Филтри за хидравлични системи

Типове и видове на хидравличните филтри, замърсявания, контрол на състоянието на филтри

     Филтрацията (отстраняването на твърди замърсители) обезпечава правилното функциониране на хидравличното оборудване и поддържа чистотата на работната течност. Ефективната филтрация предотвратява износването, корозията, влошаването на работните характеристики и възникването на аварии в хидравличната апаратура и допринася до голяма степен за евтината й поддръжка.
Хидравличните филтри са разнообразни по принцип на действие, форма, размери, степен на филтрация и конструктивни особености. Те са средство за защита, намаляващо риска от повреди и се използват в системи, работещи както при ниско, така и при високо налягане. Филтърните елементи са обект на периодична поддръжка и редовно почистване. Продължителността на експлоатация на хидравличните филтри зависи от налягането в системата, степента на замърсяване и характера на замърсителите. Значението им за правилното функциониране на хидравличните машини и системи е огромно.

Замърсяване
Функцията на работната течност в една хидросистема за задвижване е осигуряване на кинематична и силова връзка между работната (помпа) и двигателната хидромашина. От гледна точка на надеждната и ефикасна експлоатация на системата е важно флуидът да отговаря на изискванията на хидравличната система и специфичните експлоатационни условия (дебит, работно налягане, околна температура, местоположение на системата и др.). Изборът на подходящо масло се прави в зависимост от характеристиките му (вискозитет, плътност, смазващи и противоизносни и противозадирни свойства, устойчивост на стареене и топлинни въздействия, съвместимост с материалите на системата и т. н.). Съществува богата гама от минерални (най-широко използвания тип масла), синтетични масла, работни течности на водна основа, екологично съвместими флуиди и др.
Хидравличните течности се класифицират съгласно установени международни стандарти. Замърсяването с твърди частици е най-честата причина за появата на неизправности и повреди, както и на преждевременно авариране на хидравличните системи. Пълното отстраняване на замърсяванията е практически невъзможно, но с подходящо оборудване (филтри) концентрацията им може да се контролира. Независимо от вида на използвания флуид е необходимо да се поддържа такава степен на замърсяване, която да не нарушава работата на най-чувствителния компонент в системата.
Определяне степента на замърсяване
Степента на замърсяване се определя чрез броене на частиците с определен размер в единица обем от флуида. Тази величина се съпоставя с установените от международните стандарти класове на замърсяване. Преброяването на частиците се извършва с автоматични броячи, които правят анализи в реално време (чрез монтирани към системата датчици) или анализират съдържимото на съдове за взимане на проби.
Измерванията и вземането на проби от флуида трябва да се правят съгласно изискванията на ISO, за да се удостовери тяхната валидност. Най-популярният стандарт за определяне на класове на замърсяване при хидравличните системи е ISO 4406:1999.

Класове на замърсяване според ISO 4406:1999
Съгласно този стандарт различните класове на замърсяване се характеризират с концентрациите на частици, разпределени в 3 групи. Те показват броя на частиците с размери, по-големи съответно от 4, 6 и 14 mm(c) в обем 100 милилитра от флуида.
Класовете на замърсяване според стандарта ISO 4406:1999 се характеризират със съдържание на частици във флуида, които варират в границите:
l от 1 000 000 до 2 000 000 частици і 4 mm(c) на 100 мл
l от 130 000 до 250 000 частици і 6 mm(c) на 100 мл
l от 16 000 до 32 000 частици і 14 mm(c) на 100 мл
През 1999 г. стандартът ISO 16889 замени ISO 4572 по отношение на параметрите на многократните изпитания (multi-pass test) за измерване на бета коефициента на филтърните елементи. Съвременният стандарт използва тестовия прах за филтърна материя (ISO MTD), вместо използваният преди това тестов прах (ACFTD). И двата вида прах се използват в устройствата за многократни изпитания за калибриране на автоматичните броячи на частици. Методът, който се прилага за определяне размера на частиците съгласно ISO 16889, е по-различен от използвания при ISO 4572. За да се избегнат обърквания, когато се правят измервания в микрометри съгласно ISO 11171, те се означават с mm(c).
Понастоящем, трите референтни размера, които служат за определяне на класовете на замърсяване (в съответствие с ISO 4406-1999), са:
l 4 mm(c) (преди 2 mm)
l 6 mm(c) (преди 5 mm)
l 14 mm(c) (преди 15 mm).

