實驗室評定濾芯元件實際壽命的方法

熊麗媛， 韓鳳娟

(1. 航空工業(新鄉)計測科技有限公司， 河南 新鄉 453019； 2. 新鄉航空工業(集團)有限公司， 河南 新鄉 453000)

引言

液壓過濾器是流體傳動系統中維護頻次最多的產品，維護方式主要有兩種:一是清洗濾芯元件，二是更換濾芯元件。無論是清洗還是更換濾芯，均面臨同一問題，即何時清洗或何時更換濾芯。如果能夠預測評估濾芯元件的實際壽命或者清洗間隔時間，就能夠及時、準確、經濟的維護過濾器，進而保證過濾器所保護的液壓系統能夠持續安全、可靠的運行。

濾芯元件的實際壽命是根據其進、出口間油液壓差的升高來判定的。濾芯在使用過程中， 不同工作時間對應于不同的壓差。在實驗室參考實際使用中相同的工作條件，通過添加試驗粉塵可以測得不同的壓差所對應的不同試驗時間。本研究即基于上述壓差相等原則，建立了濾芯元件實際壽命與試驗壽命[1]的對應關系，并結合多項實驗室試驗數據和實際在線采集數據分析，以及擬合回歸的計算方法，建立了實際壽命的數學模型，再根據該數學模型對濾芯元件的實際壽命進行結果評定，將其評定結果與實際在線采集數據進行統計分析和對比，從而對本研究實際壽命的評定方法進行有效性驗證，最終驗證結果充分證明了該評定方法的科學性和可行性。

1 國內外現狀分析

目前，國外普遍采用ISO 16889多次通過試驗[2]或堵塞壽命試驗[3]方法測得的納污容量[4]或試驗時間來評定濾芯元件的壽命，納污容量越大或試驗時間越長就說明濾芯元件的壽命也越長；國內的液壓過濾器行業也是采用與ISO 16889等同采標的國家標準試驗方法對濾芯元件進行壽命評定。但這些方法僅僅適用于兩個濾芯元件壽命長短的比較，而就單個濾芯元件來說，仍不知道其實際使用壽命到底有多長；而納污容量或試驗壽命與實際使用壽命并不相等，在實驗室測得的試驗時間(納污容量)很短，往往只有1～2 h甚至幾十分鐘，同時，大量試驗數據與事實證明，該試驗時間要遠遠小于其濾芯的實際使用壽命。也就是說，國內外現有的試驗方法不能用于評定濾芯元件的實際壽命，更無法幫助用戶制定合理、經濟的維護和清洗時間間隔[5]。

就發展狀況而言，國內外相關行業內圍繞濾芯元件實際壽命的探索從未停止。本公司團隊申報的國際標準新提案《液壓傳動 濾芯 實際壽命評定指南》通過國際標準化組織的多輪技術研討與質疑答辯，現已批準立項為國際標準ISO/AWI TR 12144[6]，要求在2年內完成該國際標準正式文本的研究與編制工作，這是我國在液壓污染控制國際標準體系中的原創標準。

本研究論述的研究內容，為制定國際標準ISO/AWI TR 12144并最終頒布提供理論依據與驗證支撐。

2 理論依據

2.1 理論分析

在特定的工作條件下，濾芯元件隨著使用時間的延長，其濾層多孔通道被堵塞的程度會越來越嚴重,其壓差也會隨之不斷升高，從開始使用到壓差升高至極限壓差[7]的累計工作時間稱為濾芯元件的實際壽命。由該定義可知，無論在實驗室試驗還是在實際使用過程中，只要濾芯元件達到其極限壓差，即代表該濾芯元件應進行維護或直接報廢。因此對于同一濾芯元件來說，基于壓差相等原則，濾芯元件的實際壽命和試驗壽命必然存在某一對應關系，如式(1)所示：

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

(1)

