液压润滑油过滤器的设计与制造

液压润滑油过滤器的设计与制造,大家好，能与各位同仁在一起共同探讨关于过滤器的一些知识，我感到很荣幸。 今天，我来谈谈“液压润滑油过滤器的设计与制造”。这次座谈会，绝大多数专家都谈到在过滤器的设计中最主要的问题就是过滤材料的选择。对这一点，我是非常赞同的。但是，是不是有了好的材料就一定能够制造出品质优良的过滤器呢？我看还差得很远。 有了好的材料，只能说在过滤器的生产过程中走对了第一步。而其结构设计的优劣和制造工艺的高低，对于过滤器来说才是关键的第二步、第三步，只有这几步都走对了，才能发挥出过滤材料的最佳性能，从而获得高效的过滤器。 今天，结合国外著名过滤器厂家的产品，重点讲讲油过滤器在结构设计和加工工艺中，如何使先进的过滤材料达到最佳的使用性能。,大家看下图，这是一个典型的液压过滤器。,它基本上有以下零件构成：1、端盖2、滤层3、骨架4、密封圈,这是美国PALL公司生产的HC9020HC9021系列高压过滤器。,第一讲过滤器的端盖的设计。,在同一种壳体里面可安装两种不同的滤芯： HC9020（左）和HC9021（右）,下面是这两种滤芯的剖面图：,HC9020：,HC9021：,由上图可见，这两种滤芯连接尺寸完全相同，但结构却大不一样。 HC9020滤芯的上下盖均采用=0.6mm的碳素钢板冲压成型，而HC9021滤芯的上下盖却采用金属内芯加外包覆0.5mm钢板而成。PALL公司的设计师们为什么要这样设计呢？让我们看一看这一系列过滤器的数据表：HC9020滤芯的终止压差为4bar，HC9021滤芯的终止压差为16bar；HC9020滤芯的压溃压力为20bar，HC9021滤芯的压溃压力为210bar。由以上数据可以看出，之所以两种外形尺寸完全一样的滤芯其结构有差异，完全是因为它们的使用压力不一样所造成的。 HC9020滤芯在正常压力下工作，只需很薄的钢板就解决问题了。而HC9021需要承受比HC9020大得多的压差，因此，就必须要用很厚的钢芯作支撑，并且为了保证滤芯可以获得最大的过滤面积，又在钢芯外部包覆一层不承受压力的薄钢板。,再来看另外一个例子，HYDAC公司的“D”系列过滤器属于高压过滤器，有两种型号：BH/3HC和BN/3HC，BH/3HC滤芯的端盖全部采用铸钢锻压而成，其端盖厚度至少在2mm，因为它要承受210bar的压力；BN/3HC滤芯的端盖采用的钢板拉伸而成，厚度仅为0.6mm，它承受的压力仅为25bar。,滤芯端盖的设计原则“端盖的设计一定要与滤芯的使用压力相适应，在保持必要的结构强度的原则下，尽量增大过滤面积”。,国际上油过滤器的结构强度 一般采用 这么几个等级： 吸油过滤器：13bar 管路过滤器： 中、低压：20bar 高压：210bar,大家再看上面的图HC9021，不知大家注意没有，滤芯两头的端盖都向里收口，这是为什么？过去我们为一个厂家加工一批高压滤芯，送过去后，替人家安装，用力一拔，结果把滤层拔了下来，端盖却留在里面，用螺丝刀撬，用钳子拔，纹丝不动，害了别人停机一天，损失惨重。因为高压过滤器要承受很高的压力，端盖骨架容易变形卡死，不易拆换。故两端端盖向里收紧，增加结合强度。,滤芯的端盖有好多种，有机加的、冲压的，有金属的、非金属的，有注塑成型的、有发泡成型的，只要我们坚守以上原则，就可以设计出既能保证性能，又节省材料的新产品来。,第二讲、滤层的设计与制造,1、波纹高度,波纹的高度按下面公式计算：hb=(d1-D2)/2式中：hb波纹高度，mm d1-波纹滤层外径，mm D2-波纹滤层内径，mm 最佳波纹高度（过滤面积最大时的波纹高度称为最佳波纹高度）hb=d/4对于直径小于100mm的滤层，其波纹高度可按上式来计算；对于直径大于100mm的滤层，切不可盲从上面的公式，波纹高度以不超过25mm为准，波纹太高时受到压力会造成几个波纹并在一起，造成过滤器有效过滤面积变小而很快失效。