Filtr hydrauliczny

Filtr hydrauliczny to element układów hydraulicznych, który usuwa z płynu hydraulicznego zanieczyszczenia, takie jak cząstki stałe, produkty ścierania, wodę i produkty uboczne utleniania. W ten sposób chroni pompy, zawory i siłowniki przed zużyciem i awariami. Aż 80 procent wszystkich uszkodzeń hydraulicznych można przypisać zanieczyszczonemu olejowi, co podkreśla znaczenie filtracji.

Podstawy i działanie filtrów hydraulicznych

Filtry hydrauliczne działają na zasadzie separacji mechanicznej. Płyn hydrauliczny przepływa przez medium filtrujące, które zatrzymuje cząstki powyżej określonej wielkości. Rodzaje konstrukcji różnią się znacznie w zależności od położenia filtra w obwodzie, rodzaju medium filtrującego oraz wymaganej klasy czystości. Jednak podstawowa funkcja każdego filtra hydraulicznego pozostaje taka sama: poprawa czystości oleju w stopniu umożliwiającym niezawodną pracę wrażliwych elementów układu przy minimalnym zużyciu.

Cząstki są usuwane za pomocą różnych mechanizmów. Duże cząstki są zatrzymywane poprzez przesiewanie na powierzchni materiału filtracyjnego. Mniejsze cząstki przylegają do włókien materiału filtracyjnego w wyniku adsorpcji lub działania sił bezwładności. Połączenie tych mechanizmów decyduje o skuteczności separacji filtra oraz jego zdolności do zatrzymywania zanieczyszczeń.

Rodzaje filtrów i ich położenie w obwodzie hydraulicznym

Wybór filtra hydraulicznego zależy w dużej mierze od jego położenia w obwodzie. Każde położenie stawia inne wymagania dotyczące odporności na ciśnienie, stopnia filtracji oraz przepustowości.

Filtry ssące

Filtry ssące są umieszczone w przewodzie ssącym między zbiornikiem a pompą. Ich głównym zadaniem jest ochrona pompy przed gruboziarnistymi zanieczyszczeniami, które mogłyby zostać zassane ze zbiornika. Ponieważ działają one w warunkach podciśnienia, spadek ciśnienia w nich musi być minimalny, aby zapobiec powstaniu różnicy ciśnień w pompie. Typowa dokładność filtracji wynosi od 25 do 100 µm. Filtry ssące są często konstruowane jako proste filtry siatkowe lub taśmowe, a modele wielu producentów umożliwiają ich czyszczenie.

Filtry tłoczne

Filtry ciśnieniowe są instalowane po stronie tłoczenia za pompą i chronią najbardziej wrażliwe elementy układu, takie jak serwozawory i zawory proporcjonalne. Działają one pod pełnym ciśnieniem układu i dlatego muszą mieć szczególnie wytrzymałą obudowę wykonaną ze stali lub żeliwa. Stopień dokładności filtracji wynosi od 3 do 25 µm, przy czym filtry wysokociśnieniowe mogą pracować przy ciśnieniu do 420 barów. Filtry ciśnieniowe są zazwyczaj projektowane jako filtry rurowe, kołnierzowe lub wymienne i wyposażone w zintegrowane zawory obejściowe.

Filtry powrotne

Filtry powrotne są umieszczone w przewodzie powrotnym przed zbiornikiem i oczyszczają olej przed jego powrotem do zbiornika. Stanowią one ostatnią barierę przed zanieczyszczeniami i zapobiegają przedostawaniu się do zbiornika cząstek zużycia oraz zanieczyszczeń z obwodu. Typowe wartości znamionowe filtrów wynoszą od 3 do 10 µm. Filtry powrotne działają w zakresie niskiego ciśnienia do około 20–63 barów i są często dostępne w konfiguracjach wewnątrz zbiornika lub w układzie podwójnym, co pozwala na wymianę filtrów podczas pracy.

Filtry obejściowe

Filtry obejściowe, znane również jako filtry bocznego strumienia, są instalowane równolegle do obwodu głównego. Odprowadzają one niewielką część przepływu — około 5 do 10 procent całkowitego natężenia przepływu — i przepuszczają ją przez szczególnie drobny stopień filtracji. Dzięki stopniom dokładności filtracji wynoszącym od 1 do 5 µm oraz dodatkowej separacji wody zapewniają one ciągłe oczyszczanie oleju, wykraczające poza wydajność filtra głównego. Filtry obejściowe są niezbędne, szczególnie w układach o wysokich wymaganiach dotyczących czystości oleju, takich jak układy serwohydrauliczne.

