CN104791159B - 多级旋流管式工程机械空气滤清器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多级旋流管式工程机械空气滤清器，滤清器由工程机械发动机进气量和进气效率决定滤清器级数，每级滤清器由骨架和滤材组成，由内而外滤材孔隙率逐层减小，以实现从大颗粒到小颗粒逐层过滤；所述滤材由基体层、阻尼层和表面层组成，实现宽频域随机振动和冲击振动下的能量耗散；所述滤清器为降低进气噪声，进气口与***连接，滤清器进气口采用分叉式管道，管道间距根据***出气管气流速度锈发的噪声自适应调节，这样，实现工程机械发动机大流量、高速空气过滤噪声控制。

Description

多级旋流管式工程机械空气滤清器

技术领域

本发明涉及空气滤清器装置，尤其涉及一种多级旋流管式工程机械空气过滤装置，具有大流量、高速和低噪声等特点。

背景技术

空气滤清器是工程机械发动机非常重要的配套产品之一，它保护发动机能滤除空气中的硬质灰尘颗粒，向发动机提供清洁空气，防止灰尘造成发动机磨损，对发动机的可靠性和耐久性起关键作用。调查显示在相同的使用条件下，对无空气滤清器的发动机，其活塞、气缸和活塞环的磨损量是有空气滤清器的4～10倍，因而安装空气滤清器是防止灰尘磨损发动机的一项有效措施。据统计工程机械发动机早期损坏70％与空气滤清器有关，因此空气在进入发动机前必须经过严格的过滤。

工程机械常在空气含尘量非常高的恶劣环境下工作，对空气滤清器效果及进气***的密封性都提出了很高要求。近年来，滤清器新产品研发过程中面临的共性关键技术问题主要集中在过滤精度、过滤效率、进气阻力对发动机的磨损和性能的影响以及谋求进气***声响性能的最佳化上，研发热点主要集中于对高精度、长寿命、环保型空气滤清器产品及***模块的研发能力提高上。

从减少发动机磨损、提高使用寿命的角度考虑，空气滤清器滤尘能力应越强越好，但这样会使空气滤清器的阻力增大，可见两者是相互制约、相互矛盾的，因此需要综合考虑上述要求，妥善解决它们之间的矛盾。此外，气流通过滤芯时，进气阻力造成的压力损失会影响发动机的动力性和经济性。因此，如何减少空气滤清器内部气流的速度分布不均匀性和降低通过滤芯的压力损失，是空气滤清器结构改型和优化设计的关键，也是当前空气滤清器产品性能升级关键技术研究热点问题。

空气滤清器是工程机械大功率发动机必备的自我保护装置之一，主要由过滤单元、空滤器体以及空滤器盖组成。空气滤清器的滤材是良好多孔吸声材料。从声学上来讲，空气滤清器本身就是一个进气***。空气滤清器以往的研究多借助于实验的方法，一般只注意它的滤清进气的功能，仅研究它的流阻、滤清效率和寿命间的关系，未对它的消声作用在理论上和结构实践上作探讨，致使空气滤清器的消声功能未被合理的利用。

