一种新型油箱过滤装置的研究

文|李俊沅

齿轮箱、液压站作为机组的主设备之一，其运行直接关系到风电机组的安全可靠性。为了保证风电机组的发电安全可靠，必须保障齿轮箱、液压站能够安全可靠运行。空气过滤装置是齿轮箱、液压站的重要组成部分，用于保证油箱内部与外部连通，以防止油箱内产生较大的正压力或负压力影响设备工作。与此同时，还能防止油箱内的油液喷到外面污染环境，以及防止外部空气中的污染物等进入油箱内部，造成对设备的损害。

目前，国内外对油箱空气过滤装置结构设计方面的研究较少，还处于起步阶段。行业中仍主要是采用空气滤芯结构的装置来实现油箱的空气过滤功能，这种装置结构较为简单，而且成本低。但是，由于空气滤芯过滤性能差，油箱内含有油颗粒的气体容易通过空气滤芯排到外部空气中，外部空气中的气态水或其他污染物等也容易进入油箱内部，造成油箱内的油质变差。

本文设计了一种新型油箱过滤装置，通过在油箱上设置该过滤装置，能够有效阻止油箱内的油雾排到外部以及外部空气中的固体颗粒、气态水和其他污染物进入油箱内部。

油箱中主要污染物及其危害

油箱污染物分为油箱排出的污染物（主要为油箱内的油雾）与侵入油箱内部的浸染物（主要包括外部空气中的固体颗粒、气态水和其他污染物）。其危害主要表现为：

（1）油箱排出的油雾冷却后，会附在设备表面，一来影响设备的正常运行，二来遇到火源时很容易起火，造成火灾事故；油雾最大的危害还在于它对接触人的影响，它直接影响着机舱内工作人员的健康，较轻的会对工作人员的鼻、眼、咽喉产生刺激，并随着呼吸道进入体内，让工作人员出现恶心、食欲减退、心烦等不良症状，严重的还可能会患上肺癌等疾病。

（2）进入油箱内部的固体颗粒、气态水和其他污染物直接的危害是使设备发生故障。故障分为两种：一种是可预见性的，如固体颗粒进入油箱后，会使有相对滑动元件表面的磨损加剧，加剧的磨损又产生更多的固体颗粒，这些固体颗粒又使磨损加剧，造成恶性循环，影响元件性能，降低其使用寿命。严重时会产生卡死现象，造成破坏性损坏。又如固体颗粒混合进油液后，会加速油液的老化，降低油液寿命。另一种是突然故障的发生，如固体颗粒较多时会堵塞油路，造成元件动作失灵，还会堵塞油过滤器，产生振动和噪音，严重时会因压力过大击穿油过滤器，使其丧失过滤能力，造成污染的恶性循环。造成污染物侵入与排出的主要原因如图1所示。

因而，空气过滤装置的任务在于如何防止或减少油箱污染物，特别是固体颗粒、水与油雾的侵入与排出。

传统过滤装置

一般的空气过滤装置主要由器体与滤芯组成，且体积较小，安装简单，从而在简化油箱结构的同时，又有利于油液的净化。在设备运行过程中，由于元件转动加快，温度升高，油液会转变成油雾，增加油箱内的压力。当油箱内压力大于外部压力时，油雾会通过空气过滤装置向外排气，以维持油箱内压力与外部压力的平衡；相反，当元件转动减慢、温度下降、油箱内压力小于外部压力时，空气中气态水和其他污染物会通过空气过滤装置进入油箱内，以维持压力平衡。这样来回循环既能保护设备的正常工作，又能避免油箱内压力过大或过小而对设备造成损害。

图1 污染物的侵入与排出

空气过滤装置在此过程中充当着媒介的作用，既要阻止油箱内的油雾排出，造成外部设备与环境的污染，也防止了气态水等外部污染物进入到油箱内部，保持油箱内油液的清洁度，从而延长设备的使用寿命。

一、装置结构

图2为装置的实物图，图3为装置的结构示意图。

二、工作原理

如图3所示，过滤装置的进气孔4与油箱内部保持连通，当油箱内压力大于外部压力时，油箱内部产生的气体可通过进气孔4进入壳体1中，经滤芯3过滤后，从排气孔5排出，只经一次过滤，过滤效果取决于滤芯与密封性能。