式中, Δp—— 濾芯元件的壓差

Q1—— 濾芯元件的工作流量

ρ1—— 濾芯元件工作油液的黏度

α1—— 濾芯元件工作系統的污染物濃度

T1—— 濾芯元件的實際壽命

Q2—— 濾芯元件的試驗流量

ρ2—— 濾芯元件試驗油液的黏度

α2—— 濾芯元件試驗系統上游污染物濃度

T2—— 濾芯元件的試驗壽命

X1，X2—— 其他未知的影響因素

2.2 實際壽命的影響因素分析

由上述分析表明，濾芯元件從投入使用到報廢的全壽命周期即為初始壓差[8]升高至極限壓差的全過程。在此過程中，影響濾芯實際壽命的因素主要有：濾芯元件的工作流量、濾芯元件工作油液的黏度[9]、濾芯元件工作系統的污染物濃度，以及其他未知的影響因素。

在實驗室進行濾芯元件壽命試驗時，可以參考實際使用中相同的工作條件，設置濾芯元件的試驗條件對其進行壽命評定：

(1) 工作油液的黏度與其溫度相關，而油液溫度可根據實際工作溫度進行控制，因此工作油液的黏度在濾芯實際壽命評定過程中的影響可忽略；

(2) 液壓系統中的污染構成主要為固體顆粒，因此其污染物濃度的表示方法即為固體顆粒污染度等級，為便于統計分析，本研究統一采用判級標準ISO 4406[10]進行固體顆粒污染度等級的判定。

因此，在假設其他未知的影響因素可忽略不計的前提下，如式(2)所示，最終需要研究的是評定濾芯元件實際壽命的過程中，如何在實驗室試驗條件下，將濾芯元件的工作流量和工作系統污染物生成率的影響進行明確的量化。

Δp=f(Q1，N1，T1)=f(Q2，N2，T2)

(2)

式中,N1—— 濾芯元件在實際工況下油液的污染度等級(ISO 4406)

N2—— 濾芯元件在試驗條件下油液的污染度等級(ISO 4406)

3 現場在線驗證試驗

3.1 驗證程序

濾芯元件實際壽命的現場在線驗證程序選用同型號的兩套液壓過濾器，按照式(1)所示的影響因素進行實施，旨在研究實際工況下，濾芯元件的壓差、工作流量、工作油液的黏度、工作系統的污染物濃度等對其實際壽命的影響。現場在線驗證在中國某液壓有限公司的生產線設備——帶旁路過濾器的液壓過濾器殼體耐壓試驗臺上進行，同時對該設備進行了必要的改造，增加了固體顆粒污染度、壓差等在線監測儀器。

3.2 驗證設備及樣品信息

現場在線驗證試驗所用的設備為帶旁路過濾器的液壓過濾器殼體耐壓試驗臺，實物圖如圖1所示。該驗證設備的詳細信息見表1。

圖1 帶旁路過濾器的液壓過濾器殼體耐壓試驗臺Fig.1 Hydraulic filter shell pressure-tight test stand diagram

表1 驗證設備的信息Tab.1 Details on validation equipment

被試濾芯樣品如圖2和圖3所示，其具體信息見表2。

圖2 1#和2#被試濾芯Fig.2 1# and 2# tested filter elements

圖3 被試過濾器總成Fig.3 Tested filter assembly

表2 被試濾芯樣品信息Tab.2 Details on tested samples

3.3 驗證數據及分析

1) 1#樣品的現場在線驗證

1#樣品的現場在線驗證條件見表3。部分在線采集數據見表4。基于實際驗證在線采集的數據而生成的曲線見圖4，由此得出的擬合曲線見圖5。

由圖4擬合曲線建立式(3)：

t=72.07ln2(Δp)-73.03

(3)

很明顯，該曲線為雙對數曲線。

表3 1#樣品的在線驗證條件Tab.3 1# validation condition

圖4 1#樣品實際在線采集數據生成的曲線Fig.4 1# curve based on online data

圖5 1#樣品擬合曲線Fig.5 1# fitting curve

圖6 2#樣品實際在線采集數據生成的曲線Fig.6 2# curve based on online data

表4 1#樣品的部分實際在線采集數據Tab.4 Part of 1# actual online data

(續表4)

