液壓過濾器性能評定方法的改進

李正江 郭文楨

（新鄉(xiāng)市東風(fēng)過濾技術(shù)有限公司）

液壓過濾器性能評定方法的改進

李正江*郭文楨

（新鄉(xiāng)市東風(fēng)過濾技術(shù)有限公司）

主要介紹了ISO 16889標準在液壓系統(tǒng)過濾器的性能測試方法上的特點，并和以前的測試方法進行了對比。

過濾 試驗粉末 在線計數(shù) 連續(xù)取樣 粒徑計算

0 前言

液壓傳動系統(tǒng)中，固體顆粒污染物的存在必然產(chǎn)生運動副磨損，導(dǎo)致效率降低，縮短元件壽命，甚至降低液壓系統(tǒng)工作的可靠性。

液壓過濾器用來控制液壓系統(tǒng)中循環(huán)的污染顆粒數(shù)量，使油液的污染等級滿足液壓元件的污染敏感度以及用戶需要的可靠性要求。

為了能夠比較過濾器的相關(guān)性能，以便選擇最合適的過濾器，必須有試驗規(guī)程。液壓油攜帶污染物連續(xù)不斷地流經(jīng)過濾器，直至達到預(yù)先設(shè)定的極限壓降 （旁通閥開啟壓力或者壓差指示器設(shè)定的壓差）。

濾芯正常使用壽命（達到極限壓降之前）和液壓系統(tǒng)中任意點的污染度水平都取決于污染物增加率（侵入率與生成率之和）和過濾器的性能特性。

在實驗室中進行過濾器性能評定試驗，應(yīng)該為被試過濾器提供連續(xù)的污染物，并且定時監(jiān)測過濾器的過濾性能參數(shù)。試驗還應(yīng)具有一定程度的重復(fù)性和再現(xiàn)性，應(yīng)采用標準試驗粉末，這種試驗粉末具有穩(wěn)定一致的顆粒尺寸分布，并在世界各地都能購買到。采用規(guī)定標準校準的自動顆粒計數(shù)器測量過濾器的上下游顆粒尺寸分布，來確定過濾器的過濾性能。

液壓濾芯多次通過試驗方法于1981年正式納入國際標準ISO 4572，后來由于液壓領(lǐng)域污染控制的技術(shù)水平日益提高，該標準已不能適應(yīng)當(dāng)前的需要，因此國際標準化組織采用ISO 16889來代替ISO 4572。本文通過解析這兩個標準的不同點來看ISO 16889的推出對于液壓濾芯污染測試領(lǐng)域的重要意義。

1 ISO 16889和ISO 4572的不同點

國際標準ISO 16889和ISO 4572相比，主要的改變有以下幾點。

（1）試驗粉末由ACFTD改為ISO MTD（ISO medium test dust）。

（2）顆粒計數(shù)器校準方法由 ISO 4402改為

ISO 11171。

（3）試驗程序不同，具體如下：

①顆粒計數(shù)取樣方法不同，從離線瓶取樣改為在線直接取樣；

②取樣次數(shù)不同，由4次改為試驗全程每分鐘取樣一次；

③試驗時粒徑尺寸設(shè)置更加貼近實用。

（4）試驗結(jié)果的表達更加全面、具體。

2 ISO 16889標準改進的意義

2.1 試驗粉末由ACFTD粉末改為ISO MTD粉末

ACFTD粉末最初由通用汽車公司的AC火花塞分公司生產(chǎn)。由于具有穩(wěn)定的顆粒尺寸分布，ACFTD粉末在ISO 4402中被用來校準顆粒計數(shù)器，在試驗標準ISO 4572中被用來評價液壓系統(tǒng)或其它應(yīng)用中的過濾器的性能。由于它具有天然的不規(guī)則外形和硅質(zhì)特性，ACFTD被認為是液壓系統(tǒng)中污染物的典型代表，ISO 4402給出了ACFTD的尺寸分布。

1992年，ACFTD粉末停產(chǎn)后，顆粒計數(shù)器校準方法和過濾器試驗標準的修訂顯得格外緊迫。ISO技術(shù)委員會TC22決定，采用過濾器試驗粉末標準ISO 12103-1規(guī)定的ISO MTD粉末進行顆粒計數(shù)器的校準，并以此粉末來進行過濾器的多次通過試驗。

試驗粉末改進的意義：試驗結(jié)果依賴于顆粒粉末的尺寸分布和形狀，ACFTD粉末批次之間差別較大，含有高濃度細小顆粒，統(tǒng)計時易產(chǎn)生重疊誤差，對試驗結(jié)果產(chǎn)生巨大影響，而ISO MTD粉末采用噴氣粉碎工藝，批次之間的差別小。

2.2 顆粒計數(shù)器校準方法由ISO 4402改為ISO 11171

從顆粒計數(shù)器校準的角度看，ISO 4402校準方法有許多內(nèi)在的缺點，其最大的缺點是ACFTD顆粒尺寸分布沒有經(jīng)過嚴格鑒定，而校準的準確性依賴于參考顆粒尺寸分布的精確性。

