Filtro idraulico

Il filtro idraulico è un componente dei sistemi idraulici che rimuove dal fluido idraulico le impurità, quali particelle solide, particelle di usura, acqua e sottoprodotti dell’ossidazione. In questo modo protegge le pompe, le valvole e i cilindri idraulici dall’usura e dai guasti. Fino all’80% di tutti i guasti idraulici può essere attribuito all’olio contaminato, il che sottolinea l’importanza della filtrazione.

Nozioni di base e funzionamento dei filtri idraulici

I filtri idraulici funzionano secondo il principio della separazione meccanica. Il fluido idraulico scorre attraverso il mezzo filtrante, che trattiene le particelle di dimensioni superiori a una certa soglia. I tipi di costruzione variano notevolmente a seconda della posizione del filtro nel circuito, del tipo di mezzo filtrante e del grado di purezza richiesto. La funzione di base di ogni filtro idraulico rimane tuttavia la stessa: migliorare la purezza dell’olio in modo tale che i componenti sensibili del sistema possano funzionare in modo affidabile, con un’usura minima.

Le particelle vengono rimosse attraverso diversi meccanismi. Le particelle di grandi dimensioni vengono trattenute sulla superficie del materiale filtrante per effetto di setacciatura. Le particelle più piccole si fissano alle fibre del materiale filtrante per adsorbimento o sotto l’influenza delle forze di inerzia. La combinazione di questi meccanismi determina l’efficienza di separazione del filtro e la sua capacità di trattenere le impurità.

Tipi di filtri e loro posizionamento nel circuito idraulico

La scelta del filtro idraulico dipende in gran parte dalla sua posizione nel circuito. Ogni posizione comporta requisiti diversi in termini di resistenza alla pressione, finezza di filtrazione e portata.

Filtri di aspirazione

I filtri di aspirazione vengono installati nella tubazione di aspirazione, tra il serbatoio e la pompa. La loro funzione principale è quella di proteggere la pompa da impurità di grandi dimensioni che potrebbero essere aspirate dal serbatoio. Poiché operano in condizioni di vuoto, la perdita di carico in questi filtri deve essere minima per evitare che si crei una differenza di pressione nella pompa. La finezza tipica di filtrazione varia tra 25 e 100 µm. I filtri di aspirazione sono spesso progettati come semplici filtri a rete o a nastro, e i modelli di molti produttori possono essere puliti.

Filtri di mandata

I filtri di mandata vengono installati sul lato di mandata della pompa e proteggono i componenti più sensibili dell’impianto, come le servovalvole e le valvole proporzionali. Questi funzionano alla massima pressione dell’impianto e devono quindi avere un alloggiamento particolarmente robusto, realizzato in acciaio o ghisa. La finezza di filtrazione varia tra 3 e 25 µm, e i filtri ad alta pressione possono funzionare a una pressione fino a 420 bar. I filtri a pressione sono generalmente progettati come filtri a tubo, filtri a flangia o filtri intercambiabili e sono dotati di valvole di bypass integrate.

Filtri di ritorno

I filtri di ritorno vengono installati nella tubazione di ritorno a monte del serbatoio e depurano l’olio prima che questo rifluisca nel serbatoio. Costituiscono l’ultima barriera contro le impurità e impediscono che particelle di usura e contaminanti provenienti dal circuito finiscano nel serbatoio. I valori nominali tipici dei filtri variano tra 3 e 10 µm. I filtri di ritorno funzionano a bassa pressione, fino a circa 20–63 bar, e sono spesso disponibili in versioni da montare nel serbatoio o in un sistema doppio, che consente la sostituzione dei filtri durante il funzionamento.

Filtri di bypass

I filtri di bypass, detti anche filtri a flusso laterale, vengono installati in parallelo al circuito principale. Questi deviano una piccola parte della portata – circa il 5-10 per cento della portata totale – e la convogliano attraverso una fase di filtrazione particolarmente fine. Grazie alle granulometrie di filtrazione comprese tra 1 e 5 µm e alla separazione supplementare dell’acqua, garantiscono una depurazione continua dell’olio, che supera la capacità del filtro principale. I filtri di derivazione sono indispensabili, in particolare negli impianti che richiedono elevati livelli di purezza dell’olio, come i sistemi servoidraulici.