,2、波纹数,波纹数按下面公式进行计算： n=*D2/(2(t+r)+l)式中：n-波纹数，个 t-滤层厚度，mm r-波纹折叠半径，mm l-波纹内间距，mm不可清洗或高压可清洗滤芯的波纹数按下式记算： n=*D2/2(t+r)低压可清洗滤芯的波纹数按下式记算： n=*D2/（2(t+r)+0.25),以上公式为理想公式。实际操作上，很少按此公式计算，因为滤材不一样，材料的弹性也不一样，计算出来的数值往往与实际的不相符。这里，我们给出一般情况下的滤层其内径波纹间距： 单层金属网的滤层-1.52mm 双层金属网的滤层-1.82.5mm 带双层护网的不锈钢烧结毡滤层-2.83.5mm 单层滤纸的滤层-1.72.3mm 带双层护网的玻纤滤层-2.53mm 带双层护网并有护纸的玻纤滤层-2.73.5mm 波纹少了会影响过滤面积，但波纹多了会造成内径波纹根部挤死，增大流通阻力，反而会影响过滤器的寿命。,3、过滤面积,过滤面积按下式计算： A=2nhbLA-过滤面积，mm2L-有效波纹长度，mm,4、过滤材料的选择,4.1、要确定过滤材料，首先要确定系统的目标清洁度。美国太平洋科学公司HIAC分部曾对各种类型液压装置的油液污染度进行了广泛的调查，汇总了美、英、德、法等8个国家85个公司的油液污染度数据，在分析总结的基础上提出了各个工业部门液压装置污染度等级参考指标:,液压元件清洁度等级,液压系统清洁度等级,我国早在1985年就制定了有关的规范“液压元件及系统清洁度管理规范”：,典型液压元件的清洁度等级,典型液压系统的清洁度等级,4.2、选择过滤器的过滤精度。液压系统的清洁度后，就可以根据液压系统的清洁度等级来确定所选滤材的过滤精度。 下表是现代液压润滑系统对过滤器过滤精度的选择：,4.3、选择过滤介质 说到过滤介质的选择，就不得不谈到过滤原理。当液压系统工作时，除了外界的污染物不断地侵入系统外，系统内部也不断产生污染物，如元件磨损、油液氧化变质等。油液中常见的污染物有固体颗粒、胶状物、水、空气和有害化学物质。当工作油液被各种杂质污染，特别是固体颗粒污染时，液压系统的可靠性下降、元件的寿命缩短。油液的污染还促使系统内部元件的腐蚀以及加快油液本身的变质。所以，保持工作油液的清洁度非常重要，而油液的过滤是控制固体颗粒污染的重要方法。过滤是利用多孔介质滤除污染物的过程。目前使用的过滤介质有许多种，滤除机理主要有两类，即直接阻截和吸附作用。直接阻截的特点是液流中的颗粒不偏离流束，直到被阻挡在过滤介质表面。吸附作用的特点是油液中的颗粒在流经过滤介质时由于各种力的作用偏离流束，并在静电力或分子吸附力等吸附在通道的内壁或纤维的表面。,用于液压的过滤材料主要分为表面型过滤介质（如金属网、板等）和深度型过滤介质（如各种纤维滤材等）。 对于表面型过滤介质，被滤除的污染颗粒全部被截留在过滤介质的上游一面。表面型过滤介质的通孔大小一般是均匀的，它可滤除所有大于孔口尺寸的颗粒，而小于介质孔口尺寸的颗粒可以通过。由于污染颗粒积聚在介质表面，孔口容易被堵塞，所以表面型过滤介质的纳污容量较低。但由于污染颗粒积聚在介质表面，介质表面的污染物容易清除，因而表面型过滤介质可以在清洗后重复使用。,深度型过滤介质内部有无数曲折迂回的通道。当油液流经过滤介质时，大颗粒污染物被阻截在介质表面孔口或介质内部通道的缩口处，小颗粒污染物流经通道时有些被吸附在通道内壁或粘附在纤维表面，而有些则沉积在通道内的孔穴或液流静止区。