大流量機油濾清器綜合試驗系統研究

王熾軍，唐松柏，梁濤，陳學勁，姜向京

(1.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州510530;2.中國鐵道科學研究院，北京 100081)

機油濾清器廣泛應用于汽車、鐵道、船舶、航天等行業，是在每個行業中名列前茅的易損易耗關鍵零部件，其主要作用是過濾內燃機油底殼的機油中的雜質，避免內燃機磨損嚴重而返廠大修，每次在內燃機保養時必須更換，為易損易耗品，如果破損，其積聚的粉塵進入系統，會直接造成發動機嚴重損壞。因此，優質的機油濾清器能創造良好的內燃機工作環境，提高內燃機壽命。

隨著內燃機技術的不斷創新和發展，對濾清器的性能和要求也越來越高，特別是對大流量的機油濾清器。日前，TB/T 1436-2013《內燃機車機油濾清器》正式發布實施，該標準在原2008年版的標準基礎上引入了新的要求，如耐高壓降、循環試驗 (熱)等檢測項目，國內尚無能夠完全滿足該標準檢測的檢測設備，但CRCC產品認證需求日益迫切。因此，為了完善大流量濾清器產品的檢測能力，研制了可以完成原始阻力、原始濾清效率、堵塞壽命、耐高壓降、循環試驗 (熱)5項測試的大流量機油濾清器綜合試驗系統，既可以滿足CRCC產品認證要求，同時也可以滿足大型商用車或工程車輛用濾清器產品的測試需求。

文中主要目標為研制25～200 L/min流量范圍的大流量機油濾清器綜合試驗系統，主要研究內容包括硬件研究和軟件研究，其中硬件研究包括原始阻力/原始濾清效率/堵塞壽命/耐高壓降系統、循環試驗(熱)系統、輔助系統 (污注系統、凈化過濾系統和溫控系統)、計算機電控系統的綜合性研究。

1 技術方案

通過深入剖析標準要求、明確任務要求后，重點分析設備系統的工作原理，并繪制每個檢測項目的原理圖，針對關鍵系統分析結果影響因素，確定材料選型及管道布置，并制定驗證方法及技術要求，最終以設備運行數據證明項目完成情況良好。

1.1 工作原理

根據研究目標要求，各檢測項目的檢測條件及所需參數如表1所示。

表1 檢測項目及檢測條件

1.2 臺架結構研究

臺架主體采用工業鋁合金型材組合設計而成。工作面板采用不銹鋼絲紋板，面板上安裝精密壓力表、蠕動泵、污染油取樣閥。臺面為不銹鋼接油盤，下襯理化板。臺面上安裝支架用于固定測壓管路、被試過濾器。臺面中部下面設有不銹鋼油池，用來收集殘油。臺面右側安裝高速攪拌裝置。臺架底部內嵌集油盤，臺架底部右側設置電器箱。臺架后方布置油泵組件、試驗油箱。試驗系統正視布置圖見圖1。

圖1 試驗系統正視布置圖

1.3 試驗管路布置

試驗管路材料采用不銹鋼管，主要為被試產品提供試驗接口及符合試驗要求的試驗介質。試驗管路系統主要由主試驗管路和輔助試驗管路組成。主試驗管路由螺桿泵組、質量流量計、凈化裝置、控制閥組成。輔助試驗管路由輔助螺桿泵組、加熱冷卻裝置、控制閥組成。試驗臺管路布置圖見圖2。

圖2 試驗臺管路布置圖

1.4 系統研究

1.4.1 原始阻力/原始濾清效率/堵塞壽命/耐高壓降系統

原始阻力、原始濾清效率、堵塞壽命、耐高壓降耐4個項目可以分別描述為不加試驗粉塵的流量與壓力降曲線試驗、加了指定量粉塵的流量與壓力降試驗、不斷加粉塵使壓力降上升到指定值的試驗、不斷加粉塵直至使濾芯破損的試驗，試驗可以說是一步接一步地完成，每個項目是在前一個項目的基礎上拓展的。

原始阻力/原始濾清效率/壽命試驗/耐高壓降系統原理圖見圖3。

圖3 原始阻力/原始濾清效率/壽命試驗/耐高壓降系統

原始阻力試驗條件要求試驗介質為24 mm2/s黏度 (在指定牌號機油控制相應的溫度)的試驗液，在額定流量40%～110%之間，按10%的步長均勻取8個流量點，測試不同的壓力降。