Filtri di sfiato

Spesso trascurati, ma altrettanto importanti: i filtri di sfiato impediscono che l’aria atmosferica, contenente polvere e umidità, penetri nell’olio idraulico durante l’espansione e la contrazione del serbatoio. Questi funzionano in modo passivo e filtrano l’aria in entrata con una precisione che di solito varia tra 1 e 10 µm.

Materiali filtranti: filtri a superficie e filtri a profondità

Il materiale filtrante costituisce il cuore di ogni filtro idraulico. In linea di principio esistono due principi di funzionamento, che differiscono notevolmente in termini di struttura, prestazioni e possibilità di riutilizzo.

Filtri superficiali

I filtri superficiali trattengono le particelle su una superficie specifica, simile a un setaccio. Di solito sono costituiti da una rete in acciaio inossidabile o da materiali non tessuti in fibre metalliche con pori geometricamente definiti. Il loro vantaggio risiede nel chiaro confine di separazione e nella possibilità di pulizia. Possono essere puliti tramite risciacquo e riutilizzati più volte. La loro capacità di trattenere le impurità è tuttavia limitata, poiché le particelle si accumulano sulla superficie sotto forma di deposito filtrante, limitando sempre più il flusso. La finezza tipica del filtro varia tra 10 e 250 µm.

Filtri a profondità

I filtri a profondità sono costituiti da una rete tridimensionale di fibre, solitamente in fibra di vetro, cellulosa o poliestere. Questi trattengono le particelle all’interno del materiale filtrante stesso, non solo sulla sua superficie. Di conseguenza, hanno una capacità di trattenere le impurità molto maggiore e la differenza di pressione aumenta in modo più graduale. I filtri a profondità sono articoli monouso e devono essere sostituiti una volta saturi. Grazie alla finezza di filtrazione compresa tra 2 e 25 µm, coprono l’intervallo critico per la protezione dei componenti idraulici sensibili. I materiali filtranti in fibra di vetro raggiungono valori beta superiori a 200 secondo la norma ISO 16889, il che corrisponde a un’efficienza di separazione superiore al 99, 5%.

Granulometria del filtro ed efficienza di separazione

La precisione di filtrazione di per sé non dice molto sulle prestazioni effettive del filtro idraulico. Il fattore più importante è l’efficienza di separazione, ovvero la percentuale di particelle di una determinata dimensione trattenute dal mezzo filtrante. La norma ISO 16889 definisce a tal fine il coefficiente beta: un valore beta pari a 200 per particelle di 10 µm significa che su 200 particelle di questa dimensione solo una attraversa il filtro. Maggiore è il valore beta, più affidabile è la separazione.

Occorre distinguere tra precisione nominale e precisione assoluta del filtro. La precisione nominale descrive un valore indicativo, mentre la precisione assoluta determina la dimensione delle particelle alla quale il mezzo filtrante raggiunge il valore beta definito. Nella progettazione di un filtro idraulico, la precisione assoluta di filtrazione secondo la norma ISO 16889 è sempre il fattore determinante.

Classi di contaminazione secondo la norma ISO 4406

La purezza dell’olio idraulico è classificata secondo la norma ISO 4406. Tale norma specifica il numero di particelle per millilitro in tre classi di dimensione: superiori a 4 µm, superiori a 6 µm e superiori a 14 µm. Un olio con, ad esempio, classe 18/16/13 contiene un numero di particelle corrispondente ai livelli di queste classi. Più bassi sono i numeri, più puro è l’olio.

La classe di purezza richiesta dipende dalla sensibilità dei componenti presenti nel sistema. Le servovalvole e le valvole proporzionali richiedono classi quali 16/14/11 o superiori, mentre i sistemi idraulici standard possono funzionare con la classe 18/16/13. Per azionamenti di alta precisione possono essere necessarie classi di purezza pari a 15/13/10 o inferiori. Il filtro idraulico deve essere progettato in modo tale da mantenere in modo affidabile la classe prevista nelle condizioni operative.

