滤芯设计制作基础知识

第一篇过滤的基础知识
1 污染物的简述
1.1污染物的定义
在液压系统中污染物是指液压介质中存在的一切对系统有危害作用的物质和能量。

它包括固体颗粒、水、空气、化学物质、微生物、静电、热能、磁场和辐射等。

1.2污染物的来源
污染物的来源各不相同，主要是在系统装配、运行、故障维修等过程中产生的。

根据其产生的原因总体来说，可分为系统内部残留、内部生成和外部侵入三种。

表1-1举例说明了各种污染物的常见来源
1.3污染物的危害
污染物对液压系统的危害是十分巨大的。

据统计，液压系统75%以上的故障是由于油液的污染造成的。

固体颗粒是液压系统中最主要的污染物，液压系统污染故障中的三分之二都是由固体颗粒引起的。

表1-2给出了各种污染物的危害。

1.4污染物特征的描述
液压系统中的污染物既有以物质形式存在的，如固体颗粒、水、空气、化学物质和微生物等，又有以能量形式存在的，如静电、热、磁和辐射等。

化学物质主要以其种类和含量来进行污染特征的描述；微生物除了能繁殖与游动外，其污染特征与固体颗粒相近；静电污染一般以电荷电压来描述其特征；热一般以温度的高低来描述其特征；
磁一般以磁场强度来进行来描述；辐射主要以其种类和能量来进行描述。

下面对液压系统的最常见的固体颗粒、水及空气的污染特征做一介绍。

1.4.1固体颗粒
描述固体颗粒污染特征的参数主要有颗粒的密度、堆积松散度、沉降性、分散性、迁移性、成块性、硬度、破碎性、尺寸、尺寸分布、浓度、形状等。

污染控制经常使用的特征主要有尺寸、尺寸分布和浓度等。

表1-3 常见微米级颗粒的尺寸
注：1μm=0.001mm。

人们可见到实物颗粒尺寸极限为40μm
颗粒具有不规则的形状，我们如何去描述它的大小、给出他的尺寸呢？为此，人们给出了关于颗粒尺寸的不同定义，在污染控制领域，常用的定义主要有两种，一是颗粒的最大弦长，即用颗粒的最大弦长来描述颗粒的大小，这种定义在显微镜计数法中得到使用；二是用颗粒等效投影面积的直径作为颗粒的尺寸，这种定义自动颗粒计数法中得到使用。

不同尺寸的颗粒对元件的危害是不一样的，人们常用不同尺寸段的颗粒数所占的比例来描述颗粒的尺寸分布，而使用单位体积油液中不同尺寸段的颗粒数或单位体积油液中固体颗粒的重量来描述颗粒的浓度。

1.4.2水
水的污染特征描述主要有水的存在形式及其含量。

油液中的水有三种存在形式：溶解水、乳化水及自由水。

溶解水是指油液分子间存在的水，其尺寸一般在0.1μm以下。

乳化水是指高度分散在油液中的水，其尺寸一般在10μm以下。

自由水是指沉降在油液下部的水，其尺寸一般在100μm以上。

油液中三种形式的水是能够互相转化的。

温度降低、压力下降时，油液中的溶解水会析出，成为乳化水或自由水。

温度升高、压力上升时，乳化水和自由水会溶解在油液中，形成溶解水。

自由水在剧烈搅动时会形成乳化水。

乳化水再长时间静置时会变成自由水。

油液中的水含量可以用体积百分比（%v）表示。

如100ppm表示1单位体积油样中含有万分之一体积的水。

1.4.3空气
与水类似，空气的污染特征描述主要有空气的存在形式及其含量。

油液中的空气也有三种存在形式：溶解态、乳化态及自由态。

溶解态空气是指油液分子间存在的空气，其尺寸较小。

乳化态空气是指高度分散在油液中的空气泡。

自由态空气是指积聚在液压系统内部高点的空气。

油液中三种形式的空气也是能够互相转化的。

温度升高、压力下降时，油液中的溶解态空气会析出，成为气泡或自由态空气。

温度下降、压力上升时，油液中的气泡和自由态空气会溶解在油液中，形成溶解态空气。

油液中的空气含量一般以体积百分比（%v）表示。

2 过滤的基本原理
过滤就是利用多孔隙的可透性的介质滤除悬浮在油液中的固体颗粒污染物
2.1过滤原理
过滤介质对液流中颗粒污染物的滤除作用可归纳为两种主要机制，即直接阻截和吸附作用。

