濾油機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

龐楊明，鄧樟林，雷善植，龐雄峰，李 勇，賴金力

（南寧軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

濾油機(jī)在地鐵工程車等動(dòng)力設(shè)備中應(yīng)用廣泛，其性能直接影響設(shè)備的運(yùn)行安全，隨著對(duì)動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行可靠性要求的提高，對(duì)濾油機(jī)清潔功能的要求也越來(lái)越高[1]。

目前已有較多有關(guān)過(guò)濾油機(jī)的研究，如馬紅麟等[2]人提出了一種高效的HEP100S 型三級(jí)變壓器油真空濾油機(jī)，其優(yōu)勢(shì)在于抽真空速率大、過(guò)濾精度高、凈化效率高；張賢明等[3]設(shè)計(jì)出了TY-II 型透平油專用濾油機(jī)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了主流脫水方法，能夠有效提高脫水效率。國(guó)外PALL 公司提出離子交換與真空分離相融合，能把油液中絕大多數(shù)雜質(zhì)去除的方法[4]；Pavan Kumar[5]提出了一種基于靜電作用提高原油脫水效率的方法，該方法可大大提高脫水效率。

地鐵工程車每年在隧道中作業(yè)量較大，作業(yè)工況差，發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵部件運(yùn)行對(duì)油質(zhì)有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)[6]，針對(duì)地鐵工程車維護(hù)保養(yǎng)需求，每年均有油脂需進(jìn)行更換，對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，但生產(chǎn)物料成本較大，已經(jīng)不符合地鐵行業(yè)提出的降本增效需求。針對(duì)地鐵工程車作業(yè)量大，使用率高，在工況較差的隧道下作業(yè)，油脂未到更換周期，油脂中已增加較多機(jī)械雜質(zhì)，而機(jī)械雜質(zhì)嚴(yán)重磨損工程車機(jī)體，縮短工程車使用壽命。

本研究在滿足工程車正常維護(hù)保養(yǎng)需求的基礎(chǔ)上，探索延長(zhǎng)油脂更換周期的可行性，降低生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)出一種新型濾油機(jī)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了其濾油效果好，可過(guò)濾較多的顆粒狀雜質(zhì)，在一定程度上降低顆粒狀雜志對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷，延長(zhǎng)機(jī)體使用壽命，可適當(dāng)延長(zhǎng)油脂使用時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。

1 濾油機(jī)機(jī)構(gòu)

1.1 工作原理及結(jié)構(gòu)組成

濾油機(jī)的結(jié)構(gòu)由壓力表、油氣筒端蓋、安全閥、出油管、油氣筒（含精濾）、小車、油泵、泵支撐架、粗濾裝置、進(jìn)油管、電機(jī)支撐架、泵-電機(jī)連接架、齒輪套、電機(jī)等組成，如圖1 所示。濾芯作為核心部件，選用蜂窩胞元結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)濾顆粒狀雜質(zhì)功能，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工作要求、作業(yè)工況、濾油流量等信息，選擇管道、電機(jī)型號(hào)等關(guān)鍵部件，利用Solidworks 完成整體設(shè)計(jì)。

其工作原理如下：油氣筒5 焊接于工具小車6，電機(jī)14 通過(guò)電機(jī)支撐架11 固定于工具小車6 上，電機(jī)14 輸出端與齒輪泵7 輸入端通過(guò)齒輪套13 同軸齒輪嚙合連接，可根據(jù)不同工作需求，改變傳動(dòng)比，也可起到調(diào)節(jié)流量的作用。通電后，電機(jī)14 轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)齒輪泵7 將廢油從吸油管11 中吸油，廢油經(jīng)過(guò)粗濾裝置9 可過(guò)濾廢油中較大的顆粒狀機(jī)械雜質(zhì)，再通過(guò)油管流進(jìn)油氣筒2 中進(jìn)行再次過(guò)濾。電機(jī)轉(zhuǎn)速變化會(huì)影響廢棄油脂流量大小、工作效率及過(guò)濾效果，濾芯精度等級(jí)不同，孔徑和孔數(shù)不同，也會(huì)影響廢棄油脂流量大小、工作效率及過(guò)濾效果，因此濾油機(jī)可根據(jù)不同油脂以及工作效率等要求，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和濾芯精度，滿足不同生產(chǎn)需求。

1.2 濾油芯的設(shè)計(jì)

