液压支架用高压反冲洗过滤站反冲洗时间的仿真与试验

(1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870； 2.沈阳化工大学机械工程学院，辽宁沈阳 110142)

引言

由于采煤工作面的环境特殊性、支架液压系统的复杂性及乳化液易导致微生物污染的缺点，使得以乳化液为工作介质的支架液压系统污染控制问题已成为影响液压支架工作性能和效率的最突出问题之一。自动反冲洗技术，能在支架液压系统不停机状态下实现高压滤芯的反向清洗，从而保障乳化液介质的清洁度。目前已有不少关于反冲洗过滤器结构设计与试验方面的研究[1-4]；也有与反冲洗特性相关的研究，如以石英砂、核桃壳为滤料，建立反冲洗过滤的数学模型，对理论反冲洗时间进行了研究[5-7]；也有通过引入污染重复过滤因子对液压润滑过滤器建立数学模型，并对其污染控制性能进行了研究[8]；以简化方式建立反冲洗过滤器的污染控制数学模型，研究了颗粒沉降率、反冲洗率、污染入侵率等对系统污染度的影响[9]。但针对支架液压系统用反冲洗过滤站的反冲洗特性研究尚不多见。

高压自动反冲洗过滤站是确保支架液压系统乳化液清洁的重要设备，其性能好坏直接影响到液压支架的工作性能。本研究针对液压支架液压系统工作特点，开发了一种可在支架液压系统待机状态下实现高压滤芯反向清洗的高压自动反冲洗过滤站，应用污染控制平衡理论[10-11]，建立了反冲洗过滤站的污染控制模型，并以此为基础建立了仿真模型，研究了反冲洗效率、反冲洗流量等参数对反冲洗时间的影响关系，并用试验进行了验证。

1 高压自动反冲洗过滤站

根据支架液压系统的工作原理及工作特性，本研究设计了一种应用于乳化液介质的高压自动反冲洗过滤装置，其原理如图1所示。当2个电磁先导阀都不通电时，乳化液通过滤芯过滤后直接给支架液压系统供液，当高压过滤器1的上下游压差达到设定值时，电磁先导阀1得电，过滤后的纯水介质经电磁先导阀1驱动液控主阀1换向，此时乳化液经高压过滤器2反向进入高压过滤器1，将沉积在高压过滤器1滤网上的杂质由相应的反冲洗口排出系统，进而达到反向清洗滤芯的目的，同理也可以实现高压过滤器2的反向清洗，可采用定时间间隔控制、压差控制或压差时间复合控制等方式实现反冲洗控制。

2 反冲洗过程的污染控制模型

随着过滤器的持续过滤，滤芯上下游的压差会相应增加，当压差达到设定值后，过滤站进入反向冲洗阶段。反向冲洗所用油液流量仅为总流量的一部分，用αF表示反冲洗流量占全部流量的比例，用反冲洗效率η来表示能被反冲洗掉的污染颗粒数占总沉积污染颗粒数之比。对反冲洗阶段的污染控制进行研究，可建立如图2所示的反向冲洗污染控制模型。

图1 高压自动反冲洗过滤站工作原理

图2 反冲洗污染控制模型

根据污染物颗粒数守恒，可列出反冲洗容腔的污染平衡方程如下：

(1)

两边同时除以V1可得：

(2)

式中，Q—— 进入过滤器的总流量，L/min

Nc—— 用于反冲洗的油液污染浓度，ind/mL

Nw—— 污染腔初始浓度，ind/mL

V1，V2—— 滤芯上、下游容腔体积，mL

Np—— 排污口污染浓度，ind/mL

αF—— 反冲洗流量占总流量的比例系数

3 反冲洗过程的仿真研究

3.1 AMESim仿真模型

根据油液污染控制模型，建立反冲洗过滤站的AMESim[12]仿真模型，如图3所示。模型中引入过滤器重复过滤因子、反冲洗效率和分流系数，并可实时计算过滤器前腔的沉积污染颗粒及相应的压差，具体各参数设置如表1。

图3 反向冲洗仿真模型

表1 参数设置表

参数值过滤器入口侧容积/L1过滤器出口侧容积/L1滤芯过滤比100过滤器通过流量/L·min-1400滤芯初始压差/MPa0.15反冲停止压差/MPa0.2滤芯极限压差/MPa0.8纳污量/g769.3重复过滤因子0.04反冲分流系数0.06～0.25反冲洗效率0.6～1

3.2 反冲洗过程仿真

反向冲洗是在正向过滤后，过滤器前后的压差达到反冲洗设定值时开始的，反冲洗腔的污染度可从正向过滤仿真获得。根据正向过滤模型分析，当过滤器前后压差达到反冲设定值0.8 MPa时，过滤器前端沉积的污染颗粒数为1.01855×1010ind，将所有颗粒溶解于过滤器对应的容腔体积即可得到污染初始浓度。

