固体颗粒沉降对液压污染度测试的影响-黄河

固体颗粒沉降对污染度测试结果的影响

黄河

（过滤技术检测中心   453019）

摘要：随着技术的进步，人们对油液固体污染度的监控日益严格，然而由于固体颗粒在油液中的沉降，造成了油液固体污染度测试结果的不准确。本文利用斯托克斯沉降原理分析计算出固体颗粒在溶液中的沉降速度，从而对油液固体污染度测试与监控从理论上进行指导。

关键词：油液固体污染度；沉降；斯托克斯沉降原理

1、前言

大量事实表明，油液中的颗粒会造成油液性能的下降和使用周期的缩短，会使用油设备性能下降以及工作可靠性的降低，甚至会带来巨大的灾难。例如：根据Aviationg Safety Network统计，从1949年到2003年，全世界共有16次飞行事故是由于飞机燃料受到污染而造成的。

由于很多油液固体颗粒污染度检测人员不了解固体颗粒在油液中的运动状况，在取样与测试过程中操作不规范，致使固体颗粒污染度测试结果不能真实的反应出油样的污染情况。本文专门针对固体颗粒在油液中的沉降对油液污染度的测试结果的影响，用斯托克斯沉降原理对污染溶液分析计算，从理论上说明固体沉降对污染度测试结果准确性的影响。并且用自动颗粒计数器测试出不同情况下的固体颗粒数据。理论分析与实验结果相结合，对溶液中固体污染度的测试进行规范指导。

2、理论分析与计算

2.1对溶液中固体颗粒沉降分析

污染溶液中固体颗粒均匀分散悬浮于溶液中是采样测试分析溶液颗粒污染度的最佳状态，然而我们对溶液中的固体颗粒受力分析可知：固体污染颗粒由于受到地球引力而产生指向地心的重力作用、受到溶液对它的浮力、运动的过程中受到溶液对其的粘滞力以及各个运动颗粒之间相互碰撞的作用力和各个方向的分子对其的碰撞作用，使我们很难根据理论计算固体颗粒在溶液中运动的轨迹以及运动速度。然而在实际应用中，我们却迫切的希望能够理论分析，且计算出固体颗粒在溶液中的运动速度。

由斯托克斯沉降理论分析可得，如果溶液中固体颗粒很少且固体颗粒为球形颗粒，以至于在运动的过程中它们相互之间不会发生碰撞而且受到各个方向的分子碰撞相互抵消，由此我们对其进行理论分析。单一的对其中一个固体颗粒受力分析可得，其在溶液中主要受到重力、浮力以及溶液对其的粘滞力的作用。首先固体颗粒受到重力和浮力的作用沿合力方向加速运动，然而在其加速的过程中，由于受到液体对其的摩擦力，使其加速度逐渐减小，最后三个作用力的合力为零，固体颗粒不受任何作用力，开始以加速度为零时的速度匀速沉降。由于颗粒的加速过程非常短，所以可以将颗粒沉降当做匀速过程。由此可知，当把溶液看成无限个溶液层连续叠加而成的话，我们很容易得出，溶液中固体颗粒的沉降可以看成是各个粒径层的匀速沉降。由此可知，当取样测试点所测试的粒径段的最大粒径最上粒径层没有沉降至取样点以下时，其所测试的固体污染颗粒数为溶液的固体污染颗粒数的真实表现。

2.2溶液中固体颗粒运动速度进行理论计算

根据两相流理论,在液压系统中液流的静止区域和低速流动区域,球形固体颗粒污染物的重力沉降速度v可由Stokes公式给出[1]：

                              v=2r2 *(ρs­ρf)g/9μ                       （1）

ρs、ρf ：分别为颗粒污染物和液压油的密度,kg/m3

g ：重力加速度,m/s2

μ：液压油的动力粘度,Pa·s

r ：球形颗粒的半径,m

Stokes公式适用于雷诺数Re< 2,颗粒直径不超过100μm的球形颗粒的稀悬浮液。利用上式对航空液压15号油溶液中不同尺寸大小的ACFTD颗粒进行了计算,结果列于表1中。将其中固体颗粒均看作球形，其密度为2650 kg/m3,，15号航空液压油的密度(20°时)取为830 kg/m3,动力粘度为1.87×10-2 Pa·s。

表1.0

由以上计算可知，同种溶液中沉降速度与固体颗粒的粒径平方成正比。随着粒径的增大，固体的沉降速度递增。而且由上数据可知，随着粒径的变化其沉降速度由10-5 m/min～10-2 m/min变化非常明显，大颗粒要远远快于小颗粒沉降至溶液底层。

3、利用液体自动颗粒计数器对加入了ACFTD粉尘颗粒的航空液压15号油溶液进行测试分析

3.1试验仪器及物品

1试验用设备：在使用期内的PAMASS台式SBSS-C液体自动颗粒计数器一台

2试验物品：加有ACFTD粉尘的航空液压15号红油一瓶

3.2实验条件及实验数据

将样试验油样摇晃使其中固体颗粒悬浮于油液中，然后超声振荡消泡直到油液中气泡层至液面，在20℃下进行测试，得出样品经摇晃震荡消泡处理之后，放置时间为：0分钟、5分钟、10分钟、15分钟的测试结果如下：

A油样经摇匀震荡消泡后立即开始测试结果如下

表2

B油样经摇匀震荡消泡后5分钟之后开始测试结果如下

表3

C油样经摇匀震荡消泡后10分钟之后开始测试结果如下

表4

D油样经摇匀震荡消泡后15分钟之后开始测试结果如下

表5

由以上实验数据可知，随着测试开始时间滞后的延长，颗粒粒径越大的颗粒测试数据在逐渐减少，且随着测试时间的后移粒径大于100µm的颗粒数测试数据为零，而粒径档位

5µm～15µm、15µm～25µm段的颗粒数基本不变，此测试结果与以上理论分析计算相一致。

4、结论

由斯托克斯沉降理论分析计算可知，所测试样品溶液必须在使固体颗粒完全悬浮于溶液后立即进行测试，否则随着测试时间的滞后，由于固体颗粒的沉降至取样口以下而导致所测结果不准确。取样操作必须在时固体颗粒完全悬浮于溶液中时取其中间部分，以避免由于大颗粒沉降过快给测试结果带来误差。测试某粒径段的颗粒数时，在这一粒径段所测最大粒径颗粒的最顶粒径层沉降至取样点以下前，其测试结果是准确的。

参考文献

[1] 李阳初，刘雪暖等.石油化学工程原理[M]，中国石化出版社，2008