用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其滤波器、U型微粒分离模块、回油筒、外桶依次置于底板上；滤波器和U型微粒分离模块连接，其采用全频段变结构工况自适应滤波器；U型微粒分离模块包括一U型管，U型管上依次安装有起电模块、分离模块、第一吸附模块、旋转磁场离心模块、第二吸附模块和消磁模块；U型微粒分离模块和回油筒的上方通过回油筒进油管连接；内筒置于外桶内，其安装于端盖上；螺旋流道收容于内筒内，其和U型微粒分离模块之间通过内筒进油管连接；内筒进油管位于回油筒进油管内；滤芯设在内筒内壁上。本发明具有过滤性能好，适应性和集成性高，使用寿命长等诸多优点。
【专利说明】用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备 【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种液压油过滤装置，具体涉及一种用全频段变结构工况自适应滤 波、起电和吸附的过滤设备，属于液压设备技术领域。 【【背景技术】】
[0002] 国内外的资料统计表明，液压系统的故障大约有70%~85%是由于油液污染引起 的。固体颗粒则是油液污染中最普遍、危害作用最大的污染物。由固体颗粒污染物引起的液 压系统故障占总污染故障的70%。在液压系统油液中的颗粒污染物中，金属磨肩占比在 20%~70%之间。采取有效措施滤除油液中的固体颗粒污染物，是液压系统污染控制的关 键，也是系统安全运行的可靠保证。
[0003] 过滤器是液压系统滤除固体颗粒污染物的关键元件。液压油中的固体颗粒污染 物，除油箱可沉淀一部分较大颗粒外，主要靠滤油装置来滤除。尤其是高压过滤装置，主要 用来过滤流向控制阀和液压缸的液压油，以保护这类抗污染能力差的液压元件，因此对液 压油的清洁度要求更高。
[0004] 然而，现有的液压系统使用的高压过滤器存在以下不足：（1)各类液压元件对油液 的清洁度要求各不相同，油液中的固体微粒的粒径大小亦各不相同，为此需要在液压系统 的不同位置安装多个不同类型滤波器，由此带来了成本和安装复杂度的问题；（2)液压系统 中的过滤器主要采用滤饼过滤方式，过滤时滤液垂直于过滤元件表面流动，被截流的固体 微粒形成滤饼并逐渐增厚，过滤速度也随之逐渐下降直至滤液停止流出，降低了过滤元件 的使用寿命。
[0005] 因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的用全频段变结构工况自适 应滤波、起电和吸附的过滤设备，以克服现有技术中的所述缺陷。 【
【发明内容】
】
[0006] 为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种过滤性能好，适应性和集成性 高，使用寿命长的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：用全频段变结构工况自适应滤波、起 电和吸附的过滤设备，其包括底板、滤波器、U型微粒分离模块、回油筒、内筒、螺旋流道、滤 芯、外桶以及端盖;其中，所述滤波器、U型微粒分离模块、回油筒、外桶依次置于底板上;所 述滤波器包括输入管、外壳、输出管、波纹管以及S型弹性薄壁;其中，所述输入管连接于外 壳的一端，其和一液压油进口对接;所述输出管连接于外壳的另一端，其和U型微粒分离模 块对接;所述S型弹性薄壁沿外壳的径向安装于外壳内，其内形成膨胀腔和收缩腔;所述输 入管、输出管和S型弹性薄壁共同形成一 S型容腔滤波器;所述S型弹性薄壁和外壳之间形成 圆柱形的共振容腔;所述S型弹性薄壁的轴向上均匀开有若干锥形变结构阻尼孔，锥形变结 构阻尼孔连通共振容腔;所述锥形变结构阻尼孔由锥形弹性阻尼孔管和缝孔组成;所述波 纹管呈螺旋状绕在共振容腔外，和共振容腔通过多个锥形插入管连通;所述波纹管各圈之 间通过若干支管连通，支管上设有开关;所述波纹管和共振容腔组成插入式螺旋异构串联Η 型滤波器;所述U型微粒分离模块包括一 U型管，U型管上依次安装有起电模块、分离模块、第 一吸附模块、旋转磁场离心模块、第二吸附模块和消磁模块;所述U型微粒分离模块和回油 筒的上方通过一回油筒进油管连接;所述内筒置于外桶内，其通过一顶板以及若干螺栓安 装于端盖上;所述螺旋流道收容于内筒内，其和U型微粒分离模块之间通过一内筒进油管连 接;所述内筒进油管位于回油筒进油管内，并延伸入U型微粒分离模块的中央，其直径小于 回油筒进油管直径，且和回油筒进油管同轴设置;所述滤芯设置在内筒的内壁上，其精度为 1-5微米;所述外桶的底部设有一液压油出油口。
[0008] 本发明的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备进一步设置 为:所述输入管和输出管的轴线不在同一轴线上;所述锥形变结构阻尼孔开口较宽处位于 共振容腔内，其锥度角为10° ;所述锥形变结构阻尼孔锥形弹性阻尼孔管的杨氏模量比弹性 薄壁的杨氏模量要大，能随流体压力变化拉伸或压缩;缝孔的杨氏模量比锥形弹性阻尼孔 管的杨氏模量要大，能随流体压力开启或关闭;所述锥形插入管开口较宽处位于波纹管内， 其锥度角为10°。
[0009] 本发明的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备进一步设置 为:所述起电模块包括若干电极以及一电极控制器;所述若干电极安装于U型管上，其分别 连接至电极控制器。
