随着液压技术的迅速发展,液压系统和液压元件日益趋向高性能、高精度、高压无管集成化,对液压油液的污染控制提出越来越高的要求,不仅对10μm以上的固体要求严格控制,而且对混入液压油液中的3μ以下的微颗粒、胶体氧化物、水份、空气都要求严格控制。这样在液压系统中按装普通过滤器已经不能满足系统性能要求。最佳地把各种净化机理组合起来,发挥各种净化机理的特长,达到综合高精度净化油液的目的,是液压系统油液超高精度净化方面的一项新突破和新技术。 本发明结构如正视图图(1),俯视图图(2)所示,净油机净化系统框图如图(3)所示。需要净化的油液(称为脏油)由抗污染定量泵吸入,在吸油口布置带磁性的粗滤油器,作为油泵前置过滤,滤除粗颗粒,保护油泵,然后经过自动恒温调节器,适当提高油的温度,降低油液粘度,提高低温下和高粘度油液的净化精度。自动恒温调节系统由电加热器,温度敏感触头,自动控制电路及开关组成。电加热器功率根据流量由热平衡方程计算得到:
H=C·ρ·Q·△T(千卡/时)……(1)
C-油的比热,取0.5(千卡/公斤·℃)
ρ-油的密度,取900(Kg/m3)
Q-油泵流量,600升/小时
N=H/860·η……(2)
η-热传递效率,取0.8
本发明采用3(KW)螺形管电加热器,温度最高不超过40℃(±5%)。经升温后的油液在△p≤8Kg/cm2的压力下高速从流线形喷咀喷出,根据系统流量及压力可以由柏努力方程得到,本净油机采用离心转速5000r·p·m,流量10l/min,根据柏努力方程:
Z1+ (P1)/(r) + (V12)/(2g) =Z2+ (P2)/(r) + (V22)/(2g) +hω…(3)
由于Z1=Z2,对于流线形管咀方程可写为:
(△P)/(r) + (V12)/(2g) = (V22)/(2g) (1+ξ)……(4)
取喷咀速度系数0.98,
△p=8Kg/cm2
r=0.9Kg/l
V2=4216Cm/s
n≈5000(r·p·m)
在5000转/分的离心流场中,由于污染物质与油液地比重差存在,使污染颗粒(水份、胶质等)受离心力和电场力的作用,迅速径向移动,在筒体的周壁由静电吸附材料吸附,达到净化的目的,假如在离心流场r=0.2米处的污染颗粒,所受的离心力与重力相比:
(FC)/(FG) = (mrω2)/(mg) = (rω2)/(g) =5589(倍)……(5)
这里:
ω-转动角速度,由n=5000r·p·m转换所得;
Fc·FG-分别为离心力与重力。
验算证明在5000r·p·m离心力流场中,油中所含污染物质将以重力的5000多倍的作用力迅速分离。这是离心净化高速度高精度机理所在。
由于园筒体与转子体之间是一对高压静电电极,污染颗粒在离心力流场的作用的同时受电场力的作用:
F=Fc+Fe-Fu……(6)
其中:
Fc=mrω2
Fe=f1+f2+f3
f1,f2,f3-分别为电场库仑力,镜像力和电场梯度力。
Fu=6πμaν(斯托克斯公式)
为了定性地说明问题,先单独考虑离心力的作用,来估算一下颗粒径向移动速度:
假定这时已经达到力平衡,方程(6)写为:
Fc=Fu
mω2r=6πμaν
其中:
m=ρ 4/3 πa3(假设颗粒是球形半径为a)
μ=ρ油ν(油液动力粘度)
v=mω2r6πμa=43ρπa3ω2r6πρ油va=2g·ρρ油·a2vω2·r]]>
……(7)
式(7)定性地表明污染颗粒离心分离速度取决于密度比,转速及颗粒的径向位置,颗粒大小及油液运动粘度,如果预先确定净油精度(确定最小颗粒半径a),就可以估算分离速度,然后由油液在离心区域内滞留时间,设计离心筒体的结构尺寸。