濾油芯作為濾油機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的性能直接影響其工作效果。本設(shè)計(jì)根據(jù)蜂窩胞元構(gòu)成的超材料結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的力學(xué)特性，以提高增強(qiáng)其面內(nèi)的承載能力，如圖2 所示，解決了因橫向壁厚較薄時(shí)引起結(jié)構(gòu)縱向的坍塌問(wèn)題和穩(wěn)定過(guò)濾問(wèn)題。機(jī)油濾芯精度[10]一般選取范圍為5～25 μm。

圖2 濾芯結(jié)構(gòu)示圖

1.3 管道直徑的計(jì)算

由于進(jìn)油管道在真空負(fù)壓作用下油液流速快，進(jìn)油通道一般應(yīng)小于或等于出油管道直徑，故只需計(jì)算出油管道即可，該管道的直徑與液壓泵公稱流量、回油管道流速相關(guān)[7]，選取CVTt-F308 齒輪泵備件，公稱排量4～20.4 L/min，算出油管道直徑。出油管道直徑：

式中，Q為濾油機(jī)公稱流量，L/min；u為流速，m/s；一般按液壓系統(tǒng)的回油管道流速，u=1.5～2.5 m/s；?為管道直徑，mm。

由上式計(jì)算可得出油管直徑為20.7～60.3 mm，選取25 mm 直徑的PVC 管道。

1.4 電機(jī)的選型

軟管的壓力范圍一般為0.6～32.0 MPa，根據(jù)公式（2）得，功率在0.14～7.5 kW。

式中，N為功率，kW；P為壓力，MPa；Q為公稱流量，L/min。

因此，考慮經(jīng)濟(jì)性以及工作效率，選得電機(jī)及參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)參數(shù)

2 樣機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

均勻攪拌后的廢油，可近似看作密度均勻的液體，取相同體積的油脂進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量，所測(cè)結(jié)果可近似作為真實(shí)油脂質(zhì)量。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]可知，通過(guò)廢棄油脂的過(guò)濾效率間接在一定程度上反映濾油裝置性能，濾油機(jī)過(guò)濾效率越高，濾油裝置過(guò)濾效果越好，表明過(guò)濾后的油脂所含顆粒狀雜質(zhì)含量越少，因此過(guò)濾效率作為濾油機(jī)過(guò)濾性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。過(guò)濾效率是指一定油液均勻攪拌后，過(guò)濾前后污物質(zhì)量比值的百分?jǐn)?shù)，將油液均勻攪拌后，取相同體積的油脂進(jìn)行稱重，過(guò)濾效率可通過(guò)同體積油脂質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，即

式中，η為過(guò)濾效率，%；m為50 mL 新油重量，g；m1為50 mL 過(guò)濾后廢油重量，g；m2為50 mL 過(guò)濾前廢油重量，g。

根據(jù)上述濾油機(jī)工作原理分析，轉(zhuǎn)速、濾芯精度均能影響過(guò)濾效果和工作效率，本次試驗(yàn)以轉(zhuǎn)速、濾芯精度為因素，濾芯由于過(guò)濾膜以及孔道大小不一[9]，也會(huì)影響廢油過(guò)濾效果，因此本試驗(yàn)以電機(jī)轉(zhuǎn)速、濾芯精度等級(jí)作為試驗(yàn)因素，過(guò)濾效率為試驗(yàn)指標(biāo)開(kāi)展試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)所需試驗(yàn)樣機(jī)1 臺(tái)，1 L 新油，80 L 廢棄油脂，重復(fù)測(cè)量20 次，測(cè)得50 mL 廢油平均質(zhì)量為46.75 g，50 mL 新油平均質(zhì)量為38.05 g，50 mL 容量量杯5 個(gè)，5 L 容量量杯1 個(gè)，廢油桶3 個(gè)，精度0.001 g 電子稱1 個(gè)，抹布若干。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)轉(zhuǎn)速根據(jù)電機(jī)功能，選取范圍為720～1450 r/min，濾芯精度[9]一般選取范圍為5～25 μm。為了降低操作誤差帶來(lái)的影響，適當(dāng)增加試驗(yàn)次數(shù)，同因素同水平做2 組試驗(yàn)，總共需做24 組試驗(yàn)，單組試驗(yàn)需要同一因素同一水平下重復(fù)試驗(yàn)5 次，并取5 次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值作為單組試驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用SPSS 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可知電機(jī)轉(zhuǎn)速、濾芯精度均對(duì)廢油的過(guò)濾效率具有高度顯著影響；影響因子電機(jī)轉(zhuǎn)速和濾芯精度交互作用對(duì)過(guò)濾效果影響不顯著，可忽略不計(jì)。由表中F值可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速F值為16.42，濾芯精度F值為26.35，影響過(guò)濾效率的因素主次順序?yàn)闉V芯精度＞電機(jī)轉(zhuǎn)速。