Filtry odpowietrzające

Często pomijane, ale równie ważne: filtry odpowietrzające zapobiegają przedostawaniu się powietrza atmosferycznego zawierającego pył i wilgoć do oleju hydraulicznego w trakcie rozszerzania się i kurczenia zbiornika. Działają one pasywnie i filtrują napływające powietrze z dokładnością zazwyczaj od 1 do 10 µm.

Materiały filtracyjne: filtry powierzchniowe i filtry głębokościowe

Materiał filtracyjny stanowi serce każdego filtra hydraulicznego. Zasadniczo istnieją dwie zasady działania, które znacznie różnią się pod względem konstrukcji, wydajności i możliwości ponownego wykorzystania.

Filtry powierzchniowe

Filtry powierzchniowe zatrzymują cząstki na określonej powierzchni przypominającej sito. Zazwyczaj składają się one z siatki drucianej ze stali nierdzewnej lub włóknin z włókien metalowych o geometrycznie określonych porach. Ich zaletą jest wyraźna granica separacji oraz możliwość czyszczenia. Można je przepłukiwać wstecznie i wielokrotnie ponownie wykorzystywać. Jednak ich zdolność zatrzymywania zanieczyszczeń jest ograniczona, ponieważ cząstki gromadzą się na powierzchni w postaci osadu filtracyjnego, co w coraz większym stopniu ogranicza przepływ. Typowa dokładność filtracji wynosi od 10 do 250 µm.

Filtry głębokościowe

Filtry głębokościowe składają się z trójwymiarowej siatki włóknistej, zazwyczaj wykonanej z włókna szklanego, celulozy lub poliestru. Zatrzymują cząstki wewnątrz materiału filtracyjnego, a nie tylko na jego powierzchni. W rezultacie osiągają znacznie większą zdolność zatrzymywania zanieczyszczeń i bardziej stopniowy wzrost różnicy ciśnień. Filtry głębokościowe są elementami jednorazowego użytku i należy je wymieniać po nasyceniu. Dzięki dokładności filtracji w zakresie od 2 do 25 µm pokrywają one zakres krytyczny dla ochrony wrażliwych elementów hydraulicznych. Materiały filtracyjne z włókna szklanego osiągają wartości beta powyżej 200 zgodnie z normą ISO 16889, co odpowiada skuteczności separacji ponad 99, 5 procent.

Drobność filtra i skuteczność separacji

Sama dokładność filtracji niewiele mówi o rzeczywistej wydajności filtra hydraulicznego. Kluczowym czynnikiem jest skuteczność separacji — czyli procent cząstek o określonej wielkości, które zatrzymuje medium filtracyjne. Norma ISO 16889 definiuje w tym celu współczynnik beta: wartość beta wynosząca 200 przy wielkości cząstek 10 µm oznacza, że spośród 200 cząstek tej wielkości tylko jedna przechodzi przez filtr. Im wyższa wartość beta, tym bardziej niezawodna separacja.

Należy rozróżnić między nominalną a bezwzględną dokładnością filtracji. Dokładność nominalna opisuje wartość orientacyjną, natomiast dokładność bezwzględna określa wielkość cząstek, przy której medium filtracyjne osiąga zdefiniowaną wartość beta. Przy projektowaniu filtra hydraulicznego decydującym czynnikiem jest zawsze bezwzględna dokładność filtracji zgodnie z normą ISO 16889.

Klasy zanieczyszczenia zgodnie z normą ISO 4406

Czystość oleju hydraulicznego klasyfikuje się zgodnie z normą ISO 4406. Norma ta określa liczbę cząstek na mililitr w trzech klasach wielkości: powyżej 4 µm, powyżej 6 µm oraz powyżej 14 µm. Na przykład olej o klasie 18/16/13 zawiera liczbę cząstek odpowiadającą poziomom tych klas. Im niższe liczby, tym czystszy olej.