直接阻截的特点是油液中的颗粒在流经过滤介质时由于各种力的作用偏离流束，并在表面力（静电力或分子吸附力等）的作用下吸附在通道内壁，对于纤维介质即吸附在纤维表面。

图2-1表面型过滤介质过滤原理
2.2过滤介质
按照结构和过滤原理，过滤介质可分为表面型和深度型两大类。

表面型过滤介质是靠介质表面的孔口阻截液流中的颗粒。

属于这一类型的过滤介质有金属网式、线隙式和片式等过滤元件。

1.表面型过滤介质
表面型过滤介质通孔的大小一般是均匀的，凡尺寸大于介质孔口的颗粒均被截留在
介质靠上有油液一侧的表面，而小于介质孔口的颗粒则随液流通过介质，因此，全部过滤作用都是由过滤介质的一个表面来实现的。

表面型滤材由于过滤机理比较单一，主要是直接阻截，因此其纳污容量较小，但经过反向冲洗，介质表面的颗粒容易清除干净，所以可以反复使用。

受工艺限制，一般使用表面型滤材的滤芯，其过滤精度很难达到25μm以上。

2.深度型过滤介质
深度型过滤介质为多孔材料，如滤纸和无纺布等。

这类介质内有无数曲折迂回的通道，从介质的一面贯穿到另一面，并且每一通道中有许多狭窄的孔口，当油液流经过滤介质时，大颗粒污染物被阻截在介质表面孔口或介质内部通道的缩口处；小颗粒污染物流经通道时，有些被吸附在通道内壁或粘附在纤维表面，而有些则沉积在通道内空穴的液流静止区。

因而深度型过滤介质的过滤机理既有直接阻截，又有吸附作用，过滤介质对颗粒的滤除过程发生在介质整个深度范围内。

深度型滤材其颗粒被阻截有五种方式，即重力吸附、静电吸附、布朗运动吸附、惯性撞击吸附及网孔直接拦截。

深型滤材过滤要比单面滤材（编织网）过滤效果好，这正是因为它有良好的吸附效果。

深型孔复杂的孔道形状，造成了上述几种吸附效应，这是单面滤材所不能及的事实，所以单面滤材过滤特性不佳，单靠网孔阻截，堵塞寿命也短。

深型滤材过滤优点：比孔径尺寸小的颗粒也能被阻截在滤前；比孔径尺寸大的颗粒也能有比率地逃到下游（滤后）。

图2-2深度型过滤介质过滤原理
深度型滤材纳污容量要大得多，但介质内部的污染物很难清除，一般只能一次性使用。

但是其过滤精度可以做的很高，可以比较容易的达到1μm。

这一点对于表面型滤材来说是不可能的。

因此，在对系统油液要求比较高的液压和润滑系统中，均采用深度型滤材的滤芯作为过滤元件。

目前广泛使用的深度型滤材为超细玻璃纤维材料，相比较原来使用的植物纤维滤材，具有纤维丝径细，过滤精度高，稳定性好，不易脱落纤维且耐热和耐酸碱等优点，基本上已经完全取代了植物纤维。