对于噪声指标要求不高的普通车辆，装上空气滤清器即能满足目前对噪声控制的要求。对于小型高速机、增压柴油机及高档轿车发动机，可以考虑装用空气滤清器和进气***合为一体的复合型***。通常把进气***与空气滤清器相结合，按照进气噪声的频谱特性进行设计。空滤器内的滤纸本身是良好的吸声材料，能有效降低中高频噪声。为消除低频噪声成分，有时还需增设共振腔。邓兆祥等对发动机进气消声进行了研究，根据共振型亥姆霍兹***原理设计了三腔并联旁支型进气***，应用于实车进行车外加速噪声实验，取得了良好的消声效果，但其***与滤清器是独立设置，结构复杂，工程推广应用困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多级旋流管式工程机械空气滤清器，具有大流量、高速和低噪声等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多级旋流管式工程机械空气滤清器，包括多级旋流管空气消噪装置、多级过滤器以及滤清器下端盖。多级旋流管空气消噪装置内设回流进气管道与出气管道，呈现轴对称布置，回流进气管道与出气管道的长度根据进气频率、声强等噪声信号数值进行计算确定，出气管道管厚约1.5mm，回流进气管道与出气管道通过三通接口连接，管道间填充有海绵条、泡沫塑料和工业毛毡等一种或多种多孔类材料，以增加结构的阻尼特性，并提高多级旋流管空气消噪装置的吸声系数和加宽其吸声频带。多级过滤器根据工程机械发动机进气量和进气效率决定滤清器级数，每级滤清器由骨架和滤材组成，由内而外滤材孔隙率逐层减小，以实现从大颗粒到小颗粒逐层过滤；所述滤材由基体层、阻尼层和表面层组成，实现宽频域随机振动和冲击振动下的能量耗散，阻尼层材料为粘弹性高聚物薄膜，根据滤清器和工程机械发动机振动数值，确定薄膜的厚度，粘弹性高聚物薄膜可以在相当大的范围内调整材料的组成和结构，以获得较大的能量损耗因子；表面层主要通过喷塑方法提高滤材表面质量；所述滤清器为降低进气噪声，进气口与***连接，滤清器进气口采用分叉式管道，管道间距根据***出气管气流速度锈发的噪声自适应调节，这样，实现工程机械发动机大流量、高速空气过滤噪声控制。

本发明实现的有益效果：

本发明一种多级旋流管式工程机械空气滤清器；其中，多级旋流管空气消噪装置具有结构简单，综合分叉消噪和管道回转降噪双重功能，且可根据发动机整体噪声水平要求，优化设计管道长度、直径和布置位置，以实现噪声的有效控制和主动抑制；其次，多级过滤器根据工程机械发动机进气量及进气效率、进气精度等综合指标，灵活设置过滤级数，由粗过滤、中间过滤再到细过滤，逐层过滤，滤汁孔隙率呈现指数级降低，避免传统空气过滤器过滤精度和过滤效率低、滤芯寿命短等缺陷，且初滤装置、中间过滤装置以及精滤装置间设置有内部型腔，优化设计结构形状有效降低气流噪声。

本发明实现了工程机械发动机大流量、高流速的恶劣环境下对空气过滤器降噪过滤性能要求，对提升空气滤清器行业的整体水平以及节能降耗、环境保护等方面的发展起到极大的推动作用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明利用多物理场耦合理论，融合材料科学、CAD/CAM、过滤理论和技术、声振理论及数值仿真技术，提出了空气滤清器多级多层过滤理论技术，基于该技术，滤纸折叠时分为三层，相邻短长边经统计优化并结合工艺，其比例为黄金分割位置点；同时，根据发动机功率大小和进气速率，确定空气滤清器中间层级数，实现空气滤清器过滤精度和滤芯寿命等方面综合性能需求，工艺上由粗过滤、中间过滤再到细过滤，逐层过滤，滤汁孔隙率呈现指数级降低，实现了过滤单元的模块化设计，按需取舍，灵活可变，互换性强；

2、本发明实现了空气滤清器进气气流的双重消噪及空气过滤两种功能结合复合。进气气流首先通过多级旋流管空气消噪装置进行噪声抑制，多级旋流管空气消噪装置通过管道分叉，降低气流压力噪声，同时通过多级管道消声，回流进气管道以及出气管道间填充有海绵条、泡沫塑料、工业毛毡等多孔类材料，以增加结构的阻尼特性，并提高多级旋流管空气消噪装置的吸声系数和加宽其吸声频带，同时解决中低频振动和噪音两个问题；多级旋流管式工程机械空气滤清器装置实现了工艺创新，优化了传统的空气滤清器结构，实现空气滤清器与进气***结构复合与功能集成；

