高精度液压系统两相流分离技术研究

洪少华，林昌杰

(1. 武汉交通职业学院机电工程学院，湖北武汉430065;2. 武汉水电控制设备有限公司设计科，湖北武汉430063)

液压系统污染是影响液压系统安全、稳定运行的问题，且经常出现，污染物对液压系统的危害十分巨大。据统计，液压系统75% 以上的故障是由系统油液污染造成的，这些污染物包括:固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物、静电离子、热能、磁场和放射性物质。据分析，在这些污染物中，固体颗粒产生的影响又是主要的，约占80%的比例。因此，可以近似把控制系统液压油看成是液态油和固态微颗粒的两相流，高精度高压液压系统两相流分离技术是现代精密自动控制系统的一个重要的研究课题。

作者长期关注现代大型水电、火电发电设备的控制技术。现代大型水、火电机组的发展方向是超大型化、高自动化、高安全性。控制系统对液压系统用油的要求越来越苛刻。

高效、安全地除去液压系统中存在的细小固体微粒，保证机组长期安全稳定运行，是文中研究的要点。

1 高精度高压液压系统对液压过滤设备的要求

现代大型水电、火电机组的控制设备液压系统的特点是高油压、大流量、高精度。现在，一般机组油压等级已经达到6 ～10 MPa;主工作元件的进出口公称通径已经达到100 ～200 mm;液压油的允许最大颗粒等级是2 ～5 μm，局部回路已经达到1 ～2 μm。

在这些场合，对运行的液压油过滤设备的要求是:

(1)液压油液流动畅通，过滤元件压力损失小;

(2)过滤过程中主机液压元件应得到冲洗;

(3)过滤元件能够在线自清污，具备自清洁功能，且不影响机组的运行;

(4)过滤液压系统与主机的连接或断开方便，并满足产品多样化的要求;

(5)过滤元件应该有足够的抗疲劳性和抗冲击性，还能够适应一定的温度变化;

(6)过滤液压系统具有状况自检的功能，维护保养方便。

2 过滤元件的选择与安装

针对以上的一些特别要求，现在采取以下的一些应对措施:

(1)严格控制新油的清洁度;

(2)严格控制设备装配前和装配期间各元件及通流部分的清洁度;

(3)在液压回路必要的地方布置合适的过滤装置;

(4)定期对液压油进行整体旁路循环过滤;

(5)对系统的油质量进行动态的在线监测。

这里，能够做到和重点研究的只能是其中的第3 项。

在液压回路中使用的过滤器有吸油过滤器、压力管路过滤器、回油过滤器和旁路过滤器等。它们的工作任务和安装位置各不相同。现在旁路过滤器一般已不采用，吸油过滤器和回油过滤器已经有比较成熟的产品可以直接选用，关注的是主压力管路过滤器。主管路过滤器一般设置在液压系统的核心控制元件如主配压阀、电液转换器和比例伺服阀之前，处于液压控制系统的心脏部位，对保证机组的安全、稳定运行至关重要。

3 过滤材料的选择

过滤器过滤层的材质可以分为表面性和深度性两类。表面性滤材由金属细丝编制而成，也有其他的结构形式。过滤精度由编织孔及线隙尺寸决定，在理想状态下，任何大于孔隙尺寸的微粒均会被拦截。这种滤材的过滤作用只发生在滤网表面，所以称为表面型过滤。随着污物在过滤网面的不断堆积，其孔隙会被不断堵塞，从而使压降逐渐增大，过流量逐渐减小。一般，这种滤网要有足够大的过流面积，可以重复使用，但使用中还要注意表面除污。深度性滤材为有一定厚度的多孔材料。它的孔眼形状、大小都不规则，不均匀，内部流道弯曲、复杂，它的功率作用不光发生在材料表面，还在过滤材料的深处，所以称为深度性滤材。用这种材料做成的滤网，纳污容量比较大，压降比较小，但除污、清洗比较困难，一般不能重复使用。

作者在实验室中，对多种滤材进行了多次分析比对试验，最后确定选用不锈钢烧结网为过滤设备的滤材。这是因为，烧结网由不锈钢丝网经叠加、真空烧结而成，具有耐腐蚀性强、渗透性好、强度高、易于清洗和反清洗、过滤精度精确、滤材卫生洁净、丝网不脱落等特性，综合性能明显优于其他类型的过滤材料。

4 过滤装置的工作原理

作者在实验室进行了高精度高压液压系统两相流分离装置实验。其原理见图1。由不锈钢烧结网制成向下开口杯状滤网体与步进电机直连，可由步进电机带动旋转。滤网体内部设有固定的吸污口，其进口紧贴滤网体内壁。吸污口通过电磁阀、节流阀与污油箱连接。滤网壳体上还布置了差压控制器和最后机会滤网。当这种装置接入高压液压油源时，压力油从杯状滤网体内腔流入，通过滤网进入壳体，过滤后进入工作系统。当滤网面上污物逐渐增多使系统差压增大到设定值时，差压开关发出信号，通过可编程控制步进电机动作，同时打开两通阀，网面上附着的污物在差压的作用下，被强行吸入吸污口，通过两通阀、节流阀，进入污油箱。步进电机缓慢转动一圈，网壁上的污物被全部清理干净，清污过程完成。整个装置可编程控制，有自动差压清污、定时清污、手动清污等多种工作状态。当这些功能完全失效时，还有最后机会过滤器起旁通过滤作用，确保系统安全运行。这个装置还具有智能工况切换功能、远程通信控制功能和自动报警等多种功能。

图1 液压油两相流分离装置原理图

5 结束语

目前，已经完成了液压油两相流分离装置实验室的全部工作。实验证明:该装置各项指标达到设计值，各项性能达到预期的要求。这项技术还可以用于舰船、大型冶金设备、大型工程机械和军事工程中。

［1］戴天翼．过滤器:设计、制造和使用［M］．北京:化学工业出版社，2009:97－98．