由于离心分离区域内同时又是高压静电场,在筒体的园周壁上安放有良好吸附能力和污垢容纳能力的集尘体材料上。这样既增加了污物的分离作用力,又提高纳垢容量。
油液从喷咀喷出的液动作用力可以由欧拉公式计算:
F=f′+f″= (r)/(g) Q(V2-V1)+△p·s……(8)
这里:s是喷咀出口面积,可由连续方程获得:
S= (Q)/(V2) ……(9)
油液经过高速离心分离及静电吸附,油液精度已经达到很高水平,能清除0.1μ以下的胶体物质。但是由于粘性作用,在油液流动中会有极少部分污染物质随油液带出来。本发明在出油口又设置了静电压滤区域。普通的深度形压滤器,过滤精度取决于充填纤维的粗细,致密程度。对于3μm以下的颗粒,甚至更小的胶质,过滤有困难。同时受其它过滤特性参数,如压力降、通流量等的影响。为了弥补深度形过滤器的缺点,在出油口采用高压静电电极之间比较松散地充填化纤材料,如尼龙、玻璃纤维等。使化纤材料在强电场中静电感应。胶质等微颗粒在电场的作用下,因摩擦碰撞、光照、冲流等而带电或静电感应,这些带电的颗粒在电场力作用下,吸附在纤维材料上,与此同时颗粒受纤维充填层的阻挡隔离作用,在这样双重作用下,油液中残留的微颗粒、胶质等得到有效清除。由于压滤滤芯间增加了高压静电作用,这样不仅使油液净化精度大大提高,同时使过滤器压力降降低,通流能力提高。
下面分析静电压滤区域的净化机理,由于深度形压滤净化原理比较显然,这里着重介绍静电吸附机理。
根据电动力学原理,图(1)所示的静电压滤区域的电位函数满足泊松方程:
……(10)
这里:
ε1-油液的相对介电常数,
ρ-电子电荷密度,
P=3ε3/(ε3+2),
ε3-颗粒的相对介电常数。
通过近似后,油液及集尘材料中的电场强度可以近似表示为:
E1= (ε2)/((ε1-ε2)d2+ε2L) ……(11)
E2= (ε1)/((ε1-ε2)d2+ε2L) ……(12)
由于滤材是一个松散的各向异性的纤维充填材料,因此材料的介电常数ε2是一个统计值,这时极化强度 P与场强 E的关系可以表示为:
Dx=εo(εxxEx+εxyEy+εxxEz)
Dy=εo(εyxEx+εyyEy+εyzEx)
Dz=εo(εzxEx+εzyEy+εzzEz)
这时滤材的介电常数ε可以用张量表示:
由于εxyz在各种方向和空间各点是变化的,因此电场强度E1,E2是畸变的非均匀的,这时gradE≠0,在这种非均匀电场的作用下,带电颗粒受下面几种主要力的作用:
库仓力:f1=K112πε1α2E2
镜像力:f2=K2(a4)/(4d2) ((ε1-ε2))/((ε1+ε2)) ε1E2
梯度力:f3=2πa3(ε3-1)/(ε3+2) ε1gradE2
粘滞力:f4=6πμaν(当Re<0.5时)
颗粒受力运动方程为:
m (dv)/(dt) =K112πε1E2a2+K2(a4)/(4d2) ((ε1-ε2))/((ε1+ε2)) ε1E2
+2πα3(ε3-1)/(ε3+2) ε1gradE2-6πμav……(14)
当污染物质吸附到纤维滤材上后,力平衡方程为:
f1=f1+f2+f3
=K112πε1a2E2+K2(a4(ε1-ε2))/(4d2(ε1+ε2)) ε1E2
+2πa3(ε3-1)/(ε3+2) ε1gradE2……(15)
在式(14),(15)作用力的作用下,颗粒在化纤充填层间隙内或者被阻挡隔离,或者被吸附,使油液进一步高精度净化。
在图(1)、图(2)中,
①电机-油泵;②喷咀;③离心园筒体;④转子体;
⑤压滤区园筒体;⑥深度型滤芯;⑦出油口;⑧转轴;
⑨截止阀;⑩恒温器、加热器;(11)周向布置的集尘体;
(12)进油管及管接头。