一種液壓系統(tǒng)高梯度冷卻磁過(guò)濾器的實(shí)驗(yàn)研究

　　磁過(guò)濾器分為普通磁過(guò)濾器和高梯度磁過(guò)濾器。普通磁過(guò)濾器利用磁鐵的磁場(chǎng)直接捕捉油液中的鐵磁性污染顆粒。其中永磁式過(guò)濾器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),因而應(yīng)用較廣,其主要缺點(diǎn)捕捉顆粒效果差,同時(shí)磁極上吸附的顆粒很難清洗。高梯度磁過(guò)濾器能有效地克服以上缺點(diǎn),使磁過(guò)濾器的性能有較大的提高。

　1、高梯度磁過(guò)濾器的基本原理
　　磁場(chǎng)對(duì)鐵磁性污染顆粒的吸引力是磁過(guò)濾器性能的決定性因素,磁場(chǎng)中污染顆粒的受力Fm為:
　　Fm=-Vp·(Xp-Xm)·H·gradH
　　(1)式中　Vp———鐵磁性顆粒的體積,m3
　　Xp———鐵磁性顆粒的磁導(dǎo)率,H/m
　　Xm———油液的磁導(dǎo)率,H/m
　　H———外磁場(chǎng)強(qiáng)度,A/m
　　gradH———該點(diǎn)的外磁場(chǎng)強(qiáng)度的梯度,A/m2
　　從式(1)中可以看出,鐵磁性顆粒所受的吸引力與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比,與磁場(chǎng)強(qiáng)度的梯度gradH成正比。
　　普通磁過(guò)濾器是通過(guò)提高外磁場(chǎng)強(qiáng)度H來(lái)提高磁引力,從而提高過(guò)濾能力的;高梯度磁過(guò)濾器則是通過(guò)磁介質(zhì)提高磁場(chǎng)的梯度gradH來(lái)增大吸引力以獲得高效濾除污染物的效果。
　　在磁場(chǎng)中布置聚磁性多孔介質(zhì),會(huì)使磁介質(zhì)附近的磁場(chǎng)H和磁場(chǎng)梯度gradH比沒(méi)有磁介質(zhì)時(shí)大很多,尤其是gradH與磁介質(zhì)截面直徑d成反比,當(dāng)d很小時(shí),gradH的值可以很高。所以基于此原理的高梯度磁過(guò)濾器也稱為高效磁過(guò)濾器。

　2、溫度對(duì)高梯度磁過(guò)濾器磁場(chǎng)的影響
　　一般高梯度磁過(guò)濾器工作時(shí),過(guò)濾器的磁介質(zhì)和永久磁鐵都和液壓系統(tǒng)的油溫相同,在不同的溫度下,磁介質(zhì)和永久磁鐵的性能都有一定的變化,對(duì)磁過(guò)濾器的效率將有顯著的影響。

　　2.1　溫度對(duì)磁介質(zhì)的影響
　　高梯度磁過(guò)濾器常用的磁介質(zhì)是由非晶態(tài)軟磁合金噴成的0.04mm厚,0.5mm寬的細(xì)長(zhǎng)絲,一般使用Fe72Cr8P13Co7非晶態(tài)合金,它具有磁感應(yīng)飽和強(qiáng)度高、磁性“軟”的特點(diǎn)。溫度對(duì)所有軟磁性磁介質(zhì)影響總的特點(diǎn)是隨著溫度的升高,磁導(dǎo)率上升,溫度達(dá)到居里點(diǎn)后迅速下降,圖1a為鐵氧體磁介質(zhì)的磁導(dǎo)率和溫度的關(guān)系。磁介質(zhì)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力都隨溫度的升高下降如圖1b。

　　2.2　溫度對(duì)永久磁鐵的影響
　　永久磁鐵的磁性能受溫度、時(shí)間以及應(yīng)力等因素環(huán)境的影響,其中以溫度的影響最為重要。圖1c給出了鐵氧體永久磁鐵的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Ms和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Mr隨溫度的變化。
　　從圖1c可見,鐵氧體的磁性能隨溫度的升高是明顯下降的。顯然,研究磁過(guò)濾器的性能必須考慮溫度因素的作用。　　

