摘要：水壓傳動是流體傳動領(lǐng)域的研究熱點，過濾器在水壓系統(tǒng)中是非常重要的輔助元件。水的粘度較小，必須控制水壓元件的配合面間隙，過濾器則應(yīng)有足夠的過濾精度;由于水有強腐蝕性，要求過濾器的殼體及濾芯使用抗腐蝕的材料。本文就如何適應(yīng)水壓系統(tǒng)的特點，合理地設(shè)計和安裝使用過濾器，提出了相關(guān)要求。
關(guān)鍵詞：過濾器;水壓傳動;腐蝕性;密封;過濾精度
中圖分類號：TQ028.3 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1005—2895(2007)02—0128-03
0 前言
自18世紀(jì)末英國Joseph Bramah制成世界上第一臺水壓機起，液壓技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷200多年;二戰(zhàn)后，液壓技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于各種民用機械;而2O世紀(jì)6O年代以來，隨著原子能、空間技術(shù)、計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進了機電液氣一體化的發(fā)展進程，使液壓技術(shù)深入應(yīng)用于工程機械、礦山機械、建筑機械、冶金機械、鍛壓機械、輕工機械、農(nóng)用機械、汽車工業(yè)、機械制造設(shè)備及航海航空設(shè)備等等各個工業(yè)領(lǐng)域。但2O世紀(jì)7O年代出現(xiàn)的世界性“石油危機”，以及各國的“綠色化生產(chǎn)”戰(zhàn)略，使液壓傳動技術(shù)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。尋求節(jié)能、環(huán)保的工作介質(zhì)來替代液壓油，已是當(dāng)務(wù)之急。于是水壓傳動技術(shù)的研究與開發(fā)，成為流體傳動及控制技術(shù)領(lǐng)域國際學(xué)科前沿的重要研究方向。
1 水壓傳動的關(guān)鍵技術(shù)
水壓傳動以水作為工作介質(zhì)。與礦物油相比，水具有粘度低、腐蝕性強、可壓縮性小、熱膨脹系數(shù)小、比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)大等特性，而水的較低的粘度、極強的腐蝕性是制約水壓傳動技術(shù)發(fā)展的2大瓶頸。
1.1 密封技術(shù)
水壓元件的閥芯與閥體之間存在縫隙，水壓傳動的泄漏主要是縫隙泄漏。以同心環(huán)形縫隙因壓力差產(chǎn)生的泄漏量為例，其泄漏量計算式為：
其中：Q為泄漏量/(m?！-1); 為縫隙量/m; 為孔直徑/m;△戶為縫隙兩端壓力差/Pa; 為縫隙長/m; 為動力黏度/(Pa·s)。
式中，QoC 1/L，QoC 。因水的黏度僅為礦物油的1/12o～ 1/30[副，顯然，在壓差相同，縫隙結(jié)構(gòu)尺寸也相同的條件下，水壓傳動的泄漏量則為液壓傳動泄漏量的3O～ 120倍，系統(tǒng)的效率極大地降低。作為水壓傳動系統(tǒng)，減少泄漏量的辦法之一就是盡可能控制縫隙量 ，為此要求即提高配合面的尺寸精度，減小配合間隙，當(dāng)然還要保證配合件的相對運動需要。然而，配合間隙的減小，水中污染物會因此堵塞縫隙，致使運動件動作失靈，甚至卡死，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。實踐證明，流體傳動系統(tǒng)故障8O 左右源于工作介質(zhì)污染。由此可見，開發(fā)適應(yīng)水壓傳動的過濾器尤為重要。
