Выбор и применение фильтров
для очистки рабочих жидкостей в гидравлических системах мобильных машин
(Часть 1)

Безотказность и долговечность гидрооборудования зависят от многочисленных конструктивных, технологических, производственных и эксплуатационных факторов. По информации зарубежных компаний Vickers, Parker, Bosch Rexroth, Hydac, Sauer-Danfoss, специализирующихся на изготовлении гидравлического оборудования, до 70. 80% всех отказов в гидравлических системах и связанный с этим ремонт гидрооборудования возникает из-за загрязнения или применения рабочих жидкостей (РЖ), не предназначенных для гидравлического привода. Существует причинно-следственная связь между эксплуатационными свойствами РЖ и параметрами фильтрации, которые в свою очередь зависят от режимов работы и условий эксплуатации гидропривода.

После правильного выбора сорта РЖ ее очистка от загрязнений является основной практической задачей, которая решается конструкторами на стадии проектирования машин и обслуживающим персоналом в процессе эксплуатации. При соблюдении необходимых требований по очистке РЖ от загрязнений можно снизить эксплуатационные расходы в среднем наполовину. Следовательно, чистота РЖ в гидросистеме взаимосвязана с выбором системы фильтрации и применяемых фильтров, что оказывает решающее влияние на их средний ресурс и срок службы, но для этого необходимо выбрать тонкость фильтрации или класс чистоты РЖ для конкретной гидросистемы с учетом нормируемого давления и характера потока РЖ. Затем выбирают параметры фильтра, грязеемкость и исполнение индикатора загрязненности фильтроэлемента.

Последние исследования в области трибологии (наука о трении) показали, что даже небольшие вложения в разработку и производство фильтрующих устройств обеспечивают существенную прибыль. Многие зарубежные компании предлагают сейчас усовершенствованные фильтрующие устройства, которые соответствуют сертификационной системе качества ISO 9001 и обеспечивают длительный ресурс объемного гидропривода. Для технически обоснованного применения фильтров необходимо понимать термины «тонкость фильтрации» и «класс чистоты РЖ». Эти два неравнозначных, но самых распространенных оценочных показателя характеризуют эффективность фильтрации РЖ.

Под абсолютной тонкостью фильтрации (в соответствии с ГОСТ 14066–68) понимается минимальный размер частиц загрязнителей, полностью задерживаемых фильтроэлементом. В зарубежных документах это понятие подразумевает максимальный размер частиц загрязнений, пропускаемых фильтроэлементом. Фактически этот термин служит для указания наибольшего размера отверстий в фильтроэлементе и целесообразен для оценки эффективности сетчатых, щелевых и других однослойных фильтрующих материалов с геометрически упорядоченной структурой (например, квадрат, треугольник, многоугольник), исключающей наличие свободно увеличивающихся пор, щелей большого размера. Поскольку абсолютная тонкость фильтрации характеризует поперечный размер загрязнений, этот показатель соответствует максимальному диаметру ячеек (пор) фильтроэлемента. Однако нельзя гарантировать, что фильтроэлемент задержит все загрязнения большей длины, так как возможен проход длинной нитеобразной частицы с диаметром меньшим, чем размер ячейки фильтроэлемента. Абсолютная тонкость фильтрации для пористых и других материалов с неупорядоченной структурой является недостаточно точным оценочным показателем в связи с наличием случайных пор большого размера, поэтому в отечественных стандартах предусмотрено применение 95%-ной тонкости фильтрации, определяемой размером частиц, для которых коэффициент отфильтровывания φ_х = 0,95.

Под номинальной тонкостью фильтрации принято понимать минимальный размер частиц, задерживаемых фильтром, число которых составляет 90. 95% частиц такого же размера, находящихся в нефильтрованной жидкости. Номинальная тонкость фильтрации d_0,95 исключает возможность случайных ошибок и приближается к абсолютной.

Численные значения коэффициента β_x и соответствующие ему значения тонкости очистки

βx	1	2	5	10	20	75	100	200	1000	5000
Тонскости очистки, %	0	50	80	90	95	98,5	99,0	99,5	99,9	99,98

Наряду с номинальной 95%-ной тонкостью фильтрации в некоторых отечественных и зарубежных стандартах применяют 98%-ную и 50%-ную тонкость фильтрации, определяемую соответственно φ_х = 0,98 и φ_х = 0,5. Номинальная 95%-ная тонкость фильтрации связана с 50%-ной тонкостью соотношением d_0,95 = 2,829d_0,5. Отношение 50%-ной и 99%-ной (условно абсолютной) тонкости фильтрации выражается зависимостью d_0,99 = 4,19d_0,5.

При выборе фильтрующего материала для фильтра с геометрически неправильной структурой зарубежные фирмы рекомендуют пользоваться тремя критериями: коэффициентом эффективности фильтрования β_x, перепадом давлений ΔР и грязеемкостью. Коэффициент β_x характеризует отношение числа частиц определенного размера х в пробе РЖ до и после фильтра.

