摘 要：针对液压支架滤芯多次通过试验中试验粉尘的选择问题，介绍了多次通过试验方法，并对5种类型的粉尘进行了初步分析和选择，用两种不同的粉尘分别进行了试验，得到了滤芯性能检测结果，最后根据实验结果确定了最佳试验粉尘。
关键词：液压支架 滤芯 多次通过试验 试验粉尘
据统计，液压污染是造成液压系统故障最主要的原因。为了保证液压系统工作的可靠性，有效净化液压介质，性能良好的过滤器必不可少。多次通过试验方法就是对过滤器性能进行评定的一种手段，它通过检测过滤器对试验粉尘的拦截情况，来计算其过滤精度、过滤比、纳污容量等指标，为过滤器选择提供依据。在此过程中，试验粉尘作为实际工况的模拟污染物，对其结果影响较大，根据不同的污染源选择合适的粉尘，才能得到正确的结论。对于液压支架过滤器滤芯，其多次通过试验方法还未成熟，在粉尘的选择上尚不明确，因而对此问题进行研究，选择合理的试验粉尘可以有效地改良试验方法和精确试验结果，有利于液压支架过滤器滤芯制造和使用企业对其性能的检测。
1 液压过滤器评定滤芯性能的多次通过试验方法
《液压传动过滤器评定滤芯性能的多次通过方法》GB/T 18853-2002为我国通油类过滤器普遍采用的过滤器(滤芯)性能检测标准，其中的试验粉尘为《道路车辆-用于滤油器评定的试验粉尘》ISO12103-1标准中A3为中的中级试验粉尘。将多次通过试验方法引入液压支架滤芯的性能检测是近年来才进行的研究项目，试验方法参照了国家标准GB/T 18853-2002，其原理如图1所示。
由图1可以看出,A部分是试验台的注污系统，即用一定量的试验粉尘模拟实际污染物，首先注入注污系统中，进行液体的循环，当污染浓度均匀时，截止阀14就会开启，被污染的液体流入试验系统B中，再多次通过滤芯，当被测滤芯3两端的压差达到一定值时，停止试验。在试验的前后，都要用试管量取两个系统中一定量的液体，并测量出其液体污染浓度，通过前后浓度的差值最终得到滤芯的纳污容量。在试验过程中，有颗粒计数器不断测量滤芯上下游的粉尘颗粒数，由此可以得出过滤精度。
A-污染物注入系统；B-过滤器性能试验系统；1-油箱; 2-泵; 3-被试过滤器; 4-颗粒技术系统; 5-节流阀; 6-净化过滤器;7-流量计 ;8-温度调节器;9-温度计;10-取样阀; 11-压差计; 12-压力表; 13-扩散器;14-截止阀; 15-单向阀; 16-可选油箱回路; 17-节流阀(用于背压); 18-可选旁通回路
图1 多次通过试验系统原理图
多次通过试验的顺利进行需要对其各个技术指标进行合理的确定，除了影响巨大的试验粉尘之外，需要确定试验介质、试验温度以及试验压力等指标，各指标见表1。
表1 多次通过试验技术指标
2 试验粉尘的分析
在多次通过试验中，试验粉尘作为注入系统的污染物，对试验的结果影响主要表现在两个方面：一方面是对过滤精度结果的影响，过滤精度指的是滤芯对污染物进行有效拦截(βx(c)≥100)的颗粒尺寸，其中的βx(c)为滤芯上下游某种颗粒尺寸x的数量之比，而《煤矿用液压支架过滤器》NB/T51016-2014标准规定，过滤比βx(c)≥5时，可以看作是有效拦截，这种情况下，如果选择的试验粉尘颗粒尺寸分布过小，那么滤芯不能有效拦截粉尘，过滤比一直保持着很小的情况，也就无法测出过滤精度，如果选择的试验粉尘颗粒尺寸分布过大，那么滤芯的拦截能力太强，就会导致得出的过滤精度数值不准确；另一方面是对纳污容量的影响，纳污容量是根据试验前后液体污染浓度的差值计算的，由于在试验过程中，总有一些误差，则当试验粉尘选取不当、滤芯不能有效拦截粉尘或者拦截粉尘速度过快都会使得误差加大，最终得到的结果与实际很难相符。
在《道路车辆-用于滤油器评定的试验粉尘》ISO 12103-1标准中，规定了A1～A4这4种粉尘，包括粉尘的描述、名称和颗粒尺寸分布等内容，当然，也有一些其他的试验粉尘类型，以适用于不同的情况。其中，比较常见的是11957D分级试验粉尘，各类粉尘的颗粒尺寸分布有着较大差异，这也是它们最大的不同之处，各粉尘颗粒尺寸累计体积百分比分布如图2所示，11957D 20～40 μm分级粉尘不同颗粒尺寸累计体积百分比分布如图3所示。
图2 各粉尘颗粒尺寸累计体积百分比分布
图2反映了试验粉尘中不同尺寸颗粒数目占总数的体积百分比。《道路车辆-用于滤油器评定的试验粉尘》ISO 12103-1标准中A1为超细试验粉尘，其名义尺寸介于0～10 μm，这种粉尘最初是为小汽车空气过滤器试验而开发的；ISO 12103-1 A2为精细试验粉尘，其名义尺寸介于0～80 μm；小于20 μm的颗粒占总颗粒体积百分比的70%，20～40 μm的颗粒数体积占总颗粒体积百分比的21%左右；ISO 12103-1 A3 为中级试验粉尘，名义尺寸介于0～80 μm，其中20～40 μm的颗粒数体积占总颗粒体积百分比的23%左右；ISO 12103-1 A4 为粗试验粉尘，名义尺寸介于0～180 μm，其中20～40 μm的颗粒数体积占总颗粒体积百分比的29%左右，而大于40μm的颗粒数体积占总颗粒体积百分比的49%左右。
