计分析，本研究统一采用判级标准ISO 4406[10]进行固体颗粒污染度等级的判定。

因此，在假设其他未知的影响因素可忽略不计的前提下，如式(2)所示，最终需要研究的是评定滤芯元件实际寿命的过程中，如何在实验室试验条件下，将滤芯元件的工作流量和工作系统污染物生成率的影响进行明确的量化。

Δp=f(Q1，N1，T1)=f(Q2，N2，T2)

(2)

式中,N1—— 滤芯元件在实际工况下油液的污染度等级(ISO 4406)

N2—— 滤芯元件在试验条件下油液的污染度等级(ISO 4406)

3 现场在线验证试验

3.1 验证程序

滤芯元件实际寿命的现场在线验证程序选用同型号的两套液压过滤器，按照式(1)所示的影响因素进行实施，旨在研究实际工况下，滤芯元件的压差、工作流量、工作油液的黏度、工作系统的污染物浓度等对其实际寿命的影响。现场在线验证在中国某液压有限公司的生产线设备——带旁路过滤器的液压过滤器壳体耐压试验台上进行，同时对该设备进行了必要的改造，增加了固体颗粒污染度、压差等在线监测仪器。

3.2 验证设备及样品信息

现场在线验证试验所用的设备为带旁路过滤器的液压过滤器壳体耐压试验台，实物图如图1所示。该验证设备的详细信息见表1。

图1 带旁路过滤器的液压过滤器壳体耐压试验台Fig.1 Hydraulic filter shell pressure-tight test stand diagram

表1 验证设备的信息Tab.1 Details on validation equipment

被试滤芯样品如图2和图3所示，其具体信息见表2。

图2 1#和2#被试滤芯Fig.2 1# and 2# tested filter elements

图3 被试过滤器总成Fig.3 Tested filter assembly

表2 被试滤芯样品信息Tab.2 Details on tested samples

3.3 验证数据及分析

1) 1#样品的现场在线验证

1#样品的现场在线验证条件见表3。部分在线采集数据见表4。基于实际验证在线采集的数据而生成的曲线见图4，由此得出的拟合曲线见图5。

由图4拟合曲线建立式(3)：

t=72.07ln2(Δp)-73.03

(3)

很明显，该曲线为双对数曲线。

表3 1#样品的在线验证条件Tab.3 1# validation condition

图4 1#样品实际在线采集数据生成的曲线Fig.4 1# curve based on online data

图5 1#样品拟合曲线Fig.5 1# fitting curve

图6 2#样品实际在线采集数据生成的曲线Fig.6 2# curve based on online data

表4 1#样品的部分实际在线采集数据Tab.4 Part of 1# actual online data

(续表4)

2) 2#样品的现场在线验证

2#样品的在线验证条件与1#样品的相同，如表5所示。部分在线采集数据见表6。基于实际验证在线采集的数据而生成的曲线见图6，由此得出的拟合曲线见图7。

表5 2#样品的在线验证条件Tab.5 2# validation condition

图7 2#样品拟合曲线Fig.7 2# fitting curve

由图7拟合曲线建立式(4)：

t=127.2ln2(Δp)-117.5

(4)

很明显，该曲线也为双对数曲线。

表6 2#样品的部分实际在线采集数据Tab.6 Part of 2# actual on line data

4 实验室验证试验

4.1 验证程序

滤芯元件实际寿命的实验室验证程序继续选用同型号的6套过滤器(3#～8#样品)，按照式(2)所示的影响因素进行实施。其中2套过滤器在A实验室进行，4套过滤器在B实验室进行，按照ISO 16889测试其多次通过试验结果。

4.2 验证设备及样品信息

实验室验证试验所用的设备为多次通过试验台，图8所示为被试滤芯安装于计测公司实验室的试验台上进行试验。

图8 被试样品在多通试验台上进行试验Fig.8 Tested sample of lab test

4.3 验证数据及分析

1) 3#样品的试验验证

3#样品的实验室试验验证在A实验室进行，试验粉尘为MTD[11]，试验条件见表7。试验时间为135 min，即2.25 h。试验数据见表8，试验拟合曲线见图9。

表7 3#样品的试验条件Tab.7 3# lab validation condition

表8 3#样品的试验数据Tab.8 3# lab test data

由图9拟合曲线建立式(5)：

t=94.24ln2(Δp)-36.98

(5)

图9 3#样品拟合曲线Fig.9 3# lab test fitting curve

很明显，该曲线为双对数曲线。

2) 4#样品的试验验证

4#样品的实验室试验验证在A实验室进行，试验粉尘为FTD[12]，试验条件见表9。试验时间为87 min，即1.45 h。试验数据见表10，试验拟合曲线见图10。

