高精過濾技術及其在現代制造業領域的應用
隨著現代制造技術高速、高壓、高控制精度、高自動化及高可靠性的發展趨勢，機械設備的動力傳動部分越來越普遍地采用軸向柱塞泵、比例閥、伺服閥、靜壓液壓軸承。此類系統的正常運行對油品清潔度要求極高，75%～85%的系統故障歸因于系統中的顆粒污染物。顆粒污染物對元件運動表面的切削、粘著、沖蝕經常造成比例伺服系統滯環增大、響應緩慢、控制失靈及泵及軸承的損壞甚至災難性事故的發生。針對此類問題，以前普遍采用定期更換元件，隨時監測系統狀態，甚至增大運動表面動態間隙以期減少事故的發生。 高精過濾技術是針對機器設備的血液——油品（包括液壓油、潤滑油、切削液等），基于系統運行高可靠性的要求，采用主動預防性維護的理念和策略，全面了解設備運行狀況和元件動態間隙，合理選定過濾器、濾芯的過濾精度和過濾面積，高效濾除間隙尺寸顆粒，阻斷磨損的鏈式反應，同時配合定期監測，保證油品及系統的清潔度，從而達到減少磨損，避免維修，延長元件及設備使用壽命，提高綜合經濟效益的目的。 如何應用高精過濾技術 高精過濾技術是隨著冶金高速軋制技術、現代液壓技術、航空宇航技術應運而生的。在制造行業，由于污染控制及設備主動預防性維護的理念沒有得到廣泛推廣，高精過濾技術還沒有得到廣泛應用。有些發達國家的進口設備在選擇過濾裝置、過濾元件時對設備的過濾精度要求重視不夠，造成投入運行后不久油品清潔度即超標，設備運行事故率居高不下。北京歐洛普過濾技術開發公司在制造加工過程及實際使用中進行主動維護，通過實施高精過濾提高設備的綜合效益。 高精過濾的實施分三步：確定典型元件的動態油膜間隙及目標清潔度；選擇適當的過濾系統；堅持按壓差更換濾芯，配合定期監測。 第一，從污染控制的角度出發，與動態油膜間隙尺寸相近的顆粒危害最大。因為這一尺寸范圍的顆粒一旦進入運動副的間隙內，將引起零件表面磨損，并使零件間隙增大，從而使較大的顆粒進入間隙，引起進一步磨損。這樣繼續下去，磨損不斷加劇，最后導致元件失效。經驗證明，選用β3>200的高精過濾器可使泵和電動機的壽命延長4～10倍，可基本上消除液壓閥的污染卡緊狀況，并顯著延長液壓油的使用周期。 第二，過濾系統的選擇需要從過濾器位置及安裝形式、過濾比、過濾材料三個方面考慮。一般液壓潤滑系統過濾裝置在設計之初即按照相應規范設計，在此不必贅述，只是在壓力油和回油過濾系統中，過濾器的過濾性能都不同程度的受流量和壓力波動的影響，其過濾效率顯著降低。此時可以選用高精度的外循環過濾裝置進行外循環過濾，外循環系統的流量（L/min）建議取油箱容積(L)的5%～20%，工作環境惡劣、系統清潔度要求高，建議取大值。 此外，外循環過濾裝置還可在主系統工作之前對油箱內的油液進行預過濾，可以有效地保護主系統的油泵。同時與油液的脫水、除氣及熱交換裝置結合，可以實現對油液的溫度調節和污染綜合控制。 過濾比的選擇主要考慮過濾元件能否將動態油膜間隙尺寸顆粒充分高效濾除。高精過濾一般選用βx>200的過濾產品。圖1所示為一車輛液壓系統在三個月現場試驗中油液污染度變化曲線。系統由原來公稱過濾精度25μm的過濾器換成β3>200的高精度過濾器，運轉20min，油液中大于5μm的顆粒數減少了100倍。在經過300小時運轉后大于5μm的顆粒數減小到最小值2500，金屬磨屑含量接近0。然而，當換回以前的公稱過濾精度25μm的過濾器后，在100小時后，油液中大于5μm的顆粒數增加了300倍，元件磨損程度又顯著增加。 過濾材料按照結構和過濾原理，可以分成表面型和深度型兩大類。金屬網式、線隙式和片式等過濾元件屬于表面型材料，此類濾材的過濾機制比較單一，主要是直接阻截，因此納污量小。此類材料經反向沖洗后可以重復利用，但每次沖洗后壽命和納污量會有所降低。 植物纖維、玻璃纖維、金屬纖維及合成纖維材料均屬于深度過濾材料。特別是合成纖維材料中的聚丙烯超長纖維濾材，由于絲徑細、質地均勻、彈性好，所以精度高，耐沖擊。隨著熔噴技術的進步，可以通過調節工藝參數改變纖維結構形成梯度過濾。由于制作過程不使用粘接劑，所以濾材孔隙率高，從而充分利用深層過濾機制以提高單位過濾面積的納污容量。由北京歐洛普過濾技術開發公司研制的此種材料最高過濾精度可達β3>600，聚丙烯超長纖維濾材制作的濾芯納污容量相當于相同精度濾芯的2～4倍，是真正意義上的高精度、長壽命、大納污量過濾產品。 第三，加強點檢，按壓差更換濾芯，配合狀態監測。高精過濾濾芯更換壓差根據系統情況有所不同，需要根據現場情況加強與過濾器制造廠家的溝通。狀態監測不僅包含油品清潔度、水含量、黏度，還包括鐵譜、光譜、能譜等多項監測措施，但清潔度監測是關鍵因素。需要特別說明的是，清潔度監測時取樣方法及檢測儀器對樣品影響極大，取樣人員最好經相關部門培訓。 成功的應用案例 高精過濾技術在宇航、鋼鐵、電力行業都有成功的推廣，以下僅就此項技術在制造業的應用作簡要介紹。 中建一局四公司從意大利土力公司進口R618型旋挖鉆機，設備造價每臺980萬元，是公司施工的關鍵設備。系統使用的柱塞泵為德國力士樂產品，并采用全伺服控制系統。原裝濾芯為美國PALL公司產品，進口產品價格高，供貨周期長。經綜合考察，四公司自2001年將此車型全部液壓潤滑系統濾芯進行轉化，關鍵部位使用聚丙烯超長纖維高精度濾芯，過濾精度β5>200。四年來液壓系統運行基本沒有故障，保證了施工任務的順利完成。四公司已將成功經驗推廣至同為關鍵設備的意大利土力公司BH12型液壓抓斗液壓系統過濾元件轉化過程中，亦取得了良好效果。 唐鋼熱軋薄板廠磨輥車間三臺工作輥磨床為德國WALDRICH SIEGEN 原裝設備，型號為WS25.00*6000，單件加工重量25t。一臺日本東芝KW-1660支撐輥磨床，單件加工重量70t。設備加工精度±2μm輥形差異±2μm，圓跳動3～4μm。四臺設備總造價接近一億元人民幣，是車間的關鍵設備。此種設備的主軸及托板導軌采用靜壓液壓支撐，對油品清潔度要求極高。由于歐洛普在唐鋼軋鋼車間液壓潤滑系統進口濾芯轉化有非常成功的案例，磨輥車間自2003年將所有液壓潤滑系統濾芯按照高精過濾的要求進行轉化，濾芯最高精度β3>200，同時配合高精度外循環過濾，兩年來系統運行正常，保證了生產的需要。 |