[0010] 本发明的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备进一步设置 为:所述分离模块采用均匀磁场分离模块，该均匀磁场分离模块包括铝质管道、两个磁极以 及磁极控制器;其中，所述两个磁极分别设置在铝质管道上，该两个磁极的极性相反，并呈 相对设置;所述两个磁极分别电性连接至磁极控制器上。
[0011] 本发明的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备进一步设置 为:所述分离模块采用旋转磁场分离模块，该旋转磁场分离模块包括铝质管道、铁质外壳、 三相对称绕组以及三相对称电流模块;所述三相对称绕组绕在铝质管道外；所述铁质外壳 包覆于铝质管道上;所述三相对称电流模块连接所述三相对称绕组。
[0012] 本发明的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备进一步设置 为:所述分离模块采用螺旋管道磁场分离模块，该螺旋管道磁场分离模块包括铝质螺旋管 道、螺线管以及螺线管控制电路;其中，所述铝质螺旋管道设置在螺线管内；所述螺线管和 螺线管控制电路电性连接。
[0013] 本发明的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备进一步设置 为:所述第一吸附模块和第二吸吸附模块采用同极相邻型吸附环，该同极相邻型吸附环包 括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管以及铁质导磁帽;所述正向螺线管和反向螺线管 分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相 邻处产生同性磁极;所述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和 反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点。
[0014] 本发明的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备进一步设置 为:所述第一吸附模块和第二吸吸附模块采用带电击锤的同极相邻型吸附环，该带电击锤 的同极相邻型吸附环包括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管、铁质导磁帽、隔板、电击 锤以及电磁铁;所述正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向 相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极;所述铁质导磁帽布置于 铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向 螺线管轴线的中间点；所述隔板位于正向螺线管和反向螺线管之间；所述电击锤和电磁铁 位于隔板之间;所述电磁铁连接并能推动电击锤，使电击锤敲击铝质环形管道内壁。
[0015] 本发明的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备进一步设置 为:所述旋转磁场离心模块包括铝质管道、铁质外壳、三相对称绕组、法兰以及三相对称电 流模块;所述三相对称绕组绕在铝质管道外;所述铁质外壳包覆于铝质管道上;所述法兰焊 接在铝质管道的两端;所述三相对称电流模块连接所述三相对称绕组。
[0016] 本发明的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备还设置为:所 述回油筒的底部设有一溢流阀，该溢流阀底部设有一电控调节螺丝;所述溢流阀上设有一 排油口，该排油口通过管道连接至一油箱;所述内筒的底部呈倒圆台状，其通过一内筒排油 管和回油筒连接，内筒排油管上设有一电控止回阀;所述内筒的中央竖直设有一空心圆柱， 空心圆柱的上方设有压差指示器，该压差指示器安装于端盖上;所述内筒进油管和螺旋流 道相切连接。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0018] 1.通过滤波器衰减液压油的压力/流量脉动，使滤芯在工作时不发生振动，以提高 过滤性能;液压油在U型微粒分离模块中实现固体微粒的分离，使油液中的固体微粒向管壁 运动，在U型微粒分离模块出口处，富含固体微粒的管壁附近的油液通过回油筒进油管进入 回油筒后回流到油箱，而仅含微量小粒径微粒的管道中心的油液则通过内筒进油管进入内 筒进行高精度过滤，提高了滤芯的使用寿命，降低了滤波成本和复杂度;进入内筒进油管的 油液以切向进流的方式流入内筒的螺旋流道，内筒壁为滤芯，则滤液在离心力的作用下紧 贴滤芯流动，滤液平行于滤芯的表面快速流动，过滤后的液压油则垂直于滤芯表面方向流 出到外筒，这种十字流过滤方式对滤芯表面的微粒实施扫流作用，抑制了滤饼厚度的增加， 沉积在内筒底部的污染颗粒可定时通过电控止回阀排出到回油筒，从而提高滤芯使用寿 命。
[0019] 2.通过控制液压油的温度和向电极施加电压使油液中的颗粒物质带电聚合，并促 使胶质颗粒分解消融;通过吸附模块形成高效吸附；利用旋转磁场将油液中的微小颗粒"分 离"并聚集到管壁附近，用吸附装置捕获微小颗粒;通过消磁装置对残余颗粒消磁避免危害 液压元件，从而使油液中固体微粒聚集成大颗粒运动到管壁附近。