　　圖1　各參數(shù)與溫度關(guān)系
　　2.3　溫度對(duì)高梯度磁過(guò)濾器的磁場(chǎng)影響
　　對(duì)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的一種處理高黏度齒輪油的高梯度磁過(guò)濾器在不同溫度工作時(shí)的外殼端面中心處的磁場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試,此處的磁場(chǎng)綜合了溫度對(duì)磁介質(zhì)和永久磁鐵的影響,結(jié)果如圖1d所示。測(cè)試表明,在70℃磁場(chǎng)強(qiáng)度只有18℃的1/4。這個(gè)測(cè)試沒(méi)有考慮保溫時(shí)間的因素,但已足以證明高梯度磁過(guò)濾器的磁場(chǎng)受到溫度的顯著影響。

　3、高梯度磁過(guò)濾器的研究
　　液壓系統(tǒng)冷卻磁過(guò)濾器是基于高梯度磁過(guò)濾技術(shù)和多孔介質(zhì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的一個(gè)新構(gòu)思。在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制造了一種液壓系統(tǒng)冷卻磁過(guò)濾器,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
　　3.1　液壓系統(tǒng)冷卻磁過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)
　　冷卻磁過(guò)濾器的基本結(jié)構(gòu)是在管殼式冷卻器的殼側(cè)油流流道中添加聚磁性多孔介質(zhì),并在中心管布置磁場(chǎng),讓多孔介質(zhì)起以下作用:(1)將油液中的熱量傳遞給冷卻壁面;(2)增強(qiáng)對(duì)流動(dòng)的擾動(dòng),強(qiáng)化對(duì)流換熱;(3)提高磁場(chǎng)的梯度,提高捕捉油液中鐵磁污染物的能力。其中磁場(chǎng)起以下作用:①捕捉油液中的鐵磁性污染顆粒;②提高冷卻凈化器的熱交換效率;③將冷卻水磁化,阻止在傳熱管內(nèi)壁結(jié)垢,從而保持高傳熱性能。
　　由以上構(gòu)思設(shè)計(jì)并制造了液壓系統(tǒng)冷卻磁過(guò)濾器,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

　　冷卻磁過(guò)濾器的傳熱管采用外低肋紫銅管,其他元件都用不銹鋼制造,避免對(duì)磁場(chǎng)的影響。磁鐵布置在中心管中,相同的極面相對(duì),使磁力線向外延伸,充分磁化聚磁性多孔介質(zhì)。中心管中的磁鐵和管壁的縫隙允許冷卻水流過(guò),使中心管兼作傳熱管,同時(shí)使永久磁鐵得到冷卻。

　　3.2　實(shí)驗(yàn)研究
　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用上、下位油箱,和液壓泵,溢流閥,節(jié)流閥構(gòu)成開式系統(tǒng),如圖3。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的油液采用46#液壓油。

　　在實(shí)驗(yàn)中保證加入的粉塵始終懸浮并混和均勻,為此污染物注入系統(tǒng)采用上、下位雙油箱,而且油箱的底部設(shè)計(jì)成錐形,錐角小于90°,以防止污染物在底部沉積。污染物的注入流量是通過(guò)上位油箱的球閥來(lái)調(diào)節(jié)的。液壓泵安裝的位置低于油箱中液面的最低位置。系統(tǒng)的流量是由齒輪泵提供,通過(guò)溢流閥和節(jié)流閥調(diào)節(jié)流量。
　　系統(tǒng)的流量由流量計(jì)測(cè)量。被試件的上、下游都設(shè)有取樣裝置和壓力表,取樣裝置為球形截止閥。精過(guò)濾器回路中機(jī)械過(guò)濾器的精度等級(jí)為5μm,其目的是在每次實(shí)驗(yàn)前將系統(tǒng)油液過(guò)濾至比實(shí)驗(yàn)用污染油液的污染度高2個(gè)NAS等級(jí)以上。
　　每隔一段時(shí)間在過(guò)濾器的上下游同時(shí)取樣,取樣時(shí)先將取樣閥打開,讓至少200mL的油液流經(jīng)取樣裝置,以沖洗取樣裝置內(nèi)部。取樣過(guò)程中不擰動(dòng)球閥,用取樣瓶接取樣液。
　　用自動(dòng)顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)定樣液的顆粒個(gè)數(shù)。顆粒尺寸大小定為:10μm,15μm,20μm,25μm,30μm,40μm,50μm,然后根據(jù)顆粒計(jì)數(shù)結(jié)果計(jì)算不同顆粒尺寸下的過(guò)濾比。