2) 2#樣品的現場在線驗證

2#樣品的在線驗證條件與1#樣品的相同，如表5所示。部分在線采集數據見表6。基于實際驗證在線采集的數據而生成的曲線見圖6，由此得出的擬合曲線見圖7。

表5 2#樣品的在線驗證條件Tab.5 2# validation condition

圖7 2#樣品擬合曲線Fig.7 2# fitting curve

由圖7擬合曲線建立式(4)：

t=127.2ln2(Δp)-117.5

(4)

很明顯，該曲線也為雙對數曲線。

表6 2#樣品的部分實際在線采集數據Tab.6 Part of 2# actual on line data

4 實驗室驗證試驗

4.1 驗證程序

濾芯元件實際壽命的實驗室驗證程序繼續選用同型號的6套過濾器(3#～8#樣品)，按照式(2)所示的影響因素進行實施。其中2套過濾器在A實驗室進行，4套過濾器在B實驗室進行，按照ISO 16889測試其多次通過試驗結果。

4.2 驗證設備及樣品信息

實驗室驗證試驗所用的設備為多次通過試驗臺，圖8所示為被試濾芯安裝于計測公司實驗室的試驗臺上進行試驗。

圖8 被試樣品在多通試驗臺上進行試驗Fig.8 Tested sample of lab test

4.3 驗證數據及分析

1) 3#樣品的試驗驗證

3#樣品的實驗室試驗驗證在A實驗室進行，試驗粉塵為MTD[11]，試驗條件見表7。試驗時間為135 min，即2.25 h。試驗數據見表8，試驗擬合曲線見圖9。

表7 3#樣品的試驗條件Tab.7 3# lab validation condition

表8 3#樣品的試驗數據Tab.8 3# lab test data

由圖9擬合曲線建立式(5)：

t=94.24ln2(Δp)-36.98

(5)

圖9 3#樣品擬合曲線Fig.9 3# lab test fitting curve

很明顯，該曲線為雙對數曲線。

2) 4#樣品的試驗驗證

4#樣品的實驗室試驗驗證在A實驗室進行，試驗粉塵為FTD[12]，試驗條件見表9。試驗時間為87 min，即1.45 h。試驗數據見表10，試驗擬合曲線見圖10。

圖10 4#樣品擬合曲線Fig.10 4# lab test fitting curve

表9 4#樣品的試驗條件Tab.9 4# lab validation condition

表10 4#樣品的試驗數據Tab.10 4# lab test data

由圖10擬合曲線建立式(6)：

t=65.64ln2(Δp)-27.13

(6)

很明顯，該曲線也為雙對數曲線。

3) 5#樣品的試驗驗證

5#樣品的實驗室試驗驗證在B實驗室進行，試驗粉塵為MTD，試驗條件見表11。試驗時間為118 min，即1.97 h。試驗數據見表12，試驗擬合曲線見圖11。

表11 5#樣品的試驗條件Tab.11 5# lab validation condition

表12 5#樣品的試驗數據Tab.12 5# lab test data

圖11 5#樣品擬合曲線Fig.11 5# lab test fitting curve

由圖11擬合曲線建立式(7)：

t=94.46ln2(Δp)-37.14

(7)

很明顯，該曲線也為雙對數曲線。

4) 6#樣品的試驗驗證

6#樣品的實驗室試驗驗證在B實驗室進行，試驗粉塵為FTD， 試驗條件見表13。試驗時間為86 min，即1.43 h。試驗數據見表14，試驗擬合曲線見圖12。

表13 6#樣品的試驗條件Tab.13 6# lab validation condition

表14 6#樣品的試驗數據Tab.14 6# lab test data

圖12 6#樣品擬合曲線Fig.12 6# lab test fitting curve

由圖12擬合曲線建立式(8)：

t=6.71ln2(Δp)-6.735

(8)

很明顯，該曲線也為雙對數曲線。

5) 7#樣品的試驗驗證

7#樣品的實驗室試驗驗證在B實驗室進行，試驗粉塵為FTD，上游基本重量污染度為5 mg/L，試驗條件見表15。試驗時間為168 min，即2.80 h。試驗數據見表16，試驗擬合曲線見圖13。