Wymagana klasa czystości zależy od wrażliwości elementów w układzie. Zawory serwo i proporcjonalne wymagają klas takich jak 16/14/11 lub lepszych, podczas gdy standardowe układy hydrauliczne mogą pracować z klasą 18/16/13. Napędy o wysokiej precyzji mogą wymagać klas czystości 15/13/10 lub niższych. Filtr hydrauliczny musi być zaprojektowany tak, aby niezawodnie utrzymywać docelową klasę w warunkach roboczych.

Zawór obejściowy i monitorowanie ciśnienia różnicowego

Zawór obejściowy w filtrze hydraulicznym otwiera się, gdy różnica ciśnień na elemencie filtrującym przekroczy określony próg. Dzieje się tak, gdy medium filtrujące ulegnie nasyceniu cząstkami, a opór przepływu stanie się zbyt wysoki. Zawór kieruje olej obok filtra, zapobiegając w ten sposób wzrostowi ciśnienia w układzie do niedopuszczalnego poziomu lub kawitacji pompy. Wada: olej przepływa bez filtrowania, dlatego otwarcie zaworu obejściowego jest wyraźnym sygnałem, że filtr wymaga wymiany.

Monitorowanie różnicy ciśnień jest zatem kluczowym narzędziem do monitorowania stanu technicznego. Ręczne lub elektroniczne przełączniki różnicy ciśnień wskazują stopień zanieczyszczenia wkładu filtracyjnego. Wizualne wskaźniki zanieczyszczenia z elementami zmieniającymi kolor lub wysuwającymi się zapewniają personelowi konserwacyjnemu szybką informację wizualną. Czujniki elektroniczne mogą przekazywać wartość różnicy ciśnień do systemu sterowania, umożliwiając w ten sposób konserwację predykcyjną.

Uszkodzenia spowodowane niewystarczającą filtracją

Niewłaściwa filtracja powoduje kumulujące się uszkodzenia, które narastają przez miesiące, a następnie nagle prowadzą do awarii. Zanieczyszczenia cząstkami stałymi blokują precyzyjne otwory regulacyjne w zaworach proporcjonalnych, powodują zwiększone zużycie pomp i cylindrów oraz mogą prowadzić do zacinania się zaworów. Woda w oleju przyspiesza degradację dodatków, sprzyja korozji i zmienia lepkość. Produkty uboczne utleniania tworzą żywice i osady, które zatykają kanały chłodzące i otwory regulacyjne.

Konsekwencje sięgają od zwiększonego zużycia energii i niekontrolowanych ruchów po całkowite wyłączenie systemu. Odpowiednio dobrany filtr hydrauliczny znacznie zmniejsza częstotliwość awarii i obniża koszty cyklu życia systemu.

Konserwacja i serwis

Regularna konserwacja filtrów hydraulicznych ma kluczowe znaczenie dla niezawodności systemu. Wkłady filtracyjne należy wymieniać w odpowiednim czasie, zanim otworzy się zawór obejściowy. Częstotliwość wymiany zależy od specyfikacji producenta, liczby godzin pracy oraz rzeczywistego stopnia zanieczyszczenia. Monitorowanie różnicy ciśnień pomaga określić optymalny moment wymiany.

Oprócz wymiany filtrów, regularna analiza oleju stanowi część prawidłowej konserwacji. Dostarcza ona informacji na temat zawartości cząstek stałych, zawartości wody, lepkości oraz stanu dodatków. Uwagę należy również poświęcić samym obudowom filtrów: korki spustowe kondensatu na filtrach ciśnieniowych muszą być regularnie uruchamiane, a filtry odpowietrzające na zbiorniku powinny być sprawdzane podczas każdej wymiany oleju.

Normy dotyczące filtrów hydraulicznych

Istnieje kilka norm regulujących testowanie, klasyfikację i stosowanie filtrów hydraulicznych:

• ISO 16889: Określa test wieloprzebiegowy służący do ustalania wydajności filtra oraz współczynnika beta. Jest to podstawowa norma dotycząca oceny elementów filtrujących.
• DIN ISO 11170: Określa procedury badawcze dla elementów filtrujących i uzupełnia normę ISO 16889 o wymagania dotyczące przeprowadzania badań.
• ISO 4406: Klasyfikuje stopień czystości płynów hydraulicznych i stanowi podstawę do ustalania wartości docelowych przy projektowaniu filtrów.
• DIN ISO 4413: Określa wymagania bezpieczeństwa dla układów hydraulicznych, w tym specyfikacje dotyczące filtracji i czystości oleju.