空气过滤器的设计技巧

    在气动技术中,空气过滤器、减压阀和油雾器称为气动三大件.为得到多种功能,往往将这三种气源处理元件按顺序组装在一起,称为气动三联件,用于气源净化过滤、减压和提供润滑.[1]三大件的安装顺序按进气方向依次为空气过滤器、减压阀、油雾器.三大件是多数气动系统中不可缺少的气源装置,安装在用气设备近处,是压缩空气质量的最后保证.其设计和安装,除确保三大件自身质量外,还要考虑节省空间、操作安装方便、可任意组合等因素.
    从气源出来的压缩空气中含有过量的水汽和油滴,同时还有固体杂质,如铁锈、沙粒、管道密封剂等,这些会损坏活塞密封环,堵塞元器件上的小排气孔,缩短元器件的使用寿命或使之失效.空气过滤器的作用就是将压缩空气中的液态水、液态油滴分离出来,并且滤去空气中的灰尘和固体杂质,但不能除去气态的水和油.笔者研究了SMC,NOR GREN,FESTO等著名公司的产品,做了大量的设计和测试工作,从而得出空气过滤器的一些设计技巧.关于设计理论、计算公式等已有专业书籍详细介绍,本文不再涉及.
    1　空气过滤器的工作原理
    空气过滤器的结构如图1所示.
                 