[0020] 3.磁化需要的非均匀磁场的产生，需要多对正逆线圈对并通过不同大小的电流， 且电流数值可在线数字设定。 【【附图说明】】
[0021] 图1是本发明的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备的结构 示意图。
[0022] 图2是图1中的滤波器的结构示意图。
[0023]图3是插入式Η型滤波器示意图。
[0024]图4是单个的Η型滤波器和串联的Η型滤波器频率特性组合图。其中，实线为单个的 Η型滤波器频率特性。
[0025] 图5是S型容腔滤波器的结构示意图。
[0026] 图6是S型弹性薄壁的横截面示意图。
[0027] 图7是图3中锥形变结构阻尼孔的示意图。
[0028] 图7(a)至图7(c)是锥形变结构阻尼孔的工作状态图。
[0029] 图8是图1中的U型微粒分离模块的示意图。
[0030] 图9是图8中的起电模块的结构示意图。
[0031] 图10是图8中的分离模块为均匀磁场分离模块的结构示意图。
[0032] 图11是图8中的分离模块为旋转磁场分离模块的结构示意图。
[0033] 图12是图8中的分离模块为螺旋管道磁场分离模块的结构示意图。
[0034] 图13是图8中的第一吸附模块(第二吸附模块)为同极相邻型吸附环的结构示意 图。
[0035] 图14是图8中的第一吸附模块(第二吸附模块)为带电击锤的同极相邻型吸附环的 结构示意图。
[0036] 图15是图8中的旋转磁场离心模块的结构示意图。 【【具体实施方式】】
[0037] 请参阅说明书附图1至附图15所示，本发明为一种用全频段变结构工况自适应滤 波、起电和吸附的过滤设备，其由底板6、滤波器8、U型微粒分离模块3、回油筒7、内筒15、螺 旋流道17、滤芯18、外桶19以及端盖25等几部分组成。其中，所述滤波器8、U型微粒分离模块 2、回油筒7、外桶19依次置于底板6上。
[0038] 所述滤波器8用于将液压油输入，并可衰减液压系统中的高、中、低频段的脉动压 力，和抑制流量波动。所述滤波器8由输入管81、外壳88、输出管89、波纹管83以及S型弹性薄 壁87等几部分组成。
[0039]其中，所述输入管81连接于外壳89的一端，其和一液压油进口 1对接;所述输出管 811连接于外壳89的另一端，其和U型微粒分离模块3对接。所述S型弹性薄壁87沿外壳的径 向安装于外壳88内，其内形成膨胀腔71和收缩腔72。所述输入管81和输出管89的轴线不在 同一轴线上，这样可以提高10%以上的滤波效果。
[0040] 所述输入管81、输出管89和S型弹性薄壁87共同形成一S型容腔滤波器，从而衰减 液压系统高频压力脉动。按集总参数法处理后得到的滤波器透射系数为：
[0041]
[0042] a-介质中音速L一收缩腔长度D-膨胀腔直径Z-特性阻抗 [0043] γ-透射系数f一压力波动频率cU-输入管直径d-收缩腔直径
[0044] lu-膨胀腔系数k2-收缩腔系数
[0045] 由上式可见，S型容腔滤波器和电路中的电容作用类似。不同频率的压力脉动波通 过该滤波器时，透射系数随频率而不同。频率越高，则透射系数越小，这表明高频的压力脉 动波在经过滤波器时衰减得越厉害，从而起到了消除高频压力脉动的作用。同时，本发明的 S型容腔结构中，膨胀腔和收缩腔之间过渡平滑，有助于降低腔体直径突变带来的系统压力 损失。
[0046]所述S型容腔滤波器的设计原理如下：当变化的流量通过输入管进入S型容腔的膨 胀腔时，液流超过平均流量，扩大的膨胀腔可以吸收多余液流，而在低于平均流量时放出液 流，从而吸收压力脉动能量。多级膨胀腔和收缩腔的组合则提高了滤波器的脉动压力吸收 能力，也即滤波性能。膨胀腔和收缩腔之间采用曲面光滑过渡，则避免了由流体界面突变带 来的沿程压力损失及发热。
[0047]所述S型弹性薄壁87通过受迫机械振动来削弱液压系统中高频压力脉动。按集总 参数法处理后得到的S型弹性薄壁固有频率为：
[0048]
[0049] k-S型弹性薄壁结构系数h-S型弹性薄壁厚度R-S型弹性薄壁半径
[0050] E-S型弹性薄壁的杨氏模量P-S型弹性薄壁的质量密度 [0051 ] η-S型弹性薄壁的载流因子μ-S型弹性薄壁的泊松比。
[0052]代入实际参数，对上式进行仿真分析可以发现，S型弹性薄壁87的固有频率通常比 Η型滤波器的固有频率高，而且其衰减频带也比Η型滤波器宽。在相对较宽的频带范围内，S 型弹性薄壁对压力脉动具有良好的衰减效果。同时，本发明的滤波器结构中的S型弹性薄壁 半径较大且较薄，其固有频率更靠近中频段，可实现对液压系统中的中高频压力脉动的有 效衰减。
[0053]所述S型弹性薄壁87的设计原理如下:管道中产生中频压力脉动时，双管插入式容 腔滤波器对压力波动的衰减能力较弱，流入双管插入式容腔的周期性脉动压力持续作用在 S型弹性薄壁的内外壁上，由于内外壁之间有支柱固定连接，内外S型弹性薄壁同时按脉动 压力的频率做周期性振动，该受迫振动消耗了流体的压力脉动能量，从而实现中频段压力 滤波。由虚功原理可知，S型弹性薄壁消耗流体脉动压力能量的能力和其受迫振动时的势能 和动能之和直接相关，为了提高中频段滤波性能，S型弹性薄壁的半径设计为远大于管道半 径，且薄壁的厚度较小，典型值为小于0.1_。