為了發(fā)展顆粒計數(shù)器可追蹤校準方法，1993年，人們要求NIST鑒定ISO MTD懸浮液中的顆粒尺寸分布。NIST的標準參考物質(zhì) （SRM）為2806，被鑒定的懸浮液為濃度2.8 mg/L的ISO MTD懸浮在MIl-H-5606液壓油中形成的懸浮液。使用掃描電子顯微鏡和統(tǒng)計分析技術(shù)來測量ISO MTD投影面積的等效直徑，以確定SRM的顆粒尺寸分布。由于投影面積等效直徑比定義ACFTD尺寸分布的最大弦長更接近于液體自動光學(xué)顆粒計數(shù)器的實際測定尺寸，所以使用投影面積等效直徑作為顆粒的粒徑尺寸，如圖1所示。

圖1 用最大弦長和投影面積等效直徑定義顆粒尺寸

表1 ACFTD和ISO MTD粉塵粒徑尺寸比較

2.3 顆粒尺寸的重新定義

在液壓系統(tǒng)油液的污染控制中，顆粒尺寸和濃度都是十分重要的。隨著校準方法的變化，報告的顆粒尺寸和濃度將會隨之變化，其變化程度取決于顆粒尺寸的大小。由于這一變化，ISO 11171指定用符號 “μm （c）” 表示顆粒尺寸， 其中 （c） 表示按照ISO 11171校準。表1是ACFTD尺寸和新的NIST尺寸的比較。10 μm時，報告尺寸的差別大約只有2%。然而，ACFTD的15 μm大約變成了13.6 μm （c）， 5 μm 大約變成了 6.4 μm （c）。 小顆粒尺寸的變化最大。ACFTD方法的1 μm顆粒尺寸大約變成4.2 μm （c）。在報告污染度或比較過濾器的β值和過濾效率時，顆粒報告尺寸的這種變化將會導(dǎo)致混亂。

顆粒尺寸的重新定義，使得現(xiàn)在使用的許多顆粒計數(shù)器在使用新校準方法后不能對尺寸小于5 μm（c）的顆粒進行計數(shù)。一般來說，使用ACFTD校準方法很容易對1 μm顆粒進行計數(shù)的顆粒計數(shù)器，在使用新校準方法后，能夠?qū)? μm（c）的顆粒進行計數(shù)。根據(jù)國際上有關(guān)試驗室聯(lián)合驗證的試驗結(jié)果，只有新的消光傳感器和散光傳感器才能計數(shù)更小的顆粒尺寸。一些顆粒計數(shù)器生產(chǎn)商生產(chǎn)的消光傳感器在使用新的校準方法后，可以統(tǒng)計尺寸為2～3 μm （c）的顆粒。小尺寸顆粒的統(tǒng)計，更需要散光傳感器。

2.4 顆粒計數(shù)取樣方法改為在線直接取樣

ISO 4572的顆粒計數(shù)取樣方式是采用取樣瓶進行瓶取樣，在取樣過程中容易受到各種污染，如取樣瓶本身的清潔等級，取樣過程的清潔度控制。離線顆粒計數(shù)器在取樣計數(shù)時，中間環(huán)節(jié)多，過程繁復(fù)，對測試結(jié)果造成一定的影響。而在線顆粒計數(shù)器直接測量顆粒數(shù)，克服了瓶取樣的缺點，使測試結(jié)果更加準確。具體地講，在線顆粒計數(shù)法與瓶取樣方法相比具有如下優(yōu)點：

（1）系統(tǒng)的初始清潔度只要30～60 min即可實現(xiàn)。

（2）自動顆粒計數(shù)器連接計算機，只要幾分鐘即可獲取供分析用的數(shù)據(jù)，而瓶取樣法需要幾個小時或更長時間。

（3）與瓶取樣法相比，大大縮短了總的試驗時間。

（4）不需要干凈的取樣瓶。

（5）不存在由于瓶子污染引起的誤差。

2.5 取樣次數(shù)改為試驗全程連續(xù)取樣

在ISO 4572標準中，對過濾精度測試規(guī)定只進行5次顆粒計數(shù)取樣分析，即在試驗第2 min時和在濾芯極限壓差的10%、20%、40%、80%時進行取樣分析。

ISO 4572在整個試驗過程中過濾精度測試只取5個油樣不能全面地反映被試濾芯的過濾比變化，而ISO 16889在全試驗過程中不間斷地進行顆粒計數(shù)和比較，可以更加直觀地表達濾芯在全壽命期內(nèi)的過濾分離能力變化趨勢。