因而深度型过滤介质的过滤机理是既有直接阻截，又有吸附作用，且过滤介质对颗粒的滤除作用发生在过滤介质的整个深度范围内。因此，深度型过滤介质的纳污容量往往较大。与表面型过滤介质相比，深度型过滤介质内部的污染颗粒不容易清洗出来，因而深度型过滤介质只能一次性使用。,需要说明的是，不论是表面型过滤介质还是深度型过滤介质，都可以滤除比过滤介质孔径小的污染颗粒。这是由于：两个或多个比孔小的颗粒同时通过过滤介质时，可能发生搭桥现象。,表面型滤材和深度型滤材的过滤特性,下表是一般过滤介质的类型和过滤精度,吸油过滤器一般情况下选择金属编织网作过滤材料，因为金属编织网具有开孔率高、压降小、易清洗、强度大等特点，正好适应吸油过滤器的工作特点。若工作压差很高，还可以选择线隙式滤材，这种滤材可以承受更高的压力。,压力管路过滤器和回油过滤器由于要有高的精度、大的纳污容量，所以一般采用纤维滤材。对于精度大于20微米以上，要求不太严格的场合，可选用滤纸或合成纤维滤材；对于精度小于20微米的过滤器，可选用玻纤材料或合成纤维滤材；对于耐高温、高压场合，可选用不锈钢烧结毡和金属粉末烧结元件。而对于用在主过滤系统在线保护那些对污染颗粒敏感的重要系统部件，如伺服阀、比例溢流阀等元件的最终保护过滤器，因元件对颗粒污染物十分敏感，必须选择高精度编织网来做滤材。,滤芯的纳污容量与过滤面积之间的关系可用下式表示： G2=G1*(F2/F1)n 式中G2过滤面积为F2的纳污容量； G1过滤面积为F1的纳污容量； n系数，一般n=1.31.5。 由上式得出：对于同一种滤材的过滤器，其纳污容量与滤层的尺寸大小有关。滤层越大，即过滤面积越大，其纳污容量越大。在流量一定的情况下，随着过滤面积的增大，单位面积上通过的流量减小，也即通过的流速减小，滤芯的压差也减小。因而达到额定压差时滤芯能够容纳更多的污染物。因此选用大纳污量、大流量的过滤器对现场油液的污染控制是很重要的一步。,4.5、过滤器滤层的设计原则“滤层的设计应该要保证滤层拥有最佳的过滤面积、最大的纳污容量。只有这样，才能有效降低滤层的表面流速，从而保证滤芯的精度。,让我们再来品味一下国外优秀设计师在这方面的良苦用心吧。我们再重新回到前面，看一下PALL公司的HC9020HC9021图。为了拥有最大的过滤面积，设计师们将端盖和骨架的厚度减到最小，滤层充满了整个端盖，为了增加滤层的厚度，HC9021甚至将骨架的内径减到了与端盖内径相同的尺寸。,PALL过滤器发展到现在大致经历了五代产品。从第三代起，PALL开始采用特殊的高性能滤芯结构，如螺旋缠带、新型支撑网等，关键是采用了高性能的滤材。这种滤材采用渐变孔径结构，可以最大限度地截获颗粒，另外，与传统滤材相比，在相同孔径时它的纤维更细，因而具有更高的开孔率，有效降低通过滤材的流速，提高了纳污容量。,第四代产品，更是采用了创新的无骨架结构，此举大大增高了波纹的高度，使过滤面积一下子提高了60以上。,就在我们对PALL设计师的创造感到眼花缭乱的时候，PALL又推出了第五代产品-“Ultipleat SRT过滤器”，PALL的广告词是-“不是改进，而是革命”。,这种号称“新月形打褶”结构的滤芯，可使滤层的过滤面积达到最大，PALL公司骄傲地说“这种结构代表了我们所认为的打褶设计的极致”。,如图所示，传统的折波方法，其波纹是从内向外辐射的，这样就会增加波纹之间的间距。从而产生未使用的体积。而“新月形”打褶结构，波纹与波纹之间没有未使用的空间，不会浪费体积，从而使过滤面积达到最大化。同时流量均匀分布，可有效消除传统打褶方式中流经波纹顶部的液体少于流经波纹底部的液体，从而使滤材均匀拦截杂质，延长了滤芯的使用寿命。,这种结构还使波纹互相支撑，增强了波纹的稳定性。