Коэффициент β_x определяют с помощью экспериментального теста (Multipass-Test), регламентированного нормами ISO 4572. Цель теста – исключить недостатки других экспериментальных методов и дать потребителям фильтров показатели, с помощью которых они могут сравнивать фильтры разных изготовителей. Чем больше β_x, тем лучше фильтрация. Однако на практике при β_x = 1 загрязнения не задерживаются. Если β_x Соотношение между классами чистоты РЖ по нормам ISO 4406 и ГОСТ 17216-2001

ISO 6/6/4 9/7/5 8/6 9/7 10/8 11/9 12/9 13/10 14/2 15/13 16/13 17/14 18/16 19/16 10/18 21/19 22/20 ГОСТ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Примечание. Поскольку число частиц с размером менее 10 мкм не нормируется, сравнение приведено только по числу частиц с размером более 14(15) мкм.

Чтобы обеспечивалась работоспособность аксиально-поршневых насосов, направляющих и регулирующих гидроаппаратов, требуется 7 класс чистоты по нормам NAS 1538, соответственно 16/13 класс по ISO/DIS 4406 или 11 класс по ГОСТ 17216–2001.

Для повышения долговечности всех компонентов гидропривода надо стремиться к достижению более высокого класса чистоты. Установлено, что изменение диапазона номинальной тонкости фильтрации от 25. 30 до 5. 10 мкм позволяет в 7. 8 раз уменьшить интенсивность снижения объемного к.п.д. авиационных насосов и гидромоторов. Существующий ГОСТ 17216–2001 «Промышленная чистота. Классы чистоты», определяющий степень загрязненности РЖ по массе загрязнителей, непригоден для практического применения, так как в одном и том же количестве загрязнителя по массе могут содержаться разные по своей природе и размеру частицы, по-разному влияющие на работу гидроагрегатов.

В зависимости от схемы циркуляции РЖ в гидроприводе (с разомкнутым или замкнутым потоком) существуют различные схемы фильтрации применительно к конкретной гидравлической системе, которая содержит несколько фильтров, устанавливаемых в определенной комбинации для полнопоточной или пропорциональной схемы фильтрации с учетом применяемого гидрооборудования. Обычно изготавливают фильтры по назначению и устанавливают во всасывающей, напорной и сливной гидролинии. Любой фильтр состоит из основных деталей: корпуса (головки), стакана-отстойника, переливного клапана и фильтрующего элемента, который задерживает загрязняющие частички и пропускает очищенную РЖ, а также визуального или электрического индикатора перепада давлений, сигнализирующего о загрязнении фильтроэлемента. Переливной клапан предназначен для защиты фильтроэлемента от повреждений и для поддержания заданного давления путем непрерывного слива РЖ во время работы при загрязненном фильтроэлементе или при существенном повышении вязкости РЖ, что обычно происходит при понижении температуры окружающей среды.

Сменный фильтрующий элемент состоит из верхней крышки, нижнего донышка, металлического перфорированного или сетчатого каркаса, однослойного или многослойного фильтрующего материала в виде многолучевой звезды или гофрированного с опорной металлической или полимерной сеткой и нижней опоры часто в виде пружины.

Хороший фильтр – это хороший фильтрующий элемент, поэтому его принято считать сердцем фильтра. Если загрязнения проникают в гидросистему из окружающей среды через воздушный фильтр-сапун или через уплотнения штоков гидроцилиндров и не задерживаются фильтрами, то их количество прогрессивно увеличивается. Основной причиной абразивного износа принято считать циркулирующие в гидросистеме загрязнения: они действуют на контактирующие поверхности, чем вызывают дополнительное загрязнение РЖ продуктами износа подвижных деталей гидрооборудования, и, как следствие, появляются внутренние перетечки и наружные утечки РЖ.

Износ сопряженных поверхностей гидрооборудования вызывает объемные потери мощности, переходящие в тепло, дополнительные затраты мощности на охлаждение для поддержания температурного режима, при котором к.п.д. гидропривода соответствует оптимальному тепловому режиму. Отсюда следует практическое правило: чем выше степень чистоты РЖ, тем больше наработка на отказ и ресурс гидрооборудования. Однако повышение степени очистки РЖ сопряжено с повышением перепада давлений на фильтроэлементе, т. е. гидравлического сопротивления потоку РЖ. Экспериментально установлено, что перепад давлений на фильтроэлементе прямо пропорционален величине расхода РЖ и динамической вязкости и обратно пропорционален площади фильтрующей поверхности и удельной пропускной способности, характеризующей пористость фильтрующего материала. Следовательно, площадь фильтрующего элемента зависит от проницаемости пористой среды, и чем больше пористость, тем меньше потребуется фильтрующей поверхности при других равных условиях.

Полезные статьи

Гидравлические фильтры: виды, функции и применение

В крановых манипуляторах используются мощные гидросистемы. Для поддержки нормальной работы требуется фильтрация рабочей жидкости. Гидравлический фильтр — это сменный компонент гидросистем, предназначенный для очистки масла от механических примесей и защиты элементов гидравлики КМУ.