表3 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)

根據(jù)圖3 可知，當(dāng)濾芯精度一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越小，過(guò)濾效率越高，廢油的過(guò)濾效果越好；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，精度越低，過(guò)濾效率越高，廢油的過(guò)濾效果越好。條件有限，無(wú)法開(kāi)展更為精確的試驗(yàn)，即使可以通過(guò)理論計(jì)算所得最適濾芯精度，由于考慮到加工成本，更為高精度的濾芯加工成本高，不符合公司降本增效目標(biāo)，無(wú)法準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)，只能根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際情況選擇適合參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。

圖3 不同因素對(duì)過(guò)濾效率試驗(yàn)結(jié)果

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

由于地鐵工程車計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間有限，本次試驗(yàn)還需驗(yàn)證濾油機(jī)的工作效率是否滿足生產(chǎn)需求。由于現(xiàn)有10 μm 精濾庫(kù)存量較大，為響應(yīng)降本增效的號(hào)召，優(yōu)先選取10 μm 精濾，電機(jī)轉(zhuǎn)速為720 r/min 開(kāi)展驗(yàn)證性試驗(yàn)，利用比重計(jì)測(cè)量密度，重復(fù)試驗(yàn)10 次，現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，由表4 可知，濾油機(jī)平均過(guò)濾效率為95.3461%，根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知，過(guò)濾效率不小于95%時(shí)，濾油機(jī)對(duì)于機(jī)械雜質(zhì)的過(guò)濾性能可滿足油脂潤(rùn)滑需求。濾油機(jī)平均工作效率為16.95 L/min，工程車計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間為2 個(gè)工作日，濾油機(jī)工作效率可滿足生產(chǎn)需求。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

綜上所述，選取10 μm 精濾，電機(jī)轉(zhuǎn)速為720 r/min時(shí)，無(wú)需再額外采購(gòu)精度更小的濾芯，可節(jié)省更多采購(gòu)成本，濾油機(jī)工作效率及過(guò)濾效果均可滿足生產(chǎn)需要。

4 結(jié)論

（1）為落實(shí)公司降本增效要求，節(jié)省生產(chǎn)物資消耗，設(shè)計(jì)了具有蜂窩胞元結(jié)構(gòu)濾油芯的濾油機(jī)，對(duì)管道直徑選擇直徑為20 mm 的PVC 管，選用電機(jī)型號(hào)為YE3-90L-1.5KW-B14-4P。機(jī)械雜質(zhì)過(guò)濾效果達(dá)標(biāo)，若檢測(cè)油脂其他化學(xué)指標(biāo)也達(dá)到可重復(fù)使用的標(biāo)準(zhǔn)，就可適當(dāng)延長(zhǎng)油脂更換時(shí)間，每年節(jié)省大量生產(chǎn)物料消耗成本。

（2）為了確定濾油機(jī)過(guò)濾效率影響因素的具體參數(shù)，對(duì)濾油機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：電機(jī)轉(zhuǎn)速及濾芯精度對(duì)過(guò)濾效率有高度顯著性影響，2 個(gè)因素之間的交互作用對(duì)過(guò)濾效率的影響可忽略不計(jì)，根據(jù)F值大小可知，影響過(guò)濾效率的因素主次順序?yàn)闉V芯精度＞電機(jī)轉(zhuǎn)速。

（3）根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可知，選取10 μm 精濾，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為720 r/min 時(shí)，濾油機(jī)過(guò)濾效率為95.3461%，可過(guò)濾直徑較大的機(jī)械雜質(zhì)，降低磨粒雜質(zhì)對(duì)工程車關(guān)鍵部件的傷害，延長(zhǎng)工程車備件更換周期，減少大量更換備件成本，符合降本增效的預(yù)期目標(biāo)；而通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)可知濾油機(jī)工作效率為16.95 L/min，也可滿足工程車維護(hù)保養(yǎng)需求。