摘 要：介绍了新型材料滤芯结构完整和过滤性能的测试与评价方法。滤芯结构完整性试验台可以很好的测定滤芯的初始冒泡点、群泡点、最大孔径及其位置，平均孔径，滤芯阻力等性能参数，最大孔径与平均孔径的比值可作为滤芯结构完整性可接受性的重要参考指标。DT-100多通试验台能测量全生命周期内的过滤精度、过滤比、流阻特性、纳污容量及过滤性能稳定性等滤芯性能参数，通过数据拟合模型，可对滤芯的寿命、过滤效率等重要参数做出预测。该方法也可适用于滤芯生产质量控制、新产品研发、用户产品质量复检。
关键词：滤芯；结构完整性；初始泡点；群泡点；纳污容量；过滤比
1 引言
滤芯是一种用于净化原流体中颗粒污染物的分离装置，在油、水、空气的过滤行业中有着举足轻重的作用，对水、空气的污染治理，循环产业的发展都有重要的意义。例如在油净化行业中，绝缘油、润滑油、液压油、汽车航空燃油中的颗粒污染物，对机械产品质量、寿命及环境污染都有重要的影响[1-2]，如能保证滤芯的过滤性能以实现系统的目标清洁度，可减少液压系统80%以上的故障。近年来，滤芯的过滤性能的研究日益受到重视，从材料上看，滤芯分为无机纤维复合滤芯、纸质滤芯、金属网滤芯，随着材料科学的发展，各种新型功能材料不断涌现，加之精密制造技术日益进步，各种新型滤芯在过滤行业应用日益增多[4]，新型滤芯的产品质量性能检测及其评价是滤芯投入使用之前的首要之事[5]。我国滤芯的质量检测总体起步较晚，1996年航空工业部制定了航空燃油过滤器第一个行业标准，2006年采用与国际标准等同的方法制定了国家标准[3]，分析方法已经从过去显微镜放大镜观察发展到颗粒计数器自动计数。结合国标从液压滤芯的结构完整性验证和多次通过实验评价滤芯性能两方面，来探讨新型滤芯的产品型式实验的方法，以期为新型滤芯的产品开发、加工制造方法选择、质量性能控制等方面提供有益的建议。
2 滤芯结构完整性检测
滤材在加工成滤芯的过程中的剪裁、折叠、粘接等都有可能造成滤芯存在液体旁路流通缺陷，结构完整性检测其目的就是检测是否存在旁通缺陷以及缺陷大小和位置。假定滤芯中存在一个最大孔的缺陷，其缺陷处流动阻力最小，通入气体后最先在此处冒出，因此常采用冒泡法观察最大孔径的位置，其工艺流程，如图1所示。来自1-压缩空气通过、2-空气过滤器、3-稳压储罐，连通8、被测试过滤器，过滤器浸没在7-实验液体中，空气流出被测滤芯，在滤芯表面的空隙处形成气泡，气泡上升流出被检测液体，在实验过程中，气体压力通过4-调压阀调节，供气压力被5-压力表检测；10-实验液体储槽、11-加液泵、12-阀门、13-排液阀、构成7-实验液体的供给、回收系统，本次实验在QS-MP15K滤芯结构完整性试验台进行，其外观，如图2所示。
图1 滤芯结构完整性检测流程图
Fig.1 Flowchart of Filter Fabrication Integrity Test
图2 QS-MP15K滤芯结构完整性试验台
Fig.2 QS-MP15K Filter Fabrication Integrity Test-bed
根据气泡形成原原理，液体表面张力、孔径、压力差之间满足如下关系：
式中：d—孔径（μm）；
S—表面张力（N/m）；
ΔP—压力（Pa）。
根据滤芯结构完整性检测的工艺流程原理，该实验系统可以很好的测定滤芯的初始冒泡点、群泡点、最大孔径及其位置，平均孔径，洁净滤芯阻力特性能参数，文献[6]群泡点压力比初始泡点压力增量在初始泡点压力10%以内，就判定滤芯空隙分布均匀，并且在制作过程中没有破损，联结处密封可靠，以此作为加工制造后作为滤芯结构完整性的标准。在实际中生产厂家或使用单位可以根据需求过滤精度和经济性，综合决定选用群泡点压力与初始点压力比值范围。
3 多次通实验滤芯性能测试
