空氣過(guò)濾器的設計技巧

    在氣動(dòng)技術(shù)中,空氣過(guò)濾器、減壓閥和油霧器稱(chēng)為氣動(dòng)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(chēng)為氣動(dòng)三聯(lián)件,用于氣源凈化過(guò)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(guò)濾器、減壓閥、油霧器.三大件是多數氣動(dòng)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(zhì)量的后保證.其設計和安裝,除確保三大件自身質(zhì)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(lái)的壓縮空氣中含有過(guò)量的水汽和油滴,同時(shí)還有固體雜質(zhì),如鐵銹、沙粒、管道密封劑等,這些會(huì )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(guò)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(lái),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(zhù)名公司的產(chǎn)品,做了大量的設計和測試工作,從而得出空氣過(guò)濾器的一些設計技巧.關(guān)于設計理論、計算公式等已有專(zhuān)業(yè)書(shū)籍詳細介紹,本文不再涉及.
    1　空氣過(guò)濾器的工作原理
    空氣過(guò)濾器的結構如圖1所示.
                 
   從進(jìn)口流入的壓縮空氣,被引進(jìn)導流板2,導流板上有均勻分布的類(lèi)似風(fēng)扇扇葉的斜齒,迫使高速流動(dòng)的壓縮空氣沿齒的切線(xiàn)方向產(chǎn)生強烈的旋轉,混雜在空氣中的液態(tài)水油和較大的雜質(zhì)在強大的離心力作用下分離出來(lái),甩到水杯7的內壁上,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(guò)濾芯3的進(jìn)一步過(guò)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,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(guò)濾器必須豎直水杯向下安裝.
    2　空氣過(guò)濾器的主要性能指標
    1)過(guò)濾精度.指允許通過(guò)的雜質(zhì)顆粒的大直徑.影響過(guò)濾精度的關(guān)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(guò)濾精度.
    2)流量特性.指在一定的進(jìn)口壓力下,通過(guò)過(guò)濾器的空氣流量與過(guò)濾器兩端壓力降之間的關(guān)系曲線(xiàn).實(shí)際使用時(shí),好在壓力損失小于0.03MPa的范圍內選用.在空氣過(guò)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(lái)的水分與進(jìn)氣口空氣中所含水分之比.一般要求空氣過(guò)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(guò)濾器的設計重點(diǎn)
    3.1　空氣過(guò)濾器的本體設計
    空氣過(guò)濾器的本體是整個(gè)過(guò)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(guò)濾器的外觀(guān)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(shí),空氣過(guò)濾器本體外型要與減壓閥、油霧器的外型類(lèi)似,要綜合考慮.外型設計很重要,它關(guān)系到是否能夠在眾多生產(chǎn)廠(chǎng)家的三聯(lián)件產(chǎn)品中突出自己的產(chǎn)品,打開(kāi)銷(xiāo)路.筆者在設計過(guò)程中,外型設計占了約40%的工作量,這是一個(gè)難點(diǎn).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(jiǎn)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(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(shí),為確保過(guò)濾器不會(huì )裝反,閥體上要有醒目的氣體流動(dòng)方向標志.
    空氣過(guò)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(jìn)口流道的進(jìn)氣面積,保證進(jìn)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(mǎn)足強度的前提下,盡量將導流板上移靠近進(jìn)氣口.流道短還能縮短結構尺寸.
   空氣過(guò)濾器本體在設計壓鑄件時(shí),要盡量減少機加工的切削余量,一般在0.5～1.5mm.過(guò)多的切削余量會(huì )增加材料成本和加工成本,還會(huì )增加不良率.這是因為壓鑄時(shí)內部難免會(huì )出現縮孔等不良現象,比較致密的金屬層厚度比較薄,過(guò)多的切削量會(huì )破壞致密層.設計時(shí)要盡量使壁厚均勻,不同壁厚處要有圓弧過(guò)渡,以減少集中應力的出現.
    3.2　空氣過(guò)濾器的導流板設計
    空氣過(guò)濾器的導流板是影響分水效率的關(guān)鍵部件.導流板的葉片在設計時(shí)要注意4點(diǎn):1)角度大小適當:角度過(guò)大,氣流氣旋不明顯,分水效果不好;角度過(guò)小,分離出來(lái)的水會(huì )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(shí)有足夠的過(guò)流面積.3)導流板安裝必須牢固可靠,因為氣流在通過(guò)導流板時(shí)對葉片有較大的反作用力,容易使導流板松動(dòng)或失效.4)旋向.很多廠(chǎng)家都采用左旋,不過(guò)經(jīng)過(guò)測試,左旋和右旋并沒(méi)有明顯區別.
    3.3　空氣過(guò)濾器的傘形擋水板設計
    傘形擋水板用來(lái)防止杯底的水被氣流回吸,設計時(shí)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度,保證組裝后濾芯和傘形擋水板不會(huì )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(guò)程中的老化問(wèn)題,防止用過(guò)一段時(shí)間后失去彈力,必要時(shí)可以加一個(gè)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(guò)濾器的濾芯、水杯和保護罩設計
    根據過(guò)濾精度的需要,可以使用不同的濾芯.濾芯有金屬網(wǎng)型、燒結型和纖維凝聚型3種.金屬網(wǎng)型過(guò)濾精度低,纖維凝聚型過(guò)濾精度高.常用的燒結型又有銅珠燒結、樹(shù)脂燒結和陶瓷燒結3類(lèi),其中銅珠燒結常見(jiàn).[3]通過(guò)選用不同的銅珠直徑,可達到不同的過(guò)濾精度.一般有5μm,20μm,50μm,100μm4種過(guò)濾精度.銅珠濾芯的優(yōu)點(diǎn)是可以多次清洗使用.
    空氣過(guò)濾器的水杯一般由透明的聚碳酸酯(PC)材料制作,便于觀(guān)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(guò)濾器上使用時(shí),要加金屬保護罩.加保護罩時(shí),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(shí)可以采用金屬水杯,但要有透明刻度顯示水位.
    3.5　空氣過(guò)濾器的排水閥設計
    空氣過(guò)濾器的排水閥種類(lèi)很多,這里介紹比較常用的3種.
    1)簡(jiǎn)易的手動(dòng)排水閥.這種簡(jiǎn)單,需要排水時(shí)用手打開(kāi)閥,排完水后關(guān)閉閥門(mén).常用的有旋鈕式小球閥、按鈕式頂針閥等.這類(lèi)閥設計簡(jiǎn)單,只要解決密封問(wèn)題就可以了.手動(dòng)閥一定要人工操作,必須定期檢查水位并及時(shí)排水.如果排水不及時(shí),會(huì )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(dòng)排水器(見(jiàn)圖2).無(wú)氣壓或極低氣壓時(shí),彈簧頂起閥芯排水.有氣壓時(shí),閥芯被壓緊到O型密封圈上,停止排水.這種閥排水時(shí)要求必須停氣,只能用在某些可以頻繁停氣的場(chǎng)所,優(yōu)點(diǎn)是不用人工控制,制造成本低.
             