表15 7#樣品的試驗條件Tab.15 7# lab validation condition

表16 7#樣品的試驗數據Tab.16 7# lab test data

由圖13擬合曲線建立式(9)：

t=128.7ln2(Δp)-64.69

(9)

很明顯，該曲線也為雙對數曲線。

圖13 7#樣品擬合曲線Fig.13 7# lab test fitting curve

6) 8#樣品的試驗驗證

8#樣品的實驗室試驗驗證在B實驗室進行，試驗粉塵為FTD，試驗流量為22.5 L/min，試驗條件見表17。試驗時間為225 min，即3.75 h。試驗數據見表18，試驗擬合曲線見圖14。

表17 8#樣品的試驗條件Tab.17 8# lab validation condition

表18 8#樣品的試驗數據Tab.18 8# lab test data

圖14 8#樣品擬合曲線Fig.14 8# lab test fitting curve

由圖14擬合曲線建立式(10)：

t=100.5ln2(Δp)+0.6807

(10)

很明顯，該曲線也為雙對數曲線。

5 驗證試驗結果總結

5.1 擬合曲線的有效性判定

由1#～8#樣品的驗證試驗結果可知，濾芯元件的實際壽命和試驗壽命與其對應壓差的擬合曲線均為雙對數曲線，變化趨勢類同，證明此前論述的理論依據是有效的。

5.2 現場在線驗證試驗結果

根據上述現場在線驗證試驗的結果數據，可得到1#和2#樣品在線采集的實際壽命，如表19所示。

表19 在線采集的實際壽命Tab.19 Service life collected online

由表可知，1#樣品的污染物濃度等級高于2#樣品，而1#樣品的實際采集壽命約為2#樣品的一半。經分析可得出污染物濃度與實際壽命的對應關系，即同型號的濾芯，其極限壓差一致，當系統工作油液的黏度(實際工作溫度)相同時，在同一系統工作流量下，污染物濃度等級高一級則相應的實際壽命短一半。

5.3 實驗室驗證試驗結果

根據上述實驗室驗證試驗的結果數據，可得到3#～8#樣品在實驗室測得的試驗壽命，見表20。

由表20可知，4#樣品和6#樣品的試驗流量均為45 L/min，試驗粉塵均為FTD，污染物濃度等級一致，最終兩者的試驗壽命分別為1.45 h和1.43 h，結果很接近。這說明同型號的濾芯元件，其極限壓差一致，當試驗流量、試驗粉塵、試驗油液的黏度(實際工作溫度)以及污染物濃度均相同時，試驗壽命基本保持一致。

表20 實驗室測得的試驗壽命Tab.20 Test life tested in lab

3#樣品和5#樣品的試驗粉塵均為MTD，污染物濃度等級一致，但試驗流量分別為40 L/min和45 L/min，最終兩者的試驗壽命分別為2.25 h和1.97 h，結果不一致。這說明同型號的濾芯元件，當試驗粉塵、試驗油液的黏度(實際工作溫度)以及污染物濃度均相同時，試驗流量越小，試驗壽命越長。同時該結果均大于4#和6#樣品的試驗結果， 證明了采用MTD中級試驗粉塵與FTD精細試驗粉塵評定濾芯元件的試驗壽命，其結果是不同的。

6#樣品的污染物濃度等級高于7#樣品，而6#樣品和7#樣品的試驗壽命分別為1.43 h和2.80 h，即6#樣品的試驗壽命約為7#樣品的一半。經分析可得出污染物濃度與試驗壽命的對應關系，即同型號的濾芯元件，其極限壓差一致，當試驗流量、試驗粉塵和試驗油液的黏度(試驗溫度)相同時，污染物濃度等級高一級，則相應的試驗壽命也短一半，這與表19的分析結果一致。

