高精度液壓系統兩相流分離技術研究

洪少華，林昌杰

(1. 武漢交通職業學院機電工程學院，湖北武漢430065;2. 武漢水電控制設備有限公司設計科，湖北武漢430063)

液壓系統污染是影響液壓系統安全、穩定運行的問題，且經常出現，污染物對液壓系統的危害十分巨大。據統計，液壓系統75% 以上的故障是由系統油液污染造成的，這些污染物包括:固體顆粒、水、空氣、化學物質、微生物、靜電離子、熱能、磁場和放射性物質。據分析，在這些污染物中，固體顆粒產生的影響又是主要的，約占80%的比例。因此，可以近似把控制系統液壓油看成是液態油和固態微顆粒的兩相流，高精度高壓液壓系統兩相流分離技術是現代精密自動控制系統的一個重要的研究課題。

作者長期關注現代大型水電、火電發電設備的控制技術。現代大型水、火電機組的發展方向是超大型化、高自動化、高安全性。控制系統對液壓系統用油的要求越來越苛刻。

高效、安全地除去液壓系統中存在的細小固體微粒，保證機組長期安全穩定運行，是文中研究的要點。

1 高精度高壓液壓系統對液壓過濾設備的要求

現代大型水電、火電機組的控制設備液壓系統的特點是高油壓、大流量、高精度。現在，一般機組油壓等級已經達到6 ～10 MPa;主工作元件的進出口公稱通徑已經達到100 ～200 mm;液壓油的允許最大顆粒等級是2 ～5 μm，局部回路已經達到1 ～2 μm。

在這些場合，對運行的液壓油過濾設備的要求是:

(1)液壓油液流動暢通，過濾元件壓力損失小;

(2)過濾過程中主機液壓元件應得到沖洗;

(3)過濾元件能夠在線自清污，具備自清潔功能，且不影響機組的運行;

(4)過濾液壓系統與主機的連接或斷開方便，并滿足產品多樣化的要求;

(5)過濾元件應該有足夠的抗疲勞性和抗沖擊性，還能夠適應一定的溫度變化;

(6)過濾液壓系統具有狀況自檢的功能，維護保養方便。

2 過濾元件的選擇與安裝

針對以上的一些特別要求，現在采取以下的一些應對措施:

(1)嚴格控制新油的清潔度;

(2)嚴格控制設備裝配前和裝配期間各元件及通流部分的清潔度;

(3)在液壓回路必要的地方布置合適的過濾裝置;

(4)定期對液壓油進行整體旁路循環過濾;

(5)對系統的油質量進行動態的在線監測。

這里，能夠做到和重點研究的只能是其中的第3 項。

在液壓回路中使用的過濾器有吸油過濾器、壓力管路過濾器、回油過濾器和旁路過濾器等。它們的工作任務和安裝位置各不相同。現在旁路過濾器一般已不采用，吸油過濾器和回油過濾器已經有比較成熟的產品可以直接選用，關注的是主壓力管路過濾器。主管路過濾器一般設置在液壓系統的核心控制元件如主配壓閥、電液轉換器和比例伺服閥之前，處于液壓控制系統的心臟部位，對保證機組的安全、穩定運行至關重要。

3 過濾材料的選擇

過濾器過濾層的材質可以分為表面性和深度性兩類。表面性濾材由金屬細絲編制而成，也有其他的結構形式。過濾精度由編織孔及線隙尺寸決定，在理想狀態下，任何大于孔隙尺寸的微粒均會被攔截。這種濾材的過濾作用只發生在濾網表面，所以稱為表面型過濾。隨著污物在過濾網面的不斷堆積，其孔隙會被不斷堵塞，從而使壓降逐漸增大，過流量逐漸減小。一般，這種濾網要有足夠大的過流面積，可以重復使用，但使用中還要注意表面除污。深度性濾材為有一定厚度的多孔材料。它的孔眼形狀、大小都不規則，不均勻，內部流道彎曲、復雜，它的功率作用不光發生在材料表面，還在過濾材料的深處，所以稱為深度性濾材。用這種材料做成的濾網，納污容量比較大，壓降比較小，但除污、清洗比較困難，一般不能重復使用。

作者在實驗室中，對多種濾材進行了多次分析比對試驗，最后確定選用不銹鋼燒結網為過濾設備的濾材。這是因為，燒結網由不銹鋼絲網經疊加、真空燒結而成，具有耐腐蝕性強、滲透性好、強度高、易于清洗和反清洗、過濾精度精確、濾材衛生潔凈、絲網不脫落等特性，綜合性能明顯優于其他類型的過濾材料。

4 過濾裝置的工作原理

作者在實驗室進行了高精度高壓液壓系統兩相流分離裝置實驗。其原理見圖1。由不銹鋼燒結網制成向下開口杯狀濾網體與步進電機直連，可由步進電機帶動旋轉。濾網體內部設有固定的吸污口，其進口緊貼濾網體內壁。吸污口通過電磁閥、節流閥與污油箱連接。濾網殼體上還布置了差壓控制器和最后機會濾網。當這種裝置接入高壓液壓油源時，壓力油從杯狀濾網體內腔流入，通過濾網進入殼體，過濾后進入工作系統。當濾網面上污物逐漸增多使系統差壓增大到設定值時，差壓開關發出信號，通過可編程控制步進電機動作，同時打開兩通閥，網面上附著的污物在差壓的作用下，被強行吸入吸污口，通過兩通閥、節流閥，進入污油箱。步進電機緩慢轉動一圈，網壁上的污物被全部清理干凈，清污過程完成。整個裝置可編程控制，有自動差壓清污、定時清污、手動清污等多種工作狀態。當這些功能完全失效時，還有最后機會過濾器起旁通過濾作用，確保系統安全運行。這個裝置還具有智能工況切換功能、遠程通信控制功能和自動報警等多種功能。

圖1 液壓油兩相流分離裝置原理圖

5 結束語

目前，已經完成了液壓油兩相流分離裝置實驗室的全部工作。實驗證明:該裝置各項指標達到設計值，各項性能達到預期的要求。這項技術還可以用于艦船、大型冶金設備、大型工程機械和軍事工程中。

［1］戴天翼．過濾器:設計、制造和使用［M］．北京:化學工業出版社，2009:97－98．