1.3试验方法

进行闭环控制的加速度传感器安装在铝制底座上，进行正弦振动的驱动力通过连接的4颗螺栓传递到单张滤纸工装。为了判断传递到单张滤纸工装上的驱动力产生的振动是否符合目标值，在单张滤纸工装顶部安装加速度传感器并采集其振动信号，与输入振动控制系统的参数进行对比。在9.8 m/s2加速度的驱动下，单张滤纸工装的振动频率与输入频率有很好的一致性，但加速度与输入值相比有较大的误差，随着频率的增加与驱动值的偏差变大，单张滤纸工装的加速度随频率的变化情况如图5所示。为了确保试验条件的一致性，选择单张滤纸工装顶部安装的加速度传感器的读数作为试验参数。

图5不同振动频率的叠加加速度

油水分离试验台的原理如图6所示。通过向水滴雾化装置上游管路内按质量比0.15%的比例注水，油水混合物通过孔板装置后柴油中的水会破散成更小的水滴，通过控制水滴雾化装置两端的压差可以得到不同粒径分布的水滴，调节压差得到合适粒径分布的水滴进行油水分离效率试验。

图6油水分离试验台原理图

振动条件下的柴油–水分离试验根据ISO 16332测试标准进行。先调节振动试验台的驱动力使安装在工装顶部的加速度传感器显示值为目标值，然后开始油水分离试验。

每次试验时间为60 min，在开始试验10 min后每隔10 min分别在上下游使用磨口瓶取样约30 mL，并滴入5~8滴磺基琥珀酸钠溶液剧烈摇晃使水均匀分散在柴油中。上下游样品分别使用1 mL进样器取样约0.4 mL，并用卡尔费休法对柴油中水的含量进行测定。

柴油–水分离效率η的计算公式如式（1）、式（2）所示。

式中，C为水质量分数；C1为上游水含量质量分数；C2为下游水质量分数；m为样品含水质量；m1为取样器向微量水分离仪注入柴油–水混合液前的质量；m2为取样器向微量水分析仪注入柴油–水混合液后的质量。

1.4振动数据的分析和选取

在某型号商用车的柴油油水分离器的顶部安装加速度传感器测量加速度信号，在铺装路面以80 km/h的速度且无换挡操作行驶时对车辆进行振动信号的采集，采集时长为30 min。对采集的数据进行处理得到振动信号。

车辆在行驶中传递到油水分离器上的振动主要集中在10~340 Hz，沿X方向的主要振动频率为20、45、100、200、300 Hz，沿Y方向的主要振动频率为20、50、100、175、203、300 Hz，沿Z方向的主要振动频率为20、100 Hz，加速度均大于8 m/s2，沿Y方向100 Hz的振动加速度最大约为39.2 m/s2。为了方便对试验结果进行比较分析，最终选择在频率为20、50、100、150、200、300 Hz，加速度为39.2 m/s2的条件下进行试验。

2振动频率对油水分离效率的影响

2.1聚结式滤纸

滤纸在流量为1 L/min（等效面流速5 cm/min），油水界面张力为22 mN/m，水滴的DV50为20μm（DV50为体积分布中50%对应的粒径），加速度为39.2 m/s2下不同的振动方向和频率与油水分离效率的关系。

1号滤纸在20 Hz的振动条件下，沿X、Y、Z方向振动下的油水分离效率与无振动相比均有较明显的变化，其分离效率分别下降4.2%、2.7%、3.5%；在50 Hz的振动条件下，沿Z方向振动分离效率有2.5%的提升，沿X方向和Y方向的振动对油水分离效率无明显影响，且100、150、200、300 Hz的的振动条件下均无明显变化，与无振动条件下的84.4%相比差值均在2%以内。2号滤纸的分离效率随振动条件的改变几乎没有变化。

计算作用于附着在单根纤维上的水滴的粘附阻力的公式，如式（3）所示。

式中，FD为纤维对水滴的粘附力，N；σ为水滴的表面张力，N/m；L为水滴与纤维的接触线长度，μm；θc为水滴与纤维的接触角。在水滴与纤维的分离过程中唯一改变的参数是接触线长度L，在水滴逐渐远离纤维的过程中，接触线长度逐渐变小。因此，从纤维上分离水滴所需的力F必须克服将水滴固定在合适位置的力FD，并应保持足够长的时间以使水滴能完全从纤维上分离。

为了简化计算，假设水滴是标准的球，纤维是圆柱，则球面和圆柱面的交线长度即为接触线长度。交线的曲线方程如式（4）所示。

式中，dd为水滴的直径，μm；b为水滴球心与纤维轴线的距离，μm；ddf为滤纸纤维的直径，μm。接触线长度可以使用式（5）进行计算。

式中，ds表示对曲线s进行微分。

纤维的直径已知，若水滴的直径为定值，则L的值与水滴和纤维的相对位置有关，即L=f（b）。选择不同直径的水滴并计算对应的最大接触线长度，对散点进行拟合得到公式（6）。式（6）与计算结果有较好的拟合度。

单个水滴被单根纤维粘附在流场中的受力，Fg、Fb、Fd分别为水滴受到的重力、浮力和曳力，计算公式如式（7）~式（9）所示。流体绕过圆球的流动中，雷诺数小于1时，绕球流动主要受流体黏性影响。

式中，ρc为柴油的密度，842 kg/m3；ρd为水的密度，998 kg/m3；μc为柴油的动力黏度，Pa·s；u为柴油的流动速度，m/s。

当水滴所受的重力、浮力、曳力之和大于纤维的最大粘附力时，如公式（10）所示，水滴从纤维上脱离。

试验使用的柴油在20℃下的动力黏度为3.48×10-3 Pa·s，去离子蒸馏水的界面张力为72×10-3 N/m，大致得出纤维的直径约为1.5×10-6 m，柴油的流速为8.33×10-4 m/s，将数据代入公式计算可得水滴分离的临界直径约为4 520μm。

简谐运动由公式（11）定义。

式中，φ0为振动的初始相位角；f为振动频率；y0为振幅。若使初始相位角为0并对y（t）进行求导可得加速度a与时间t的关系，如式（12）所示。

开始振动后，水滴由于惯性作用所受到的虚拟惯性力Fi由式（13）计算。