空氣過濾器的設計技巧
在氣動技術中,空氣過濾器、減壓閥和油霧器稱為氣動三大件.為得到多種功能,往往將這三種氣源處理元件按順序組裝在一起,稱為氣動三聯件,用于氣源凈化過濾、減壓和提供潤滑.[1]三大件的安裝順序按進氣方向依次為空氣過濾器、減壓閥、油霧器.三大件是多數氣動系統中不可缺少的氣源裝置,安裝在用氣設備近處,是壓縮空氣質量的最后保證.其設計和安裝,除確保三大件自身質量外,還要考慮節省空間、操作安裝方便、可任意組合等因素.
從氣源出來的壓縮空氣中含有過量的水汽和油滴,同時還有固體雜質,如鐵銹、沙粒、管道密封劑等,這些會損壞活塞密封環,堵塞元器件上的小排氣孔,縮短元器件的使用壽命或使之失效.空氣過濾器的作用就是將壓縮空氣中的液態水、液態油滴分離出來,并且濾去空氣中的灰塵和固體雜質,但不能除去氣態的水和油.筆者研究了SMC,NOR GREN,FESTO等著名公司的產品,做了大量的設計和測試工作,從而得出空氣過濾器的一些設計技巧.關于設計理論、計算公式等已有專業書籍詳細介紹,本文不再涉及.
1 空氣過濾器的工作原理
空氣過濾器的結構如圖1所示.
從進口流入的壓縮空氣,被引進導流板2,導流板上有均勻分布的類似風扇扇葉的斜齒,迫使高速流動的壓縮空氣沿齒的切線方向產生強烈的旋轉,混雜在空氣中的液態水油和較大的雜質在強大的離心力作用下分離出來,甩到水杯7的內壁上,流到水杯的底部.除去液態水油和較大雜質的壓縮空氣,再通過濾芯3的進一步過濾,清除微小的固態顆粒,然后從出口輸出清潔的壓縮空氣.傘形擋水板5將水杯分隔成上下2部分,下部保持壓力靜區,可以防止高速旋轉的氣流吸起杯底的水油.聚集在杯底的水油從排水閥8放掉.[2]空氣過濾器必須豎直水杯向下安裝.
2 空氣過濾器的主要性能指標
1)過濾精度.指允許通過的雜質顆粒的最大直徑.影響過濾精度的關鍵是濾芯,可根據后面元器件的需要選擇不同的濾芯,使其達到相應的過濾精度.
2)流量特性.指在一定的進口壓力下,通過過濾器的空氣流量與過濾器兩端壓力降之間的關系曲線.實際使用時,最好在壓力損失小于0.03MPa的范圍內選用.在空氣過濾器中,影響流量特性的主要是本體和濾芯.
3)分水效率.指分離出來的水分與進氣口空氣中所含水分之比.一般要求空氣過濾器的分水效率不小于80%.影響分水效率的主要是導流板.
3 空氣過濾器的設計重點
3.1 空氣過濾器的本體設計
空氣過濾器的本體是整個過濾器的基體,是主要的承載部分,它在很大程度上決定了空氣過濾器的外觀和流量特性.本體的材料一般選用壓鑄鋁合金或鋅合金,塑膠材料雖便宜但強度不高.
在設計時,空氣過濾器本體外型要與減壓閥、油霧器的外型類似,要綜合考慮.外型設計很重要,它關系到是否能夠在眾多生產廠家的三聯件產品中突出自己的產品,打開銷路.筆者在設計過程中,外型設計占了約40%的工作量,這是一個難點.外型設計總的原則是:在保證內部結構的前提下,外型有特色、簡單、尺寸緊湊、易于拆裝組合和模塊化設計,尤其要考慮如何方便與其他元件連接.目前的產品中,主要有2種連接方式,一種為本體上有斜面,靠固定件上的斜面拉緊固定;另一種靠螺栓連接.前者便于拆裝維修,后者則尺寸緊湊.同時,為確保過濾器不會裝反,閥體上要有醒目的氣體流動方向標志.
空氣過濾器本體內部的設計主要是流道的設計,因為流道是影響流量特性的主要因素之一.流道設計要注意:1)要盡量擴大進口流道的進氣面積,保證進氣流道面積為設計口徑面積的1.5～2倍;2)流道要盡量短,在滿足強度的前提下,盡量將導流板上移靠近進氣口.流道短還能縮短結構尺寸.