同样的原理，当油箱内压力小于外部压力时，外部的空气可从排气孔5进入壳体1，经滤芯3过滤后，从进气孔4进入到油箱内。

三、优缺点

优点：装置结构紧凑，体积小，应用范围大；安装固定方便，通过装置下端的螺纹与油箱直接连接；维护更换滤芯快捷，可根据安装空间，直接打开装置上端盖更换滤芯。

缺点：单靠一个滤芯进行过滤，过滤级数不够，过滤效果不理想；装置密封性能差，容易导致外部污染物进入油箱内；滤芯材质差，容易造成堵塞，更换周期频繁，维护成本较高。

新型过滤装置

传统过滤装置具备结构简单、安装方便及更换滤芯快捷等特点，但也存在不少问题。因而，新型过滤装置研究的关键在于其系统气路结构、过滤工序的设计以及滤料的选择。它们对过滤性能起到直接的影响，对整体性能起决定性作用，所以必须达到如下要求：首先，受环境因素影响，该装置必须保证体积偏小，且安装方便，滤芯更换快捷；其次，必须有多级过滤结构，分别过滤污染物中的固体颗粒、气态水和油雾，以保证过滤效果；最后，壳体必须密封性能好，避免因密封不良导致的污染。

一、装置设计方案

（一）滤料的选择

目前，常用的滤料有：棉木纸浆滤纸、合成纤维滤纸和金属纤维滤毡。从理论上讲，这些材料在价格、质量等方面条件优越，但其孔隙率小、表面吸附能力差，使其截污能力受到限制。由于孔隙率小，过滤阻力大，其容易堵塞，过滤周期短。为了尽量避免这些现象的产生，根据污染物的种类与多级过滤要求，从现场常接触到的滤料中挑选了以下三种滤料进行试验（滤料的选择并不仅限于以下几种，可根据不同的需求与条件进行更换）：

（1）海绵：弹性好、滤尘速度快、滤尘率高、气流阻力低、通风性能好等。

（2）油液：与油箱为同类油液，利用同类油液易相融的原理。

（3）变色硅胶：对空气中的气态水有极强的吸附作用，同时又能通过所含氯化钴结晶水数量变化而显示不同的颜色，即由吸湿前的蓝色随吸湿量的增加逐渐转变成浅红色，易于观察。

（二）过滤的流程（图4）

二、装置结构

装置结构的设计情况如下：

（1）壳体采用透明的PVC钢性材料，能清晰了解过滤装置各滤料的使用情况。

图2 装置实物图

图3 装置结构示意图

（2）顶部设置可打开的端盖，方便滤芯的更换，且设置有密封圈，与壳体通过螺纹连接，以保证密封性能良好。

（3）装置进气孔的内壁上设置内螺纹，在油箱的开孔上设置具有外螺纹的安装部分，壳体采用螺纹安装的方式固定于油箱，且螺纹处均设置有密封圈。该外螺纹部分可进行拆卸更换，以便于安装在不同的油箱接口处。

（4）壳体内部分为四部分：进气管道、一级过滤区、二级过滤区和三级过滤区。四个区域均通过通气孔进行连接。进气管道与油箱内部连通，结合热升冷沉等原理，将与油箱连接的进气管道口设在装置上端，以减缓油雾的速度，提升过滤效果；一级过滤区放置变色硅胶；二级过滤区放置油液；三级过滤区放置海绵。通过三级过滤后，从装置下端的两侧排出。

（5）壳体下端底部设有排油孔，方便对油液的更换。

三、工作原理

如图6所示，当该过滤装置的进气孔11与油箱内部保持连通、油箱内压力大于外部压力时，油箱内部产生的气体可通过进气孔11经呼吸管2进入壳体1内的第一腔体100中，由于热升冷沉的原理，气体经上端盖的冷却与硅胶的阻碍后流速降低，随着气体的流动经过滤芯3，气体中的少量气态水逐渐被滤芯3所吸收，完成第一级过滤；由于第二腔体200与第一腔体100连通，气体流动进入第二腔体200的第二隔离腔202中，气体中所含的油颗粒逐渐融于油液中，完成第二级过滤；之后气体进入第一隔离腔201，气体中所含的少量固体颗粒被隔离腔中的海绵所吸附，完成第三级过滤；最终气体经侧壁上所设置的排气孔12排出，油箱内部气体中的油颗粒由于密度比空气大，在随空气流动过程中逐渐沉降，并被第二隔离腔202中的油液吸收与第一隔离腔201的海锦吸附后，从排气孔12排出的气体中含有的油颗粒已经很少了，所排出的气体是较为纯净的空气。