    3)自動(dòng)排水器,有常開(kāi)型和常閉型2種.無(wú)氣壓時(shí),排水口處于開(kāi)啟狀態(tài),為常開(kāi)型;排水口處于關(guān)閉狀態(tài)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(shí),為常閉型;當復位彈簧安裝在活塞內部的9位置時(shí)為常開(kāi)型.由于結構類(lèi)似,這里只介紹常開(kāi)型.當水杯內無(wú)氣壓時(shí),浮子11靠自重落下,通過(guò)控制桿1用密封塞12將上節流口3關(guān)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(kāi),水油排出.當水杯內的氣壓大于低動(dòng)作壓力后,活塞克服彈簧力和摩擦力上移,排水口關(guān)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(shí),通過(guò)控制桿將密封塞打開(kāi),氣壓從上節流口進(jìn)入活塞內部上腔,活塞下移,排水口打開(kāi)排水.當水位下降后,浮子將上節流口關(guān)閉.活塞上腔氣壓通過(guò)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(guān)閉有一定的延遲,當排水口完全關(guān)閉時(shí),杯中的水已基本排完.自動(dòng)排水器的單次蓄水量比較少,排水比手動(dòng)排水頻繁.
                
    常開(kāi)型自動(dòng)排水器在設計時(shí)首先要確定2個(gè)參數:低動(dòng)作壓力和高工作壓力,而常閉型只需要確定高工作壓力.低動(dòng)作壓力是指讓排水閥關(guān)閉的低壓力,一般為0.1～0.2MPa,高工作壓力一般為1.0MPa,設計時(shí)放大為1.2MPa.低動(dòng)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(lái)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?；钊獠康臍鈮嚎梢詫⒒钊弦?裝反則失效.高工作壓力確定后,設計的關(guān)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(mǎn)足以下的關(guān)系式:

ρ×g×V>π×D12×P/4>π×D22×P/4

    式中,

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