滤芯设计制作基础知识

. . . 第一篇 过滤的基础知识

1 污染物的简述

1.1污染物的定义

在液压系统中污染物是指液压介质中存在的一切对系统有危害作用的物质和能量。它包括固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物、静电、热能、磁场和辐射等。

1.2污染物的来源

污染物的来源各不相同，主要是在系统装配、运行、故障维修等过程中产生的。根据其产生的原因总体来说，可分为系统部残留、部生成和外部侵入三种。表1-1举例说明了各种污染物的常见来源

表1-1 污染物的常见来源

种 类 来 源 举 例 说 明

固体颗粒 系统部残留 制造或装配过程中残留于系统部的切削、焊渣、型砂

系统部生成 元件运动副间摩擦生成的磨屑、表面腐蚀生成的锈片

系统外部侵入 从油箱呼吸口或液压缸活塞杆伸出端进入的尘埃

水 系统部残留 制造或装配过程中残留于系统部的水

系统部生成 溶解于油液中的水在低温下转化为非溶解水

系统外部入侵 与油箱液面接触的空气中的水蒸气溶解于油液中；

冷却器泄漏时，进入油液中的水

空 气 系统部残留 液压系统初始运行时，未将空气排尽

系统部生成 溶解在油液中的空气在低压下释放出来

系统外部入侵 当系统压力低于大气压时，吸入的空气；

油箱中的油液搅动剧烈，生成气泡被吸入系统

化学物质 系统部残留 制造或装配过程中残留于系统部的溶剂

系统部生成 油液汽化和分解产生的化学物质

系统外部入侵 元件或系统维修时进入的表面活性剂

微生物 系统部生成 在油液含有非溶解水的条件下，滋生和繁殖的霉菌等

静 电 系统部生成 油液高速流动时产生静电

热 能 系统部生成 油液高速流动时产生热量

系统外部入侵 环境温度过高

磁 场 系统外部入侵 环境中有强磁场

辐 射 系统外部入侵 环境中有辐射源 2 1.3污染物的危害

污染物对液压系统的危害是十分巨大的。据统计，液压系统75%以上的故障是由于油液的污染造成的。固体颗粒是液压系统中最主要的污染物，液压系统污染故障中的三分之二都是由固体颗粒引起的。表1-2给出了各种污染物的危害。

表1-2 污染物的危害

种 类 危 害 举 例 说 明

固体颗粒 元件的污染磨损 磨损元件运动副表面，降低元件工作性能

元件的污染卡紧 电磁阀间隙进入污染物，使阀动作缓慢或失灵

元件的污染堵塞 元件的功能性小孔被堵塞，使元件功能失效

油液的劣化变质 金属颗粒的存在，使油液的酸值迅速升高

水 腐蚀 腐蚀金属表面，生成的锈片进一步污染油液

加速油液劣化 与金属颗粒同在时，使油液氧化速度急剧加快

与添加剂产生作用产生沉淀物、胶质等

低温结冰 低温时，自由水变成冰粒，堵塞元件的间隙或小孔

空 气 气蚀 破坏元件表面

降低弹性模量 降低油液体积弹性模量，使系统响应缓慢

加速油液劣化 加速油液氧化变质

化学物质 腐蚀 与水反应形成酸，腐蚀金属表面

洗涤 将附着于金属表面的污染物洗涤到油液中

微生物 油液的劣化变质 引起油液变质，降低油液润滑性能

静 电 危害安全 静电与油蒸汽作用可引起爆炸或火灾

腐蚀 引起元件的电流腐蚀

热 能 改变油液性能 降低油液粘度

油液的劣化变质 加速油液氧化

加速元件的老化 加速密封元件老化

磁 场 吸附颗粒 将油液中铁磁性颗粒吸附在间隙引起磨损和卡紧

放射性物质 加速油液劣化 加速油液的劣化变质

1.4污染物特征的描述

液压系统中的污染物既有以物质形式存在的，如固体颗粒、水、空气、化学物质和微生物等，又有以能量形式存在的，如静电、热、磁和辐射等。化学物质主要以其种类和含量来进行污染特征的描述；微生物除了能繁殖与游动外，其污染特征与固体颗粒相近；静电污染一般以电荷电压来描述其特征；热一般以温度的高低来描述其特征；. . . 磁一般以磁场强度来进行来描述；辐射主要以其种类和能量来进行描述。下面对液压系统的最常见的固体颗粒、水及空气的污染特征做一介绍。