图10 4#样品拟合曲线Fig.10 4# lab test fitting curve

表9 4#样品的试验条件Tab.9 4# lab validation condition

表10 4#样品的试验数据Tab.10 4# lab test data

由图10拟合曲线建立式(6)：

t=65.64ln2(Δp)-27.13

(6)

很明显，该曲线也为双对数曲线。

3) 5#样品的试验验证

5#样品的实验室试验验证在B实验室进行，试验粉尘为MTD，试验条件见表11。试验时间为118 min，即1.97 h。试验数据见表12，试验拟合曲线见图11。

表11 5#样品的试验条件Tab.11 5# lab validation condition

表12 5#样品的试验数据Tab.12 5# lab test data

图11 5#样品拟合曲线Fig.11 5# lab test fitting curve

由图11拟合曲线建立式(7)：

t=94.46ln2(Δp)-37.14

(7)

很明显，该曲线也为双对数曲线。

4) 6#样品的试验验证

6#样品的实验室试验验证在B实验室进行，试验粉尘为FTD， 试验条件见表13。试验时间为86 min，即1.43 h。试验数据见表14，试验拟合曲线见图12。

表13 6#样品的试验条件Tab.13 6# lab validation condition

表14 6#样品的试验数据Tab.14 6# lab test data

图12 6#样品拟合曲线Fig.12 6# lab test fitting curve

由图12拟合曲线建立式(8)：

t=6.71ln2(Δp)-6.735

(8)

很明显，该曲线也为双对数曲线。

5) 7#样品的试验验证

7#样品的实验室试验验证在B实验室进行，试验粉尘为FTD，上游基本重量污染度为5 mg/L，试验条件见表15。试验时间为168 min，即2.80 h。试验数据见表16，试验拟合曲线见图13。

表15 7#样品的试验条件Tab.15 7# lab validation condition

表16 7#样品的试验数据Tab.16 7# lab test data

由图13拟合曲线建立式(9)：

t=128.7ln2(Δp)-64.69

(9)

很明显，该曲线也为双对数曲线。

图13 7#样品拟合曲线Fig.13 7# lab test fitting curve

6) 8#样品的试验验证

8#样品的实验室试验验证在B实验室进行，试验粉尘为FTD，试验流量为22.5 L/min，试验条件见表17。试验时间为225 min，即3.75 h。试验数据见表18，试验拟合曲线见图14。

表17 8#样品的试验条件Tab.17 8# lab validation condition

表18 8#样品的试验数据Tab.18 8# lab test data

图14 8#样品拟合曲线Fig.14 8# lab test fitting curve

由图14拟合曲线建立式(10)：

t=100.5ln2(Δp)+0.6807

(10)

很明显，该曲线也为双对数曲线。

5 验证试验结果总结

5.1 拟合曲线的有效性判定

由1#～8#样品的验证试验结果可知，滤芯元件的实际寿命和试验寿命与其对应压差的拟合曲线均为双对数曲线，变化趋势类同，证明此前论述的理论依据是有效的。

5.2 现场在线验证试验结果

根据上述现场在线验证试验的结果数据，可得到1#和2#样品在线采集的实际寿命，如表19所示。

表19 在线采集的实际寿命Tab.19 Service life collected online

由表可知，1#样品的污染物浓度等级高于2#样品，而1#样品的实际采集寿命约为2#样品的一半。经分析可得出污染物浓度与实际寿命的对应关系，即同型号的滤芯，其极限压差一致，当系统工作油液的黏度(实际工作温度)相同时，在同一系统工作流量下，污染物浓度等级高一级则相应的实际寿命短一半。

5.3 实验室验证试验结果

根据上述实验室验证试验的结果数据，可得到3#～8#样品在实验室测得的试验寿命，见表20。

由表20可知，4#样品和6#样品的试验流量均为45 L/min，试验粉尘均为FTD，污染物浓度等级一致，最终两者的试验寿命分别为1.45 h和1.43 h，结果很接近。这说明同型号的滤芯元件，其极限压差一致，当试验流量、试验粉尘、试验油液的黏度(实际工作温度)以及污染物浓度均相同时，试验寿命基本保持一致。

表20 实验室测得的试验寿命Tab.20 Test life tested in lab

3#样品和5#样品的试验粉尘均为MTD，污染物浓度等级一致，但试验流量分别为40 L/min和45 L/min，最终两者的试验寿命分别为2.25 h和1.97 h，结果不一致。这说明同型号的滤芯元件，当试验粉尘、试验油液的黏度(实际工作温度)以及污染物浓度均相同时，试验流量越小，试验寿命越长。同时该结果均大于4#和6#样品的试验结果， 证明了采用MTD中级试验粉尘与FTD精细试验粉尘评定滤芯元件的试验寿命，其结果是不同的。

