液壓濾清器使用過程中過濾比下降原因的初步分析

朱呂，梁云，劉勇

(1. 華南理工大學(xué)制漿造紙國家重點實驗室，廣東廣州510640;2. 九江七所精密機電科技有限公司，江西九江332000)

由于受到各方面的污染，液壓系統(tǒng)油液中含有較多的污染物，必須借助于過濾或凈化裝置去除油液中的污染物，通常會設(shè)計過濾系統(tǒng)對自身液壓油進行凈化［1］。我國從20 世紀80年代初在各工業(yè)部門逐步推行液壓污染控制技術(shù)和管理措施，在液壓污染控制方面取得了一定的成效。但是，與國外主要發(fā)達國家相比，還有相當(dāng)大的差距;由于受認識觀念、設(shè)備管理制度和一些市場導(dǎo)向的影響，使得污染控制技術(shù)的發(fā)展受到了極大的限制［2］。

近幾年，在實際應(yīng)用液壓濾材時，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)濾清器在整個工作過程中，其過濾比［3］下降的幅度較大，而原裝進口的濾清器過濾比下降的幅度較小。這說明國產(chǎn)濾芯在過濾工作后期，其過濾效率逐漸下降，工作效率明顯降低，此時濾芯的過濾作用已大大減弱，液壓系統(tǒng)油液污染加重，進而影響工程機械的整體工作性能，甚至?xí)鸸こ虣C械的故障乃至報廢。因此，對工程機械液壓系統(tǒng)內(nèi)部的液壓元件、液壓油進行污染控制十分重要。

液壓濾材主要由玻璃纖維構(gòu)成，玻纖濾材具有良好的過濾性能，可以達到很高的過濾精度(小至1 μm)［4－5］，但是濾材后期的打折加工、無紡布復(fù)合層和濾材的結(jié)構(gòu)都會對濾材的精度產(chǎn)生影響。作者對以上因素進行了分析和研究，以此為液壓濾材的使用加工及優(yōu)化提供了一些依據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗樣品與儀器

1.1.1 樣品

實際使用后液壓濾芯:分別編號為X1 和X2，九江七所精密機電科技有限公司提供。

潔凈的液壓濾材:分別編號為C1，C2，C3，C4，其中C1、C2 和C3 為玻纖濾材，沒有無紡布復(fù)合層，C4 為C3 濾材的表面復(fù)合了一層無紡布，九江七所精密機電科技有限公司提供。

打折加工后的潔凈玻纖濾材C5，九江七所精密機電科技有限公司提供。

無紡布:定量為30 g/m2，紡粘無紡布，九江七所精密機電科技有限公司提供。

1.1.2 主要儀器

FX 3300 透氣度測定儀，CFP-1100-A 毛細管流量孔徑儀，ZEISS EVO 掃描電子顯微鏡，08FB018 多通測試臺(ISO 16889-1999)。

1.2 實驗方案

1.2.1 使用后濾材結(jié)構(gòu)的觀察

將實際應(yīng)用后的濾芯(X1，X2)進行切割解剖，取出內(nèi)部濾材，用石油醚洗滌并在掃描電子顯微鏡下觀察濾材結(jié)構(gòu)特征情況。

1.2.2 潔凈濾材基本物理性能和過濾性能的檢測

C1、C2 潔凈濾材定量，檢測透氣度、孔徑，參照ISO 16889-1999 標(biāo)準檢測濾材C1、C2、C3、C4 的過濾性能，表1 是測試條件。

表1 測試條件

2 結(jié)果與討論

表2 是國內(nèi)某過濾企業(yè)給出的X1 和X2 濾芯多通測試結(jié)果，兩種濾芯的初始過濾比在實際應(yīng)用中都可滿足液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求，但是隨著測試時間以及壓差的上升，X2 濾芯在整個工作過程中其過濾比下降幅度較大(后期10 μm 顆粒過濾比僅為1.5，這表明此時濾芯已經(jīng)完全失去了過濾的能力)。文中主要就造成上述這種現(xiàn)象的原因進行分析。液壓濾材由玻璃纖維構(gòu)成，但是玻璃纖維本身無結(jié)合力，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，濾材在過濾時，隨著其納污量的增加，其入流面和出流面的壓差也在逐漸上升，同時伴隨著液壓環(huán)境中溫度和壓力的上升及油液的沖擊，濾材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很可能會受到影響，進一步影響到濾材的過濾比。在實際使用中，濾材的后期打折加工以及施膠和無紡布復(fù)合層等工藝有可能對濾材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響。

