空氣過濾器的設(shè)計技巧
在氣動技術(shù)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(lián)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(jìn)氣方向依次為空氣過濾器、減壓閥、油霧器.三大件是多數(shù)氣動系統(tǒng)中不可缺少的氣源裝置,安裝在用氣設(shè)備近處,是壓縮空氣質(zhì)量的最后保證.其設(shè)計和安裝,除確保三大件自身質(zhì)量外,還要考慮節(jié)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(zhì),如鐵銹、沙粒、管道密封劑等,這些會損壞活塞密封環(huán),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(tài)水、液態(tài)油滴分離出來,并且濾去空氣中的灰塵和固體雜質(zhì),但不能除去氣態(tài)的水和油.筆者研究了SMC,NOR GREN,FESTO等著名公司的產(chǎn)品,做了大量的設(shè)計和測試工作,從而得出空氣過濾器的一些設(shè)計技巧.關(guān)于設(shè)計理論、計算公式等已有專業(yè)書籍詳細(xì)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(jié)構(gòu)如圖1所示.
從進(jìn)口流入的壓縮空氣,被引進(jìn)導(dǎo)流板2,導(dǎo)流板上有均勻分布的類似風(fēng)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(chǎn)生強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn),混雜在空氣中的液態(tài)水油和較大的雜質(zhì)在強(qiáng)大的離心力作用下分離出來,甩到水杯7的內(nèi)壁上,流到水杯的底部.除去液態(tài)水油和較大雜質(zhì)的壓縮空氣,再通過濾芯3的進(jìn)一步過濾,清除微小的固態(tài)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(qū),可以防止高速旋轉(zhuǎn)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(biāo)
1)過濾精度.指允許通過的雜質(zhì)顆粒的最大直徑.影響過濾精度的關(guān)鍵是濾芯,可根據(jù)后面元器件的需要選擇不同的濾芯,使其達(dá)到相應(yīng)的過濾精度.
2)流量特性.指在一定的進(jìn)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(guān)系曲線.實(shí)際使用時,最好在壓力損失小于0.03MPa的范圍內(nèi)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(jìn)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(dǎo)流板.
3 空氣過濾器的設(shè)計重點(diǎn)
3.1 空氣過濾器的本體設(shè)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(qiáng)度不高.
在設(shè)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(shè)計很重要,它關(guān)系到是否能夠在眾多生產(chǎn)廠家的三聯(lián)件產(chǎn)品中突出自己的產(chǎn)品,打開銷路.筆者在設(shè)計過程中,外型設(shè)計占了約40%的工作量,這是一個難點(diǎn).外型設(shè)計總的原則是:在保證內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shè)計,尤其要考慮如何方便與其他元件連接.目前的產(chǎn)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(biāo)志.
空氣過濾器本體內(nèi)部的設(shè)計主要是流道的設(shè)計,因?yàn)榱鞯朗怯绊懥髁刻匦缘闹饕蛩刂?流道設(shè)計要注意:1)要盡量擴(kuò)大進(jìn)口流道的進(jìn)氣面積,保證進(jìn)氣流道面積為設(shè)計口徑面積的1.5～2倍;2)流道要盡量短,在滿足強(qiáng)度的前提下,盡量將導(dǎo)流板上移靠近進(jìn)氣口.流道短還能縮短結(jié)構(gòu)尺寸.
空氣過濾器本體在設(shè)計壓鑄件時,要盡量減少機(jī)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?yàn)閴鸿T時內(nèi)部難免會出現(xiàn)縮孔等不良現(xiàn)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(shè)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(yīng)力的出現(xiàn).
3.2 空氣過濾器的導(dǎo)流板設(shè)計
空氣過濾器的導(dǎo)流板是影響分水效率的關(guān)鍵部件.導(dǎo)流板的葉片在設(shè)計時要注意4點(diǎn):1)角度大小適當(dāng):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(qiáng)度,同時有足夠的過流面積.3)導(dǎo)流板安裝必須牢固可靠,因?yàn)闅饬髟谕ㄟ^導(dǎo)流板時對葉片有較大的反作用力,容易使導(dǎo)流板松動或失效.4)旋向.很多廠家都采用左旋,不過經(jīng)過測試,左旋和右旋并沒有明顯區(qū)別.