滤芯的性能主要涉及以下几个方面，全生命周期内的过滤精度、过滤比、流阻特性及纳污容量与寿命。多次通过实验平台主要模拟过滤器在液压或燃油系统内的工况，污染物连续不断的注入到油液系统，绝大多数颗粒污染物被滤芯拦截，少量未被拦截的颗粒，通过在线颗粒计数器统计滤芯上下游的污染状况，直至滤芯达到规定的压差。本次采用的是新乡天翼检测技术公司的DT-100多次通过试验台，如图3所示。该试验平台测试与控制系统与计算机相连，在线采集滤器上下游颗粒数量、滤器压差、自动关闭油泵、调节阀门流量，通过对试验过程中采用的试验数据的分析计算，得出被试滤芯的过滤比，压降流量特性和纳污容量。该实验平台的工艺流程，如图4所示。主要包括滤器测试实验系统和污注系统，另还有两个辅助系统：油箱辅助系统和冷却系统。滤器测试实验系统由1-试验油箱、2-加油泵3三通阀、4-净化器、5-被测滤器、6-压差显示计、7-颗粒计数系统构成。污注系统由8-污注油箱、9-搅拌器、4-油净化器构成。辅助油箱系统主要有10-辅助油箱通过油泵调节1-实验邮箱和8-污注油箱的液位，由4-油净化器净化实验用油。冷却系统主要有11-加热—制冷机将实验油保持恒温。
图3 DT-100多次通过实验台
Fig.3 DT-100 Multi-Pass Test Bench
图4 DT-100多次通过实验台流程图
Fig.4 Flowchart of DT-100 Multi-Pass Test Bench
4 滤芯性能测试实例
实验测试某公司生产的名义过滤精度为5μm的多层折叠不锈钢滤芯，按照GB/T14041-2007《液压滤芯》的第1部分结构完成性验证[7]，初始冒泡点压力4656Pa，对应最大孔径为20.1μm，群跑点压力13970Pa，对应孔径6.7μm。按照GB/T8243.12-2007《内燃机全流式机油滤清器试验方法第12部分：采用颗粒计数器法测定滤清效率和会容量》[8]，设置试验温度（40±0.5）℃，实验极限压差300KPa[9]，设定上游基本重量污染物读度10mg/L，上游颗粒计数器稀释比1：10，实验时间72分钟，测量滤芯的过滤性能。
4.1 纳污容量
滤芯的纳污容量CR为污染物总注入量减去三项值：
（1）试验结束时留在试验系统中的污染物重量；
（2）从被试过滤器下游取样口排除的污染物估计值（G80-Gb）是下游平均重量污染度的保守估计值；
（3）从上游取样口排除的污染物估计值，（G80+Gb）是上游平均重量污染度的估计值。具体计算方法参考参照标准GB/ T8243.12-2007。
式中：Mi—污染物注入总量（g）；G80—达极限压降的80%时，滤芯上游污染物浓度（mg/L）；Vtf—实验油箱体积（L）；qd—下游取样流量（L/min）；qd—上游取样流量（L/min）。
4.2 滤芯流阻特性
污染物是以连续恒定的速度注入系统，滤芯压降与污染物注入质量的拟合曲线，如图5所示。y=2.5233e0.7566x相关系数为R2=0.9926，滤芯压降随污染物注入成指数增长，通过公式可以即时预测滤芯压降及其寿命，提前做好滤芯更换或返冲洗维护工作。
图5 滤芯压降随污染物注入量变化
Fig.5 The Relation of Filter Pressure Drop with Contaminant Injected
4.3 滤芯过滤效率
当污染物颗粒直径超过滤芯最大直径20.1μm时，污染颗粒完全被滤芯阻挡，在滤芯下游检测出对应的污染物颗粒数为零，过滤比无穷大。在（4～20）μm的范围内，该名义过滤精度为5μm的滤芯其过滤比与颗粒直径的拟合曲线β=0.0337d3.7008，如图6所示。通常把过滤比β为75时，滤精度值定义为名义过滤精度[10]，通过数据拟合实验得到实际名义过滤直径为8.03μm，与厂家标注的过滤精度5μm存在一定差异，用户可以按照此方法对产品质量进行复检。
图6 过滤比与颗粒直径关系图
Fig.6 The Relation of Filter Ratio with Particle Diameter
5 结论
按照滤芯测试国家标准，结合结构完整性和多次通过试验台，给出了滤芯测试实例，对新型滤芯质量性能检测及评价方法进行了探讨，可以得出以下结论：
（1）滤芯结构完整性试验台可以很好的测定滤芯的初始冒泡点、群泡点、最大孔径及其位置，平均孔径，洁净滤芯阻力等性能参数，初始泡点压力与群泡点压力的比值可作为滤芯结构是否完整性的可接受性的参量。
（2）DT-100多次通过实验台可测量滤芯全生命周期内的过滤精度、过滤比、流阻特性及纳污容量。
（3）通过对滤芯压降与污染物注入量，过滤比与颗粒直径等参量的相互关系的数值拟合或者内插值，可对滤芯的寿命、过滤效率等重要参数做出预测。