表2 10 μm 過濾比

2.1 打折加工對濾材過濾性能的影響

從表2 可以看出:X1 濾芯在整個工作過程中其過濾比較為穩(wěn)定(后期10 μm 過濾比為300 左右，仍然保持者較高的過濾能力)，而X2 濾芯在后期已經(jīng)完全失去了過濾的能力。濾材在加工成濾芯時，需要將平板的濾材折疊加工為如圖1 所示的形狀，而打折的加工工藝對濾材的結(jié)構(gòu)有著重要的影響，圖2 是使用后的液壓濾芯(用于風(fēng)電系統(tǒng))，圖3—6 分別是X1 和X2 濾芯中濾材的電鏡照片。

圖1 液壓濾材

圖2 液壓濾芯(使用后)

圖3 X1 樣品平面

圖4 X1 樣品折疊處截面

圖5 X2 樣品平面

圖6 X2 樣品折疊處截面

圖3 和圖4 分別是X1 樣品濾材折疊處平面和截面的電鏡照片，可以看出:X1 樣品濾材在壽命終止時，其折疊處沒有發(fā)生明顯的斷裂現(xiàn)象。而從圖5 和圖6 可以看出:X2 樣品濾材在壽命終止時，其折疊處已經(jīng)發(fā)生了嚴重的斷裂現(xiàn)象，通過其截面圖片也可看出濾材結(jié)構(gòu)斷裂的現(xiàn)象。

玻纖濾材在打折加工時，有時從表面觀察并沒有發(fā)生完全的斷裂，但加工不好的玻纖濾材多數(shù)在折疊處都有裂口，只有少量玻纖維持連接，接著在儲存以及使用過程中，折疊處在應(yīng)力的作用下，其裂口處會逐漸破裂。圖7 和圖8 是玻纖濾材打折后折疊處的照片。

圖7 C5 樣品折疊處

圖8 C5 樣品折疊處

圖7 和圖8 是C5 樣品不同折疊位置的照片，從圖7 中可以明顯地看到斷裂現(xiàn)象，而圖8 中看不到明顯的裂口。圖9 和圖10 是相應(yīng)位置的電鏡照片，可以看出:雖然在圖8 中目測沒有明顯的裂口，但實際上兩種情況下的玻璃纖維在折疊處都發(fā)生了斷裂現(xiàn)象。濾材在加工成濾芯時，其折疊處的斷裂現(xiàn)象會嚴重影響濾材的過濾性能，而且在使用過程中，其受損程度會加深甚至破裂，那么在濾材斷裂處對污染物的過濾作用將大大降低，其過濾性能將受到嚴重的影響，同樣有可能造成在濾芯前期被捕捉的污染物就會再次進入液壓系統(tǒng)之中的現(xiàn)象，這也是液壓濾芯在使用后期過濾比下降的重要原因。

圖9 C5 樣品折疊處電鏡照片

圖10 C5 樣品折疊處電鏡照片

2.2 無紡布復(fù)合層對過濾性能的影響

在液壓濾材的實際應(yīng)用中，有的濾芯是單層的玻纖濾材，有的濾芯在玻纖濾材表面復(fù)合了一層無紡布。液壓濾清器制造企業(yè)在使用單層玻纖濾材時，也常常會在打折加工時在表面復(fù)合一層無紡布，但其目的主要是避免濾材結(jié)構(gòu)受到破壞，而沒有考慮無紡布是否會對材料在實際使用過程中的性能產(chǎn)生影響。圖11—12 給出了C3 濾材在入流面是否復(fù)合無紡布的情況下，多通效率測試的過濾性能(10 μm 顆粒過濾比)的變化情況以及壓差的上升情況。

圖11 10 μm 顆粒過濾比

圖12 濾材壓差曲線

圖11 是C3 和C4 樣品在整個多通測試過程中10 μm 顆粒過濾比的變化情況，C4 樣品在入流面復(fù)合了無紡布的情況下，它對10 μm 顆粒的過濾比數(shù)值較C3 高，也就是說對于顆粒的過濾能力占優(yōu)，且在測試后期C4 樣品的過濾比相對于C 樣3品而言仍然較高。從整個測試時間看來，C4 樣品其過濾比下降了68. 7%，C3 樣品其過濾比下降了60. 1%，兩種樣品在整個測試時間內(nèi)的過濾比下降程度并沒有較大的區(qū)別，但是C4 樣品末尾過濾比與C3 樣品的初始過濾比差別不大，說明C4 樣品在后期的過濾比仍然有利于維持液壓系統(tǒng)良好的工作環(huán)境。