下表2-1为表面型与深度型特点的比较。

2.3污染控制元件的主要性能指标
2.3.1过滤精度
过滤器的作用是滤除油液中的颗粒污染物。

过滤精度是指过滤器（滤芯）能够有效滤除的最小颗粒污染物的尺寸。

它反映了过滤器对某些尺寸颗粒污染物控制的有效性，具有过滤效率与颗粒尺寸两方面的含义，是过滤器的重要性能参数之一。

由于人们对过滤精度中的有效性规定还不统一，这就造成了各种各样过滤精度的出现。

由下表可见，名义过滤精度的含义较多，不能确切的表示过滤器的过滤性能，而且这种评定法是在污染物浓度很高的条件下进行的，与过滤器实际工作条件相差很大，所以评定的结果并不能确切反应过滤器的实际性能，且重复性较差，所以名义过滤精度的概念并没有得到广泛的应用。

表2-2给出了三种比较有影响的过滤精度的表示方法。

绝对过滤精度也是在一定条件下测定的。

将一定容积的含有各种尺寸的球形颗粒（一般为玻璃珠或乳胶球）的液体通过被试的过滤器，收集过滤后的液体，然后用微孔滤膜过滤。

在显微镜下观察微孔滤膜上被截留的颗粒，其中最大颗粒的直径就是过滤元件的绝对过滤精度。

绝对精度基本上能够反映过滤材料的最大孔口尺寸，即过滤器能够滤除和控制的最小颗粒尺寸，对于实施污染控制有实际的意义。

但是绝对过滤精度的定义是在自动颗粒计数器尚未普遍使用的时期定义的，其采用的显微镜确定方法在实际操作过程存在比较大的不确定性，如采样过程和采样器皿都易造成污染，而且显微镜方法对于操作人员的要求较高，主观因素很大。

而且实际油液中的固体颗粒物一般都不是球形，形状很不规则，所以长度尺寸大于绝对精度的扁长形颗粒有可能通过介质到达下游，而且绝对过滤精度也反映不出过滤器对不同尺寸颗粒的滤除能力。

所以绝对过滤精度也不能很好的反映过滤器对油液中真实污染物的过滤能力。

下表2-3是液压元件对过滤精度的要求。

近年来，随着颗粒计数器水平的提高，自动颗粒计数器越来越广泛的应用与污染控制系统，目前普遍再用过滤比β值来定义过滤器的过滤精度。

只有过滤比能完全、清楚的表达过滤精度的含义。

如油液流经某过滤器时，对于5μm 的颗粒，其上游的颗粒浓度与下游的颗粒浓度之比（即过滤比β）不小于200，我们就称其过滤精度达到5μm ，以β≥200表示。

这样的定义可以比较明确地反应过滤器在实际工况下的过滤能力。

过滤比是指过滤器上游油液单位体积中大于某一给定尺寸的颗粒数与下游油液单位体积内大于同一尺寸的颗粒数之比，用β表示，
式中：
βx-对于某一颗粒尺寸x （μm ）的过滤比；
N μ-单位体积上游油液中大于尺寸x 的颗粒数；
Nd0.01-单位体积下游油液中大于尺寸x 的颗粒数。

目前，β值已经被国际上普遍采用作为评定过滤其过滤精度的性能指标。

过滤效率的定义是被过滤器滤除的污染物数量与加入到过滤器上游的污染物数量之比，具体公式如下：
式中：
E-过滤效率；
A-在过滤器上游加入的污染物总量；
B-在过滤器下游收集到的污染物总量；
污染物的量可以用重量表示，也可以用各种尺寸的颗粒物表示，因而过滤效率可以是对重量而言的，也可以是对颗粒数而言的。