3、本发明的多级旋流管式工程机械空气滤清器装置，主要针对高速、重载和恶劣环境下工程机械发动机节能环保对空气滤清的需求，结合利用CFD软件对多级旋流管式工程机械空气滤清器空气流动三维模拟计算，分析确定空气滤清器进气口位置、直径和形状以及出气口位置、直径和形状，同时确定粗过滤、中间过滤以及细过滤层之间腔体形状，多层过滤层间腔体实现了高频消噪和脉冲噪声控制。

附图说明

图1为一种多级旋流管式工程机械专用空气滤清器的结构示意图；

图2为图1多级旋流管空气消噪装置的结构示意图；

图3为多级过滤器的结构示意图；

图4为多级多层滤纸的原理示意图；

图5为多级多层滤纸折叠一实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅供说明具体结构，该结构的规模不受实施例的限制。

请参阅图1和图2，本发明的一种多级旋流管式工程机械专用空气滤清器，包括多级旋流管空气消噪装置1、多级过滤器2以及滤清器下端盖7。多级旋流管空气消噪装置1，为圆柱形结构，包括第一回流进气管道101、第二回流进气管道102与第一出气管道103设置于左半平面，第三回流进气管道104、第四回流进气管道105与第二出气管道106设置于右半平面，用于消除外部流入空气中的中高频噪声。第一出气管道103设于第一回流进气管道101和第二回流进气管道102之间，第二出气管道106设于第三回流进气管道104和第四回流进气管道105之间。进气管道半径为出气管道半径1/2倍。

如图1所示，由左至右多级过滤器2包括初滤装置3、中间过滤装置5、精滤装置4和安装支座架总成6，其中中间过滤装置5根据需要，可设置中间过滤层501、502…等(参见图3)。安装支座架总成6用于固定多级旋流管空气消噪装置1和多级过滤器2，并用于连接滤清器下端盖7。

请参阅图2并结合图1，多级旋流管空气消噪装置1回流进气管道101、102、104、105与出气管道103、106呈现轴对称布置，中间还填充有海绵条、泡沫塑料(如：脲醛泡沫塑料)和工业毛毡等一种或多种多孔类材料，以增加结构的阻尼特性，提高多级旋流管空气消噪装置的吸声系数和加宽了吸声频带，同时解决振动和噪音两个问题。其中海绵条、泡沫塑料和工业毛毡等分别由内至外顺序包装于回流进气管道与出气管道***。

多级旋流管空气消噪装置回流进气管道101、102与出气管道103，回流进气管道104、105与出气管道106分别通过三通接口连接。回流进气管的直径根据具体流体力学优化结果，与出气管道数目成正比关系；回流进气管、出气管的长度根据空气流速、发动机功率以及空气气流噪声大小确定。回流进气管、出气管呈轴对称布置，间距根据噪声大小和流体力学优化结果动态予以调整。

请参阅图3并结合图1和图2，多级过滤器2通过密封圈8、上端盖9与多级旋流管空气消噪装置1的出气管道103、106连接，多级过滤器按照从大颗粒到小颗粒逐层排列顺序过滤，从左至右布置初滤装置3、中间过滤装置5以及精滤装置4。中间过滤装置包括中间过滤层501、502…，具体过滤层数设置根据空气过滤精度等级和过滤阻力大小优化。初滤装置3、中间过滤装置5以及精滤装置4均由骨架10和滤材11组成，其中骨架10为一圆柱体，壁厚1mm，通过铆接方式连接于安装支座架总成6；滤材11通过辊压固定于骨架内圆柱面。初滤装置3、中间过滤装置5(中间过滤层501、502…)以及精滤装置4的滤芯滤材11孔隙率按照逐层减小，按照指数级数形式衰减，实现从大颗粒到小颗粒逐层过滤。

