液压管路不锈钢滤芯使用寿命的研究.pdf

2 0 1 1 年 1 1 月 第 3 6卷 第 l 1 期 润滑与密封 L UBRI C AT 1 0N ENGI NEERI NG NO V ． 2 01 l Vo 1 ． 3 6 No ．1 1 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 1 ． 1 1 ． 0 2 0 液压管路不锈钢滤芯使用寿命的研究 巴鹏 房元灿 欧周华 张鹏飞 1 ． 沈阳理工大学机械工程学院辽宁沈阳 1 1 0 1 5 9 ；2 ．沈阳远大压缩机制造有限公司 辽宁沈阳 1 1 0 1 2 7 幺 摘要 采用C F D软件对润滑油站液压管路所使用的不锈钢滤芯在不同的孔隙率下进行数值模拟，根据模拟结果建 立滤芯孔隙率与压降关系曲线，以及在杂质颗粒堵塞滤孔后引起的滤芯渗透率的变化，间接地研究滤芯孔隙率的变化与 使用寿命之间的关系，从而推导出在理想情况下滤芯使用寿命的数学模型，为滤芯产品选型和生产提供参考依据。 ．『 关键词滤芯；液压管路；数值模拟；寿命 中图分类号 T H1 1 7 ． 2 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 1 1 1 0 8 3 4 Re s e a r c h o n Pr o g n o s i s Pl a n o f S t a i n l e s s St e e l Fi l t e r Co r e i n Hy dr a u l i c Pi p e l i n e s Ba P en g F a n g Yu a n c an Ou Zh ou h u a Zh a n g Pe n g f e i 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， S h e n y a n g L i g o n g U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 5 9 ， C h i n a ； 2 ． S h e n y a n g Y u a n d a C o m p r e s s o r Ma n u f a c t u r i n g C h i n a ， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t S t a i n l e s s s t e e l fil t e r c o r e o f l u b ric a n t ma c h i n e i n t h e wo r k i n g s t a t e wa s s i mu l a t e d a n d a n a l y z e d i n d i f f e r e n t p o r o s i t y b y u s i n g CFD． F i l t e r c o r e p o r o s i t y a n d p r e s s u r e d r o p r e l a t i o n c u r v e s wa s e s t a b l i s h e d b a s e d o n t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ． Ac c o r d i n g t o t h e c h a n g e s o f t h e fi l t e r c o r e p e r me a b i l i t y wh e n t h e p a r t i c l e s c l o g g i n g t he fi l t r a t i o n p o r e s ， t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e c h a n g e s o f f he r c o r e p o r o s i t y a n d t h e s e r v i c e l i f e wa s r e s e a r c h e d i n d i r e c t l y， t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f fil t e r c o r e’ S s e rvi c e l i f e i n 8 1“ 1 i d e al s i t u a t i o n wa s d e d uc e d， wh i c h p r o v i d e d t h e r e f e r e n c e f o r s e l e c t i o n a n d p r o d u c t i o n o f p r o d u c t s o ffi l t e r c o r e ． Ke y wo r d s fi l t e r c o r e； h y d r a u l i c p i p e l i n e； n u me ric a l s i mu l a t i o n； s e rvi c e l i f e 过滤器是 X Y Z 一 1 0 0型稀油站管路系统中重要的 液压元件⋯，过滤器将 大多数杂质从流体介质 中滤 出，降低杂质对设备润滑 的影响。