La valvola di bypass e il monitoraggio della pressione differenziale

La valvola di bypass nel filtro idraulico si apre quando la differenza di pressione a livello dell’elemento filtrante supera una soglia preimpostata. Ciò avviene quando il mezzo filtrante si satura di particelle e la resistenza al flusso diventa eccessiva. La valvola devia l’olio aggirando il filtro, impedendo così che la pressione nel sistema salga a livelli inaccettabili o che si verifichi cavitazione nella pompa. Svantaggio: l’olio scorre senza essere filtrato, per cui l’apertura della valvola di bypass è un chiaro segnale che il filtro deve essere sostituito.

Il monitoraggio della differenza di pressione è quindi uno strumento essenziale per il controllo delle condizioni tecniche. Interruttori di differenza di pressione manuali o elettronici indicano il grado di contaminazione della cartuccia filtrante. Gli indicatori visivi di intasamento, dotati di elementi che cambiano colore o sporgono verso l’esterno, forniscono al personale addetto alla manutenzione informazioni visive immediate. I sensori elettronici possono trasmettere il valore della differenza di pressione al sistema di controllo, rendendo possibile la manutenzione predittiva.

Guasti dovuti a una filtrazione insufficiente

Una filtrazione insufficiente provoca guasti cumulativi, che si aggravano nel corso dei mesi e poi portano improvvisamente a un guasto. La contaminazione da particelle solide ostruisce le aperture di regolazione di precisione nelle valvole proporzionali, provoca una maggiore usura di pompe e cilindri e può portare al grippaggio delle valvole. La presenza di acqua nell’olio accelera la degradazione degli additivi, favorisce la corrosione e altera la viscosità. I prodotti di ossidazione formano resine e depositi che ostruiscono i canali di raffreddamento e le aperture di regolazione.

Le conseguenze vanno da un maggiore consumo energetico e movimenti incontrollati fino al completo arresto del sistema. Un filtro idraulico ben scelto riduce notevolmente il numero di guasti e abbassa i costi per tutta la durata di vita del sistema.

Manutenzione e assistenza

La manutenzione regolare dei filtri idraulici è essenziale per l’affidabilità del sistema. Le cartucce filtranti devono essere sostituite tempestivamente, prima che si apra la valvola di bypass. La frequenza di sostituzione dipende dalle specifiche del produttore, dal numero di ore di funzionamento e dall’effettivo grado di contaminazione. Il monitoraggio della differenza di pressione aiuta a determinare il momento ottimale per la sostituzione.

Oltre alla sostituzione dei filtri, anche l’analisi periodica dell’olio fa parte di una corretta manutenzione. Questa analisi fornisce informazioni sul contenuto di particelle solide, sul tenore d’acqua, sulla viscosità e sullo stato degli additivi. Occorre inoltre prestare attenzione agli alloggiamenti dei filtri: i pulsanti di scarico della condensa sui filtri a pressione devono essere azionati periodicamente e i filtri di sfiato sul serbatoio devono essere controllati ad ogni cambio d’olio.

Norme relative ai filtri idraulici

Esistono diverse norme che regolano le prove, la classificazione e l’uso dei filtri idraulici:

• ISO 16889: Definisce il test a cicli multipli utilizzato per determinare la capacità di filtrazione e il coefficiente beta. Si tratta della norma di base per la valutazione degli elementi filtranti.
• DIN ISO 11170: Definisce le procedure di prova per gli elementi filtranti e integra la norma ISO 16889 con i requisiti per l’esecuzione delle prove.
• ISO 4406: Classifica il grado di purezza dei fluidi idraulici e costituisce la base per la definizione dei valori target nella progettazione dei filtri.
• DIN ISO 4413: Stabilisce i requisiti di sicurezza per i sistemi idraulici, comprese le specifiche relative alla filtrazione e alla purezza dell’olio.