其中最主要的一点，还是可使滤芯在相同的过滤面积下，拥有较小的体积或是在或是在相同的体积下拥有更大的过滤面积。,4.6、支撑材料的选择 合适的过滤材料选择好后，还要考虑如何加工才能使滤材的性能达到最佳状态。对于滤材来讲，必须在滤材的上下表面作适当的支撑，才能承受上下由的压差所引起的疲劳应力。如果没有支撑，在高压差情况下波纹会被压缩在一起，产生“并牙”现象，同时波纹的根部会因疲劳产生断裂，从而造成滤芯的失效。,用金属编织网作过滤材料，如果材料的目数较低，丝径较粗，可以不用加支撑，如80目以下的方孔网及500以下的特种网。如果材料的目数较高或需要承受大的压差，就要增加一层或多层支撑网。支撑网一般选40目以下的方孔网，有时甚至需要粗丝径密纹网。,用滤纸做滤材，一般不加护网，如需承受大压差，可内加一层20目左右的方孔网。 若用玻纤滤纸作滤材，不但要加支撑网，有时还需加护纸来保护滤材。 在加工高精度过滤器的时候，需要我们特别注意。高精度过滤器的过滤材料一般选用玻璃纤维滤纸，玻璃纤维很脆，经过折叠易折断，因此需特别保护才行。 以下，是我们的经验数据，仅供大家参考。 过滤精度10m以上的滤芯，一般内加一层4060目的方孔网，外加一层2540目的方孔网；若选用两面带护纸的玻纤滤纸，可不加护纸。,过滤精度10m以下的滤芯（包含10m）可按照下列方法进行加工生产： 1 若选用如南玻院NF系列带双层护纸的滤材，滤层的排布由外向内依次为： 2540目吋丝径0.15方孔网 NF玻璃纤维滤纸 4060目吋丝径0.1方孔网,2 若选用如LYPORE系列纯玻纤滤材时，滤层的排布由外向内依次为： 40目吋丝径0.15方孔网 双层茶叶滤纸或60g无纺布 LYPORE玻璃纤维滤纸 双层茶叶滤纸或60g无纺布 60目吋丝径0.1方孔网 3 在折波纹前,所有滤网、滤纸均进行检验，若有跳丝、脱丝、破孔等，均不得使用。,对于使用压差小于2MPa的滤芯，如有条件，最好采用尼龙方孔或菱形网来做支撑网，并且采用加热的方式折波。对于使用压差21MPa的滤芯，则必须采用金属网作支撑，并且保护层最好采用200目以上的尼龙编织方孔网。,HYDAC-BH系列过滤器滤层的排布由外向内依次为： 25目吋丝径0.18金属编织方孔网 单层无纺布 玻璃纤维滤纸 200目尼龙方孔编织丝网 46目吋丝径0.15金属编织方孔网HYDAC-BN系列过滤器滤层的排布由外向内依次为： 25目吋丝径0.18金属编织方孔网 单层无纺布 玻璃纤维滤纸 单层无纺布 46目吋丝径0.15金属编织方孔网,这是PALL公司滤层的结构,PALL-K系列过滤器滤层的排布由外向内依次为： 3X1.3丝径0.33菱形尼龙网 单层无纺布 玻璃纤维滤纸（下游带护层） 3X1.3丝径0.33菱形尼龙网 PALL-D系列过滤器滤层的排布由外向内依次为： 30目吋丝径0.24金属编织方孔网 280目尼龙方孔编织丝网 玻璃纤维滤纸（下游带护层） 280目尼龙方孔编织丝网 85目吋丝径0.13金属编织方孔网,4.7、分流网的选择,进入过滤器壳体里的油液，一般都是固定于一个方向流动，这样就会造成滤芯的整个滤层上面承受的流量不一样，这既是造成滤芯寿命短的重要因素，有时造成滤芯精度达不到的重要原因。因此十分有必要在滤芯的进液面增加一层分流网。 PALL过滤器采用外缠螺旋带，同时螺旋带上的胶液也可起到固定波纹间距，使波纹不易变形，可谓一举两得。HYDAC公司则采用加菱形网或微孔板的方法的方法来解决这个问题。国内液压过滤器生产的龙头企业温州黎明也开始在它的高压过滤器上推广这种方法。,4.8、滤层的合缝 滤层的合缝往往是大家容易忽略的地方。从滤芯的完整性试验来看，过去我们经常采用的金属合缝片合缝的方法是极不可靠的，大约有1/3的泄漏都产生于合缝处。