空氣過濾器本體在設計壓鑄件時,要盡量減少機加工的切削余量,一般在0.5～1.5mm.過多的切削余量會增加材料成本和加工成本,還會增加不良率.這是因為壓鑄時內部難免會出現縮孔等不良現象,比較致密的金屬層厚度比較薄,過多的切削量會破壞致密層.設計時要盡量使壁厚均勻,不同壁厚處要有圓弧過渡,以減少集中應力的出現.
3.2 空氣過濾器的導流板設計
空氣過濾器的導流板是影響分水效率的關鍵部件.導流板的葉片在設計時要注意4點:1)角度大小適當:角度過大,氣流氣旋不明顯,分水效果不好;角度過小,分離出來的水會往上跑,很難流到水杯底部.葉片以30°～45°比較合適.2)葉片要有足夠的強度,同時有足夠的過流面積.3)導流板安裝必須牢固可靠,因為氣流在通過導流板時對葉片有較大的反作用力,容易使導流板松動或失效.4)旋向.很多廠家都采用左旋,不過經過測試,左旋和右旋并沒有明顯區別.
3.3 空氣過濾器的傘形擋水板設計
傘形擋水板用來防止杯底的水被氣流回吸,設計時要注意3點:1)傘形擋水板與濾芯接觸的部分要有一定的彈力和強度,保證組裝后濾芯和傘形擋水板不會松脫.傘形擋水板的材料一般用ABS或POM,所以要充分考慮塑料在使用過程中的老化問題,防止用過一段時間后失去彈力,必要時可以加一個鎖緊螺母.2)傘形擋水板的傘形板部分要有氣壓平衡孔,直徑在1～2mm,用于平衡水杯上下2部分的氣壓.3)傘形擋水板的傘形板部分要盡量大,與水杯的間隙在1～4mm之間,要留有缺口,以利于分離出的水流到杯底.
3.4 空氣過濾器的濾芯、水杯和保護罩設計
根據過濾精度的需要,可以使用不同的濾芯.濾芯有金屬網型、燒結型和纖維凝聚型3種.金屬網型過濾精度最低,纖維凝聚型過濾精度最高.常用的燒結型又有銅珠燒結、樹脂燒結和陶瓷燒結3類,其中銅珠燒結最常見.[3]通過選用不同的銅珠直徑,可達到不同的過濾精度.一般有5μm,20μm,50μm,100μm4種過濾精度.銅珠濾芯的優點是可以多次清洗使用.
空氣過濾器的水杯一般由透明的聚碳酸酯(PC)材料制作,便于觀察杯中的水位.水杯的厚度要大于3mm,壓力越大所用的厚度越厚.由于PC易碎,一般在較大規格的過濾器上使用時,要加金屬保護罩.加保護罩時,保護罩要托住水杯的底部,讓保護罩承受主要的壓力.在高壓時可以采用金屬水杯,但要有透明刻度顯示水位.
3.5 空氣過濾器的排水閥設計
空氣過濾器的排水閥種類很多,這里介紹比較常用的3種.
1)簡易的手動排水閥.這種最簡單,需要排水時用手打開閥,排完水后關閉閥門.常用的有旋鈕式小球閥、按鈕式頂針閥等.這類閥設計簡單,只要解決密封問題就可以了.手動閥一定要人工操作,必須定期檢查水位并及時排水.如果排水不及時,會造成二次污染,起不到濾水作用.這種閥成本低,排水迅速,不影響正常工作,但人工維護成本高.
2)彈簧式自動排水器(見圖2).無氣壓或極低氣壓時,彈簧頂起閥芯排水.有氣壓時,閥芯被壓緊到O型密封圈上,停止排水.這種閥排水時要求必須停氣,只能用在某些可以頻繁停氣的場所,優點是不用人工控制,制造成本低.
