一种液压系统高梯度冷却磁过滤器的实验研究

　　磁过滤器分为普通磁过滤器和高梯度磁过滤器。普通磁过滤器利用磁铁的磁场直接捕捉油液中的铁磁性污染颗粒。其中永磁式过滤器具有结构简单、制造方便、运行可靠、运行费用低等优点,因而应用较广,其主要缺点捕捉颗粒效果差,同时磁极上吸附的颗粒很难清洗。高梯度磁过滤器能有效地克服以上缺点,使磁过滤器的性能有较大的提高。

　1、高梯度磁过滤器的基本原理
　　磁场对铁磁性污染颗粒的吸引力是磁过滤器性能的决定性因素,磁场中污染颗粒的受力Fm为:
　　Fm=-Vp·(Xp-Xm)·H·gradH
　　(1)式中　Vp———铁磁性颗粒的体积,m3
　　Xp———铁磁性颗粒的磁导率,H/m
　　Xm———油液的磁导率,H/m
　　H———外磁场强度,A/m
　　gradH———该点的外磁场强度的梯度,A/m2
　　从式(1)中可以看出,铁磁性颗粒所受的吸引力与外磁场强度H成正比,与磁场强度的梯度gradH成正比。
　　普通磁过滤器是通过提高外磁场强度H来提高磁引力,从而提高过滤能力的;高梯度磁过滤器则是通过磁介质提高磁场的梯度gradH来增大吸引力以获得高效滤除污染物的效果。
　　在磁场中布置聚磁性多孔介质,会使磁介质附近的磁场H和磁场梯度gradH比没有磁介质时大很多,尤其是gradH与磁介质截面直径d成反比,当d很小时,gradH的值可以很高。所以基于此原理的高梯度磁过滤器也称为高效磁过滤器。

　2、温度对高梯度磁过滤器磁场的影响
　　一般高梯度磁过滤器工作时,过滤器的磁介质和永久磁铁都和液压系统的油温相同,在不同的温度下,磁介质和永久磁铁的性能都有一定的变化,对磁过滤器的效率将有显著的影响。

　　2.1　温度对磁介质的影响
　　高梯度磁过滤器常用的磁介质是由非晶态软磁合金喷成的0.04mm厚,0.5mm宽的细长丝,一般使用Fe72Cr8P13Co7非晶态合金,它具有磁感应饱和强度高、磁性“软”的特点。温度对所有软磁性磁介质影响总的特点是随着温度的升高,磁导率上升,温度达到居里点后迅速下降,图1a为铁氧体磁介质的磁导率和温度的关系。磁介质的饱和磁感应强度、矫顽力都随温度的升高下降如图1b。

　　2.2　温度对永久磁铁的影响
　　永久磁铁的磁性能受温度、时间以及应力等因素环境的影响,其中以温度的影响最为重要。图1c给出了铁氧体永久磁铁的饱和磁感应强度Ms和剩余磁感应强度Mr随温度的变化。
　　从图1c可见,铁氧体的磁性能随温度的升高是明显下降的。显然,研究磁过滤器的性能必须考虑温度因素的作用。　　

　　图1　各参数与温度关系
　　2.3　温度对高梯度磁过滤器的磁场影响
　　对文献设计的一种处理高黏度齿轮油的高梯度磁过滤器在不同温度工作时的外壳端面中心处的磁场进行了测试,此处的磁场综合了温度对磁介质和永久磁铁的影响,结果如图1d所示。测试表明,在70℃磁场强度只有18℃的1/4。这个测试没有考虑保温时间的因素,但已足以证明高梯度磁过滤器的磁场受到温度的显著影响。

　3、高梯度磁过滤器的研究
　　液压系统冷却磁过滤器是基于高梯度磁过滤技术和多孔介质强化传热技术的一个新构思。在机理研究的基础上,设计并制造了一种液压系统冷却磁过滤器,并进行了实验研究。
　　3.1　液压系统冷却磁过滤器的结构
　　冷却磁过滤器的基本结构是在管壳式冷却器的壳侧油流流道中添加聚磁性多孔介质,并在中心管布置磁场,让多孔介质起以下作用:(1)将油液中的热量传递给冷却壁面;(2)增强对流动的扰动,强化对流换热;(3)提高磁场的梯度,提高捕捉油液中铁磁污染物的能力。其中磁场起以下作用:①捕捉油液中的铁磁性污染颗粒;②提高冷却净化器的热交换效率;③将冷却水磁化,阻止在传热管内壁结垢,从而保持高传热性能。
　　由以上构思设计并制造了液压系统冷却磁过滤器,其结构示意图如图2。