现在我们一般采用在合缝处涂胶的方式进行合缝。对于金属网，低精度可采用滚焊的方式，高精度必须用等离子焊或氩弧焊。 下图是经常采用的一些合缝方法。其中图1是HYDAC公司的专利合缝结构，图2是PALL公司的合缝结构。图1的方法应该是最佳的，它可确保合缝处不会产生泄漏，图2的方式合缝处窄，可以增加过滤面积，但工艺复杂，没有专门的设备，不易保证合缝质量。,合缝的形式,4.9、滤层的粘结 滤层既粘结在端盖上，又粘结在骨架上。经统计，由于粘结的原因造成滤芯旁通渗漏的占滤芯总缺陷的比例与合缝处的缺陷几乎相当。滤层与端盖、骨架之间的连接和密封的可靠性全靠胶液的性能的好坏以及工艺的优劣。理想的胶液应具备以下性能：粘结强度高，渗透性能好，化学稳定性好、固化时间短、胶液含气量少等。 粘结工艺的优劣，也是影响滤芯粘结性能的重要因素。一种好的粘接工艺，可以使粘结缺陷降到最低。,我们现在一般采用环氧树脂胶进行粘结。环氧树脂具有良好的粘结强度，并且耐酸耐碱，与过滤介质的相容性非常好。但渗透性很差，含气量也多。在制作高精度过滤器时，极易产生旁通等缺陷，造成产品的报废。一般采用端盖灌注少量胶液，滤层端面涂一层胶液来解决弥补渗透性不足的缺陷。 胶液的渗透性太好也不行，有时会造成滤纸吸胶，影响过滤面积，还会造成旁通。下图是国外一家大公司生产的滤芯，由图可见，胶液有非常严重的上吸现象。,第三讲、骨架的设计 过滤器中的骨架主要是起支撑作用。滤芯在工作时， 在压力的作用下，滤层会产生变形，若没有一个强有力的支撑，将会造成滤芯的压溃和滤材的损坏。,过滤器的骨架一般分为内骨架（流向为由里向外）或外骨架（流向为由外向里）两种类型，由于直径较小的骨架能够获得较高的强度，因此最佳的流向应为由外向内流动。对于压力管路过滤器，因其要承受较高的压差，一般采用内骨架。对于回油过滤器，压力一般比较低，并且要求分流效果要好，采用外骨架较多。,骨架必须具有很小的流动阻力。因此其开孔率越高越好。骨架的强度一般分为“标准型”（即耐压在20bar左右）和“高强型”（耐压在210bar左右）两类。 “高强型”骨架的必须要在超过210bar的压差下仍保持不变。此时应选用小孔骨架以适应压力的变化。有时骨架上的孔小至2mm，但仍会由于承受很高的压差而造成滤材被压入孔中使材料拉裂失效，此时就必须增加一些必要的措施来增强滤层的支撑。,PALL公司高压过滤器采取的措施是在骨架的外面再加一层0.5mm厚0.6mm孔的微孔板。 HYDAC公司BH系列过滤器又在骨架的外面套一层45目/吋的金属方孔网。来增加对滤层的支撑。,第四讲、密封的设计 在过滤器的使用中，密封件的作用是阻挡油液从高压腔向低压腔流动。正确的密封设计是保证过滤效果的重要条件。,过滤器的密封件主要有两种类型：O型密封圈和平垫圈。 O型密封圈的密封原理如图： 在无液压力的情况下，弹性压缩变形的O型密封圈，在自身的弹性力作用下，对接触面产生一个预紧力。当有液压力后，O型密封圈在液压力的作用下发生变形，移向低压侧，并进一步加大弹性变形，紧逼并封闭了密封间隙，大大增强了密封效果。,平垫圈的密封原理如图： 无论有无液压力，平垫圈只在自身的弹性力作用下，对接触面产生一个恒定的预紧力。当有液压冲击时，平垫圈极有可能在液压力的作用下发生进一步变形，从而造成泄漏。 因此，在设计时，我们应优先选用O型密封圈。,在密封的设计中，我们还应考虑工作介质的类型和温度。不同的工作介质须要选用不同的密封材料。 下表是常用的密封材料所示赢得介质和工作温度：,几点感想： 进入过滤这个行业，已有二十多年了。在业内我有许多好朋友，平时大家在一起聊天，我发现有许多人，包括一些从业很久的老同志，