[0054] 进一步的，所述S型弹性薄壁87和外壳88之间形成圆柱形的共振容腔85。所述S型 弹性薄壁87的轴向上均匀开有若干锥形变结构阻尼孔86,以保证在整个滤波器的范围内均 能实现插入式串并联滤波。锥形变结构阻尼孔86连通共振容腔85。所述锥形变结构阻尼孔 开口较宽处位于共振容腔内，其锥度角为10°，用于展宽滤波频率范围，按集总参数法处理 后得到的滤波器固有角频率为：
[0055]
[0056] a-介质中音速L一阻尼孔长S-阻尼孔横截面积V-并联共振容腔体积。
[0057]所述波纹管83呈螺旋状绕在共振容腔85外，和共振容腔85通过多个锥形插入管82 连通。所述锥形插入管82开口较宽处位于波纹管83内，其锥度角为10°用于展宽滤波频率范 围。所述波纹管83各圈之间通过若干支管810连通，支管810上设有开关84。所述波纹管83和 共振容腔85组成插入式螺旋异构串联Η型滤波器。
[0058]由图3可知，串联Η型滤波器有2个固有角频率，在波峰处滤波效果较好，而在波谷 处则基本没有滤波效果;插入式螺旋异构串联Η型滤波器中采用了螺旋异构的波纹管83结 构，波纹管本身具有弹性，当液压系统的流量和压力脉动经过波纹管时，流体介质导致液 压-弹簧系统振动，抵消波动能量，从而起到滤波作用；同时，各圈波纹管83之间的若干支管 810的连通或断开，引起波的干涉和叠加，从而改变串联Η型滤波器的频率特性;合理安排滤 波器参数以及连通支管的数量和位置，可使串联Η型滤波器的频率特性的波谷抬高，使滤波 器在整个中低频段均有良好的滤波性能，实现中低频段的全频谱滤波。
[0059] 进一步的，所述锥形变结构阻尼孔86由锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15组成，锥形 较窄端开口于弹性薄壁7。其中锥形弹性阻尼孔管16的杨氏模量比弹性薄壁7的杨氏模量要 大，能随流体压力变化拉伸或压缩;缝孔15的杨氏模量比锥形弹性阻尼孔管16的杨氏模量 要大，能随流体压力开启或关闭。故当压力脉动频率落在高频段时，S型容腔滤波器结构起 滤波作用，锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15都处于图7(a)状态;而当脉动频率落在中频段时， 滤波器结构变为S型容腔滤波器结构和弹性薄壁7滤波结构共同起作用，锥形弹性阻尼孔管 16和缝孔15都处于图7 (a)状态；当脉动频率落在某些特定的低频频率时，滤波器结构变为 插入式串并联Η型滤波器、S型容腔滤波器结构和弹性薄壁滤波结构共同起作用，锥形弹性 阻尼孔管16和缝孔15都处于图7(b)状态，由于插入式串并联Η型滤波器的固有频率被设计 为和这些特定低频脉动频率一致，对基频能量大的系统可起到较好的滤波效果；当脉动频 率落在某些特定频率以外的低频段时，锥形弹性阻尼孔管16和缝孔15都处于图7(c)状态。 这样的变结构滤波器设计既保证了液压系统的全频段全工况滤波，又降低了正常工况下滤 波器的压力损失，保证了系统的液压刚度。
[0060] 本滤波器8还能实线工况自适应压力脉动衰减。当液压系统工况变化时，既执行元 件突然停止或运行，以及阀的开口变化时，会导致管路系统的特性阻抗发生突变，从而使原 管道压力随时间和位置变化的曲线也随之改变，则压力峰值的位置亦发生变化。由于本发 明的滤波器的轴向长度设计为大于系统主要压力脉动波长，且滤波器的插入式螺旋异构串 联Η型滤波器的容腔长度、S型容腔滤波器的长度和弹性薄壁的长度和滤波器轴线长度相 等，保证了压力峰值位置一直处于滤波器的有效作用范围内；插入式螺旋异构串联Η型滤波 器的锥形变结构阻尼孔开在S型弹性薄壁上，沿轴线方向均匀分布，螺旋异构缠绕的波纹管 和共振容腔间的锥形插入管在轴向均匀分布，使得压力峰值位置变化对滤波器的性能几乎 没有影响，从而实现了工况自适应滤波功能。考虑到三种滤波结构轴向尺寸和滤波器相当， 这一较大的尺寸也保证了液压滤波器具备较强的压力脉动衰减能力。
[0061 ]采用本滤波器8进行液压脉动滤波的方法如下：
[0062] 1)，液压流体通过输入管进入S型容腔滤波器，扩大的容腔吸收多余液流，完成高 频压力脉动的滤波；
[0063] 2)，通过S型弹性薄壁87受迫振动，消耗流体的压力脉动能量，完成中频压力脉动 的滤波；
[0064] 3)，通过插入式螺旋异构串联Η型滤波器，锥形变结构阻尼孔、锥形插入管和流体 产生共振，消耗脉动能量，完成低频压力脉动的滤波；
[0065] 4)，将滤波器的轴向长度设计为大于液压系统主要压力脉动波长，且插入式串并 联Η型滤波器长度、双管插入式滤波器长度和S型弹性薄壁87长度同滤波器长度相等，使压 力峰值位置一直处于滤波器的有效作用范围，实现系统工况改变时压力脉动的滤波；
[0066] 5)，通过锥形变结构阻尼孔的锥形弹性阻尼孔管的伸缩和缝孔的开关，完成压力 脉动自适应滤波。
[0067] 所述U型微粒分离模块3包括一 U型管31，U型管31上依次安装有起电模块32、分离 模块33、第一吸附模块34、旋转磁场离心模块36、第二吸附模块37以及消磁模块35。
[0068] 所述起电模块32使油液中的金属颗粒物质带电，其由若干电极321以及一电极控 制器322组成。所述若干电极321安装于U型管31上，其分别连接至电极控制器252。所述电极 控制器322电性连接向电极321施加电压，使油液中的颗粒物质带电。
[0069] 所述分离模块33使质量较大的颗粒带电聚合并在离心力作用下甩向腔壁，其可采 用均匀磁场分离模块、旋转磁场分离模块或螺旋管道磁场分离模块。
