Hydraulisch filter

Het hydraulische filter is een onderdeel van hydraulische systemen dat onzuiverheden, zoals vaste deeltjes, slijtagedeeltjes, water en oxidatiebijproducten, uit de hydraulische vloeistof verwijdert. Zo beschermt het de pompen, kleppen en hydraulische cilinders tegen slijtage en defecten. Tot 80% van alle hydraulische defecten kan worden toegeschreven aan vervuilde olie, wat het belang van filtratie onderstreept.

Basisbegrippen en werking van hydraulische filters

Hydraulische filters werken volgens het principe van mechanische scheiding. De hydraulische vloeistof stroomt door het filtermedium, dat deeltjes tegenhoudt die groter zijn dan een bepaalde afmeting. De constructietypen variëren aanzienlijk, afhankelijk van de positie van het filter in het circuit, het type filtermedium en de vereiste zuiverheidsgraad. De basisfunctie van elk hydraulisch filter blijft echter hetzelfde: de zuiverheid van de olie zodanig verbeteren dat de gevoelige onderdelen van het systeem betrouwbaar kunnen functioneren, met minimale slijtage.

De deeltjes worden via verschillende mechanismen verwijderd. Grote deeltjes worden door zeefwerking aan het oppervlak van het filtermateriaal tegengehouden. Kleinere deeltjes hechten zich aan de vezels van het filtermateriaal door adsorptie of onder invloed van traagheidskrachten. De combinatie van deze mechanismen bepaalt de scheidingsefficiëntie van het filter en het vermogen ervan om verontreinigingen tegen te houden.

Soorten filters en hun plaatsing in het hydraulische circuit

De keuze van het hydraulische filter hangt grotendeels af van de positie ervan in het circuit. Elke positie stelt andere eisen aan de drukbestendigheid, de filterfijnheid en het debiet.

Aanzuigfilters

Aanzuigfilters worden in de aanzuigleiding geplaatst, tussen het reservoir en de pomp. Hun belangrijkste functie is het beschermen van de pomp tegen grote verontreinigingen die uit het reservoir zouden kunnen worden aangezogen. Omdat ze onder vacuümomstandigheden werken, moet het drukverlies hierin minimaal zijn om te voorkomen dat er een drukverschil in de pomp ontstaat. De typische filterfijnheid varieert tussen 25 en 100 µm. Aanzuigfilters zijn vaak ontworpen als eenvoudige gaas- of bandfilters, en de modellen van veel fabrikanten kunnen worden gereinigd.

Persfilters

Persfilters worden aan de perszijde van de pomp geïnstalleerd en beschermen de meest gevoelige onderdelen van het systeem, zoals servokleppen en proportionele kleppen. Deze werken bij de maximale systeemdruk en moeten daarom een bijzonder robuuste behuizing hebben, vervaardigd uit staal of gietijzer. De filterfijnheid varieert tussen 3 en 25 µm, en hogedrukfilters kunnen werken bij een druk tot 420 bar. Drukfilters zijn doorgaans ontworpen als buisfilters, flensfilters of uitwisselbare filters en zijn voorzien van geïntegreerde bypasskleppen.

Retourfilters

Retourfilters worden in de retourleiding vóór het reservoir geplaatst en zuiveren de olie voordat deze terugkeert naar het reservoir. Deze vormen de laatste barrière tegen verontreinigingen en voorkomen dat slijtagedeeltjes en verontreinigingen uit het circuit in het reservoir terechtkomen. De typische nominale waarden van de filters variëren tussen 3 en 10 µm. Retourfilters werken bij lage druk, tot ongeveer 20–63 bar, en zijn vaak verkrijgbaar in uitvoeringen die in de tank worden gemonteerd of in een dubbel systeem, waardoor de filters tijdens het gebruik kunnen worden vervangen.

Bypassfilters

Bypassfilters, ook wel zijdelingse-stroomfilters genoemd, worden parallel aan het hoofdcircuit geïnstalleerd. Deze leiden een klein deel van het debiet – ongeveer 5 tot 10 procent van het totale debiet – om en leiden dit door een bijzonder fijne filterfase. Dankzij de filterfijnheden tussen 1 en 5 µm en de extra afscheiding van water zorgen ze voor een continue zuivering van de olie, die de capaciteit van het hoofdfilter overstijgt. Omloopfilters zijn onmisbaar, met name in systemen met hoge eisen aan de zuiverheid van de olie, zoals servohydraulische systemen.

