液壓支架用高壓反沖洗過濾站反沖洗時間的仿真與試驗

(1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽 110870； 2.沈陽化工大學機械工程學院，遼寧沈陽 110142)

引言

由于采煤工作面的環境特殊性、支架液壓系統的復雜性及乳化液易導致微生物污染的缺點，使得以乳化液為工作介質的支架液壓系統污染控制問題已成為影響液壓支架工作性能和效率的最突出問題之一。自動反沖洗技術，能在支架液壓系統不停機狀態下實現高壓濾芯的反向清洗，從而保障乳化液介質的清潔度。目前已有不少關于反沖洗過濾器結構設計與試驗方面的研究[1-4]；也有與反沖洗特性相關的研究，如以石英砂、核桃殼為濾料，建立反沖洗過濾的數學模型，對理論反沖洗時間進行了研究[5-7]；也有通過引入污染重復過濾因子對液壓潤滑過濾器建立數學模型，并對其污染控制性能進行了研究[8]；以簡化方式建立反沖洗過濾器的污染控制數學模型，研究了顆粒沉降率、反沖洗率、污染入侵率等對系統污染度的影響[9]。但針對支架液壓系統用反沖洗過濾站的反沖洗特性研究尚不多見。

高壓自動反沖洗過濾站是確保支架液壓系統乳化液清潔的重要設備，其性能好壞直接影響到液壓支架的工作性能。本研究針對液壓支架液壓系統工作特點，開發了一種可在支架液壓系統待機狀態下實現高壓濾芯反向清洗的高壓自動反沖洗過濾站，應用污染控制平衡理論[10-11]，建立了反沖洗過濾站的污染控制模型，并以此為基礎建立了仿真模型，研究了反沖洗效率、反沖洗流量等參數對反沖洗時間的影響關系，并用試驗進行了驗證。

1 高壓自動反沖洗過濾站

根據支架液壓系統的工作原理及工作特性，本研究設計了一種應用于乳化液介質的高壓自動反沖洗過濾裝置，其原理如圖1所示。當2個電磁先導閥都不通電時，乳化液通過濾芯過濾后直接給支架液壓系統供液，當高壓過濾器1的上下游壓差達到設定值時，電磁先導閥1得電，過濾后的純水介質經電磁先導閥1驅動液控主閥1換向，此時乳化液經高壓過濾器2反向進入高壓過濾器1，將沉積在高壓過濾器1濾網上的雜質由相應的反沖洗口排出系統，進而達到反向清洗濾芯的目的，同理也可以實現高壓過濾器2的反向清洗，可采用定時間間隔控制、壓差控制或壓差時間復合控制等方式實現反沖洗控制。

2 反沖洗過程的污染控制模型

隨著過濾器的持續過濾，濾芯上下游的壓差會相應增加，當壓差達到設定值后，過濾站進入反向沖洗階段。反向沖洗所用油液流量僅為總流量的一部分，用αF表示反沖洗流量占全部流量的比例，用反沖洗效率η來表示能被反沖洗掉的污染顆粒數占總沉積污染顆粒數之比。對反沖洗階段的污染控制進行研究，可建立如圖2所示的反向沖洗污染控制模型。

圖1 高壓自動反沖洗過濾站工作原理

圖2 反沖洗污染控制模型

根據污染物顆粒數守恒，可列出反沖洗容腔的污染平衡方程如下：

(1)

兩邊同時除以V1可得：

(2)

式中，Q—— 進入過濾器的總流量，L/min

Nc—— 用于反沖洗的油液污染濃度，ind/mL

Nw—— 污染腔初始濃度，ind/mL

V1，V2—— 濾芯上、下游容腔體積，mL

Np—— 排污口污染濃度，ind/mL

αF—— 反沖洗流量占總流量的比例系數

3 反沖洗過程的仿真研究

3.1 AMESim仿真模型

根據油液污染控制模型，建立反沖洗過濾站的AMESim[12]仿真模型，如圖3所示。模型中引入過濾器重復過濾因子、反沖洗效率和分流系數，并可實時計算過濾器前腔的沉積污染顆粒及相應的壓差，具體各參數設置如表1。

圖3 反向沖洗仿真模型

表1 參數設置表

參數值過濾器入口側容積/L1過濾器出口側容積/L1濾芯過濾比100過濾器通過流量/L·min-1400濾芯初始壓差/MPa0.15反沖停止壓差/MPa0.2濾芯極限壓差/MPa0.8納污量/g769.3重復過濾因子0.04反沖分流系數0.06～0.25反沖洗效率0.6～1

3.2 反沖洗過程仿真

反向沖洗是在正向過濾后，過濾器前后的壓差達到反沖洗設定值時開始的，反沖洗腔的污染度可從正向過濾仿真獲得。根據正向過濾模型分析，當過濾器前后壓差達到反沖設定值0.8 MPa時，過濾器前端沉積的污染顆粒數為1.01855×1010ind，將所有顆粒溶解于過濾器對應的容腔體積即可得到污染初始濃度。