但目前最常用的事后一种。

过滤比可以很方便的变换为过滤效率的形式，用颗粒数表示的过滤效率可以用以下式表示： Nu Nu-Nd E==1-1β
表2-4给出了二者之间的一组对应值。

由表可见，过滤比β比过滤效率E具有更好的分辨率。

当过滤效率从99%提高到99.9%时，过滤比从100升到1000。

2.3.2纳污容量
在过滤器使用过程中，随着滤芯不断滤除油液中的污染物，过滤器的压差越来越大。

当过滤器的压差达到其极限值时（该值由过滤器制造商给定），需要更换滤芯。

过滤器在压差达到极限值时，滤芯所捕获的污染物重量，称为滤芯的纳污容量。

滤芯的纳污容量主要与其所使用的滤材及其有效过滤面积有关。

一般而言，高精度滤材的纳污容量小些，低精度滤材的纳污容量大些。

为了缓解滤芯过滤精度与纳污容量之间的矛盾，有时采用渐变孔径滤材或多层复合滤材的结构，滤材进油面的孔隙大、出油面的孔隙小，这样大颗粒被上游的大孔隙滤材截留，小颗粒被下游的小孔隙滤材截留，既保证了过滤精度，有保证了纳污容量。

增大滤材有效过滤面积可以大幅度提高过滤器的纳污容量。

这是因为，过滤面积的增大不仅增大了截留污染物的面积，而且降低了滤材单位面积上通过的流量。

纳污容量C与有效过滤面积A之间的关系可以用下式表示：
式中：C1-原纳污容量；
C2-增大后的纳污容量；
A1-原有效过滤面积；
A2-增大后的有效过滤面积；
n=1.3~1.5
2.3.3相关标准的介绍
表2-5
为了评定一个过滤元件的技术性能，国际上通用ISO16889等标准，分别对滤芯和滤器的过滤精度、纳污容量、压差-流量特性、结构完整性、相容性、耐压强度轴向强度、疲劳强度等特性提出了评定方法和检验标准，详见表2-5。

目前，我国参照上述国际标准，制定了相应的国家标准。

除了对一些附录的删减以及编辑性的修改以外，从内容上来讲是基本等同的。

标准号之间的对应关系如下：
表2-6国家与国际标准对应关系
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3 常用的过滤材料
用于过滤设备中的过滤材料有多种多样，材质上有金属材料、有机材料、无机材料，结构形式上有颗粒材料、丝网滤布、滤纸无纺布、烧结(粘结)材料、滤膜、线隙式等，过滤元件方面有滤片滤叶、板框、滤芯滤筒、滤带等。

滤材的选择是滤设备选型和设计中首要的问题。

单丝编织丝网，粉末烧结件，多层丝网烧结板，金属纤维烧结毡是四种比较典型的常用的过滤材料。

不论金属还是塑料或玻璃等材质，相同结构的滤材有相同的过滤特性。

同时，丝网与滤布、线隙式、冲孔板类似，粉末烧结件与陶瓷件、颗粒层类似，纤维烧结毡与无纺布、熔喷滤芯、纱缠绕滤芯有许多相似之处。

表3-1
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对于用户的具体要求，如何选择过滤设备及过滤工艺，必须从滤材的选择开始。