Ontluchtingsfilters

Vaak over het hoofd gezien, maar net zo belangrijk: ontluchtingsfilters voorkomen dat atmosferische lucht, die stof en vocht bevat, tijdens het uitzetten en krimpen van het reservoir in de hydraulische olie terechtkomt. Deze werken passief en filteren de binnenkomende lucht met een nauwkeurigheid die doorgaans tussen 1 en 10 µm ligt.

Filtermaterialen: oppervlaktefilters en dieptefilters

Het filtermateriaal vormt het hart van elk hydraulisch filter. In principe zijn er twee werkingsprincipes, die aanzienlijk verschillen wat betreft constructie, prestaties en de mogelijkheid tot hergebruik.

Oppervlaktefilters

Oppervlaktefilters houden de deeltjes tegen op een specifiek, zeefachtig oppervlak. Meestal bestaan ze uit een roestvrijstalen gaas of uit niet-geweven materialen van metaalvezels met geometrisch gedefinieerde poriën. Hun voordeel ligt in de duidelijke scheidingsgrens en de mogelijkheid tot reiniging. Ze kunnen door middel van terugspoelen worden gereinigd en meerdere keren worden hergebruikt. Hun vermogen om onzuiverheden vast te houden is echter beperkt, omdat de deeltjes zich aan het oppervlak ophopen in de vorm van een filterafzetting, waardoor de doorstroming steeds verder wordt beperkt. De typische filterfijnheid varieert tussen 10 en 250 µm.

Dieptefilters

Dieptefilters bestaan uit een driedimensionaal netwerk van vezels, meestal gemaakt van glasvezel, cellulose of polyester. Deze houden de deeltjes vast in het filtermateriaal zelf, niet alleen aan het oppervlak ervan. Daardoor hebben ze een veel grotere vermogen om verontreinigingen vast te houden en neemt het drukverschil geleidelijker toe. Dieptefilters zijn wegwerpartikelen en moeten na verzadiging worden vervangen. Dankzij de filterfijnheid tussen 2 en 25 µm bestrijken ze het kritieke bereik voor de bescherming van gevoelige hydraulische componenten. De filtermedia van glasvezel bereiken bètawaarden van meer dan 200 volgens de ISO 16889-norm, wat overeenkomt met een scheidingsefficiëntie van meer dan 99, 5%.

Korrelgrootte van het filter en scheidingsefficiëntie

De filtratienauwkeurigheid op zich zegt niet veel over de werkelijke prestaties van het hydraulische filter. De belangrijkste factor is de scheidingsefficiëntie — dat wil zeggen het percentage deeltjes van een bepaalde grootte dat door het filtermedium wordt tegengehouden. De ISO 16889-norm definieert hiervoor de bèta-coëfficiënt: een bèta-waarde van 200 voor deeltjes van 10 µm betekent dat van de 200 deeltjes van deze grootte er slechts één door het filter gaat. Hoe hoger de bètawaarde, hoe betrouwbaarder de scheiding.

Er moet onderscheid worden gemaakt tussen de nominale en de absolute filterprecisie. De nominale precisie beschrijft een richtwaarde, terwijl de absolute precisie de deeltjesgrootte bepaalt waarbij het filtermedium de gedefinieerde bètawaarde bereikt. Bij het ontwerpen van een hydraulisch filter is de absolute filternauwkeurigheid volgens de ISO 16889-norm altijd de doorslaggevende factor.

Verontreinigingsklassen volgens de norm ISO 4406

De zuiverheid van hydraulische olie wordt ingedeeld volgens de norm ISO 4406. Deze norm specificeert het aantal deeltjes per milliliter in drie grootteklassen: groter dan 4 µm, groter dan 6 µm en groter dan 14 µm. Een olie met bijvoorbeeld klasse 18/16/13 bevat een aantal deeltjes dat overeenkomt met de niveaus van deze klassen. Hoe lager de getallen, hoe zuiverder de olie.