[0070] 所述分离模块33采用均匀磁场分离模块时，其由铝质管道331、两个磁极332以及 磁极控制器333组成。其中，所述两个磁极332分别设置在铝质管道331上，该两个磁极332的 极性相反，并呈相对设置。所述两个磁极332分别电性连接至磁极控制器333上。
[0071] 所述均匀磁场分离模块33的设计原理如下：带电颗粒以速度V流入均匀磁场分离 模块33,均勾磁场分离模块33的两个磁极332产生和速度V方向垂直的均勾磁场，根据左手 定则，则带电颗粒在均匀磁场分离模块33中受到垂直于速度方向和磁场方向的洛仑磁力的 作用，该力不改变带电颗粒的速率，它只改变带电颗粒的运动方向，使带电颗粒在该力的作 用下向铝质管道331的管壁运动，从而使油液中的颗粒从油液中"分离"出来，向管壁聚集， 便于后续吸附捕获。由于油液具有一定的粘性，颗粒向管壁运动过程中还受到粘性阻力的 作用。为了确保分离效果，需要调节磁场强度B使距离管壁最远处的颗粒能在分离模块的作 用时间内运动到管壁处，定量分析如下：
[0072] 假定微粒质量为m，速度为v，磁场强度为B，带电量为q，分离模块的直径为D，长度 为L，则：
[0073]作用在带电颗粒上的洛仑磁力为
[0074] Fi = qvB
[0075] 带电颗粒受到的粘性阻力为
[0076] Fd = 6JT · η · r · v
[0077] η 液压油的粘度r 带电颗粒的半径v 带电颗粒运动速度
[0078] 不是一般性，假定油液中的颗粒进入分离模块时已达到稳态，则带电颗粒通过分 离模块的时间可近似用下式表示 L
[0079] v
[0080] 距离管壁最远处的带电颗粒运动到管壁处的时间t2可由下式求解
[0081]
[0082] 调节B，使得tiH〗，即口」达到分离效果。
[0083]所述分离模块33采用旋转磁场分离模块时，其由铝质管道331、铁质外壳334、三相 对称绕组335以及三相对称电流模块336等部件组成。所述三相对称绕组335绕在铝质管道 331外。所述铁质外壳334包覆于铝质管道335上。所述三相对称电流模块336连接所述三相 对称绕组335。
[0084] 所述旋转磁场分离模块33的设计原理如下：带电颗粒以速度V流入旋转磁场分离 模块33,三相对称电流模块336使三相对称绕组335中流过三相对称电流，该电流在铝质管 道331内产生旋转磁场，带电颗粒在旋转磁场作用下受到垂直于速度方向和磁场方向的洛 仑磁力的作用，该力不改变带电颗粒的速率，它只改变带电颗粒的运动方向，使带电颗粒在 该力的作用下以螺旋状前进，并向管壁运动。合理调节磁场强度即可使油液中的颗粒从油 液中"分离"出来，聚集在管壁附近，便于后续吸附捕获。由于油液具有一定的粘性，颗粒向 管壁运动过程中还受到粘性阻力的作用。为了确保分离效果，需要使铝质管道331轴线上的 微粒能在分离模块的作用时间内运动到管壁处，定量分析如下：
[0085] 假定微粒质量为m，速度为v，磁场强度为B，带电量为q，分离模块的直径为D，长度 为L，则：
[0086]作用在带电颗粒上的洛仑磁力为
[0087] Fi = qvB
[0088] 带电颗粒受到的粘性阻力为
[0089] Fd = 6JT · η · r · v
[0090] η--液压油的粘度r--带电颗粒的半径v--带电颗粒运动速度
[0091] 假定油液中的颗粒进入分离模块时已达到稳态，则带电颗粒通过分离模块的时间 可近似用下式表示 L
[0092] ti =- v
[0093] 管道轴线上的带电颗粒运动到管壁处的时间〖2可由下式求解
[0094]
[0095] 调节B，使得tOts，即可达到分离效果。
[0096]所述分离模块33采用螺旋管道磁场分离模块时，其由铝质螺旋管道338、螺线管 339以及螺线管控制电路336组成。其中，所述铝质螺旋管道338设置在螺线管339内。所述螺 线管339和螺线管控制电路336电性连接。所述螺线管控制电路336电性连接至ECU3。
[0097]所述螺旋管道磁场分离模块33的设计原理如下：携带带电颗粒的油液沿铝质螺旋 管道338前进，从而在管道出口处产生具有一定自旋方向的旋流，质量较重的带电颗粒随着 油液旋转，在离心力的作用下产生向管壁的径向运动；同时，由于铝质螺旋管道338的入口 方向和通电螺线管339的轴向磁场方向垂直，以速度v进入铝质螺旋管道338的带电颗粒受 到洛仑磁力的作用，方向垂直于磁场方向和铝质螺旋管道338的入口方向。洛仑磁力使带电 颗粒在管道内做螺旋前进运动，由于错质螺旋管道338的入口方向和磁场方向接近垂直，带 电颗粒主要作周向旋转运动，而油液则不受影响，从而实现颗粒从油液中的"分离"，以便实 现对颗粒的吸附。为保证"分离"效果，需要使铝质管道轴线上的微粒能在分离模块的作用 时间内运动到管壁处，定量分析如下：
[0098]假定微粒质量为m，速度为v，带电量为q，铝质螺旋管道的直径为D，铝质螺旋管道 的匝数为n，铝质螺旋管道的入口方向和通电螺线管的轴向磁场方向的夹角为Θ，螺线管匝 数为N，电流为I，磁场强度为B，真空磁导率为μ〇，则：
[0099] 作用在带电颗粒上的洛仑磁力为
[0100] Fi = qvB
[0101] 带电颗粒受到的粘性阻力为
[0102] Fd = 6JT · η · r · v
[0103] η 液压油的粘度r 带电颗粒的半径v 带电颗粒运动速度
[0104] 带电颗粒通过分离模块的时间可近似用下式表示
[0105]
[0106] 管道轴线上的带电颗粒运动到管壁处的时间t2可由下式求解
[0107]