3)自動排水器,有常開型和常閉型2種.無氣壓時,排水口處于開啟狀態,為常開型;排水口處于關閉狀態為常閉型.這2種結構可以設計成如圖3所示,當復位彈簧安裝在外側的8位置時,為常閉型;當復位彈簧安裝在活塞內部的9位置時為常開型.由于結構類似,這里只介紹常開型.當水杯內無氣壓時,浮子11靠自重落下,通過控制桿1用密封塞12將上節流口3關閉.活塞4在復位彈簧9作用下下移,活塞桿與密封通道脫開,水油排出.當水杯內的氣壓大于最低動作壓力后,活塞克服彈簧力和摩擦力上移,排水口關閉.當水杯內的水位升高到一定位置,浮子的浮力大于上節流口的密封壓力時,通過控制桿將密封塞打開,氣壓從上節流口進入活塞內部上腔,活塞下移,排水口打開排水.當水位下降后,浮子將上節流口關閉.活塞上腔氣壓通過下節流孔排出,由于下節流口比上節流口小,活塞內腔的氣體不能立即排盡,活塞上移將排水口關閉有一定的延遲,當排水口完全關閉時,杯中的水已基本排完.自動排水器的單次蓄水量比較少,排水比手動排水頻繁.
常開型自動排水器在設計時首先要確定2個參數:最低動作壓力和最高工作壓力,而常閉型只需要確定最高工作壓力.最低動作壓力是指讓排水閥關閉的最低壓力,一般為0.1～0.2MPa,最高工作壓力一般為1.0MPa,設計時放大為1.2MPa.最低動作壓力由活塞內外部的壓力差、內部的復位彈簧力和活塞密封的摩擦力來決定.為盡量減少活塞密封的摩擦力,大活塞一般用摩擦力較小的Y型密封.Y型密封的唇口應向下,確保活塞外部的氣壓可以將活塞上移,裝反則失效.最高工作壓力確定后,設計的關鍵就在于:上節流口和下節流口的直徑及浮子的浮力三者要綜合考慮。要能夠完成排水，必須要滿足以下的關系式:
ρ×g×V>π×D12×P/4>π×D22×P/4
式中,
ρ為浮子的密度/(kg·m-3);
V是上節流口打開瞬間浮子浸入水中部分的體積/m3;
D1為上節流口的直徑/m,
D2為下節流口的直徑/m;P是使用時的工作壓力/MPa.
上節流口的直徑太大,需要的浮子體積也必須大,這樣會增加水杯的結構尺寸;直徑太小,則在注塑時制作困難.一般情況下,上節流口的直徑為0.8～1.5mm. 要讓活塞內部能積聚足夠高的壓縮空氣壓力來移動活塞,下節流口的直徑必須小于上節流口.在上節流口關閉后,活塞內的壓縮空氣不立即排出,可以使活塞不立即上升,從而將排水時間延長1.5～2.5s.要滿足上述條件,下節流口直徑應在0.5～1.0mm,由于下節流口直徑太小,制作非常困難,可以采用以下的解決辦法:下節流口直徑比上節流口直徑稍小,然后再用一根稍細的不銹鋼線通過下節流口,這樣在滿足制作工藝的同時又能大大縮小下節流口的有效通氣面積.浮子在設計時要盡量大,密度要盡量小,浮子可以用實心的發泡材料,也可以用空心的POM制作,后者一定要密封好,同時要有足夠的厚度來抵抗內外的壓力差(內部為常壓,外部為使用壓力).為保證下部O型密封圈的密封效果,要在活塞外部加濾網,防止雜質污染密封面.另外,由于排水時有較大的沖擊力,為防止O型密封圈被沖脫,應選用較大的線徑和較低的壓縮量,同時加導向槽,這樣既能排水又能保護密封圈.
4結語
在空氣過濾器的設計中,對過濾器各個部件(本體、導流板、傘形擋水板、排水裝置等)的設計都要采取細心、嚴謹的態度.設計完成后,必須制作產品樣品,做流量特性測試和分水效率測試,詳細分析測試數據,找出不理想的地方并修改,這樣經過多次反復后,才可以得到比較優質的產品.
參考文獻:
[1] 左健民.液壓與氣動技術[M].3版.北京:機械工業出版社,2006.
[2] SMC(中國)有限公司.現代實用氣動技術[M].2版.北京:機械工業出版社,2004.
[3] 張利平.液壓氣動技術速查手冊[M].北京:化學工業出版社,2007.
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