2.6 試驗時粒徑尺寸設(shè)置更加貼近實用

ISO 4572規(guī)定了被試濾芯的適用范圍，以10 μm粒徑的過濾比作為評定濾芯性能的主要指標。因此在試驗報告中只規(guī)定了測試 10 μm、20 μm、 30 μm、 40 μm 粒徑尺寸的過濾比。而ISO 16889最少選擇5個、最多推薦16個過濾比β=2～1 000范圍內(nèi)的顆粒尺寸 （覆蓋過濾器的性能范圍）。典型的顆粒尺寸為5、6、7、8、10、12、14……30 μm （c）。

從試驗標準的顆粒尺寸設(shè)置我們可以看到液壓領(lǐng)域在污染控制方面的明顯進步，污染物控制的對象從10 μm的顆粒下降到了4 μm左右。標準的改進為更高精度濾芯的研制和測試提供了可靠的保證。

ISO 4572和ISO 16889的試驗報告顆粒分布分析如表2、表3所示。

表2 ISO 4572試驗報告顆粒分布分析（每毫升顆粒數(shù)）

表3 ISO 16889試驗報告顆粒分布分析

3 ISO 16889試驗結(jié)果的表達更加全面、具體

3.1 粒徑尺寸設(shè)置的不同

ISO 4572 只規(guī)定了測 試 10 μm、 20 μm、 30 μm、40 μm粒徑尺寸的過濾比，而ISO 16889最少選擇5個過濾比，其范圍包括β=2到β=1 000的顆粒尺寸 （覆蓋過濾器的性能范圍）。ISO 16889在最終結(jié)果中反映過濾比和顆粒尺寸的關(guān)系并在半對數(shù)坐標中生成曲線，如圖2所示，可利用內(nèi)插值法計算出對應(yīng)過濾比的顆粒尺寸。

圖2 過濾比與顆粒尺寸的關(guān)系

3.2 增加了過濾比和濾芯試驗時間百分比的關(guān)系曲線

由于ISO 16889采用在線計數(shù)器連續(xù)進行顆粒計數(shù)，在試驗結(jié)果上反映了各顆粒尺寸在濾芯全壽命期內(nèi)的平均過濾比和各時間段的過濾比。此外，還在半對數(shù)坐標圖中生成每一顆粒尺寸的平均過濾比和試驗時間百分比關(guān)系曲線，如圖3所示，或在lg-lg坐標圖上生成每一顆粒尺寸的平均過濾比和濾芯壓差關(guān)系曲線。

圖3 過濾比和試驗時間百分比的關(guān)系曲線

3.3 納污容量的計算方法不同

ISO 4572把實際試驗中注入的試驗粉末總質(zhì)量作為濾芯的納污容量評定指標，而ISO 16889是實際試驗中注入的試驗粉末總質(zhì)量減去未被濾芯過濾的污染物質(zhì)量得出濾芯的實際納污容量，可見ISO 16889評定濾芯納污容量的方法更加科學(xué)和可靠。

ISO 4572納污容量的表達式為

式中Mi—— 污染物注入總質(zhì)量，g；

Gi——污染物注入濃度，mg/L；

qi——注入流量，L/min；

t

f——實際試驗時間，min。

ISO 16889納污容量的表達式為

式中Cr——納污容量，g；

Mi——污染物注入總質(zhì)量，g；

Mnr——未被攔截的污染物質(zhì)量，g。

4 結(jié)論

由于液壓領(lǐng)域技術(shù)的高速發(fā)展， 對污染控制提出了更高的要求。原來的ISO 4572 《液壓傳動—過濾器—測定過濾特性的多次通過法》已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前的需要， 但是， 作為曾在過濾行業(yè)有指導(dǎo)作用的標準， 仍影響著我們的方方面面。比如， 很多過濾器及濾材的標稱精度仍然使用ISO 4402 的標定方法， 像ISO 4402 標稱為1～3 μm 的濾材， 轉(zhuǎn)換成ISO 11171 就應(yīng)標稱為4 μm。又如某些過濾器和濾材以ISO 4572 使用的污染物注入總量來表示納污容量指標。這些情況給液壓過濾分離行業(yè)的交流與研究帶來了不便。

為了更加準確、科學(xué)地評定過濾器的性能， 以ISO 16889 多次通過試驗標準取代舊標準是必要的， 有科學(xué)依據(jù)的。我們應(yīng)當(dāng)在相關(guān)行業(yè)內(nèi)推廣及應(yīng)用新標準。

[1] ISO 4572.液壓傳動—過濾器—測定過濾特性的多次通過法[S].

[2] ISO 16889.液壓傳動過濾器—評定濾芯過濾性能的多次通過試驗法[S].

[3] ISO/TR 16386：1999.改變ISO流體傳動顆粒計數(shù)、污染和過濾標準的影響[S].

Improvement of Performance Test Method for Hydraulic Filter

Li Zhengjiang Guo Wenzhen

This paper mainly introduced the performance test method characteristics of ISO 16889 standard on the hydraulic system filter,and compared the test method with previous methods.

Filtration； Test powders； On-line counting； Continuous sampling； Grain size calculation

TQ 051.8

*李正江，男，1972年5月生，工程師。新鄉(xiāng)市，453002。

2011-03-22）