De vereiste zuiverheidsklasse hangt af van de gevoeligheid van de componenten in het systeem. Servokleppen en proportionele kleppen vereisen klassen zoals 16/14/11 of beter, terwijl standaard hydraulische systemen kunnen werken met klasse 18/16/13. Voor zeer nauwkeurige aandrijvingen kunnen zuiverheidsklassen van 15/13/10 of lager nodig zijn. Het hydraulische filter moet zo worden ontworpen dat het de beoogde klasse onder bedrijfsomstandigheden betrouwbaar handhaaft.

De bypassklep en de differentiële drukbewaking

De bypassklep in het hydraulische filter gaat open wanneer het drukverschil bij het filterelement een vooraf ingestelde drempel overschrijdt. Dit gebeurt wanneer het filtermedium verzadigd raakt met deeltjes en de stromingsweerstand te groot wordt. De klep leidt de olie langs het filter, waardoor wordt voorkomen dat de druk in het systeem tot een onaanvaardbaar niveau stijgt of dat cavitatie in de pomp optreedt. Nadeel: de olie stroomt ongefilterd door, waardoor het openen van de bypassklep een duidelijk signaal is dat het filter moet worden vervangen.

Het bewaken van het drukverschil is daarom een essentieel instrument voor het bewaken van de technische toestand. Handmatige of elektronische drukverschilschakelaars geven de mate van vervuiling van het filterpatroon aan. Visuele vervuilingsindicatoren, met elementen die van kleur veranderen of naar buiten steken, bieden het onderhoudspersoneel snelle visuele informatie. Elektronische sensoren kunnen de waarde van het drukverschil doorgeven aan het besturingssysteem, waardoor voorspellend onderhoud mogelijk wordt.

Storingen als gevolg van onvoldoende filtratie

Onvoldoende filtratie veroorzaakt cumulatieve storingen, die in de loop van de maanden verergeren en vervolgens plotseling tot een defect leiden. Verontreiniging met vaste deeltjes blokkeert de precisie-regelopeningen in de proportionele kleppen, veroorzaakt verhoogde slijtage van pompen en cilinders en kan leiden tot het vastlopen van kleppen. Water in de olie versnelt de afbraak van additieven, bevordert corrosie en verandert de viscositeit. Bijproducten van oxidatie vormen harsen en afzettingen die de koelkanalen en regelopeningen verstoppen.

De gevolgen variëren van een hoger energieverbruik en ongecontroleerde bewegingen tot een volledige stilstand van het systeem. Een goed gekozen hydraulisch filter vermindert het aantal storingen aanzienlijk en verlaagt de kosten gedurende de levensduur van het systeem.

Onderhoud en service

Regelmatig onderhoud van hydraulische filters is essentieel voor de betrouwbaarheid van het systeem. De filterpatronen moeten tijdig worden vervangen, voordat de bypassklep opengaat. De vervangingsfrequentie hangt af van de specificaties van de fabrikant, het aantal bedrijfsuren en de daadwerkelijke mate van vervuiling. Het monitoren van het drukverschil helpt bij het bepalen van het optimale moment voor vervanging.

Naast het vervangen van de filters maakt ook de periodieke analyse van de olie deel uit van een goed onderhoud. Deze analyse biedt informatie over het gehalte aan vaste deeltjes, het watergehalte, de viscositeit en de toestand van de additieven. Ook moet er aandacht worden besteed aan de filterbehuizingen: de condensafvoerknoppen op de drukfilters moeten periodiek worden bediend en de ontluchtingsfilters op de tank moeten bij elke olieverversing worden gecontroleerd.

Normen voor hydraulische filters

Er zijn verschillende normen die het testen, de classificatie en het gebruik van hydraulische filters regelen:

• ISO 16889: Legt de test met meerdere cycli vast die wordt gebruikt voor het bepalen van de filtercapaciteit en de bèta-coëfficiënt. Dit is de basisnorm voor de beoordeling van filterelementen.
• DIN ISO 11170: Legt de testprocedures voor filterelementen vast en vult de norm ISO 16889 aan met eisen voor het uitvoeren van de tests.
• ISO 4406: Classificeert de zuiverheidsgraad van hydraulische vloeistoffen en vormt de basis voor het vaststellen van streefwaarden bij het ontwerpen van filters.
• DIN ISO 4413: Stelt veiligheidseisen vast voor hydraulische systemen, inclusief specificaties met betrekking tot filtratie en de zuiverheid van de olie.