1.4.1固体颗粒

描述固体颗粒污染特征的参数主要有颗粒的密度、堆积松散度、沉降性、分散性、迁移性、成块性、硬度、破碎性、尺寸、尺寸分布、浓度、形状等。污染控制经常使用的特征主要有尺寸、尺寸分布和浓度等。

表1-3 常见微米级颗粒的尺寸

微 粒 尺寸/μm

人类发丝直径 60～100

大肠杆菌长度 7

吸烟吐出颗粒 0.01～0.5（用过滤嘴）

人类血球直径 10～12（白血球）

花粉颗粒直径 3～7

100目方孔编织网边长 180（方孔边长）

400目编织网网孔 37（方孔边长）

795镍网网孔 10（斜纹编织切圆直径）

液压阀阀芯阀套间隙 1～4（滑动配合）

柱塞泵缸体与柱塞间隙 5～40

医用过滤膜孔径 0.22、0.45、0.8和1共四挡

液压过滤器精度要求（2000年前） 1、3、5、10、12、15、20和25（压力段）

AC标准粉末颗粒分布 1～80（ACFTD）（细粉末）

注：1μm=0.001mm。人们可见到实物颗粒尺寸极限为40μm

颗粒具有不规则的形状，我们如何去描述它的大小、给出他的尺寸呢？为此，人们给出了关于颗粒尺寸的不同定义，在污染控制领域，常用的定义主要有两种，一是颗粒的最大弦长，即用颗粒的最大弦长来描述颗粒的大小，这种定义在显微镜计数法中得到使用；二是用颗粒等效投影面积的直径作为颗粒的尺寸，这种定义自动颗粒计数法中得到使用。 4 不同尺寸的颗粒对元件的危害是不一样的，人们常用不同尺寸段的颗粒数所占的比例来描述颗粒的尺寸分布，而使用单位体积油液中不同尺寸段的颗粒数或单位体积油液中固体颗粒的重量来描述颗粒的浓度。

1.4.2水

水的污染特征描述主要有水的存在形式及其含量。油液中的水有三种存在形式：溶解水、乳化水及自由水。溶解水是指油液分子间存在的水，其尺寸一般在0.1μm以下。乳化水是指高度分散在油液中的水，其尺寸一般在10μm以下。自由水是指沉降在油液下部的水，其尺寸一般在100μm以上。

油液中三种形式的水是能够互相转化的。温度降低、压力下降时，油液中的溶解水会析出，成为乳化水或自由水。温度升高、压力上升时，乳化水和自由水会溶解在油液中，形成溶解水。自由水在剧烈搅动时会形成乳化水。乳化水再长时间静置时会变成自由水。

油液中的水含量可以用体积百分比（%v）表示。如100ppm表示1单位体积油样中含有万分之一体积的水。

1.4.3空气

与水类似，空气的污染特征描述主要有空气的存在形式及其含量。油液中的空气也有三种存在形式：溶解态、乳化态及自由态。溶解态空气是指油液分子间存在的空气，其尺寸较小。乳化态空气是指高度分散在油液中的空气泡。自由态空气是指积聚在液压系统部高点的空气。

油液中三种形式的空气也是能够互相转化的。温度升高、压力下降时，油液中的溶解态空气会析出，成为气泡或自由态空气。温度下降、压力上升时，油液中的气泡和自由态空气会溶解在油液中，形成溶解态空气。油液中的空气含量一般以体积百分比（%v）表示。 . . . 2

过滤的基本原理

过滤就是利用多孔隙的可透性的介质滤除悬浮在油液中的固体颗粒污染物

2.1过滤原理

过滤介质对液流中颗粒污染物的滤除作用可归纳为两种主要机制，即直接阻截和吸附作用。

直接阻截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，并在表面力（静电力或分子吸附力等）的作用下吸附在通道壁，对于纤维介质即吸附在纤维表面。