同样的原理，当油箱内压力小于外部压力时，外部的空气、固体颗粒、气态水等污染物可从排气孔12进入到第二腔体200，流经第二腔体200的第一隔离腔和第二隔离腔后到第一腔体100，经滤芯3过滤后，沿呼吸管2进入油箱内部。外部的空气、固体颗粒、气态水等污染物经过过滤装置的三级过滤，固体颗粒、气态水等污染物已经逐渐被吸附、吸收，大大减少外部空气中的气态水及其他污染物等进入油箱内部的概率。

通过不断循环，在维持油箱内压力和外部压力平衡，保证设备正常工作的同时，既防止了油颗粒排入外部环境，造成环境污染、人员伤害，又阻止了污染物侵入油箱内部，保持油液的清洁度，延长设备使用寿命。

图4 装置过滤流程示意图

图5 装置实物图

四、安装注意事项

（1）硅胶，是一种高活性吸附材料，当硅胶裸露在空气中时，如果这时的空气湿度较大，硅胶会容易受潮、变色，影响过滤效果，因此在更换原过滤装置前，不预先将油液与变色硅胶装入新过滤装置中，以避免运输过程中油液溢出、硅胶受潮。

（2）硅胶含有一定量有毒的氧化钴，操作人员在操作时，应注意自身的保护，避免接触到硅胶，最好配戴手套。如不小心进入眼中，应马上用大量的清水冲洗，并且尽快找医生医治。

图6 装置结构示意图

（3）在拆卸与安装前，必须清理接口周围的环境，避免其他污染物通过接口直接进入油箱内，更换新装置时更要迅速，避免空气中的污染物侵入或油箱内的油雾排出。

（4）装置的密封性能尤为重要，因而，端盖与油箱的连接部分必须确保密封圈完备并扭紧，保证密封良好。

五、试验结果

从实际试验效果来看，新型过滤装置明显优于传统过滤装置，过滤效果大大提升。主要体现在以下几方面：

（1）过滤精度：传统过滤装置采用一级过滤，且不是密封式过滤方式，过滤效果较差；新型过滤装置采用三级密封式过滤方式，且过滤滤芯针对性较强，对油箱污染物过滤精度较高。

（2）压力降/流量：传统过滤装置安装带孔的滤芯，压力降较高，流速较快；新型过滤装置采用密封式过滤，且是多级过滤结构，压力降相比较低，流速较慢，但仍在可接受范围内。

（3）更换周期：传统过滤装置滤芯失效周期每年平均约4个；新型过滤装置滤芯失效周期每年平均约0.6个。

行业应用

本过滤装置已于某风电场的风电机组齿轮箱与液压站中投入使用，目前已取得很好的应用效果。应用表明，新型油箱过滤装置能很好解决原过滤装置过滤效果差的问题。经研究分析，能对主要污染物进行分别过滤，提高了过滤的精度，充分发挥空气过滤装置的作用，在平衡油箱内压力与外部压力的同时，有效防止油箱内大量油雾排出及阻止固体颗粒、气态水等外部污染物的侵入，延长了设备的使用寿命，增加了设备的运行可靠性。该装置已申请并获得发明专利，可普遍应用于在工程机械的油箱上。

该装置采取双高密封垫圈，能保证装置本身的密封性能，只需定期更换低成本的变色硅胶即可循环使用，能替代市场现有只能一次使用的产品，降低风电场备件购置成本；另外底部设计一个隔腔，有效阻止固体颗粒、气态水等外部污染物的侵入，实现三级过滤功能，替代现有一级过滤的滤芯过滤器和二级过滤的干燥式过滤器等产品；而且现场安装使用方便简单，易操作，体积小，结构简单，重量轻，便于维护，维护成本低。

结语

新型油箱过滤装置包含三级过滤，具有安装简单、操作轻便、更换灵活、实用性强、过滤效率高等特点。现场设备的运行情况表明，新型油箱过滤装置提供了一种空气过滤装置优化改造的思路，可循环再使用，降低购置成本。装置的应用减少了污染物对设备的损害，延长了设备的使用寿命，提升了油液的清洁度，延长了油液的更换周期，降低了设备的维护成本，更重要的是增加了设备运行的安全可靠性，有利于风电机组持续、稳定、安全的运营。