这时，应用中的许多因数都要综合考虑，诸如，过滤精度、过滤效率、污物性状、设计压力、清洗方式、反洗动力、反洗频率、处理量、成本等。

1.过滤精度：过滤精度有多种表征方式，含义不完全相同，要明确是指绝对过滤精度还是相对过滤比例的精度，或者是按过滤效率所指的过滤精度。

选滤材时还要参考孔径分布，丝网和烧结丝网绝对过滤精度接近于相对过滤精度，而过滤效率差，粉末烧结件，纤维烧结毡的绝对过滤精度比相对过滤精度差的多，过滤效率又较高。

纤维烧结毡可调范围大。

2.污物性状：为了选材，还要根据应用要求原液、净液、污液、污物颗粒度允许值来考虑选材。

如果原液污物含量高且颗粒层渗透性好，可考虑滤饼过滤，选丝网滤布，否则需选深度过滤材料。

如果净液允许细颗粒存在，可选丝网、丝网烧结件；如果希望净液越净越好，粉末烧结和纤维烧结可以考虑。

粘软颗粒易堵难清洗，最好选用高空隙率的纤维烧结滤材。

3.设计压力：系统压力高低决定低强度滤材是否可用，首先是丝网强度最低，其次是纤维烧结毡。

但这两种材料可以通过增加保护以及波纹的方式提高整体强度。

4.清洗方式：不同滤材适应不同的清洗方式，这是不同的设备选用不同的滤材的重要原因。

清洗方式可分为两类：拆卸清洗，在线反冲洗。

拆卸清洗有条件用各种物理的、化学的方法去清理滤材，难再生的滤材常有办法再生，但一般很费事。

现在越来越多地采用在线清洗，即在线反冲洗。

在线反冲洗几乎都是采用净液在一定动力作用下反向流过滤材将污物冲洗下来，也部分采用洗液或气体冲洗。

由于冲洗机结构多种多样，因此有各种类型的过滤设备。

这些过滤设备的差别在于提供不同的反洗动力或者瞬间冲洗的面积不同。

丝网、多层烧结丝网、以及特制的纤维烧结毡!都是容易反冲洗的滤材。

因此可以在较低冲洗动力的情况下清洗。

如各种自清洁式过滤设备，列管过滤器，转臂反冲洗过滤机，真空过滤机等。

而粉末烧结件，常规纤维无纺滤材都难于反冲洗，需要强有力的反冲洗动力，如高压泵，压缩气体。

至于瞬间冲洗面积，是指反冲洗时只对滤材的局部面积或部分滤芯进行清洗，逐步扫描或切换至所有滤材。

不同的设备，瞬间冲洗面积可能只有总面积的1％，也可能是1/6、或1/2或全部。

对于局部扫描式反冲洗，滤材的清洗性能只看局部反洗能力。

而对于大面积的反冲洗方式要考虑滤材的反洗均匀性。

丝网尽管有很好的反洗能力，但容易出现局部清洗，过滤能力不能全部恢复。

而在大型过滤设备中难于反洗的粉末烧结材料却有很好的清洗
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均匀性。

同样是滤饼过滤材料的烧结丝网就比丝网的反洗均匀性好很多。

通过特殊制作，可以使烧结丝网、烧结滤毡既有很好的反冲洗能力又有好的反洗均匀性。

5.反洗频率：反洗频率高低将影响到过滤设备是否能够正常运行，是否必须自动操作，影响到污液量，滤材使用寿命等重要因素。

反洗频率是过滤设备的一个重要指标。

处理量、过滤面积、污物情况都影响反洗频率。

滤材纳污能力、反洗能力、反洗均匀性都直接影响到反洗频率。

丝网纳污能力差，反洗均匀性不好，容易造成高的反洗频率。

烧结丝网较好，烧结毡更好，而粉末烧结材料虽反洗均匀性好纳污量较大，但反洗能力差，因此早期反洗频率低，但上升快，后期反洗频率高，不如烧结毡。

6.造价与使用成本：显然，滤材单价高纳污量小流体阻力较大的烧结丝网造价最高，而丝网造价最低。

但丝网易损坏反洗频率也高，因此使用成本不低。

烧结毡综合性能好，造价不高，使用成本也较低。

3.1金属丝网过滤介质
3.1.1金属丝网的认识
金属丝网耐腐蚀、耐磨损、耐高温、耐用，使用中不会出现收缩、延伸等现象。

丝网表面光滑，不易堵塞，优点众多，
虽然价格较贵，但乃得到广泛应用。

编制金属网适用于制作罐式过
滤机的滤叶、离心过滤机的过滤网、
圆筒过滤机的转鼓、圆盘过滤机的
叶片、预涂层过滤机的底衬以及其
它易烧损过滤介质的支撑等。

另一
个重要用途是制作可清洗滤芯，由
于能用化学方法清洗，滤芯就能反
复使用，汽车、航空、宇航等是这
类滤芯的最大用户。

常用的滤网孔
径1~300μm。

图3-1 各种类型的金属网滤芯
1.金属丝网过滤机理
金属丝网的过滤过程主要包括以下四个阶段：
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（1）过滤起始阶段，杂质颗粒随流体经过丝网介质时沉积于洁净丝网表面此时主要靠拦截和扩散机理。

