一種液壓系統(tǒng)高梯度冷卻磁過濾器的實驗研究

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

　1、高梯度磁過濾器的基本原理
　　磁場對鐵磁性污染顆粒的吸引力是磁過濾器性能的決定性因素,磁場中污染顆粒的受力Fm為:
　　Fm=-Vp·(Xp-Xm)·H·gradH
　　(1)式中　Vp———鐵磁性顆粒的體積,m3
　　Xp———鐵磁性顆粒的磁導率,H/m
　　Xm———油液的磁導率,H/m
　　H———外磁場強度,A/m
　　gradH———該點的外磁場強度的梯度,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強度H成正比,與磁場強度的梯度gradH成正比。
　　普通磁過濾器是通過提高外磁場強度H來提高磁引力,從而提高過濾能力的;高梯度磁過濾器則是通過磁介質提高磁場的梯度gradH來增大吸引力以獲得高效濾除污染物的效果。
　　在磁場中布置聚磁性多孔介質,會使磁介質附近的磁場H和磁場梯度gradH比沒有磁介質時大很多,尤其是gradH與磁介質截面直徑d成反比,當d很小時,gradH的值可以很高。所以基于此原理的高梯度磁過濾器也稱為高效磁過濾器。

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

　　2.1　溫度對磁介質的影響
　　高梯度磁過濾器常用的磁介質是由非晶態(tài)軟磁合金噴成的0.04mm厚,0.5mm寬的細長絲,一般使用Fe72Cr8P13Co7非晶態(tài)合金,它具有磁感應飽和強度高、磁性“軟”的特點。溫度對所有軟磁性磁介質影響總的特點是隨著溫度的升高,磁導率上升,溫度達到居里點后迅速下降,圖1a為鐵氧體磁介質的磁導率和溫度的關系。磁介質的飽和磁感應強度、矯頑力都隨溫度的升高下降如圖1b。

　　2.2　溫度對永久磁鐵的影響
　　永久磁鐵的磁性能受溫度、時間以及應力等因素環(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強度Ms和剩余磁感應強度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,研究磁過濾器的性能必須考慮溫度因素的作用?！　?/p>

　　圖1　各參數(shù)與溫度關系
　　2.3　溫度對高梯度磁過濾器的磁場影響
　　對文獻設計的一種處理高黏度齒輪油的高梯度磁過濾器在不同溫度工作時的外殼端面中心處的磁場進行了測試,此處的磁場綜合了溫度對磁介質和永久磁鐵的影響,結果如圖1d所示。測試表明,在70℃磁場強度只有18℃的1/4。這個測試沒有考慮保溫時間的因素,但已足以證明高梯度磁過濾器的磁場受到溫度的顯著影響。

　3、高梯度磁過濾器的研究
　　液壓系統(tǒng)冷卻磁過濾器是基于高梯度磁過濾技術和多孔介質強化傳熱技術的一個新構思。在機理研究的基礎上,設計并制造了一種液壓系統(tǒng)冷卻磁過濾器,并進行了實驗研究。
　　3.1　液壓系統(tǒng)冷卻磁過濾器的結構
　　冷卻磁過濾器的基本結構是在管殼式冷卻器的殼側油流流道中添加聚磁性多孔介質,并在中心管布置磁場,讓多孔介質起以下作用:(1)將油液中的熱量傳遞給冷卻壁面;(2)增強對流動的擾動,強化對流換熱;(3)提高磁場的梯度,提高捕捉油液中鐵磁污染物的能力。其中磁場起以下作用: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,阻止在傳熱管內壁結垢,從而保持高傳熱性能。
　　由以上構思設計并制造了液壓系統(tǒng)冷卻磁過濾器,其結構示意圖如圖2。

　　冷卻磁過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,避免對磁場的影響。磁鐵布置在中心管中,相同的極面相對,使磁力線向外延伸,充分磁化聚磁性多孔介質。中心管中的磁鐵和管壁的縫隙允許冷卻水流過,使中心管兼作傳熱管,同時使永久磁鐵得到冷卻。

　　3.2　實驗研究
　　本實驗系統(tǒng)采用上、下位油箱,和液壓泵,溢流閥,節(jié)流閥構成開式系統(tǒng),如圖3。實驗系統(tǒng)的油液采用46#液壓油。

　　在實驗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,而且油箱的底部設計成錐形,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上位油箱的球閥來調節(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,通過溢流閥和節(jié)流閥調節(jié)流量。
　　系統(tǒng)的流量由流量計測量。被試件的上、下游都設有取樣裝置和壓力表,取樣裝置為球形截止閥。精過濾器回路中機械過濾器的精度等級為5μm,其目的是在每次實驗前將系統(tǒng)油液過濾至比實驗用污染油液的污染度高2個NAS等級以上。
　　每隔一段時間在過濾器的上下游同時取樣,取樣時先將取樣閥打開,讓至少200mL的油液流經取樣裝置,以沖洗取樣裝置內部。取樣過程中不擰動球閥,用取樣瓶接取樣液。
　　用自動顆粒計數(shù)器測定樣液的顆粒個數(shù)。顆粒尺寸大小定為:10μm,15μm,20μm,25μm,30μm,40μm,50μm,然后根據顆粒計數(shù)結果計算不同顆粒尺寸下的過濾比。

　　3.3　實驗結果
　　在其他實驗條件相同時,對冷卻磁過濾器中心管不通冷卻水和通冷卻水兩種工況進行了過濾性能測定。冷卻磁過濾器單純過濾實驗結果見表1;通冷卻水的過濾性能見表2。
　　實驗段結構:螺旋板+磁介質;實驗油液:46#液壓油;實驗油溫:70℃;系統(tǒng)流量:25L/min;污染物質:鐵粉;污染物注入流量:0.21L/min;污染物上游基礎濃度:6mg/L;磁介質孔隙率:0.985;冷卻水流量:12L/min;冷卻水進口溫度:17℃。
　　比較表1和表2的結果,則發(fā)現(xiàn)具有相同的結構,在通水冷卻時平均過濾比 β10提高3.14倍, β45提高6 5倍。2個實驗的突出差異在于磁鐵的溫度,單純過濾時的磁鐵溫度和油溫相同,即70℃左右,而冷卻過濾時磁鐵溫度和冷卻水的出口溫度相近,不超過30℃,所以將磁鐵布置在冷卻水中,能夠充分發(fā)揮永磁鐵的高磁場強度。由此看出,冷卻和磁過濾的結合,具有很強的兼容性的互惠性。

　4、結論
　　高梯度磁過濾器利用被磁鐵磁化了的磁介質捕捉污染顆粒,磁介質能大幅度提高介質周圍的磁場梯度,所以高梯度磁過濾器的過濾性能明顯高于傳統(tǒng)式磁過濾器。
　　工作溫度對磁介質和永久磁鐵的磁性能都有較大的影響。磁介質的飽和磁感應強度、永久磁鐵的剩余磁感應強度隨溫度的升高而下降,使高梯度磁過濾器的工作磁場強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濾器過濾性能的重要因素。
　　強化傳熱和高梯度磁過濾技術具有很好的兼容性,冷卻磁過濾器通過聚磁性多孔介質既提高了磁場的梯度,又強化了殼側的對流傳熱。同時,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強度。
　　將磁鐵布置在冷卻水中,能夠充分發(fā)揮永磁鐵的高磁場強度。冷卻和磁過濾的結合,具有很強的兼容性和互惠性。