圖12 是C3 和C4 樣品在整個多通測試過程中濾材壓差的變化情況，在整個多通測試過程中，在前期C3 和C4 樣品的壓差都較穩(wěn)定，上升并不明顯，而在測試后期，隨著濾材納污量的增加其兩端壓差逐漸上升，但是C4 樣品在入流面復(fù)合了無紡布的情況下，相比于C3 樣品其壓差依然上升較緩，且上升幅度不大，圖中可見t=90 min 時C3 樣品的壓差是C4 樣品壓差的6 倍。

從以上結(jié)果可以看出，無紡布不僅起著一定的粗濾作用，而且在一定程度上維持濾材的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進一步延長了濾材的工作壽命，使得濾材后期的過濾比仍然有利于維持液壓系統(tǒng)良好的工作環(huán)境?？紤]到上述因素，采用單層濾材自己復(fù)合無紡布加工濾芯的企業(yè)要加強對無紡布復(fù)合層的重視，同時無紡布與玻纖濾材間還會有匹配性問題，理想的無紡布復(fù)合層既可以讓濾材保持較高的過濾比和過濾精度，同時也可以維持濾材結(jié)構(gòu)，延長濾材的工作壽命。

2.3 材料結(jié)構(gòu)對過濾性能的影響

材料的結(jié)構(gòu)包括孔隙、樹脂分布等都會對濾材過濾性能造成影響，圖13—16 分別是不同的濾材(C1，C2)表面的電鏡圖片，顯示了纖維和樹脂的分布情況。

圖13 C1 樣品SEM 圖(100 ×)

圖14 C1 樣品SEM 圖(500 ×)

圖15 C2 樣品SEM 圖(100 ×)

圖16 C2 樣品SEM 圖(500 ×)

可以看出:C1 樣品濾材其膠液分布不均勻，其纖維所構(gòu)成的孔隙也較小，結(jié)構(gòu)較為致密，與C2 樣品濾材相比而言，C1 樣品濾材的孔在較大程度上被堵塞，降低了濾材的過濾空間，這對濾材的過濾作用有嚴重的影響，可能會造成濾材在工作的過程中流阻較大;C2 樣品濾材施膠相對均勻，且膠液并沒有造成明顯地堵塞濾材內(nèi)部的孔。

表3 是C1 和C2 濾材基本物理性能的檢測結(jié)果，圖17 和圖18 是C1 和C2 濾材的多通測試結(jié)果。

表3 物理性能

圖17 濾材壓差曲線

圖18 10 μm 顆粒過濾比

從表3 可以看出:兩種濾材的定量相差不大，但是C1 樣品的平均孔徑是C2 樣品平均孔徑的1.7 倍左右，說明在C1 樣品的結(jié)構(gòu)中，其孔隙較大;同樣，從透氣度這一指標(biāo)可看出C1 樣品的透氣度是C2 樣品的1.8 倍。

圖17 是C1 和C2 樣品在整個多通測試過程中濾材壓差的變化情況，C1 樣品在整個測試過程中，其壓差上升較快。從表3 中知道C1 樣品的透氣度是C2樣品的1.8 倍，因此在圖17 中可以看到:C1 樣品的初始壓差(188 kPa)低于C2 樣品的初始壓差(195 kPa);C1 樣品的初始壓差在試驗進行18 min 開始上升，在t=27 min 到達480 kPa，而C2 樣品的壓差在試驗進行38 min 開始上升，到達480 kPa 的時間是50 min。圖18 是C1 和C2 樣品在整個多通測試過程中10 μm 顆粒過濾比的變化情況，可以看到:C1 樣品在t=18 min 左右時，其10 μm 顆粒過濾比開始下降，而C2 樣品對10 μm 顆粒的過濾比在t =32 min 左右開始下降。結(jié)合上面的電鏡照片可以看出:由于樹脂分布的情況有較明顯的差異，雖然兩種濾材的透氣度值相差不大，但是其結(jié)構(gòu)的差異會對濾材兩端壓差和過濾性能產(chǎn)生影響，在實際使用中C2 樣品濾材更有利于延長濾材的壽命以及維持較高的過濾比;同時壓差快速的上升會嚴重影響濾材的工作壽命及造成濾材結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，這樣有可能使得已被截留的污染物再次進入液壓系統(tǒng)之中，造成濾材過濾比下降的現(xiàn)象。上面的結(jié)果也說明了一些企業(yè)在選擇和使用液壓濾材時，只看重濾材的物理指標(biāo)是不全面的，因為僅僅依靠物理指標(biāo)無法評估出材料結(jié)構(gòu)對濾材使用過程中性能變化的影響。