根據上述設置進行仿真，圖4為反沖洗效率η與反沖洗效果的關系曲線，由仿真結果可知，反沖洗效率越高，所用反沖時間越短，當η為1時，反沖時間僅為4.638 s，而當η為0.94時，反沖所需時間為7.278 s。而當η小于0.94時，過濾器前后壓力無法降至要求的0.2 MPa。因此，反沖洗效率越高對反沖效果越有利，反沖時間也越短，在設計反沖洗過濾站時可考慮加入超聲波裝置，利用超聲波每秒數萬次的高頻振動形成的空化作用，將濾芯上附著的污染物分離出來，從而有效提高反沖洗效率，進而提高反沖過濾器的反沖效果。

圖4 反沖洗效率對反沖效果的影響

圖5為分流系數αF與反沖洗效果的關系曲線，分流系數根據液壓常用軟管通徑尺寸與主油路尺寸按αF為0.06, 0.1, 0.16, 0.25，4種規格進行分析。由仿真結果可知，分流系數越高，所用反沖時間越短，當αF為0.25時，反沖時間僅為1.615 s，而當η為0.06時，反沖所需時間為6.746 s。但是，分流系數越高表明反沖洗所用的油液體積也越多，成本越高。因此有必要對分流系數和反沖時間進行合理設計，在考慮反沖時間的同時，權衡其經濟成本。

圖5 分流系數對反沖效果的影響

4 試驗與仿真對比研究

4.1 反沖洗試驗

為驗證反沖洗污染控制模型的有效性，設計了一套試驗裝置，其原理如圖6所示。油源采用400 L/min乳化液泵站，污染粉塵采用ISO 12103-1 A3 Medium Test Dust，重750 g。試驗前利用污染液注入裝置實現污染顆粒的自動注入，過濾器濾芯前后的進出口壓力傳感器及過濾站出口流量計可在線檢測濾芯進出口壓差及流量。電磁先導閥用以控制過濾器的反沖洗試驗，在反沖洗排污箱內采樣可測量反沖洗出來的油液污染度，也可對過濾站出口液箱采樣進行油液污染度檢測。要求分別對未開啟和啟動超聲波裝置兩種工況進行試驗，并每0.5 s取樣過濾器前后壓差隨反沖洗時間的變化。

圖6 超聲波反沖洗過濾站測試原理圖

圖7所示為反沖洗口沖洗出來的污染液的清潔度檢測樣片，其中左側為啟動超聲波裝置后沖洗出來的乳化液，而右側為未啟動超聲波裝置時沖洗出來的乳化液，從結果可知，啟動超聲波后反沖洗口的乳化液污染度遠高于NAS12級，樣片表面有一層粉塵，說明有更多的污染顆粒從反沖洗口排出，超聲波對濾芯的除污垢效果非常明顯。

圖7 反沖洗口污染度檢測樣片

4.2 結果分析

由濾芯廠家提供的濾芯參數可知濾芯的極限壓差為0.8 MPa，再考慮到濾筒的初始壓差0.6 MPa 和濾芯的初始壓差0.2 MPa，可知過濾站的極限壓差為1.6 MPa。圖8為直接反沖洗與超聲波反沖洗的試驗測試曲線，由試驗結果可知，在壓差達到1.6 MPa時開始反沖洗，壓差迅速降低，6.5 s后壓差不再變化，基本保持在0.94 MPa。而超聲波反沖洗試驗在反沖洗開始后，壓差迅速降低，在6 s時壓差不再變化，基本保持在0.83 MPa。

圖8 直接反沖洗與超聲波反沖洗試驗測試曲線

圖9是根據過濾站實際參數并利用反向沖洗仿真模型計算的不同反沖洗效率對應的濾芯壓差曲線。由仿真可知，在反沖洗效率η=0.8時，反沖6.2 s后穩定壓差為0.956 MPa；在η=0.85時，反沖6 s后穩定壓差為0.917 MPa；η=0.9時，反沖5.8 s后穩定壓差為0.878 MPa；η=0.95時，反沖5.7 s后穩定壓差為0.839 MPa；而當反沖效果處于理想的η=1時，反沖洗后穩定壓差為0.8 MPa。

圖9 反沖洗仿真曲線

從試驗與仿真對比可知，反沖洗仿真曲線與試驗所測得的壓差曲線具有相似的走向，試驗與仿真的反沖洗時間也比較接近，驗證了本研究所建立的基于污染控制的反沖洗模型是有效的，為反沖洗過濾站的優化設計提供了必要的理論支撐。另外，通過對比可知，直接反沖洗對應的反沖洗效率應該在0.8～0.85之間，而超聲波反沖洗的反沖效率則在0.95～1之間，超聲波可極大提高反沖洗效率，降低過濾站前后壓差，減小液壓系統的壓力損失，提升系統效率。

5 結論

通過對反沖洗污染控制模型進行仿真研究，可以得出如下結論：

(1) 反沖洗效率越高，所用反沖時間越短，可采用超聲波或振動等手段提高反沖洗效率；

(2) 分流系數越高，所用反沖時間越短，同時反沖洗所用的油液流量也越多，成本越高，需對分流系數和反沖時間進行合理選擇與設計；

(3) 基于污染控制的反沖洗模型是有效的，為反沖洗過濾站的優化設計提供了必要的理論支撐。