根据上述设置进行仿真，图4为反冲洗效率η与反冲洗效果的关系曲线，由仿真结果可知，反冲洗效率越高，所用反冲时间越短，当η为1时，反冲时间仅为4.638 s，而当η为0.94时，反冲所需时间为7.278 s。而当η小于0.94时，过滤器前后压力无法降至要求的0.2 MPa。因此，反冲洗效率越高对反冲效果越有利，反冲时间也越短，在设计反冲洗过滤站时可考虑加入超声波装置，利用超声波每秒数万次的高频振动形成的空化作用，将滤芯上附着的污染物分离出来，从而有效提高反冲洗效率，进而提高反冲过滤器的反冲效果。

图4 反冲洗效率对反冲效果的影响

图5为分流系数αF与反冲洗效果的关系曲线，分流系数根据液压常用软管通径尺寸与主油路尺寸按αF为0.06, 0.1, 0.16, 0.25，4种规格进行分析。由仿真结果可知，分流系数越高，所用反冲时间越短，当αF为0.25时，反冲时间仅为1.615 s，而当η为0.06时，反冲所需时间为6.746 s。但是，分流系数越高表明反冲洗所用的油液体积也越多，成本越高。因此有必要对分流系数和反冲时间进行合理设计，在考虑反冲时间的同时，权衡其经济成本。

图5 分流系数对反冲效果的影响

4 试验与仿真对比研究

4.1 反冲洗试验

为验证反冲洗污染控制模型的有效性，设计了一套试验装置，其原理如图6所示。油源采用400 L/min乳化液泵站，污染粉尘采用ISO 12103-1 A3 Medium Test Dust，重750 g。试验前利用污染液注入装置实现污染颗粒的自动注入，过滤器滤芯前后的进出口压力传感器及过滤站出口流量计可在线检测滤芯进出口压差及流量。电磁先导阀用以控制过滤器的反冲洗试验，在反冲洗排污箱内采样可测量反冲洗出来的油液污染度，也可对过滤站出口液箱采样进行油液污染度检测。要求分别对未开启和启动超声波装置两种工况进行试验，并每0.5 s取样过滤器前后压差随反冲洗时间的变化。

图6 超声波反冲洗过滤站测试原理图

图7所示为反冲洗口冲洗出来的污染液的清洁度检测样片，其中左侧为启动超声波装置后冲洗出来的乳化液，而右侧为未启动超声波装置时冲洗出来的乳化液，从结果可知，启动超声波后反冲洗口的乳化液污染度远高于NAS12级，样片表面有一层粉尘，说明有更多的污染颗粒从反冲洗口排出，超声波对滤芯的除污垢效果非常明显。

图7 反冲洗口污染度检测样片

4.2 结果分析

由滤芯厂家提供的滤芯参数可知滤芯的极限压差为0.8 MPa，再考虑到滤筒的初始压差0.6 MPa 和滤芯的初始压差0.2 MPa，可知过滤站的极限压差为1.6 MPa。图8为直接反冲洗与超声波反冲洗的试验测试曲线，由试验结果可知，在压差达到1.6 MPa时开始反冲洗，压差迅速降低，6.5 s后压差不再变化，基本保持在0.94 MPa。而超声波反冲洗试验在反冲洗开始后，压差迅速降低，在6 s时压差不再变化，基本保持在0.83 MPa。

图8 直接反冲洗与超声波反冲洗试验测试曲线

图9是根据过滤站实际参数并利用反向冲洗仿真模型计算的不同反冲洗效率对应的滤芯压差曲线。由仿真可知，在反冲洗效率η=0.8时，反冲6.2 s后稳定压差为0.956 MPa；在η=0.85时，反冲6 s后稳定压差为0.917 MPa；η=0.9时，反冲5.8 s后稳定压差为0.878 MPa；η=0.95时，反冲5.7 s后稳定压差为0.839 MPa；而当反冲效果处于理想的η=1时，反冲洗后稳定压差为0.8 MPa。

图9 反冲洗仿真曲线

从试验与仿真对比可知，反冲洗仿真曲线与试验所测得的压差曲线具有相似的走向，试验与仿真的反冲洗时间也比较接近，验证了本研究所建立的基于污染控制的反冲洗模型是有效的，为反冲洗过滤站的优化设计提供了必要的理论支撑。另外，通过对比可知，直接反冲洗对应的反冲洗效率应该在0.8～0.85之间，而超声波反冲洗的反冲效率则在0.95～1之间，超声波可极大提高反冲洗效率，降低过滤站前后压差，减小液压系统的压力损失，提升系统效率。

5 结论

通过对反冲洗污染控制模型进行仿真研究，可以得出如下结论：

(1) 反冲洗效率越高，所用反冲时间越短，可采用超声波或振动等手段提高反冲洗效率；

(2) 分流系数越高，所用反冲时间越短，同时反冲洗所用的油液流量也越多，成本越高，需对分流系数和反冲时间进行合理选择与设计；

(3) 基于污染控制的反冲洗模型是有效的，为反冲洗过滤站的优化设计提供了必要的理论支撑。