在 X Y Z - 1 0 0稀油 站中，所使用的为 2 F X G 一 3 2型过滤器 ，与之配套的 是不锈钢滤芯 ，过滤精度为2 2 0 0 t x m，作为过滤器 的核心组成部分 ，滤芯的过滤能力直接影响整个稀油 站的润滑效果。 本文作者采用了数值模拟方法探讨了杂质对滤芯 使用寿命的影响。 1 不锈钢滤芯 的工作原理及 结构 X Y Z ． 1 0 0稀油站所用的2 F X G - 3 2型过滤器及不锈 钢滤芯的基本结构如图 1 ，2所示。 收稿 日期2 0 1 1 0 4 1 2 作者简介巴鹏 1 9 6 3 一 ，男，硕士 ，教授 ，硕士研究生 导 师，主要研究方 向为往复式压缩机动力系统研 究和结构设计 、 设备润滑系统分析研究和新型油水分离设备 的研制等．E m a i l b p b p p p p 1 6 3 ．e o m． ■ 图 1 2 F X G - 3 2 型过滤器及滤芯 F i g 1 2 F XG - 3 2 fi l t e r a a n d fi l t e r c o r e b 滤芯的主体部分是过滤面，不锈钢滤芯的过滤面 是由直径为0 ． 1 7 5 m m的不锈钢丝编织而成，过滤精 度选择 2 0 m，流体介质经滤面进入，颗粒较大的杂 质被挡在滤面之外 ，只有少量直径小于滤孔的颗粒可 以通过。随着流体介质不断地通过过滤面，颗粒杂质 吸附在滤面上 ，逐渐地堵住滤孔 ，颗粒较小的杂质也 被挡在滤面外 ，由于杂质颗粒的吸附使得滤面的实际 滤通量下降，随着系统运行时间的增加，滤面吸附小 颗粒的量会成比例增加，当滤面吸附小颗粒的量累积 润滑与密封 第3 6卷 到一定量时，滤芯的进出 口压差就很高，滤芯的通 过流量下降，当进出压差达到 0 ． 0 3 M P a 时 ，可以 认为滤芯失效 ，必须更换滤芯 。 1 ． 滤 芯 出 口 2 ． 过 滤面 3 ． 滤 芯底 端 图2 滤芯结构图 F i g 2 T h e fi l t e r c o r e mo d e l 2 影 响滤芯寿命的 因素 润滑油中金属粉末的量、颗粒的大小以及油经过 滤面的流速都是影响滤芯寿命的主要因素，此外 ，温 度、流体振动冲击也会对滤芯寿命造成一定影响。本 文作者主要讨论润滑油的属性和流体速度对滤芯寿命 的影响 ，通过对过滤面多孔介质模型渗透率的数值模 拟 ，间接地讨论杂质颗粒对过滤面的滤通量的影响。 3 过滤面模型 的数值模拟 3 ． 1 物理模型 为了直观地表现出模拟过程 ，建立如图3所示的 过滤 器模 型。 1 ． 过 滤器 出 口 2 ． 过 滤器 入 口 3 ． 滤 芯过 滤面 4 ． 滤 芯 出 口 图 3 过滤器模型 Fi g 3 Fi l t e r mo d e l 由于颗粒杂质吸附在过滤面后造成过滤面的实际 滤通量下降，渗透率随之降低，根据这个原理，采用 F L U E N T软件对过滤器在不同渗透率滤芯下运行的状 态进行数值模拟。 3 ． 2 数学模 型 过滤器内流动属于湍流，采用纳维叶 一 斯托克斯 N a v i e r ． S t o k e s 方 程 ，黏性 系数为 一常数 的形式 ， 即 d u a a a a ， a p d f a ￡ a a v a po x 一 1 “ W t 一 p 盟 O y _ 一 十 “ 十 十 ． 一 一 I I J d a a a y a 、 d w O w O w O w O w a p d ￡ a a a a z p O z N a v i e r S t o k e s 方程 比较准确地 描述了实际 的流 动 ，黏陛流体的流动分析均可归结为对此方程的研究。 采用标准 k - 8湍流模型，该模型的控制方程组可 写为 击 毒 毒 【 , l眠Ok 1 G G 6 p 8一 S 2 啬 cp s 毒 cp 毒 [ 差 】 C 2 詈 G c 3 G 6 一 c 2 } S 3 式中G 是由于平均速度梯度引起的湍流能 k的产 生项；G 是由于浮力引起的湍流能 k的产生项； 代表可压湍流中脉动扩张的贡献 ，对于不可压流体 ， G 6 0 ；C 、C 2 、C o r 和 o r 为经验 常数 ， C1 1 ． 