图3 11957D 20～40 μm分级粉尘不同颗粒尺寸累计体积百分比分布
图3所示11957D分级试验粉尘是一种用于特殊情况的粉尘，其颗粒尺寸在20～40 μm之间的数量占总颗粒数体积百分比的80%左右，整个分布呈标准正态分布。
根据液压支架滤芯制造厂商提供的信息，得知其规定过滤精度为25 μm，在上述5种试验粉尘中，占比最大颗粒尺寸与25 μm比较相近的是A3粉尘以及分级试验粉尘，因此，采用这两种粉尘作为试验粉尘，分别做液压支架过滤器滤芯的多次通过试验，并进行对比分析，最终确定合适的试验粉尘。
3 试验过程及结果分析
3.1 多通试验步骤
当确定试验粉尘的选择为A3和分级试验粉尘之后，分别用两种粉尘进行两种型号液压支架滤芯的多通试验，并进行对比研究，试验步骤如下：
(1)对多通试验台进行功能验证，保证其运行正常，结果有效。
(2)对多通试验台进行净化，即运转净化系统，将以往试验残留粉尘以及日常污染物进行清除，这个过程比较漫长，一般持续2～3 h，最终要达到4 μm的颗粒数小于196个/mL。
(3)计算所需的试验粉尘重量，如式(1)所示:
(1)
式中： W——所需粉末量，g；
Gi——污染液的重量级，mg/L；
Vi——注入系统的液体容积，L。
其中计算污染液重量级的公式如式(2)所示：
(2)
式中： Gi——污染液重量级，mg/L；
C——上游重量级，mg/L；
Q——试验流量，L/min；
Qi——注入流量，L/min。
(4)对被测滤芯进行结构完整性试验，确保其结构上没有损坏，此次试验所用的滤芯分别为某国产滤芯和某进口滤芯，二者初始冒泡压力均在1200 Pa以上，结构完整。
(5)试验参数的设置，经过多次的试验以及核验计算，确定试验流量为20 L/min，试验浓度为1 mg/L，极限压差为400 kPa。
3.2 试验结果分析
按照上述步骤分别用A3粉尘和分级试验粉尘对被试滤芯进行试验，得到4组试验结果见表2。
表2 试验结果对比
3.2.1 过滤精度结果分析
液压支架过滤器滤芯的过滤精度指的是过滤比βx(c)≥5时的粉尘颗粒尺寸，根据结果中的数据，两种型号的滤芯在A3粉尘的条件下测得精度都为40 μm左右，在分级试验粉尘条件下测得精度为27 μm左右，因此可以判断，二者的精度基本一致，但运用不同粉尘所得的数据差距较大，而且很显然，分级试验粉尘的检测结果更符合产品的技术性能指标值。
从两种粉尘的颗粒尺寸分布情况可以看出，A3粉尘的颗粒尺寸范围是0～80 μm，其中20 μm以下的颗粒体积百分比占到70%，对于精度为25 μm的支架滤芯，这些小颗粒是拦截不住的，属于无效粉尘，而A3粉尘中，大颗粒的数目本来就较少，试验过程中又存在计数误差，因此可以看出，A3粉尘不适合支架过滤器滤芯的性能测试；分级试验粉尘20～40 μm之间的颗粒占颗粒总数体积百分比的80%，滤芯对这些尺寸的颗粒可以进行有效地拦截，也就能比较准确地得到检测结果。
3.2.2 纳污容量结果分析
液压支架过滤器滤芯纳污容量计算的主要依据是试验前后污染浓度的差值，其公式如式(3)所示：
(3)
式中： CR——滤芯的纳污容量，g；
Mi——试验粉末注入总量，g；
G80——在过滤器极限压差达到80%时，试验油箱的重量污染度，g/mL；
Vf——试验结束时，过滤器试验系统油箱体积的测量值，L；
qd——下游排放和取样流量，L/min；
tf——最终试验时间，min；
Gb——上游基本总量污染度平均值，g/mL；
qu——上游取样流量，L/min。
2种粉尘下的滤芯纳污容量进行对比可以看到，在相同的注污总量实验条件下，用A3粉尘进行试验测得的纳污容量远小于用分级试验粉尘所测得的数值，可能的原因为：一是A3粉尘中大尺寸颗粒比较少，造成在试验规定时间内无法达到极限压差，滤芯还未堵塞，试验就结束了，因此，测得的纳污容量较低；二是堵塞滤芯的是A3粉尘中远大于25 μm的颗粒，这些大颗粒的表面几何形状与尺寸25 μm附近的颗粒形状有很大差异，导致较少的颗粒就使得滤芯的压差达到极限压差。比较而言，分级试验粉尘由于颗粒尺寸分布合理，所测得的纳污容量数值符合试验规律。
4 结论
利用两种型号的液压支架过滤器滤芯分别在A3试验粉尘和分级试验粉尘的条件下进行评定滤芯性能的多次通过试验，根据试验结果及分析得到以下结论和建议：
(1)对比过滤精度的试验结果，发现分级试验粉尘的检测值与滤芯技术参数值比较接近，而用A3粉尘进行试验的数据显示滤芯的精度偏低，表明使用分级试验粉尘的检测结果更为准确。
(2)对比纳污容量的检测结果，分级试验粉尘的测定值总大于使用A3粉尘的测定值，由粉尘颗粒尺寸的体积百分比分布情况分析得到分级试验粉尘的检测结果较为精确。
(3)建议使用11957D 20～40 μm分级试验粉尘作为液压支架过滤器(滤芯)过滤精度检测的标准试验粉尘。