2.4 樹脂對過濾性能的影響

因為玻璃纖維本身無結(jié)合力，所以濾材都會用樹脂進行增強，從而使玻璃纖維更好地結(jié)合在一起。在油液過濾的濾材中，一般使用酚醛和丙烯酸樹脂［6－7］。目前應(yīng)用較多的液壓玻纖濾材一般使用丙烯酸樹脂［7］，因為酚醛樹脂會增加玻纖濾材的脆性，這不利于濾材后期的打折加工;同時不同的樹脂其實際應(yīng)用性能是不同的，需要選擇合適的樹脂來適應(yīng)不同的實際應(yīng)用環(huán)境。

據(jù)國內(nèi)外研究資料及實際應(yīng)用:液壓濾材上膠量一般低于10%，上膠量過大會造成孔的堵塞，從而影響濾材的過濾作用;上膠量過低則會造成纖維結(jié)合力不足，導(dǎo)致濾材結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。另外樹脂在液壓系統(tǒng)高溫高壓的環(huán)境中有可能會發(fā)生溶出以及分解等現(xiàn)象，這些溶出物造成油液污染的同時也導(dǎo)致濾材結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，這也會產(chǎn)生濾材過濾比下降的現(xiàn)象。因此理想的樹脂應(yīng)該既能適應(yīng)液壓系統(tǒng)環(huán)境，不會在工作過程中產(chǎn)生上述的溶出和分解現(xiàn)象，又能使纖維更好地結(jié)合在一起，使濾材有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而在其壽命期間維持較高的過濾比。

3 結(jié)論

通過文中的研究可以得出以下結(jié)論:

(1)液壓濾材后期的打折處理對濾材過濾性能有著嚴重的影響，其折疊處的斷裂會造成已被截留的污染物重新進入液壓系統(tǒng)，導(dǎo)致過濾比下降的現(xiàn)象;

(2)無紡布復(fù)合層在對尺寸較大污染物進行過濾的同時，也在一定程度上維持了濾材結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進一步維持了濾材的工作壽命，使得濾材在后期的過濾比仍然有利于維持液壓系統(tǒng)良好的工作環(huán)境;

(3)濾材的結(jié)構(gòu)會對濾材的過濾性能造成影響，在濾材工作的過程中，濾材的結(jié)構(gòu)會對濾材兩端的壓差產(chǎn)生嚴重的影響，將直接導(dǎo)致濾材工作壽命的縮短，同時會影響濾材的過濾性能，結(jié)合文中對C1 和C2 樣品的研究，在整個測試過程中，兩種濾材達到相同阻力的時間相差了1 倍，C2 樣品的最高10 μm顆粒過濾比是C1 樣品最高10 μm 顆粒過濾比的2.6倍，因此濾材的結(jié)構(gòu)對濾材的工作壽命和污染物顆粒的過濾比都有著嚴重的影響;

(4)樹脂對于玻璃纖維之間的結(jié)合有著重要的作用，在選用樹脂時要考慮到對液壓系統(tǒng)環(huán)境的適應(yīng)性，又能使纖維更好地結(jié)合在一起，使濾材有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而使濾材在其壽命期間維持較高的過濾比。

［1］FITCH E C，HONG I T．Hydraulic System Design for Service Assurance［M］．BarDyne，Inc．，2004．

［2］賈瑞清，王爐平．液壓污染控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀及重點展望［J］．液壓氣動與密封，2004(1):15－17．

［3］THOMSON Cameron，GODSAY Milind，KEISLER Randall．Filter Media Suitable for Hydraulic Applications:United States，0079553［P］．2011．

［4］姜肇中，鄒寧宇，葉鼎銓．玻璃纖維應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:中國石化出版社，2004．

［5］GODSAY Milind，KEISLER Randall．Filter Media Suitable for Hydraulic Applications:United States，0252510［P］．2010

［6］趙美英，紀玉珍．浸漬樹脂在汽車濾紙生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］．天津造紙，1996．

［7］GOMEZ I Luis，COLE Robert．Glass Fiber Bonding Resins:United States，4289644［P］．1981．