图4所示，滤材11由基体层1101、阻尼层1102、表面层1103以及滤芯12组成，其中基体层1101材料为不锈钢；阻尼层1102材料为粘弹性高聚物薄膜，根据滤清器和工程机械发动机振动数值，确定薄膜的厚度，粘弹性高聚物薄膜由混合粒径铁磁颗粒和纤维材料组成基本滤波单元；表面层1103主要通过喷塑方法提高滤材表面质量。多级过滤器2的初滤装置3、中间过滤装置5以及精滤装置4制作时，首先将阻尼层1102复合于基体层1101，复合工艺通过静电、辊涂的方式，厚度为10μm；其次，将表面层1103通过喷涂的工艺，喷涂层厚度控制为2μm；所述滤芯12滤纸折叠为三层折边，其中短折边点位置为长边黄金分割点位置(参见图5)。

参阅图3并结合图1、图2，安装支座架总成6与滤清器下端盖7通过铆接方式固定联接，所述多级过滤器2的精滤装置4通过密封圈与外部用气装置连接。

回流进气管道直径、长度具体计算步骤如下：

第一步：按如下式I计算确定回流进气管道直径，回流进气管道直径计算数学模型是：

上述式I中，Q_入为外部用气装置空气进气质量流量，η为多级旋流管式工程机械空气滤清器效率，u为空气气流在管内的平均流动速度，ρ为正常工作条件下空气的密度；

第二步：按如下式II计算确定回流进气管道长度L，

L＝(10～30)·d 式II

上述式II中，d为回流进气管道直径。

可选地，为了实现对进气管道噪声的有效控制，在回流进气管和出气管道U形管连接处设置扬声器，回流进气管入口处设置声波传感器，连接反相器和功率放大器，驱动扬声器发出声波，消除管道噪声。若扬声器不能有效控制管道噪声，可利用信号处理器，对进气管位置声波传感器信号进行频谱分析；在频谱分析不能反映管道噪声信息的情况下，信号处理器进一步对声波传感器传输的噪声信息进行小波分析，进而发出驱动信号，使得扬声器产生可控的声音抑制信号。

粗过滤、中间过滤以及细过滤层组成的多级空气滤清器，主要性能参数计算步骤如下：

第一步：按如下式III计算确定总过滤效率。总过滤效率计算数学模型是：

上述式III中，f_s为多级空气滤清器的比表面积，η_粗为多级空气滤清器粗过滤层过滤效率，η_中为多级空气滤清器中间过滤层过滤效率，η_细为多级空气滤清器细过滤层过滤效率，d为多级空气滤清器各过滤层距离，n为多级空气滤清器过滤层数，η_n为多级空气滤清器总过滤效率；

第二步：按如下式IV计算确定多级空气滤清器的空气压降，空气压降计算数学模型是：

上述式IV中，ΔP为多级空气滤清器的空气压降，μ为空气黏度系数，d_H为粗过滤、中间过滤以及细过滤层滤纸厚度，f_s为多级空气滤清器的比表面积，ρ为空气密度，u为气流流动速度，g为重力加速度。

综上所述，本发明通过多级旋流管空气消噪装置分叉消噪和管道回转降噪双重功能，结合管道长度、直径和布置位置的优化设计，实现进气噪声的有效控制和主动抑制；然后，多级过滤器根据进气量及进气效率、进气精度等综合指标，灵活设置过滤级数，由粗过滤、中间过滤再到细过滤，逐层过滤，滤汁孔隙率呈现指数级降低，避免传统空气过滤器过滤精度和过滤效率低、滤芯寿命短等缺陷，多级过滤器粗过滤层、中间过滤层以及细过滤层滤纸在过滤气流的同时，有效降低气流中高频噪声。另外，多级过滤器粗过滤层、中间过滤层以及细过滤层间设置有内部型腔，优化设计结构形状有效降低中低频气流噪声，进而实现了减振、消噪和空气的一体化过滤。

本发明还公开一种多级旋流管式工程机械空气滤清器回流进气管道直径、长度具体计算方法以及一种多级旋流管式工程机械空气滤清器的主要性能参数计算模型。

本实施例针对工程机械发动机空气滤清器极端环境下性能要求的不断提高，通过总成多级旋流管空气消噪装置和多级过滤器，实现进气噪声和过滤的一体化控制。多级旋流管式工程机械空气滤清器具备结构简洁、易调整控制、实时反馈调节的优点，克服了传统工程机械发动机空气滤清器过滤效率低、过滤精度差、噪声(特别是低频噪声)大等缺点。

