摘要:分析了高梯度磁过滤器的机理,研究了温度对磁性材料性能的影响。实验测试了各种工况的高梯度磁过滤器,并与传统磁过滤器进行了比较。带冷却的磁过滤器对10μｍ以上的颗粒的过滤效率为84%,比不带冷却的磁过滤器过滤效率高71%,比传统磁过滤器过滤效率高210%。
关键词:高梯度;磁过滤;温度中图号:ＴＨ137 8文献标识码:Ａ
0 引言
在液压油的固体污染物中,金属颗粒约占75%,而在金属颗粒中,铁磁性和顺磁性颗粒占了相当大的比重,此外,在机械润滑系统的油液中,磨损产生的铁质污染物颗粒所占的比例会更大。磁力过滤对铁质颗粒非常有效,而且它的流阻小、污容量高。新型的高梯度磁性过滤器易于清洗,不必更换滤芯,也减少了新污染物侵入的机会,这对工作环境恶劣的矿山机械尤为重要,从而具有重要的应用价值。
1 高梯度磁过滤器的机理
磁场对污染颗粒的吸引力是磁过滤器性能的决定性因素,磁场中铁磁性颗粒所受的吸引力

从式(1)中可以看出,铁磁性颗粒所受的吸引力与外磁场强度Ｈ成正比,与磁场强度的梯度ｇｒａｄＨ成正比。传统式磁过滤器都是通过提高外磁场强度Ｈ来提高磁引力,从而提高过滤能力的;高梯度磁过滤器则是通过磁介质的手段主要提高外磁场的梯度ｇｒａｄＨ来增大吸引力,达到高效滤除污染物的效果。
高梯度磁过滤器在磁场中布置聚磁性多孔介质,油液在多孔介质中流动,会使流场、磁场发生显著的变化。直观地看,高梯度磁过滤器不是利用磁铁直接捕捉铁磁性颗粒,而是利用被磁源磁化的聚磁性介质来捕捉。由于油液在多孔介质中流动,污染颗粒与多孔介质的接触机会非常多,所以颗粒被捕捉的几率也非常大,从而大大提高了磁滤器的分离效果。
以单根无限长圆柱为例说明聚磁介质对外磁场影响的效果。对于半径为ａ的无限长柱形体,设其磁导率为μｒ,周围油液的磁导率为μｆ,外磁场为均匀磁场Ｈ0,出磁介质柱内外的磁场强度为
柱内

柱外径向

由式(3)、式(4)看出,磁介质附近的磁场是源磁场和介质磁场叠加的结果,如图1所示。磁介质改变了源磁场的均匀性,尤其在介质附近变化很大,从而看出了提高磁场梯度的作用。


由图2看出,在磁介质周围的Ｈ、ｇｒａｄＨ比没有磁介质时大很多。尤其是ｇｒａｄＨ与ａ成反比,当ａ很小时,ｇｒａｄＨ的值可以很高。
2 温度对高梯度磁过滤器磁场的影响
一般高梯度磁过滤器工作时,过滤器的磁介质和永久磁铁都和液压系统的油温相同,在不同的温度下,磁介质和永久磁铁的性能都有一定的变化,对磁过滤器的效率将有显著的影响。
(1)温度对磁介质的影响高
梯度磁过滤器常用的磁介质是由非晶态软磁合金喷成的0.04ｍｍ厚,0.5ｍｍ宽的细长丝,一般使用Ｆｅ72Ｃｒ8Ｐ13Ｃｏ7非晶态合金,它具有磁感应饱和强度高,磁性“软”的特点。温度对所有软磁性磁介质影响总的特点是随着温度的升高,磁导率上升,温度达到居里点后迅速下降;磁介质的饱和磁感应强度随着温度的升高下降。
(2)温度对永久磁铁的影响
永久磁铁的磁性能受温度、时间以及应力等因素环境的影响,其中以温度的影响最为重要。铁氧体的磁性能随温度的升高是明显下降的,因而研究磁过滤器的性能必须考虑温度因素的作用。
(3)温度对高梯度磁过滤器的磁场影响
对设计的一种处理高粘度齿轮油的高梯度磁过滤器在不同温度工作时的外壳端面中心处的磁场进行了测试,此处的磁场综合了温度对磁介质和永久磁铁的影响,结果如图3所示。测试表明,在70℃磁场强度只有18℃的1 4。这个测试没有考虑保温时间的因素,但已足以证明高梯度磁过滤器的磁场受到温度的显著影响。

3 磁过滤器的性能测试与比较
实验系统采用上、下位油箱和液压泵、溢流阀、节流阀构成开式系统,如图4。实验系统的油液采用46#液压油。

1 压力表 2 采样阀 3 节流阀 4 截止阀 5 溢流阀 6 齿轮泵 7 下位油箱 8 精过滤器 9 上位油箱 10 流量表 11 被测磁过滤器
在实验中保证加入的粉尘始终悬浮并混和均匀,为此污染物注入系统采用上、下位双油箱,而且油箱的底部设计成锥形,锥角小于90°,以防止污染物在底部沉积。污染物的注入流量是通过上位油箱的球阀来调节的。液压泵安装的位置低于油箱中液面的最低位置。
系统的流量是由齿轮泵提供,通过溢流阀和节流阀调节流量。系统的流量由流量计测量。被试件的上、下游都设有取样装置和压力表,取样装置为球形截止阀。
精过滤器回路中机械过滤器的精度等级为5μｍ,其目的是在每次实验前将系统油液过滤至比实验用污染油液的污染度高2个ＮＡＳ等级以上。
每隔一段时间在过滤器的上下游同时取样,取样时先将取样阀打开,让至少200ｍＬ的油液流经取样装置,以冲洗取样装置内部。取样过程中不拧动球阀,用取样瓶接取样液。
用自动颗粒计数器测定样液的颗粒个数（推荐使用PLD-0201）。颗粒尺寸大小定为:10μｍ,15μｍ,20μｍ,25μｍ,30μｍ,40μｍ,50μｍ,然后根据颗粒计数结果计算不同颗粒尺寸下的过滤比。
被测磁过滤器选取2种:传统磁过滤器、管壳式冷却高梯度磁过滤器,分别进行了过滤性能测试,结果表明,同样条件下传统磁过滤器对10μｍ以上颗粒的过滤比只有1.38,相应过滤效率为27%。管壳式冷却磁过滤器当对中心管不通冷却水冷却永久磁铁时,对10μｍ以上颗粒的过滤比为1.94,相应过滤效率为27%;当对中心管通冷却水冷却永磁铁时,对10μｍ以上的颗粒的过滤比为6.079,相应的过滤效率为84%。
4 结语
(1)液压及润滑系统的铁质磨损颗粒在固体污染物中占较大的比例,用磁力过滤的方法过滤系统具有重要意义。但传统式磁过滤器的过滤效率低、不易清洗,所以应用并不广泛。
(2)高梯度磁过滤器利用被磁铁磁化了的磁介质捕捉污染颗粒,磁介质能大幅度提高介质周围的磁场梯度,所以高梯度磁过滤器的过滤性能大大高于传统式磁过滤器。
(3)工作温度对磁介质和永久磁铁的磁性能都有较大的影响。磁介质的饱和磁感应强度、永久磁铁的剩余磁感应强度随温度的升高而下降,使高梯度磁过滤器的工作磁场强度随温度的升高而迅速下降。从而揭示了工作温度是影响高梯度磁过滤器过滤性能的重要因素。
(4)将磁铁布置在冷却水中,能够充分发挥永久磁铁的高磁场强度。冷却和磁过滤的结合,具有很强的兼容性和互惠性。
参考文献:
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