[0108] 螺线管内部的磁场强度可近似为恒值
[0109]
[0110] 调节I，使得tots，即可达到分离效果。
[0111] 所述第一吸附模块34用于吸附经分离模块33分离后的磁性聚合大微粒，其可采用 同极相邻型吸附环，该同极相邻型吸附环由铝质环形管道341、正向螺线管342、反向螺线管 343以及铁质导磁帽344等部件组成。其中，所述正向螺线管342和反向螺线管343分别布置 于铝质环形管道341，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管342和反向螺线管343相邻 处产生同性磁极。所述铁质导磁帽344布置于铝质环形管道341的内壁上，其位于正向螺线 管342和反向螺线管343相邻处、以及正向螺线管342和反向螺线管343轴线的中间点。
[0112] 所述同极相邻型吸附环的设计原理如下:通电正向螺线管342、反向螺线管343,相 邻的正向螺线管342、反向螺线管343通有方向相反的电流，使得正向螺线管342、反向螺线 管343相邻处产生同性磁极；同时，铝质环形管道341能够改善磁路，加大管道内壁处的磁场 强度，增强铁质导磁帽344对颗粒的捕获吸附能力。各正向螺线管342、反向螺线管343电流 可根据颗粒的粒径大小和浓度不同而变化，以获得最佳吸附性能。
[0113] 进一步的，所述第一吸附模块34也可采用带电击锤的同极相邻型吸附环，该带电 击锤的同极相邻型吸附环由铝质环形管道341、正向螺线管342、反向螺线管343、铁质导磁 帽344、隔板345、电击锤346以及电磁铁347等部件组成。其中，所述正向螺线管342和反向螺 线管343分别布置于铝质环形管道341，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管342和反 向螺线管343相邻处产生同性磁极。所述铁质导磁帽344布置于铝质环形管道341的内壁上， 其位于正向螺线管342和反向螺线管343相邻处、以及正向螺线管342和反向螺线管343轴线 的中间点。所述电击锤346和电磁铁347位于隔板345之间。所述电磁铁347连接并能推动电 击锤346，使电击锤346敲击错质环形管道342内壁。
[0114] 所述带电击锤的同极相邻型吸附环的设计原理如下:通电正向螺线管342、反向螺 线管343,相邻的正向螺线管342、反向螺线管343通有方向相反的电流，使得正向螺线管 342、反向螺线管343相邻处产生同性磁极；同时，铝质环形管道341能够改善磁路，加大管道 内壁处的磁场强度，增强铁质导磁帽344对颗粒的捕获吸附能力。各正向螺线管342、反向螺 线管343电流可根据颗粒的粒径大小和浓度不同而变化，以获得最佳吸附性能。而通过电击 锤346的设置，防止颗粒在铁质导磁帽344处大量堆积，影响吸附效果。此时，通过电磁铁347 控制电击锤346敲击管道341的内壁，使得被吸附的颗粒向两侧分散开。同时，在清洗管道 341时，电击锤346的敲击还可以提高清洗效果。
[0115] 所述第一吸附模块34设计成U型，在油液进入U型吸附管道时，颗粒在重力、离心力 的作用下，向一侧管壁移动，在加上磁场力作用，径向移动速度加快，颗粒吸附的效率得以 提高；在油液离开U型吸附管道上升时，重力和磁场力的合力使得颗粒沿斜向下的方向运 动，延长了颗粒受力时间，提高了颗粒吸附的效率。
[0116] 所述旋转磁场离心模块36利用旋转磁场离心未被第一吸附装置34吸附的微小磁 化颗粒，其由铝质管道361、铁质外壳362、三相对称绕组363、法兰364以及三相对称电流模 块365组成。所述三相对称绕组363绕在铝质管道361外。所述铁质外壳362包覆于铝质管道 361上。所述法兰364焊接在铝质管道361的两端。所述三相对称电流模块365连接所述三相 对称绕组363。
[0117] 所述旋转磁场离心模块36的工作原理如下:未被吸附的微小磁化颗粒进入旋转磁 场离心模块36,三相对称电流模块365使三相对称绕组363中流过三相对称电流，该电流在 铝质管道361内产生旋转磁场，磁化颗粒在旋转磁场作用下受到磁场力的作用，并在该力的 作用下以螺旋状前进，同时向管壁运动。因此，调节磁场强度即可使油液中的颗粒从油液中 "分离"出来，聚集在铝质管道361管壁附近，便于后续吸附捕获。
[0118] 所述第二吸附装置37和所述第一吸附装置34结构相同，功能和作用机理亦相同， 其能进一步吸附经旋转磁场离心模块36分离的颗粒。
[0119] 所述消磁模块35给磁化颗粒消磁，防止残余磁性微粒通过回油筒进油管进入液压 回路，对污染敏感液压元件造成损伤。
[0120] 所述U型微粒分离模块3和回油筒7的上方通过一回油筒进油管22连接;通过U型微 粒分离模块3处理后，U型管31管壁附近的油液富含聚合颗粒，通过回油筒进油管22进入回 油筒7后回流到油箱。
[0121] 所述回油筒7的底部设有一溢流阀8,该溢流阀8底部设有一电控调节螺丝9;所述 溢流阀8上设有一排油口 10，该排油口 10通过管道20连接至一油箱11。
[0122] 所述内筒15置于外桶19内，其通过一顶板13以及若干螺栓21安装于端盖25上。所 述螺旋流道17收容于内筒15内，其和U型微粒分离模块3之间通过一内筒进油管12连接，具 体的说，所述内筒进油管12和螺旋流道17相切连接。U型管31管道中心的油液仅含微量小粒 径微粒，通过内筒进油管12进入内筒15实现高精度过滤，从而实现固体微粒分离。进一步 的，所述内筒进油管12位于回油筒进油管22内，并延伸入U型微粒分离模块3的中央，其直径 小于回油筒进油管22直径，且和回油筒进油管22同轴设置。