Claims (13)

1.一种多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：包括

多级旋流管空气消噪装置(1)，用于消除进气噪声；

多级过滤器(2)包括一初滤装置(3)、中间过滤装置(5)、精滤装置(4)和安装支座架总成(6)；

所述安装支座架总成(6)用于固定所述多级旋流管空气消噪装置(1)和多级过滤器(2)，并用于连接滤清器下端盖(7)；

所述多级过滤器(2)通过所述安装支座架总成(6)与发动机进气口连接，用于为工程机械发动机提供所需过滤精度要求的空气；

所述多级旋流管空气消噪装置(1)与多级过滤器(2)组成单元初滤装置(3)通过密封圈连接；

多级旋流管空气消噪装置(1)为圆柱形结构，其内部设置有连接***的回流进气管道的第一回流进气管道(101)、第二回流进气管道(102)、第三回流进气管道(104)、第四回流进气管道(105)、第一出气管道(103)与第二出气管道(106)；

第一回流进气管道(101)、第二回流进气管道(102)与第一出气管道(103)设置于左半平面，第三回流进气管道(104)、第四回流进气管道(105)与第二出气管道(106)设置于右半平面；

回流进气管道直径、长度具体计算步骤如下：

第一步：按如下式I计算确定回流进气管道直径，回流进气管道直径计算数学模型是：

上述式I中，Q_入为外部用气装置空气进气质量流量，η为多级旋流管式工程机械空气滤清器效率，u为空气气流在管内的平均流动速度，ρ为正常工作条件下空气的密度；

第二步：按如下式II计算确定回流进气管道长度L，

L＝(10～30)·d 式II

上述式II中，d为回流进气管道直径。

2.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：第一出气管道(103)设于第一回流进气管道(101)和第二回流进气管道(102)之间，呈轴对称分布，各个进气管道半径为出气管道半径1/2倍。

3.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：第二出气管道(106)设于第三回流进气管道(104)和第四回流进气管道(105)之间，呈轴对称分布，各个进气管道半径为出气管道半径1/2倍。

4.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：第一回流进气管道(101)、第二回流进气管道(102)、第三回流进气管道(104)、第四回流进气管道(105)、第一出气管道(103)与第二出气管道(106)管厚约1.5mm。

5.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：第一出气管道(103)与第一回流进气管道(101)和第二回流进气管道(102)通过三通件连接。

6.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：第二出气管道(106)与第三回流进气管道(104)和第四回流进气管道(105)通过三通件连接。

7.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：多级旋流管空气消噪装置(1)还填充有海绵条、泡沫塑料和工业毛毡之一种或几种多孔类材料。

8.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：所述初滤装置(3)、中间过滤装置(5)以及精滤装置(4)按气流流动方向逐层过滤。

9.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：所述初滤装置(3)、中间过滤装置(5)以及精滤装置(4)均由骨架和滤材组成，所述骨架为一圆柱体，壁厚1mm；骨架圆周方向设置有上端盖，所述端盖厚度1.5mm，连接于多级旋流管空气消噪装置，为防止气体泄漏，两端面通过密封圈连接。

10.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：所述初滤装置(3)、中间过滤装置(5)以及精滤装置(4)，其各自的滤材孔隙率逐层减小，按照指数级数形式衰减。

11.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：所述初滤装置(3)、中间过滤装置(5)以及精滤装置(4)，其各自的滤材由基体层、阻尼层和表面层组成，所述阻尼层材料为粘弹性高聚物薄膜。

12.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：所述初滤装置(3)、中间过滤装置(5)以及精滤装置(4)，其各自的滤材为滤纸，折叠为二层折边，其中短折边点位置为长边黄金分割点位置。

13.如权利要求1所述的多级旋流管式工程机械空气滤清器，其特征在于：所述安装支座架总成(6)与滤清器下端盖(7)通过密封圈联接。