Видове филтри
В хидравличните системи най-често се използват два основни вида механични филтри:
Повърхностните филтри представляват прости мрежести структури, през чиито пори флуидът преминава и се пречиства. При това замърсяващите частици се събират върху външната повърхност на филтъра.
Обемните филтри са филтърни елементи с дебели стени. Когато маслото премине през тях, твърдите частици се задържат основно в порите на елемента. Обемните филтри разполагат с много по-голям капацитет от повърхностните, тъй като са способни да блокират преминаването на частици с многократно по-малки размери.
Филтрите могат да бъдат класифицирани и според преминаващото през тях количество флуид.
Пълнопоточни филтри. При някои хидравлични системи е необходимо през филтърния елемент да преминава цялото количество флуид. Маслото навлиза във филтъра през неговия входящ отвор, преминава през филтъра и напуска през изходящия отвор. Когато се осъществява филтрация на цялото количество течност, филтърът се проектира така, че да съответства на дебита през конкретна част от системата.
Филтри за паралелен поток. Понякога не е необходимо да се филтрира целият обем на флуида. В тези случаи през филтърния елемент преминава само част от него. Основният обем флуид преминава директно през паралелен  участък без да се филтрира.
Различните типове филтри могат да са предназначени за работа с флуиди на петролна основа, синтетични флуиди, вода или течности на водна основа. Основните хидравлични филтри според монтажа им са: филтри за монтаж “в линия”, филтри за резервоари, сдвоени филтри, рециркулационни филтри, филтри за високо налягане, филтри за обратен (връщаш се) поток (още се наричат сливни филтри), филтри-отдушници и смукателни филтри. От технологична гледна точка съществуват пълнопоточни хидравлични филтри, пълнопоточни филтри с паралелен поток и филтри за пропорционален или частичен поток. При пълнопоточните филтри цялото количество флуид преминава през филтриращия елемент. Когато филтърният елемент се замърси, нараства съпротивлението, което той оказва на потока преминаващ флуид. Употребата на филтри без паралелен поток премахва вероятността замърсена течност да заобиколи филтъра и да замърси цялата система. При пълнопоточните филтри с паралелен поток съществува предпазен клапан, който позволява на флуида да заобиколи филтърния елемент при запушване и да премине направо през изходния отвор. При хидравличните филтри с пропорционален или частичен поток в рамките на един цикъл се филтрира само част от флуида, преминаващ през дюза на Вентури. Благодарение на непрекъснатата рециркулация на флуида в системата през филтърния елемент преминава цялото количество течност. Предпазният клапан на обходната тръба се отваря, когато налягането на паралелния поток достигне предварително зададена стойност.
Във всички хидравлични системи съществува първоначално замърсяване с твърди частици, чиято концентрация нараства в процеса на експлоатация. Това се дължи на износването на компонентите на системата, навлизане на замърсители през уплътнителните елементи и т.н. Ето защо е наложителна употребата на филтри, които са способни да задържат замърсителите и позволяват постигането и поддържането на съответния клас на замърсяване за работата на системата.
В зависимост от своето разположение в системата,
най-често използваните видове филтри са:
Филтри за обратен поток (сливни филтри) - улавят обратния поток на флуида от всички компоненти и филтрират маслото преди то да се върне в резервоара. Функцията им е да поддържат необходимата степен на замърсяване вътре в самия резервоар (непряка защита на компонентите), поради което размерът на порите или проходите им трябва да обезпечава голям капацитет за задържане на замърсяващи частици (т.е. дълъг живот). Този тип филтърни елементи обикновено са изградени от стъклени влакна (с абсолютна филтрация, bx і75) или от целулоза (с номинална филтрация, bx і2 ). Флуидът може да се поддържа чист, само ако резервоарът и съдържащата се в него течност са били чисти преди въвеждането в експлоатация на апаратурата. Допълнително условие е цялото количество въздух, което навлиза в резервоара и обратния поток на флуида да се филтрират ефикасно. Филтрите от този тип притежават още едно предимство, което произтича от разположението им в системата: флуидът преминава през фините пори или проходи под достатъчно налягане, без обаче то да води до конструктивно усложняване на филтъра или корпуса му, тъй като не достига критично високи стойности. Това, заедно с относително ниската скорост на потока, обезпечава висока степен на филтриране при добра икономическа ефективност. Филтрирането на обратния поток на флуида често се прилага при хидравличните системи. Основният недостатък на този метод е създаваното противоналягане в сливната линия, следствие на хидравличното съпротивление на филтърния елемент, което може да повлияе отрицателно на експлоатацията на апаратурата или да повреди някои от нейните компоненти.
Филтри за монтаж "в линия" - разполагат се в тръбопроводи с високо налягане, пряко защитават един или няколко елемента (например дросели, пропорционални клапани и др.) на хидравличната система, като обезпечават достъпа на масло с подходящ клас на замърсяване. Обикновено филтърните им елементи са изградени от стъклени влакна (с абсолютна филтрация bx і75 ), а понякога и от целулоза (с номинална филтрация bx і2)
Смукателни филтри - разполагат се в смукателния тръбопровод и не допускат появата на едри замърсители. Филтърните елементи обикновено са от стоманена мрежа (геометрична филтрация). Оразмеряването им трябва да е точно, за да не се получи недопустимо понижаване на абсолютното налягане на входа на помпата и като резултат възникването на кавитация. Монтират се преди помпата, за да предотвратят засмукване на едри замърсители, например стружки в нея. Разположени са на може би най-подходящото за един филтър място в системата, тъй като отсъствието на високо налягане на флуида и голям пад на налягането допълнително повишава ефикасността на работата им (високата скорост на флуида може да премести заклещените във филтъра частици, а големият пад на налягането - да пренесе частиците през филтриращата среда).
Въздушните филтри (отдушници), филтрират всмукания в резервоара въздух и предотвратяват възникването на замърсяване с частици от околната среда.
Употребата на автономни (off-line) филтри е наложителна, когато се цели достигане на нисък клас на замърсяване (т.е. много добра чистота). Те работят при стабилен дебит и налягане и постигат възможно най-голяма ефективност на филтрацията. Дори и новите масла също са с известна степен на замърсяване с твърди частици. Ето защо по правило всяко доливане и пълнене на масло в системата трябва да се извършва с помощта на филтърен елемент. Автономните филтри позволяват осъществяването на непрекъсната, многократна филтрация при добре контролирани скорост на движение на флуида и пад на налягането. Постига се висока ефективност на филтрационния процес. Възможно е дори улавянето на частици с размери под 2 микрометра. Основното предимство на подобни полимерни филтри е, че могат да се използват за пълно пречистване на течността, а основният им недостатък - високата цена.
Филтрите за високо налягане могат да се монтират в нагнетателната линия след помпата, с цел да предотвратят навлизането на замърсители (образувани в самата нея) в останалите компоненти на системата - разпределители, цилиндри и др. Основното предимство на филтрите, които се монтират в нагнетателни тръбопроводи е, че осигуряват максимална защита за компонентите, разположени по направление на потока. Възможно е улавянето на частици с размери по-малки от 2 микрона, благодарение на положителното налягане (за разлика от филтрите отдушници), което подпомага преминаването на течността през филтъра. Високата скорост на флуида и преходните изменения в характеристиките на потока, разместващи заклещените в порите или проходите частици понижават ефективността на този тип филтри. Основен недостатък на филтрацията под налягане са високите разходи, в сравнение с останалите типове филтрация. Цената на подобни устройства е висока поради факта, че компонентите им се проектират така, че да издържат на максималното налягане в хидравличните системи.