4 4，C2 1 ． 9 2， C3 0． 0 9， o r 1 ． 0，o r 1 ． 3 ；P是流体密度 ；k是湍动能；占是湍动能耗散 率 ；n是流体相对速度 ； 是流体动力黏度。 3 ． 3 数值模拟分析 直接采用结构化网格 ，全部 网格采用三角形单 元 ，共划分 3 1 6 8 0个节点 ，边界条件的设置为 参 照图 3 ，过 滤器进 口处 速 度 入 口 V e l o c i t y i n l e t ， 大小 为 2 ． 0 7 m ／ s ；过 滤器 出 口处 压 力 出 口 P r e s ． s u r e o u t l e t ，大小为0 ． 5 MP a ；滤芯过滤面多孔阶 跃模型 P o r o u s - j u m p ；其余边 固体壁面边界条件 Wa l 1 。 X Y Z - 1 0 0稀油站所使用的 N 1 5 0机械油的密度p 9 0 0 k g ／ m ，运动黏度 1 ． 0 4 X 1 0 m ／ s 。 根据渗透率与孔隙率的关系 渗透率 K 4 J ， 式 中d 是纤维丝直径 ，这里取 d 0 ． 1 7 5 m m； 咖 是 D a v i e s 建议 的量纲为一的力，是填充率 西的函 数 ，采用经验公式” 2 ． 6 5 3 4 , 3 9 ． 3 4 1 4 4 ． 5 4 , 5 2 0 1 1 年第 1 1期 巴鹏等液压管路不锈钢滤芯使用寿命的研究 根据表 1中的样本对不同渗透率的过滤面进行数 值模拟 在 X Y Z - 1 0 0稀油站所使用 的全新滤芯的孔 隙率为 6 0 ％ ，孔隙率 一渗透率的关系如图 4所示， 可以看出随着孑 L 隙率的增加 ，渗透率随之上升 ，图5 为过滤器的孔隙率分别在 6 0 ％、3 8 ％以及 2 ％时的压 力云图。 表 1 数值模拟样本 Ta b l e 1 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n s a mp l e s 图4 孔隙率 一 渗透率关系 Fi g 4 P o r o s i t y p e r me a b i l i t y c u r v e t 图 5 过滤器在不同孔隙率下的压降 P a F i g 5 T h e f i l t e r p r e s s u r e d r o p i n d i f f e r e n t p o ro s i t y P a 可以看出，随着渗透率的下降，过滤器进出口压 降迅速增大，根据表 1 对应的孔隙率，得 U ；f L 隙率 一 压降的曲线图如图6所示，可以看出，在孔隙率下降 到2 ％时，压降为 3 0 2 5 1 P a ，可 以认 为这 时滤芯 失效 。 3 0 00 0 2 5 0 0 0 2 0 0 00 l 5 00 0 1 0 0 0 0 5 000 0 8 1 4 2 0 2 6 3 2 3 8 4 4 5 0 5 6 a 1 ％ 图 6 孔隙率 一 压降关系 F i g 6 P o r o s i t y- p r e s s u r e d r o p c u r v e 4 滤芯使用寿命讨论 由上文可得 ，在孔隙率为2 ％时，滤芯失效。根 据 X Y Z ． 1 0 0稀油站所使用的滤芯，其过滤面相关参 数 如下 过滤 面厚度 L 4 ． 0 6 x 1 0 ～m； 滤丝直径 d 1 ． 7 5 x1 0 ～m； 孔隙率 6 0 ％； 滤芯高 H 0 ． 2 m； 过滤面折褶数N 4 4 ； 折褶高 h 0 ． 0 0 8 m。 计算得滤芯实际过滤面积 s为 Sh x2 N x H 0 ． 0 0 8 x2 x4 4 x0 ． 20． 1 4 0 8 m。 6 滤芯在失效时的滤通量为 西 S x O ． 1 4 0 8 x 2 ％ 0 ． 0 0 2 8 1 6 m 7 在这里提出一个理想化的模型 1 不考虑流体介质的黏性及过滤面的吸附能 力 ，也不考虑滤芯材料的刚性和运行时的振动，以及 流体介质的冲击对过滤效果的影响。 2 假设通过滤芯过滤面前的流体介质中的杂 质含量不变，或者认为流体介质是不循环地通过滤芯 的，且流速平稳 ，均匀通过滤面。 3 假设吸附在滤芯滤面上面的颗粒杂质 ，全 部为通过的流体介质所含，且经过过滤面后，杂质颗 粒全部被过滤 ，留在过滤面上。 通过计算滤芯失效时吸附的杂质颗粒总体积q q S一西； 8 单位流体介质中的颗粒杂质的含量 q 根据表 2 ，3 ，计算出通过滤芯的流体介质总量 Q Q 9 Ⅲ l 0 D 口口0 0 0 D 0 9 m ●■ 誓■■■■■ 润滑与密封 第 3 6卷 再根据稀油站系统的流量 Q ，推导 出滤芯使用 寿命 1 0 将式 7 ～ 1 0 汇总得滤芯使用寿命预测模 型为 式中7 ／ 为修正系数。 