此时还没有形成连续的颗粒层，压降损失较小。

（2）过滤中间阶段，逐渐形成连续的过滤层即滤饼。

此时过滤孔径缩小，粉尘的拦截沉积作用大幅提高，过滤效率急剧升高，压差迅速升高。

（3）过滤稳定阶段，此阶段主要靠滤饼的过滤筛分作用，丝网起着形成滤饼和支撑加强作用，这时的过滤机理主要为筛分。

这时的压差变化缓慢，相对中间阶段近似不变。

（4）过滤反吹阶段，随着滤饼的不断增厚需进行在先清洗，实现过滤器的循环再生。

此时除尘效率略有下降，至此完成一个周期。

金属丝网过滤器的性能评估有包括三个方面，即过滤效率、压降和残余压降。

过滤效率为过滤器出口与过滤器入口的杂质量之比。

压降是由于丝网表面的颗粒沉积产生的，压降达到预先设定的最大值时，过滤器需要清洗再生。

残余压降是由于过滤和再生循环之后过滤介质内一些沉积的颗粒无法移除干净而产生的。

过滤效率高说明颗粒被拦截的比例大，所得流体的纯度高。

但单纯追求过滤效率，会对过滤器的寿命产生负面影响。

压降高导致过滤运行成本高。

清晰再生效果不理想会导致残余压降升高，当升高至某极限时过滤过程由于压力损失过高以及循环时间过短而变得不经济，此时需要更换过滤介质。

这种情况需要尽量避免。

图1为典型的压降与残余压降变化曲线。

1.1过滤效率的影响因素
金属丝网的过滤效率可用下式计算：
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其中，Ndown 为过滤器出口的杂质颗粒数目；Nup 为过滤器入口的杂质颗粒数目。

过滤效率主要与过滤介质的结构有关，即杂质粒径与过滤介质孔径之比。

同时还包括过滤介质的孔隙率。

粒径与孔径之比越大，杂质被拦截的几率也越大，过滤器出口的杂质数量越低，过滤效率越高。

很重要的一点是，单独考虑粒径或孔径并不能表征过滤效率。

此外，孔隙率增加时，杂质透过丝网的几率也增加，过滤效率相应较高。

此外，过滤效率随着过滤循环次数的增加而升高这是因为，过滤器在清洗再生过程结束之后，其表面仍残留有部分未被清洗干净的颗粒，这些颗粒在之后的过滤过程中，起到新的过滤介质的作用。

1.2压降的影响因素
整个过滤介质的压降由3部分组成：流体在纯流体区的压降、在丝网介质中的压降以及在滤饼中的压降。

流体区的压降变化很小，相对与其他两项压降损失相比所占比例小。

丝网介质中的压降符合达西定律：
其中，△P为多孔介质内的总压降，δ为多孔介质的厚度，ｕ为多孔介质内的平均速度，μ为流体粘度，ｋ为过滤介质渗透率。

随着滤饼的不断形成，除了滤饼厚度增长外，孔隙率不断减小，共同的作用结果使压降快速升高。

压降的影响因素具体分析如下：
（1）过滤速度
随着过滤流速的增加，压降增加的速度也逐渐加快。

这是由于提高流速在过滤初始滤饼形成阶段，会有更多的颗粒堵塞滤芯的孔隙，直到滤饼形成时压降已经很高了。

所以提高过滤速度要以压降的急剧升高为代价。

常温下，滤速对烧结金属丝网过滤效率的影响不大，随着滤速的增加，烧结金属丝网过滤效率略有提高。

因此，适合于在高滤速下工作，滤速的增加不会带来过滤效率的降低。

（2）流体浓度
在同一流速下，流体浓度越大，压差升高得越快。

因为浓度的提高，在相同的过滤速度下，颗粒堵塞孔隙的几率越大，造成过滤压差增加变快。

（3）流体温度
对于金属过滤器，压降与过滤流体的温度有关。

温度高时，由于热胀冷缩，导
致孔径增大，压降降低。

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