6#样品的污染物浓度等级高于7#样品，而6#样品和7#样品的试验寿命分别为1.43 h和2.80 h，即6#样品的试验寿命约为7#样品的一半。经分析可得出污染物浓度与试验寿命的对应关系，即同型号的滤芯元件，其极限压差一致，当试验流量、试验粉尘和试验油液的黏度(试验温度)相同时，污染物浓度等级高一级，则相应的试验寿命也短一半，这与表19的分析结果一致。

6#样品和8#样品的试验粉尘均为FTD，污染物浓度等级一致，但试验流量分别为45 L/min和22.5 L/min，最终两者的试验寿命分别为1.43 h和3.75 h，结果相差较大。这说明同型号的滤芯元件，当试验粉尘、试验油液的黏度(实际工作温度)以及污染物浓度均相同时，试验流量小一倍时，相应的试验寿命增大不止一倍。

6 数学模型的建立

结合上述验证结果分析及式(2)确定的关键影响因素，可建立数学模型如式(11)所示，由此可根据试验寿命评估出等压差下的实际寿命为：

(11)

其中，N2-N1取ISO 4406对应的3个污染度等级差值结果的最小值。

7 实际寿命的评定

7.1 评定结果

采用数学模型式(11)评估出的实际寿命T1与1#和2#样品在线采集的实际寿命的相对偏差分别见表21和表22所示。

表21 1#样品的实际寿命评估值T1与在线采集的实际寿命的相对偏差Tab.21 Relative deviation between evaluated service life T1 and actual life collected online of sample 1#

表22 2#样品的实际寿命评估值T1与在线采集的实际寿命的相对偏差Tab.22 Relative deviation between evaluated service life T1and actual life collected online of sample 2#

7.2 评定结果分析

由表21和表22的评定结果可知，采用数学模型式(11)对1#和2#样品同时进行评定，得到的实际寿命评估值T1与其在线采集的实际寿命的相对偏差的分布趋势是一致的，具体分析如下：

(1) 3#和5#样品均采用的是MTD中级试验粉尘对其进行试验，不同之处仅在于两者试验流量相差5 L/min(3#样品和5#样品的试验流量分别为40 L/min和45 L/min)。3#样品的评估结果偏差分别为48.8%和50.6%，5#样品的评估结果偏差分别为46.6%和48.3%，均接近50%，可见不同试验流量下，采用MTD试验粉尘的评估结果与实际在线采集的寿命结果偏差都大于48%，因此不能采用MTD试验粉尘评估β10≥200的滤芯元件的实际寿命;

(2) 根据8#样品试验结果可知，在流量不变的情况下，仅将试验流量减小一半时，评估结果偏差分别高达39.5%和41.2%，因此评估实际寿命建议在等流量条件下进行;

(3) 根据4#,6#和7#样品试验结果可知，在不同的上游基本重量污染度以及等流量(45 L/min)条件下，采用FTD试验粉尘的评估结果与实际在线采集的寿命结果偏差分别为4.2%～7.9%和5.4%～9.2%，即评估结果偏差均小于10%。

7.3 评定方法的有效性分析

综上所述，实验室在等流量条件下对滤芯元件实际寿命进行评估的数学模型[13]为：

T1=2N2-N1×T2

(12)

其中，N2-N1取ISO 4406对应的3个污染度等级差值结果的最小值。

因此，在实验室评定β10≥200的滤芯元件实际寿命的方法步骤主要如下：

(1) 在与实际使用工况一致的流量条件下，在实验室采用FTD试验粉尘对滤芯元件进行试验，获得其试验寿命T2；

(2) 在实际使用工况下取样测定其油液污染度等级N1；

(3) 在实验室试验系统中取样测定其油液污染度等级N2；

(4) 根据本研究所建立的数学模型式(12)，代入试验寿命T2、实际工况下油液的污染度等级N1和试验条件下油液的污染度等级N23项参数值进行评估计算，得出滤芯元件的实际寿命T1。

同时，由上述结果分析可知，该评定方法有效可行。

8 结论

本研究通过对同型号的多个滤芯元件进行多次实际寿命的现场评定和实验室试验寿命的评定，并将其实验室试验数据与实际在线采集数据结合起来，拟合得出科学有效的数学模型，用于在实验室评定滤芯元件在不同压差下的实际寿命。该评定方法经验证证明能够科学准确的评定滤芯元件的实际寿命，并对开展滤芯元件实际寿命的评定工作具有重要的指导意义。