1.2 抗腐蝕技術(shù)
水具有腐蝕性，特別是海水具有極強的化學(xué)及電化學(xué)腐蝕能力，會引起腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕開裂、材料轉(zhuǎn)移、塑性老化等問題，使材料強度下降，零件表面質(zhì)量破壞，同時也會影響到零件的尺寸穩(wěn)定性，使元件使用壽命下降。
水壓傳動的研究熱點之一，即在水中加入何種添加劑能解決水的腐蝕性，增強其自潤滑性。有些液壓設(shè)備如水壓機、礦山機械、液壓支架等以水基液壓油為工作介質(zhì)。水基液壓油的主要成分是水，加入某些防銹、潤滑等添加劑，價格便宜，耐火、抗燃，但潤滑性差、腐蝕性強、適用溫度范圍較小。國外2O世紀(jì)7O年代初隨能源危機開發(fā)的高水基液(HWBF)已演變到第三代。這種高水基液實際上是一種微型乳化液，是在95 水相中均勻散布著水溶性抗磨添加劑的膠狀懸浮液。但這種高水基液卻無法解決環(huán)保問題[3]。
目前水壓元件的抗腐設(shè)計主要從材料的選擇人手。如不銹鋼、陶瓷、碳纖維增強塑料(CFRP)、合金等抗腐蝕能力強的材料已成為制造水壓元件的主要材料。水壓傳動系統(tǒng)中過濾器的研制與開發(fā)，其殼體、濾芯的材料選擇也是關(guān)鍵。
2 水壓傳動系統(tǒng)的過濾器
水壓系統(tǒng)中的過濾器作用在于清除混入水中的雜質(zhì)，降低水的污染度，保證系統(tǒng)的正常工作。
2.1 過濾器的性能要求
(1)過濾精度應(yīng)滿足水壓系統(tǒng)的要求。過濾精度又稱絕對過濾精度，指流體通過過濾器時，能夠穿過濾芯的球形污染物的最大直徑d/~m(即過濾介質(zhì)的最大孔口尺寸數(shù)值)。天然水中除含有大量固體雜質(zhì)外，還有微生物，如海水中的藤壺、海藻、細菌、病毒及原生質(zhì)等。它們有的帶有堅硬的外殼，形體很小且無規(guī)則，極可能通過濾芯進入系統(tǒng)。除系統(tǒng)入侵物外，還會有一些系統(tǒng)生成物，如元件腐蝕的剝離物、運動部件因摩擦、磨損產(chǎn)生的金屬顆粒等。選擇過濾精度時，應(yīng)考慮以下幾點：應(yīng)使雜質(zhì)的顆粒尺寸小于元件運動表面間隙(一般應(yīng)為間隙的一半)或水膜厚度，以免雜質(zhì)顆粒使運動件卡死或使零件急劇磨損;還要求雜質(zhì)顆粒尺寸小于系統(tǒng)中節(jié)流孔或縫隙的最小間隙，以免造成堵塞;另外，系統(tǒng)壓力越高，要求元件的滑動間隙越小，則過濾精度要求越高。根據(jù)水壓系統(tǒng)的特點，一般要求d<~10m，通常要選用精密(5～10 m)、甚至特精(<5 m)過濾器。
(2)具有足夠大的過濾能力，壓力損失小。過濾能力是指在一定壓差下允許通過過濾器的最大流量。對過濾器過濾能力的要求，應(yīng)結(jié)合過濾器在系統(tǒng)中的安裝位置來考慮，如果安裝在吸水管路上，其過濾能力應(yīng)為泵流量的2倍以上。水流通過過濾器時，會產(chǎn)生壓力損失，其大小與水的流量、粘度和混入水中的雜質(zhì)數(shù)量有關(guān)。為保持濾芯不破壞或系統(tǒng)的壓力損失不致過大，要限制過濾器的最大允許壓力降。而過濾器的最大允許壓力降取決于濾芯的強度。通常要求壓力降控制在0.03～O.07 MPa左右。
過濾器的工作能力取決于濾芯的有效過濾面積、濾芯本身的性能、水的粘度、過濾器壓差及水中固體顆粒的含量。過濾器進出口壓差越大，阻力越小時，過濾器的過濾能力越大。水流通過濾芯的速度越低，表面壓力越小，則過濾精度越高。過濾器的設(shè)計主要根據(jù)工作壓力和過濾精度的要求選擇濾芯材料，按所要求的流量及選擇的濾芯材料來計算過濾面積。過濾器的有效過濾面積