   从进口流入的压缩空气,被引进导流板2,导流板上有均匀分布的类似风扇扇叶的斜齿,迫使高速流动的压缩空气沿齿的切线方向产生强烈的旋转,混杂在空气中的液态水油和较大的杂质在强大的离心力作用下分离出来,甩到水杯7的内壁上,流到水杯的底部.除去液态水油和较大杂质的压缩空气,再通过滤芯3的进一步过滤,清除微小的固态颗粒,然后从出口输出清洁的压缩空气.伞形挡水板5将水杯分隔成上下2部分,下部保持压力静区,可以防止高速旋转的气流吸起杯底的水油.聚集在杯底的水油从排水阀8放掉.[2]空气过滤器必须竖直水杯向下安装.
    2　空气过滤器的主要性能指标
    1)过滤精度.指允许通过的杂质颗粒的最大直径.影响过滤精度的关键是滤芯,可根据后面元器件的需要选择不同的滤芯,使其达到相应的过滤精度.
    2)流量特性.指在一定的进口压力下,通过过滤器的空气流量与过滤器两端压力降之间的关系曲线.实际使用时,最好在压力损失小于0.03MPa的范围内选用.在空气过滤器中,影响流量特性的主要是本体和滤芯.
    3)分水效率.指分离出来的水分与进气口空气中所含水分之比.一般要求空气过滤器的分水效率不小于80%.影响分水效率的主要是导流板.
    3　空气过滤器的设计重点
    3.1　空气过滤器的本体设计
    空气过滤器的本体是整个过滤器的基体,是主要的承载部分,它在很大程度上决定了空气过滤器的外观和流量特性.本体的材料一般选用压铸铝合金或锌合金,塑胶材料虽便宜但强度不高.
    在设计时,空气过滤器本体外型要与减压阀、油雾器的外型类似,要综合考虑.外型设计很重要,它关系到是否能够在众多生产厂家的三联件产品中突出自己的产品,打开销路.笔者在设计过程中,外型设计占了约40%的工作量,这是一个难点.外型设计总的原则是:在保证内部结构的前提下,外型有特色、简单、尺寸紧凑、易于拆装组合和模块化设计,尤其要考虑如何方便与其他元件连接.目前的产品中,主要有2种连接方式,一种为本体上有斜面,靠固定件上的斜面拉紧固定;另一种靠螺栓连接.前者便于拆装维修,后者则尺寸紧凑.同时,为确保过滤器不会装反,阀体上要有醒目的气体流动方向标志.
    空气过滤器本体内部的设计主要是流道的设计,因为流道是影响流量特性的主要因素之一.流道设计要注意:1)要尽量扩大进口流道的进气面积,保证进气流道面积为设计口径面积的1.5～2倍;2)流道要尽量短,在满足强度的前提下,尽量将导流板上移靠近进气口.流道短还能缩短结构尺寸.
   空气过滤器本体在设计压铸件时,要尽量减少机加工的切削余量,一般在0.5～1.5mm.过多的切削余量会增加材料成本和加工成本,还会增加不良率.这是因为压铸时内部难免会出现缩孔等不良现象,比较致密的金属层厚度比较薄,过多的切削量会破坏致密层.设计时要尽量使壁厚均匀,不同壁厚处要有圆弧过渡,以减少集中应力的出现.
    3.2　空气过滤器的导流板设计
    空气过滤器的导流板是影响分水效率的关键部件.导流板的叶片在设计时要注意4点:1)角度大小适当:角度过大,气流气旋不明显,分水效果不好;角度过小,分离出来的水会往上跑,很难流到水杯底部.叶片以30°～45°比较合适.2)叶片要有足够的强度,同时有足够的过流面积.3)导流板安装必须牢固可靠,因为气流在通过导流板时对叶片有较大的反作用力,容易使导流板松动或失效.4)旋向.很多厂家都采用左旋,不过经过测试,左旋和右旋并没有明显区别.
    3.3　空气过滤器的伞形挡水板设计
    伞形挡水板用来防止杯底的水被气流回吸,设计时要注意3点:1)伞形挡水板与滤芯接触的部分要有一定的弹力和强度,保证组装后滤芯和伞形挡水板不会松脱.伞形挡水板的材料一般用ABS或POM,所以要充分考虑塑料在使用过程中的老化问题,防止用过一段时间后失去弹力,必要时可以加一个锁紧螺母.2)伞形挡水板的伞形板部分要有气压平衡孔,直径在1～2mm,用于平衡水杯上下2部分的气压.3)伞形挡水板的伞形板部分要尽量大,与水杯的间隙在1～4mm之间,要留有缺口,以利于分离出的水流到杯底.
    3.4　空气过滤器的滤芯、水杯和保护罩设计
    根据过滤精度的需要,可以使用不同的滤芯.滤芯有金属网型、烧结型和纤维凝聚型3种.金属网型过滤精度最低,纤维凝聚型过滤精度最高.常用的烧结型又有铜珠烧结、树脂烧结和陶瓷烧结3类,其中铜珠烧结最常见.[3]通过选用不同的铜珠直径,可达到不同的过滤精度.一般有5μm,20μm,50μm,100μm4种过滤精度.铜珠滤芯的优点是可以多次清洗使用.
    空气过滤器的水杯一般由透明的聚碳酸酯(PC)材料制作,便于观察杯中的水位.水杯的厚度要大于3mm,压力越大所用的厚度越厚.由于PC易碎,一般在较大规格的过滤器上使用时,要加金属保护罩.加保护罩时,保护罩要托住水杯的底部,让保护罩承受主要的压力.在高压时可以采用金属水杯,但要有透明刻度显示水位.
    3.5　空气过滤器的排水阀设计
    空气过滤器的排水阀种类很多,这里介绍比较常用的3种.
    1)简易的手动排水阀.这种最简单,需要排水时用手打开阀,排完水后关闭阀门.常用的有旋钮式小球阀、按钮式顶针阀等.这类阀设计简单,只要解决密封问题就可以了.手动阀一定要人工操作,必须定期检查水位并及时排水.如果排水不及时,会造成二次污染,起不到滤水作用.这种阀成本低,排水迅速,不影响正常工作,但人工维护成本高.
    2)弹簧式自动排水器(见图2).无气压或极低气压时,弹簧顶起阀芯排水.有气压时,阀芯被压紧到O型密封圈上,停止排水.这种阀排水时要求必须停气,只能用在某些可以频繁停气的场所,优点是不用人工控制,制造成本低.
             