Контрол на състоянието на филтъра
Обикновено измервателни уреди в хидравличните системи сигнализират оптически или електрически, когато възникне риск от запушване на филтрите за паралелен поток. Те предупреждават, че падът на налягането (Dp) в елемента приближава налягането на отваряне на предпазния клапан (когато са зададени стойности за това налягане). При сливните филтри например предпазният клапан се отваря при пад на налягането 3 bar, като контролните уреди обикновено се настройват да сигнализират, когато то достигне 2 bar.
Замяната на стандартните контролни уреди за индикация за замърсяване на филтрите с диференциални манометри или преобразуватели позволява непрекъснатото проследяване състоянието на филтърния елемент. С тяхна помощ лесно се откриват отклоненията в чистотата на флуида и пада на налягането във филтъра. Тези данни се използват за оптимизиране на избора на масла и момента за подмяна на филтрите. Така например най-подходящото време за смяна на сливните филтри е непосредствено преди или след като измервателните уреди отчетат налягане от 2 bar.
Непрекъснатото проследяване на пада на налягането във филтъра също подпомага ранното откриване на повреди в компонентите на хидравличната система и филтрите. Например когато Dp във филтъра в нагнетателен тръбопровод изведнъж се покачи от 1 на 3 bar (без промяна в други показатели), това може да е признак за опасност от повреда в компонентите, разположени в посока, обратна на потока на флуида. По същият начин внезапното понижение на пада на налягането вероятно е признак за повреда във филтъра, за която стандартните контролни уреди за замърсяване на филтрите не са в състояние да предупредят.
Параметрите, които трябва да се имат предвид при избор на хидравлични филтри,
са максималният работен дебит, максималното работно налягане и минималния размер на задържаните частици. Филтърните елементи могат да бъдат във формата на торба, мрежеста структура, подобна на кош или касета. Те могат да бъдат изработени от стоманена мрежа, целулоза или хартиена материя, стъклени влакна, синтетични влакна, активирана глина водоабсорбиращи или магнитни материали. Корпусите на филтрите се изработват от алуминиеви сплави, PVC, черна или неръждаема стомана. Допълнителни фактори, които трябва да се вземат под внимание при избора на хидравлични филтри са наличието на вградени байпасни канали, индикатори за пада на налягането, наличието на филтриращи елементи за еднократна и многократна употреба. От значение е и температурата на средата, в която филтърът трябва да работи.