[0123] 进一步的，所述内筒15的底部呈倒圆台状，其通过一内筒排油管23和回油筒7连 接，内筒排油管23上设有一电控止回阀24。所述内筒15的中央竖直设有一空心圆柱16,空心 圆柱16的上方设有压差指示器14,该压差指示器14安装于端盖25上。
[0124] 所述滤芯18设置在内筒15的内壁上，其精度为1-5微米。
[0125] 所述外桶19的底部设有一液压油出油口 5,通过液压油出油口 5将过滤好的液压油 排出。
[0126] 在本发明中，由于U型微粒分离模块3对油液内固体微粒分离聚合作用，在U型微粒 分离模块3出口处的油液中，中心的油液仅含微量小粒径微粒，该部分油液从内筒进油管12 流入到内筒15进行高精度过滤;而管壁附近的油液富含聚合颗粒，该部分油液通过回油筒 进油管22进入回油筒7,再经溢流阀8的排油口 10流回油箱11，从而实现固体微粒按颗粒粒 径分流滤波。此处，回油筒7和溢流阀8起到了前述的粗滤作用，从而节省了过滤器个数，降 低了系统成本和复杂度。溢流阀8的电控调节螺丝9用于调节溢流压力，将其压力调整到略 低于过滤出口处压力，以保证内筒15过滤流量。
[0127] 另外，传统的过滤器主要采用滤饼过滤方式，过滤时滤液垂直于过滤元件表面流 动，被截流的固体微粒形成滤饼并逐渐增厚，过滤速度也随之逐渐下降，直至滤液停止流 出，降低了过滤元件的使用寿命。在本本发明中，来自内筒进油管12携带小粒径微粒的滤液 以切向进流的方式流入内筒15的螺旋流道17，螺旋通道17侧面的内筒15壁为高精度滤芯 18,滤液在离心力的作用下紧贴滤芯18表面，滤液平行于滤芯18的表面快速流动，过滤后的 液压油则垂直于滤芯18表面方向流出到外筒19,这两个流动的方向互相垂直交错，故称其 为十字流过滤。滤液的快速流动对聚集在滤芯18表面的微粒施加了剪切扫流作用，从而抑 制了滤饼厚度的增加，使得过滤速度近乎恒定，过滤压力也不会随时间的流逝而升高，滤芯 的使用寿命因而大幅度提高。随着过滤时间的累积，沉积在内筒15倒圆台底部的污染颗粒 逐步增加，过滤速度缓慢下降，内筒15内未过滤的滤液沿中心的空心圆筒16上升，此时，压 差指示器14起作用，监控其压力变化，亦即内筒15底部滤芯18的堵塞情况，若超过阈值，则 调节电控调节螺丝9降低溢流压力，并同时打开止回阀24,使内筒15底部含较多污染颗粒的 滤液在压差作用下通过内筒排油管23排出到回油筒7,避免了底部滤芯18堵塞状况恶化，从 而延长了滤芯18使用寿命。
[0128] 采用上述过滤设备对回流液压有处理的工艺步骤如下：
[0129] 1)，液压管路中的油液通过滤波器8,滤波器8衰减液压系统中的高、中、低频段的 脉动压力，以及抑制流量波动；
[0130] 2)，回流液压油进入U型微粒分离模块3的起电模块32,使油液中的颗粒物质带电， 之后送至分离模块33;
[0131] 3)，通过分离装置33使油液中的带电微粒在外力的作用下向管壁聚合，之后回油 送至第一吸附装置34;
[0132] 4)，通过第一吸附模块34吸附回油中的磁性聚合微粒，之后回油送至旋转磁场离 心模块36;
[0133] 5)，旋转磁场离心模块36利用旋转磁场分离未吸附的磁化微粒，之后回油送至第 二吸附模块37;
[0134] 6)，第二吸附模块37二次吸附回油中的磁性聚合微粒；
[0135] 7 )，通过消磁模块35消除磁性微粒磁性；
[0136] 8)，之后U型微粒分离模块3管壁附近的油液通过回油筒进油管22进入回油筒7后 回流到油箱，而含微量小粒径微粒的管道中心的油液则通过内筒进油管12进入内筒15进行 高精度过滤；
[0137] 9 )，携带小粒径微粒的油液以切向进流的方式流入内筒15的螺旋流道17，油液在 离心力的作用下紧贴滤芯流动，并进行高精度过滤；
[0138] 10)，高精度过滤后的油液排入外筒19,并通过外筒19底部的液压油出油口 5排出。
[0139]以上的【具体实施方式】仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创 作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之 内。
【主权项】
1. 用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其特征在于:包括底板、 滤波器、U型微粒分离模块、回油筒、内筒、螺旋流道、滤芯、外桶以及端盖;其中，所述滤波 器、U型微粒分离模块、回油筒、外桶依次置于底板上;所述滤波器包括输入管、外壳、输出 管、波纹管以及S型弹性薄壁;其中，所述输入管连接于外壳的一端，其和一液压油进口对 接;所述输出管连接于外壳的另一端，其和U型微粒分离模块对接;所述S型弹性薄壁沿外壳 的径向安装于外壳内，其内形成膨胀腔和收缩腔;所述输入管、输出管和S型弹性薄壁共同 形成一 S型容腔滤波器;所述S型弹性薄壁和外壳之间形成圆柱形的共振容腔;所述S型弹性 薄壁的轴向上均匀开有若干锥形变结构阻尼孔，锥形变结构阻尼孔连通共振容腔;所述锥 形变结构阻尼孔由锥形弹性阻尼孔管和缝孔组成;所述波纹管呈螺旋状绕在共振容腔外， 和共振容腔通过多个锥形插入管连通;所述波纹管各圈之间通过若干支管连通，支管上设 有开关;所述波纹管和共振容腔组成插入式螺旋异构串联Η型滤波器;所述U型微粒分离模 块包括一 U型管，U型管上依次安装有起电模块、分离模块、第一吸附模块、旋转磁场离心模 块、第二吸附模块和消磁模块;所述U型微粒分离模块和回油筒的上方通过一回油筒进油管 连接;所述内筒置于外桶内，其通过一顶板以及若干螺栓安装于端盖上;所述螺旋流道收容 于内筒内，其和U型微粒分离模块之间通过一内筒进油管连接;所述内筒进油管位于回油筒 进油管内，并延伸入U型微粒分离模块的中央，其直径小于回油筒进油管直径，且和回油筒 进油管同轴设置;所述滤芯设置在内筒的内壁上，其精度为1-5微米;所述外桶的底部设有 一液压油出油口。