　　冷却磁过滤器的传热管采用外低肋紫铜管,其他元件都用不锈钢制造,避免对磁场的影响。磁铁布置在中心管中,相同的极面相对,使磁力线向外延伸,充分磁化聚磁性多孔介质。中心管中的磁铁和管壁的缝隙允许冷却水流过,使中心管兼作传热管,同时使永久磁铁得到冷却。

　　3.2　实验研究
　　本实验系统采用上、下位油箱,和液压泵,溢流阀,节流阀构成开式系统,如图3。实验系统的油液采用46#液压油。

　　在实验中保证加入的粉尘始终悬浮并混和均匀,为此污染物注入系统采用上、下位双油箱,而且油箱的底部设计成锥形,锥角小于90°,以防止污染物在底部沉积。污染物的注入流量是通过上位油箱的球阀来调节的。液压泵安装的位置低于油箱中液面的最低位置。系统的流量是由齿轮泵提供,通过溢流阀和节流阀调节流量。
　　系统的流量由流量计测量。被试件的上、下游都设有取样装置和压力表,取样装置为球形截止阀。精过滤器回路中机械过滤器的精度等级为5μm,其目的是在每次实验前将系统油液过滤至比实验用污染油液的污染度高2个NAS等级以上。
　　每隔一段时间在过滤器的上下游同时取样,取样时先将取样阀打开,让至少200mL的油液流经取样装置,以冲洗取样装置内部。取样过程中不拧动球阀,用取样瓶接取样液。
　　用自动颗粒计数器测定样液的颗粒个数。颗粒尺寸大小定为:10μm,15μm,20μm,25μm,30μm,40μm,50μm,然后根据颗粒计数结果计算不同颗粒尺寸下的过滤比。

　　3.3　实验结果
　　在其他实验条件相同时,对冷却磁过滤器中心管不通冷却水和通冷却水两种工况进行了过滤性能测定。冷却磁过滤器单纯过滤实验结果见表1;通冷却水的过滤性能见表2。
　　实验段结构:螺旋板+磁介质;实验油液:46#液压油;实验油温:70℃;系统流量:25L/min;污染物质:铁粉;污染物注入流量:0.21L/min;污染物上游基础浓度:6mg/L;磁介质孔隙率:0.985;冷却水流量:12L/min;冷却水进口温度:17℃。
　　比较表1和表2的结果,则发现具有相同的结构,在通水冷却时平均过滤比 β10提高3.14倍, β45提高6 5倍。2个实验的突出差异在于磁铁的温度,单纯过滤时的磁铁温度和油温相同,即70℃左右,而冷却过滤时磁铁温度和冷却水的出口温度相近,不超过30℃,所以将磁铁布置在冷却水中,能够充分发挥永磁铁的高磁场强度。由此看出,冷却和磁过滤的结合,具有很强的兼容性的互惠性。

　4、结论
　　高梯度磁过滤器利用被磁铁磁化了的磁介质捕捉污染颗粒,磁介质能大幅度提高介质周围的磁场梯度,所以高梯度磁过滤器的过滤性能明显高于传统式磁过滤器。
　　工作温度对磁介质和永久磁铁的磁性能都有较大的影响。磁介质的饱和磁感应强度、永久磁铁的剩余磁感应强度随温度的升高而下降,使高梯度磁过滤器的工作磁场强度随温度的升高而迅速下降。从而揭示了工作温度是影响高梯度磁过滤器过滤性能的重要因素。
　　强化传热和高梯度磁过滤技术具有很好的兼容性,冷却磁过滤器通过聚磁性多孔介质既提高了磁场的梯度,又强化了壳侧的对流传热。同时,冷却水可大大降低冷却净化器磁源的温度,从而保证了高的磁场强度。
　　将磁铁布置在冷却水中,能够充分发挥永磁铁的高磁场强度。冷却和磁过滤的结合,具有很强的兼容性和互惠性。