6#樣品和8#樣品的試驗粉塵均為FTD，污染物濃度等級一致，但試驗流量分別為45 L/min和22.5 L/min，最終兩者的試驗壽命分別為1.43 h和3.75 h，結果相差較大。這說明同型號的濾芯元件，當試驗粉塵、試驗油液的黏度(實際工作溫度)以及污染物濃度均相同時，試驗流量小一倍時，相應的試驗壽命增大不止一倍。

6 數學模型的建立

結合上述驗證結果分析及式(2)確定的關鍵影響因素，可建立數學模型如式(11)所示，由此可根據試驗壽命評估出等壓差下的實際壽命為：

(11)

其中，N2-N1取ISO 4406對應的3個污染度等級差值結果的最小值。

7 實際壽命的評定

7.1 評定結果

采用數學模型式(11)評估出的實際壽命T1與1#和2#樣品在線采集的實際壽命的相對偏差分別見表21和表22所示。

表21 1#樣品的實際壽命評估值T1與在線采集的實際壽命的相對偏差Tab.21 Relative deviation between evaluated service life T1 and actual life collected online of sample 1#

表22 2#樣品的實際壽命評估值T1與在線采集的實際壽命的相對偏差Tab.22 Relative deviation between evaluated service life T1and actual life collected online of sample 2#

7.2 評定結果分析

由表21和表22的評定結果可知，采用數學模型式(11)對1#和2#樣品同時進行評定，得到的實際壽命評估值T1與其在線采集的實際壽命的相對偏差的分布趨勢是一致的，具體分析如下：

(1) 3#和5#樣品均采用的是MTD中級試驗粉塵對其進行試驗，不同之處僅在于兩者試驗流量相差5 L/min(3#樣品和5#樣品的試驗流量分別為40 L/min和45 L/min)。3#樣品的評估結果偏差分別為48.8%和50.6%，5#樣品的評估結果偏差分別為46.6%和48.3%，均接近50%，可見不同試驗流量下，采用MTD試驗粉塵的評估結果與實際在線采集的壽命結果偏差都大于48%，因此不能采用MTD試驗粉塵評估β10≥200的濾芯元件的實際壽命;

(2) 根據8#樣品試驗結果可知，在流量不變的情況下，僅將試驗流量減小一半時，評估結果偏差分別高達39.5%和41.2%，因此評估實際壽命建議在等流量條件下進行;

(3) 根據4#,6#和7#樣品試驗結果可知，在不同的上游基本重量污染度以及等流量(45 L/min)條件下，采用FTD試驗粉塵的評估結果與實際在線采集的壽命結果偏差分別為4.2%～7.9%和5.4%～9.2%，即評估結果偏差均小于10%。

7.3 評定方法的有效性分析

綜上所述，實驗室在等流量條件下對濾芯元件實際壽命進行評估的數學模型[13]為：

T1=2N2-N1×T2

(12)

其中，N2-N1取ISO 4406對應的3個污染度等級差值結果的最小值。

因此，在實驗室評定β10≥200的濾芯元件實際壽命的方法步驟主要如下：

(1) 在與實際使用工況一致的流量條件下，在實驗室采用FTD試驗粉塵對濾芯元件進行試驗，獲得其試驗壽命T2；

(2) 在實際使用工況下取樣測定其油液污染度等級N1；

(3) 在實驗室試驗系統中取樣測定其油液污染度等級N2；

(4) 根據本研究所建立的數學模型式(12)，代入試驗壽命T2、實際工況下油液的污染度等級N1和試驗條件下油液的污染度等級N23項參數值進行評估計算，得出濾芯元件的實際壽命T1。

同時，由上述結果分析可知，該評定方法有效可行。

8 結論

本研究通過對同型號的多個濾芯元件進行多次實際壽命的現場評定和實驗室試驗壽命的評定，并將其實驗室試驗數據與實際在線采集數據結合起來，擬合得出科學有效的數學模型，用于在實驗室評定濾芯元件在不同壓差下的實際壽命。該評定方法經驗證證明能夠科學準確的評定濾芯元件的實際壽命，并對開展濾芯元件實際壽命的評定工作具有重要的指導意義。