    3)自动排水器,有常开型和常闭型2种.无气压时,排水口处于开启状态,为常开型;排水口处于关闭状态为常闭型.这2种结构可以设计成如图3所示,当复位弹簧安装在外侧的8位置时,为常闭型;当复位弹簧安装在活塞内部的9位置时为常开型.由于结构类似,这里只介绍常开型.当水杯内无气压时,浮子11靠自重落下,通过控制杆1用密封塞12将上节流口3关闭.活塞4在复位弹簧9作用下下移,活塞杆与密封通道脱开,水油排出.当水杯内的气压大于最低动作压力后,活塞克服弹簧力和摩擦力上移,排水口关闭.当水杯内的水位升高到一定位置,浮子的浮力大于上节流口的密封压力时,通过控制杆将密封塞打开,气压从上节流口进入活塞内部上腔,活塞下移,排水口打开排水.当水位下降后,浮子将上节流口关闭.活塞上腔气压通过下节流孔排出,由于下节流口比上节流口小,活塞内腔的气体不能立即排尽,活塞上移将排水口关闭有一定的延迟,当排水口完全关闭时,杯中的水已基本排完.自动排水器的单次蓄水量比较少,排水比手动排水频繁.
                
    常开型自动排水器在设计时首先要确定2个参数:最低动作压力和最高工作压力,而常闭型只需要确定最高工作压力.最低动作压力是指让排水阀关闭的最低压力,一般为0.1～0.2MPa,最高工作压力一般为1.0MPa,设计时放大为1.2MPa.最低动作压力由活塞内外部的压力差、内部的复位弹簧力和活塞密封的摩擦力来决定.为尽量减少活塞密封的摩擦力,大活塞一般用摩擦力较小的Y型密封.Y型密封的唇口应向下,确保活塞外部的气压可以将活塞上移,装反则失效.最高工作压力确定后,设计的关键就在于:上节流口和下节流口的直径及浮子的浮力三者要综合考虑。要能够完成排水，必须要满足以下的关系式:

ρ×g×V>π×D12×P/4>π×D22×P/4

    式中,

    ρ为浮子的密度/(kg·m-3);

    V是上节流口打开瞬间浮子浸入水中部分的体积/m3;

    D1为上节流口的直径/m,

    D2为下节流口的直径/m;P是使用时的工作压力/MPa.

   上节流口的直径太大,需要的浮子体积也必须大,这样会增加水杯的结构尺寸;直径太小,则在注塑时制作困难.一般情况下,上节流口的直径为0.8～1.5mm. 要让活塞内部能积聚足够高的压缩空气压力来移动活塞,下节流口的直径必须小于上节流口.在上节流口关闭后,活塞内的压缩空气不立即排出,可以使活塞不立即上升,从而将排水时间延长1.5～2.5s.要满足上述条件,下节流口直径应在0.5～1.0mm,由于下节流口直径太小,制作非常困难,可以采用以下的解决办法:下节流口直径比上节流口直径稍小,然后再用一根稍细的不锈钢线通过下节流口,这样在满足制作工艺的同时又能大大缩小下节流口的有效通气面积.浮子在设计时要尽量大,密度要尽量小,浮子可以用实心的发泡材料,也可以用空心的POM制作,后者一定要密封好,同时要有足够的厚度来抵抗内外的压力差(内部为常压,外部为使用压力).为保证下部O型密封圈的密封效果,要在活塞外部加滤网,防止杂质污染密封面.另外,由于排水时有较大的冲击力,为防止O型密封圈被冲脱,应选用较大的线径和较低的压缩量,同时加导向槽,这样既能排水又能保护密封圈.

    4结语

   在空气过滤器的设计中,对过滤器各个部件(本体、导流板、伞形挡水板、排水装置等)的设计都要采取细心、严谨的态度.设计完成后,必须制作产品样品,做流量特性测试和分水效率测试,详细分析测试数据,找出不理想的地方并修改,这样经过多次反复后,才可以得到比较优质的产品.

    参考文献:

    [1]　左健民.液压与气动技术[M].3版.北京:机械工业出版社,2006.

    [2]　SMC(中国)有限公司.现代实用气动技术[M].2版.北京:机械工业出版社,2004.

    [3]　张利平.液压气动技术速查手册[M].北京:化学工业出版社,2007.

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