3.3 空氣過濾器的傘形擋水板設(shè)計
傘形擋水板用來防止杯底的水被氣流回吸,設(shè)計時要注意3點(diǎn):1)傘形擋水板與濾芯接觸的部分要有一定的彈力和強(qiáng)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(hù)罩設(shè)計
根據(jù)過濾精度的需要,可以使用不同的濾芯.濾芯有金屬網(wǎng)型、燒結(jié)型和纖維凝聚型3種.金屬網(wǎng)型過濾精度最低,纖維凝聚型過濾精度最高.常用的燒結(jié)型又有銅珠燒結(jié)、樹脂燒結(jié)和陶瓷燒結(jié)3類,其中銅珠燒結(jié)最常見.[3]通過選用不同的銅珠直徑,可達(dá)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(yōu)點(diǎn)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(guī)格的過濾器上使用時,要加金屬保護(hù)罩.加保護(hù)罩時,保護(hù)罩要托住水杯的底部,讓保護(hù)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(shè)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(guān)閉閥門.常用的有旋鈕式小球閥、按鈕式頂針閥等.這類閥設(shè)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(hù)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(yōu)點(diǎn)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(tài),為常開型;排水口處于關(guān)閉狀態(tài)為常閉型.這2種結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成如圖3所示,當(dāng)復(fù)位彈簧安裝在外側(cè)的8位置時,為常閉型;當(dāng)復(fù)位彈簧安裝在活塞內(nèi)部的9位置時為常開型.由于結(jié)構(gòu)類似,這里只介紹常開型.當(dāng)水杯內(nèi)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(jié)流口3關(guān)閉.活塞4在復(fù)位彈簧9作用下下移,活塞桿與密封通道脫開,水油排出.當(dāng)水杯內(nèi)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(guān)閉.當(dāng)水杯內(nèi)的水位升高到一定位置,浮子的浮力大于上節(jié)流口的密封壓力時,通過控制桿將密封塞打開,氣壓從上節(jié)流口進(jìn)入活塞內(nèi)部上腔,活塞下移,排水口打開排水.當(dāng)水位下降后,浮子將上節(jié)流口關(guān)閉.活塞上腔氣壓通過下節(jié)流孔排出,由于下節(jié)流口比上節(jié)流口小,活塞內(nèi)腔的氣體不能立即排盡,活塞上移將排水口關(guān)閉有一定的延遲,當(dāng)排水口完全關(guān)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(shè)計時首先要確定2個參數(shù):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(guān)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(shè)計時放大為1.2MPa.最低動作壓力由活塞內(nèi)外部的壓力差、內(nèi)部的復(fù)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(yīng)向下,確�；钊獠康臍鈮嚎梢詫⒒钊弦�,裝反則失效.最高工作壓力確定后,設(shè)計的關(guān)鍵就在于:上節(jié)流口和下節(jié)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(guān)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(jié)流口打開瞬間浮子浸入水中部分的體積/m3;
D1為上節(jié)流口的直徑/m,
D2為下節(jié)流口的直徑/m;P是使用時的工作壓力/MPa.
上節(jié)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(jié)構(gòu)尺寸;直徑太小,則在注塑時制作困難.一般情況下,上節(jié)流口的直徑為0.8～1.5mm. 要讓活塞內(nèi)部能積聚足夠高的壓縮空氣壓力來移動活塞,下節(jié)流口的直徑必須小于上節(jié)流口.在上節(jié)流口關(guān)閉后,活塞內(nèi)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(jié)流口直徑應(yīng)在0.5～1.0mm,由于下節(jié)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(jié)流口直徑比上節(jié)流口直徑稍小,然后再用一根稍細(xì)的不銹鋼線通過下節(jié)流口,這樣在滿足制作工藝的同時又能大大縮小下節(jié)流口的有效通氣面積.浮子在設(shè)計時要盡量大,密度要盡量小,浮子可以用實(shí)心的發(fā)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(nèi)外的壓力差(內(nèi)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(wǎng),防止雜質(zhì)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(yīng)選用較大的線徑和較低的壓縮量,同時加導(dǎo)向槽,這樣既能排水又能保護(hù)密封圈.
4結(jié)語
在空氣過濾器的設(shè)計中,對過濾器各個部件(本體、導(dǎo)流板、傘形擋水板、排水裝置等)的設(shè)計都要采取細(xì)心、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度.設(shè)計完成后,必須制作產(chǎn)品樣品,做流量特性測試和分水效率測試,詳細(xì)分析測試數(shù)據(jù),找出不理想的地方并修改,這樣經(jīng)過多次反復(fù)后,才可以得到比較優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品.
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