其中：Q為過濾器的額定流量/(L·min ); 為水的動力黏度/(Pa·s);Ap為壓力差/Pa;a為濾芯材料的單位過濾能力/(L·cm )，由實驗測定。
(3)應(yīng)有很好的抗腐蝕性。殼體及濾芯的材料應(yīng)有足夠的抗腐蝕能力。殼體選用不銹鋼類材料有很好防腐性能，也可選用其它的輕金屬材料，同時在金屬表面涂敷防腐涂層。防腐涂料中，環(huán)氧樹脂涂料更易于加工成型，固化物性能優(yōu)異，有良好的物理機械性能，特別是對金屬的附著能力強，耐堿性非常好，可以選用。而用不銹鋼粉末與環(huán)氧樹脂涂料通過極化方法實現(xiàn)最優(yōu)組合生成的粉末環(huán)氧涂料，有更好的耐磨性。濾芯可采用青銅粉等金屬粉末壓制成型，強度高，承受熱應(yīng)力和沖擊性能好，耐腐蝕能力強，制造簡單。但易堵塞，難于清洗。選用不銹鋼纖維濾芯，耐腐蝕，過濾精度高，且容易清洗。還可采用無機纖維經(jīng)液態(tài)樹脂浸漬處理而成的合成樹脂濾芯，強度大，過濾精度高。
(4)清洗維護方便，濾芯更換容易。過濾器精度越高，濾芯堵塞越快，濾芯清洗或更換周期越短。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)時盡量簡單、緊湊，充分考慮到維護的方便性。造價盡可能較低。
(5)濾芯及外殼有足夠的機械強度，能承受高壓的沖擊。
(6)在規(guī)定的工作溫度下，能保持性能穩(wěn)定，有足夠的耐久性。
2.2 過濾器的使用
根據(jù)系統(tǒng)管路的壓力及流量特性，過濾器安裝在不同的位置，其結(jié)構(gòu)型式和濾芯選材亦不同。水壓系統(tǒng)中過濾器主要安裝在泵的吸水管路、壓力管路及低壓管路上。由于以上3種管路的壓力與流量大小不同，過濾器的選擇也應(yīng)分別考慮。
(1)安裝在吸水管路上。為保證泵的正常工作，吸水管路有一定的真空度。要求過濾器有很強的過濾能力，并在泵流量的2倍以上;壓力損失要小，通常不超過0.03 MPa;安裝時浸沒在水箱液面之下，以防止空氣侵入系統(tǒng)。一般選用過濾精度稍低的表面型過濾器，采用網(wǎng)式或線隙式防腐濾芯。
(2)安裝在壓力管路上，保護系統(tǒng)元件。要求濾芯及殼體材料防腐能力強，耐高壓，有足夠的機械強度，過濾精度高，可以有較大的壓力損失。安裝在溢流閥之后，或與安全閥并聯(lián)，但安全閥的開啟壓力應(yīng)略低于過濾器的最大允許壓差。一般選用深度型過濾器，采用不銹鋼纖維或合成樹脂濾芯，過濾精度高。
(3)安裝在低壓管路上，主要保證回到水箱的工作介質(zhì)的清潔度?？刹捎镁哂幸话氵^濾精度的低壓過濾器。過濾器只能單向使用，不能安裝在液流方向經(jīng)常變換的管路上。如果必須在此段管路設(shè)置過濾器，應(yīng)該與單向閥配合使用。
3 結(jié)束語
因水壓傳動系統(tǒng)中工作介質(zhì)的特殊性質(zhì)，對元件的結(jié)構(gòu)及材料使用有更高的要求。作為系統(tǒng)中重要的輔助元件，設(shè)計、加工、安裝使用過濾器時，必須考慮材料的抗腐蝕性、機械強度、耐磨性等，并要選擇有足夠過濾精度及過濾能力的濾芯。
參考文獻：
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[2] 王新華.綠色產(chǎn)品設(shè)計與水壓傳動技術(shù)EJ].機床與液壓，2004(3)：29— 32.
[3] 王 強.水壓傳動元件的發(fā)展及其應(yīng)用前景EJ3.機床與液壓，2004(1O)ll一3.
[4]北京有色冶金設(shè)計研究總院.機械設(shè)計手冊：第4卷[M].化學(xué)工業(yè)出版社，l993.
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