表 2 N A S 1 6 3 8 计数法1 0 0 m L 油液中的粒子数 T a b l e 2 NAS 1 6 3 8 n o t a t i o np a r t i c l e c o u n t s p e r 1 0 0 mL 基于这种理想化的模型，来讨论 X Y Z ． 1 0 0稀油 站滤芯的使用寿命的预测。 X Y Z 一 1 0 0稀油站的流量为 1 0 0 L ／ m i n ，过滤精度 为 2 5 m，根据表2 ，以润滑设备使用 8级润滑油的 标准，依照 X Y Z - 1 0 0 稀油站所使用的 N 1 5 0机械油密 度 P 9 0 0 k g ／ m ，计算得在 8级润滑油的标准下 杂质的体积，结果见表3 。 表 3 1 0 0 mL油液中杂质的体积 T a b l e 3 Vo l u me o f i mp u r i t y p e r 1 0 0 mL 粒子直径 d ／ m 体积 q ／ 1 0 。 m 2． 6 8 3． 8 2 4． 4 7 6． 3 6 33 ． 5 根据理想化模型，在滤芯失效时，被堵住的滤孔 部分的颗粒杂质总体积为 q S一 L 0 ． 1 4 0 8 0 ． 0 0 2 8 1 6 X 0 ． 4 0 61 0～5 ． 0 61 0～m 1 2 这里提出一个假设，即所有的颗粒杂质全部被滤 芯过滤 ，且流体介质是不循环地通过滤芯，根据表 3 ，则计算得 1 0 0 m L中所含杂质颗粒的体积为1 ． 7 7 1 0一 m 。 根据上文运算数据得出当滤芯失效时，通过滤芯 的流体介质总量为 Q 了 3 ． 1 7 l 0 L 1 3 按照 X Y Z 一 1 0 0稀油站的流量标准 1 0 0 L ／ m i n ， 计算得全新滤芯运行直到失效时 不间断运行 ，根 据公式 1 0 ，计算得滤芯使用寿命为 2 2 0 天 1 4 根据某厂 X Y Z ． 1 0 0稀油站的使用维修记录，该 型号滤芯正常使用情况下，更换滤芯的平均周期按累 积时间计算，约为2 6 8天，与理论值比较接近，由此 可见，滤芯使用寿命模型在一定程度上是可行的。 5 结论 1 通过数值模拟方法 ，推导出使用寿命预测 模型 ，比较理论模型和滤芯的实际使用情况 ，可以看 出，用该模型去预测正常情况下滤芯的使用寿命是可 行的，可对类似零部件进行寿命预测模型的建立提供 参考。 2 提出的预测模型是基于数值模拟和理想条 件 ，实际情况下，由于影响滤芯过滤效果的因素很 多 ，且影响效果复杂，根据使用环境或使用场合的不 同会有所改变。可供使用者在选型或者生产者定型时 作为参考 。 参考文献 【 1 】成大先． 机械设计手册单行本 润滑与密封[ M] ． 北京 化学 工业 出版社， 2 0 0 4 ． 【 2 】汪永飞． 轧制油过滤系统滤芯使用寿命分析[ J ] ． 液压与气 动 ， 2 0 0 8 1 1 5 1 5 3 ． W a n g Yo n g f e i ． Th e a n a l y s i s o f s e r v i c e l i f e f o r r o l l i n g o i l fil t e r e l e m e n t [ J ] ． C h i n e s e H y d r a u l i c s ＆P n e u m a t i c s ， 2 0 0 8 1 1 5 1 5 3 ． 【 3 】刘顺隆， 郑群． 计算流体力学[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学 出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 4 】巴鹏， 邹长星． X Y Z 一 1 0 0稀油站系统管径优化可行性分析 [ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 9 ， 3 4 8 7 4 7 8 ． Ba P e n g， Z o u Ch a n g x i n g ． Fe a s i bi l i t y a n a l y s i s t o t h e p i p e o p t i mi z a t i o n o f X Y Z 一 1 0 0 l u b r i c a n t m a c h i n e [ J ] ． L u b r i c a t i o n E n g i n e e r - 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