Повърхностни филтри
Обикновено са изградени от тънки пластове материал, които са многократно нагънати и извити във вид на звезда с няколко лъча. Подобна конструкция обезпечава голяма работна повърхност в малък обем. Тънките пластове са богати на пори, които задържат твърдите частици при преминаването на флуида през филтъра. Самият филтър може да е поместен в цилиндричен корпус, заедно с който да се заменя или да представлява сменяем филтърен елемент.
Най-често използвани материали за производство на повърхностни филтри са целулоза (хартия), преплетени стоманени влакна, преплетени влакна от полипропилен. Някои повърхностни филтри са изградени от метална нишка, намотана във формата на цилиндър.
Водата се просмуква в хартиените филтри, стеснява порите им и ги разрушава.

Обемни филтри
Изградени са от дебел пласт материал с тесни проходи (пори), през които флуидът преминава (подобно на пясъчен дренажен слой). Частиците на замърсителя попадат и се задържат в проходите, които са изградени от плътно подредени гранули, образуващи цилиндрична структура или от влакна, пресовани в тръбовидна форма.
Най-често използвани материали за производство на обемни филтри са: целулоза (хартия), синтетични влакна, метални влакна, стъклени влакна, синтеровани метални гранули.

Замърсители
Основните типове замърсители в хидравличните системи са: заваръчни шлаки и метални пръски; късчета от уплътнителна лента; частици от резбови елементи; парченца от уплътняващи елементи; стружки; отломки от износени части; утайки от окислени масла; ръжда; вода; атмосферни прахови частици; биологични материали – косми, парченца кожа, насекоми и др.
Твърдите частици попадат в пространството между подвижни части като бутала и шибри и клапани. Те износват, надират и блокират хидравличните компоненти. Твърдите частици се отстраняват, попадайки в тесните проходи на филтърния елемент. Там могат да бъдат уловени частици с диаметър до 5 микрометра, но най-често използваните филтри задържат частици с големина до 25 микрометра.
Водата уврежда хартиените филтри, причинява корозия и нарушава смазването. Водата се отстранява чрез утаяване в резервоар, откъдето се отвежда, или чрез центрофугиране.