2. 如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其特 征在于:所述输入管和输出管的轴线不在同一轴线上;所述锥形变结构阻尼孔开口较宽处 位于共振容腔内，其锥度角为10° ;所述锥形变结构阻尼孔锥形弹性阻尼孔管的杨氏模量比 弹性薄壁的杨氏模量要大，能随流体压力变化拉伸或压缩;缝孔的杨氏模量比锥形弹性阻 尼孔管的杨氏模量要大，能随流体压力开启或关闭；所述锥形插入管开口较宽处位于波纹 管内，其锥度角为10°。3. 如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其特 征在于:所述起电模块包括若干电极以及一电极控制器;所述若干电极安装于U型管上，其 分别连接至电极控制器。4. 如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其特 征在于:所述分离模块采用均匀磁场分离模块，该均匀磁场分离模块包括铝质管道、两个磁 极以及磁极控制器;其中，所述两个磁极分别设置在铝质管道上，该两个磁极的极性相反， 并呈相对设置;所述两个磁极分别电性连接至磁极控制器上。5. 如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其特 征在于:所述分离模块采用旋转磁场分离模块，该旋转磁场分离模块包括铝质管道、铁质外 壳、三相对称绕组以及三相对称电流模块;所述三相对称绕组绕在铝质管道外;所述铁质外 壳包覆于铝质管道上;所述三相对称电流模块连接所述三相对称绕组。6. 如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其特 征在于:所述分离模块采用螺旋管道磁场分离模块，该螺旋管道磁场分离模块包括铝质螺 旋管道、螺线管以及螺线管控制电路;其中，所述铝质螺旋管道设置在螺线管内；所述螺线 管和螺线管控制电路电性连接。7. 如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其特 征在于:所述第一吸附模块和第二吸吸附模块采用同极相邻型吸附环，该同极相邻型吸附 环包括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管以及铁质导磁帽;所述正向螺线管和反向螺 线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线 管相邻处产生同性磁极;所述铁质导磁帽布置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线 管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和反向螺线管轴线的中间点。8. 如权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其特 征在于:所述第一吸附模块和第二吸吸附模块采用带电击锤的同极相邻型吸附环，该带电 击锤的同极相邻型吸附环包括铝质环形管道、正向螺线管、反向螺线管、铁质导磁帽、隔板、 电击锤以及电磁铁;所述正向螺线管和反向螺线管分别布置于铝质环形管道内，两者通有 方向相反的电流，使得正向螺线管和反向螺线管相邻处产生同性磁极;所述铁质导磁帽布 置于铝质环形管道的内壁上，其位于正向螺线管和反向螺线管相邻处、以及正向螺线管和 反向螺线管轴线的中间点；所述隔板位于正向螺线管和反向螺线管之间；所述电击锤和电 磁铁位于隔板之间;所述电磁铁连接并能推动电击锤，使电击锤敲击铝质环形管道内壁。9. 权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其特征 在于:所述旋转磁场离心模块包括铝质管道、铁质外壳、三相对称绕组、法兰以及三相对称 电流模块;所述三相对称绕组绕在铝质管道外;所述铁质外壳包覆于铝质管道上;所述法兰 焊接在铝质管道的两端;所述三相对称电流模块连接所述三相对称绕组。10. 权利要求1所述的用全频段变结构工况自适应滤波、起电和吸附的过滤设备，其特 征在于:所述回油筒的底部设有一溢流阀，该溢流阀底部设有一电控调节螺丝;所述溢流阀 上设有一排油口，该排油口通过管道连接至一油箱;所述内筒的底部呈倒圆台状，其通过一 内筒排油管和回油筒连接，内筒排油管上设有一电控止回阀；所述内筒的中央竖直设有一 空心圆柱，空心圆柱的上方设有压差指示器，该压差指示器安装于端盖上;所述内筒进油管 和螺旋流道相切连接。
【文档编号】F15B21/04GK105864159SQ201610310753
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】李伟波
【申请人】绍兴文理学院