原始濾清效率要求按0.1 g/L的比例把試驗雜質加入油箱中，在規定的溫度與規定的試驗體積下，使試驗雜質完全連續通過濾清器至規定的試驗液體，在此過程中從濾清器前后用取樣瓶各取油樣300 mL，次數為3次，用重量分析法對油樣進行分析，根據油樣分析結果計算濾清器的原始濾清效率百分比。

堵塞壽命試驗是通過污注攪拌系統攪拌污染液體15 min后，通過蠕動泵將污注攪拌油箱里的試驗雜質注入到試驗油箱里，并控制試驗溫度穩定，這時污染雜質通過濾芯導致濾芯逐步堵塞，產生壓降至濾芯規定的終止壓降70 kPa。

耐高壓降試驗的原理與堵塞壽命相似，只是終止條件不同而已，要么直到壓力降突然下降即濾芯破損，要么直至客戶指定壓力降。如果參考ISO 4548標準，試驗終止壓降p=350 kPa，可能在過程中濾芯前壓會超過500 kPa，那么需要切換到1 MPa的壓力傳感器。

1.4.2 循環試驗 (熱)試驗系統

循環試驗 (熱)其實是原始阻力的進化版，它不需要取樣，不需要污注攪拌系統，需要測試不同工況下的流量壓降曲線，并且需要使用高黏度機油。要求濾清器在額定流量的25%～100%之間，按15%的增量取6個流量點，測試不同的壓力降。循環試驗(熱)試驗系統原理圖見圖4。

1.4.3 輔助系統 (污注攪拌系統、凈化過濾系統和溫控系統)

此系統的各管路布局相對常規試驗系統復雜，需要考慮污注流量的穩定、多處排液位置設計、熱交換器的啟閉 (試驗油溫的控制)等。

污注攪拌系統 (見圖5)的目的是給試驗系統提供恒定流量和恒定污染物濃度的污染油液。為了避免污染物在油箱底部沉積，油箱底部呈錐形，其錐角小于90°，如圖6所示。為保證試驗系統油液的清潔度達到試驗要求，選擇系統凈化過濾器的濾徑小于10 μm。

圖5 污注攪拌系統

圖6 完全錐形油箱

為了保證試驗結果的重復性、準確性、一致性及試驗臺的壽命，在試驗前后需要對各個管路進行凈化，如圖7所示。因此，凈化過濾系統中的凈化過濾器將采用自行設計的流量阻力試驗臺專用凈化過濾器，能夠使系統清潔度迅速達標，納污容量大，使用壽命長，過濾比為β10(c)≥200。

圖7 凈化系統原理圖

溫控系統將試驗系統里的試驗液通過加熱器及冷卻器 (外接冷卻塔)來控制溫度。設定溫度后，啟動加熱器，當試驗液溫度高于試驗前設定值時，打開電磁閥，冷卻功能將起到控溫作用。

1.4.4 計算機電控系統

這是設備的控制核心，計算機控制系統的硬件由功能板卡、傳感器、驅動器、執行單元組成，測控軟件為自主開發的計算機控制程序，是計算機執行操作的語言表示。項目研究過程中要根據流量、壓降與溫度各參數之間的檢測要求選擇合適的計算機電控系統硬件，根據選用的硬件驅動開發測控軟件。系統通過工控機自動控制及測量，實現試驗過程的自動控制和試驗結果的自動顯示以及曲線自動繪制，并且帶有自檢功能和自診斷功能。

2 展望

標準中要求控制黏度范圍使得滿足檢測條件，而此項目僅僅是在初次購買試驗液時根據廠家給定的出廠油品理化檢驗報告得知各參數，并沒有對試驗液在實際工作中是否滿足檢測要求進行評價，在此存在不確定因素，可能檢測員會因為試驗液使用時間過長或使用不注意，試驗液指標不滿足標準要求而造成檢測結果數據不準確。

如果條件允許，建議在管道中加裝一套運動黏度在線監測儀，通過在線監測黏度，能夠更好地反饋溫度控制的需要，以保證試驗液黏度能滿足指定要求。

3 結論

研制大流量機油濾清器綜合試驗系統，滿足CRCC及工程機械市場的需求，解決了給濾清器系統提供穩定的大流量油源、智能油溫控制、精確數據采集等技術難題，是一套專門針對大流量濾清器可同時完成多項目測試的集成化設備，同時提高了試驗效率和試驗結果的準確性，其自動化程度較高，可大大減少人員參與的時間和誤差，可帶來可觀的經濟成本和人員成本的節約，具有很高的工程價值和經濟效益。

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