　　3.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　在其他實(shí)驗(yàn)條件相同時(shí),對(duì)冷卻磁過(guò)濾器中心管不通冷卻水和通冷卻水兩種工況進(jìn)行了過(guò)濾性能測(cè)定。冷卻磁過(guò)濾器單純過(guò)濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1;通冷卻水的過(guò)濾性能見表2。
　　實(shí)驗(yàn)段結(jié)構(gòu):螺旋板+磁介質(zhì);實(shí)驗(yàn)油液:46#液壓油;實(shí)驗(yàn)油溫:70℃;系統(tǒng)流量:25L/min;污染物質(zhì):鐵粉;污染物注入流量:0.21L/min;污染物上游基礎(chǔ)濃度:6mg/L;磁介質(zhì)孔隙率:0.985;冷卻水流量:12L/min;冷卻水進(jìn)口溫度:17℃。
　　比較表1和表2的結(jié)果,則發(fā)現(xiàn)具有相同的結(jié)構(gòu),在通水冷卻時(shí)平均過(guò)濾比 β10提高3.14倍, β45提高6 5倍。2個(gè)實(shí)驗(yàn)的突出差異在于磁鐵的溫度,單純過(guò)濾時(shí)的磁鐵溫度和油溫相同,即70℃左右,而冷卻過(guò)濾時(shí)磁鐵溫度和冷卻水的出口溫度相近,不超過(guò)30℃,所以將磁鐵布置在冷卻水中,能夠充分發(fā)揮永磁鐵的高磁場(chǎng)強(qiáng)度。由此看出,冷卻和磁過(guò)濾的結(jié)合,具有很強(qiáng)的兼容性的互惠性。

　4、結(jié)論
　　高梯度磁過(guò)濾器利用被磁鐵磁化了的磁介質(zhì)捕捉污染顆粒,磁介質(zhì)能大幅度提高介質(zhì)周圍的磁場(chǎng)梯度,所以高梯度磁過(guò)濾器的過(guò)濾性能明顯高于傳統(tǒng)式磁過(guò)濾器。
　　工作溫度對(duì)磁介質(zhì)和永久磁鐵的磁性能都有較大的影響。磁介質(zhì)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、永久磁鐵的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度隨溫度的升高而下降,使高梯度磁過(guò)濾器的工作磁場(chǎng)強(qiáng)度隨溫度的升高而迅速下降。從而揭示了工作溫度是影響高梯度磁過(guò)濾器過(guò)濾性能的重要因素。
　　強(qiáng)化傳熱和高梯度磁過(guò)濾技術(shù)具有很好的兼容性,冷卻磁過(guò)濾器通過(guò)聚磁性多孔介質(zhì)既提高了磁場(chǎng)的梯度,又強(qiáng)化了殼側(cè)的對(duì)流傳熱。同時(shí),冷卻水可大大降低冷卻凈化器磁源的溫度,從而保證了高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
　　將磁鐵布置在冷卻水中,能夠充分發(fā)揮永磁鐵的高磁場(chǎng)強(qiáng)度。冷卻和磁過(guò)濾的結(jié)合,具有很強(qiáng)的兼容性和互惠性。