图2-1表面型过滤介质过滤原理

2.2过滤介质

按照结构和过滤原理，过滤介质可分为表面型和深度型两大类。表面型过滤介质是靠介质表面的孔口阻截液流中的颗粒。属于这一类型的过滤介质有金属网式、线隙式和片式等过滤元件。

1.表面型过滤介质

表面型过滤介质通孔的大小一般是均匀的，凡尺寸大于介质孔口的颗粒均被截留在介质靠上有油液一侧的表面，而小于介质孔口的颗粒则随液流通过介质，因此，全部 6 过滤作用都是由过滤介质的一个表面来实现的。

表面型滤材由于过滤机理比较单一，主要是直接阻截，因此其纳污容量较小，但经过反向冲洗，介质表面的颗粒容易清除干净，所以可以反复使用。受工艺限制，一般使用表面型滤材的滤芯，其过滤精度很难达到25μm以上。

2.深度型过滤介质

深度型过滤介质为多孔材料，如滤纸和无纺布等。这类介质有无数曲折迂回的通道，从介质的一面贯穿到另一面，并且每一通道中有许多狭窄的孔口，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，有些被吸附在通道壁或粘附在纤维表面，而有些则沉积在通道空穴的液流静止区。因而深度型过滤介质的过滤机理既有直接阻截，又有吸附作用，过滤介质对颗粒的滤除过程发生在介质整个深度围。

深度型滤材其颗粒被阻截有五种方式，即重力吸附、静电吸附、布朗运动吸附、惯性撞击吸附及网孔直接拦截。深型滤材过滤要比单面滤材（编织网）过滤效果好，这正是因为它有良好的吸附效果。深型孔复杂的孔道形状，造成了上述几种吸附效应，这是单面滤材所不能及的事实，所以单面滤材过滤特性不佳，单靠网孔阻截，堵塞寿命也短。

深型滤材过滤优点：比孔径尺寸小的颗粒也能被阻截在滤前；比孔径尺寸大的颗粒也能有比率地逃到下游（滤后）。

图2-2深度型过滤介质过滤原理

深度型滤材纳污容量要大得多，但介质部的污染物很难清除，一般只能一次性使用。. . . 但是其过滤精度可以做的很高，可以比较容易的达到1μm。这一点对于表面型滤材来说是不可能的。因此，在对系统油液要求比较高的液压和润滑系统中，均采用深度型滤材的滤芯作为过滤元件。

目前广泛使用的深度型滤材为超细玻璃纤维材料，相比较原来使用的植物纤维滤材，具有纤维丝径细，过滤精度高，稳定性好，不易脱落纤维且耐热和耐酸碱等优点，基本上已经完全取代了植物纤维。下表2-1为表面型与深度型特点的比较。

表2-1

表面型滤材特点 深度型滤材特点

1过滤过程由过滤介质的一个表面实现 1过滤过程由滤材的整个厚度实现

2过滤材料的通孔大小一致，均匀分布 2滤材的孔径大小不均匀，孔的分布不均匀

3阻力小，通油能力大，纳污量小 3阻力大，通油能力小纳污量大

4过滤效果差过滤精度很难达到25μm 4过滤效果好，过滤精度高

5能清洗 5一次性

2.3污染控制元件的主要性能指标

2.3.1过滤精度

过滤器的作用是滤除油液中的颗粒污染物。过滤精度是指过滤器（滤芯）能够有效滤除的最小颗粒污染物的尺寸。它反映了过滤器对某些尺寸颗粒污染物控制的有效性，具有过滤效率与颗粒尺寸两方面的含义，是过滤器的重要性能参数之一。

由于人们对过滤精度中的有效性规定还不统一，这就造成了各种各样过滤精度的出现。

由下表可见，名义过滤精度的含义较多，不能确切的表示过滤器的过滤性能，而且这种评定法是在污染物浓度很高的条件下进行的，与过滤器实际工作条件相差很大，所以评定的结果并不能确切反应过滤器的实际性能，且重复性较差，所以名义过滤精度的概念并没有得到广泛的应用。