В масле присутствуют загрязняющие компоненты: пыль, частицы ржавчины, металла, краски. Первичные загрязнения попадают в рабочую среду при монтаже гидравлики. Инородные частицы образуются при контакте движущихся элементов гидросистемы с мусором рабочей жидкости, попадают во время ремонтных работ и технического обслуживания КМУ.

Фильтры гидросистемы продлевают срок службы спецтехники. Их использование снижает вероятность поломок и аварий, позволяет избежать простоев техники.

Конструктивные элементы фильтра на гидравлику

В конструкции устройства выделяют следующие компоненты:

• колба (корпус) из нержавеющей стали, пластика, алюминия. Выбор материала корпуса зависит от условий эксплуатации рабочей жидкости;
• фильтроэлемент. Фильтрующие элементы бывают одноразовые, с базой из бумаги или стекловолокна, и предназначенные для многократного применения, из металлической сетки. Регенерируемые модификации по окончании срока службы (до 8 лет), промываются жидким составом или продуваются сжатым воздухом;
• индикатор заполнения — информирует о заполнении фильтра. Индикаторы бывают визуальные, электрические и комбинированные;
• перепускной клапан — механизм, который при достижении давления 2, 5 бара, пропускает масло мимо фильтроэлемента. Модели, не оборудованные пропускным клапаном, при заполнении могут разорваться, и тогда все загрязнения окажутся в гидравлической системе.

Классификация и принцип работы гидравлических фильтров для спецтехники

Фильтры устанавливаются на разных участках гидравлической системы кран-манипулятора. В зависимости от места установки различают напорные, всасывающие и сливные корпусные изделия.

Всасывающий гидравлический фильтр

Устройство монтируется в баке, ниже уровня рабочей жидкости или перед насосом. Функция – очистка гидромасел разных типов от грубых фракций грязи. Минеральное масло, которое помпа всасывает из емкости, сначала поступает сквозь отверстия фильтроэлемента и очищается от примесей. Далее проходит по трубопроводу и поступает к насосу. Чтобы в рабочей жидкости не появились пузырьки воздуха, важно правильно подобрать размер механизма.

• колба из целлюлозы, сетки, металлических волокон;
• рабочая температура не более 40 ºС;
• степень очистки 60-250 мкм;
• номинальная тонкость отсева 5-25мкм;
• наличие перепускного клапана в конструкции.

Достоинства элементов этой категории: низкая стоимость, простая конструкция, эффективная защита насоса. Недостаток: при установке в бак технически сложно обслуживать. Фильтрующий элемент не подлежит регенерации. После его заполнения производится замена новым.

Фильтр напорный гидравлический

Фильтр данного типа предназначен для тонкой очистки. Он монтируется после насоса перед электроклапаном, защищает плунжер клапана от механических загрязнений.

Современные модели оснащены прочным корпусом высокого давления и электрическим индикатором загрязнения. Колба съемная, ее можно менять в процессе обслуживания. Материал фильтроэлементов неорганическое волокно с пропиткой из смолы. Эксплуатационные преимущества изделий грязеемкость, проницаемость, широкая площадь фильтрации. Заменить фильтрующий элемент можно с помощью шестигранного ключа.

Срок службы напорных фильтрующих компонентов гидросистемы КМУ довольно длительный, диапазон температур рабочей жидкости плюс 1-80 ºС, окружающей среды минус 40 -плюс 40 ºС.

Фильтр сливной гидравлический (обратный)

Устройство устанавливается перед сливом масла в бак, предназначено для тончайшей фильтрации рабочей жидкости. Идеальная жесткость закрепления, простота обслуживания достигаются при монтаже в верхней крышке бака с погружением в масло. Ввиду расположения в конце магистрали, сливные фильтры рассчитаны на минимальное давление. Чем больше размер элемента, тем выше грязеемкость. Корпус выполняется из чугуна или алюминия. Фильтроэлемент представляет собой цилиндр из гофрированного химического волокна или бумаги. Снаружи, для придания жесткости конструкции, в некоторых моделях устанавливается металлическая сетка.

Как правило, сливные фильтры устанавливаются парно. Если один засоряется, масляная магистраль переключается на другой, поэтому спецтехника не простаивает.

Решетчатые, щелевые, поверхностные фильтры для гидросистем манипуляторов

Фильтрующий элемент решетчатых изделий – металлическая сетка с плотным плетением. Она задерживает только крупные фракции грязи, после очистки может использоваться повторно.

Щелевые модели выполнены из металлических пластин, обработанных смолой. В конструкции – стакан, крышка и ось с закрепленными пластинами. Стык между крышкой и корпусом уплотняется резиновым кольцом. Пластинчатые устройства отличаются более высокой очищающей способностью.

Наиболее популярны в гидравлических системах КМУ поверхностные устройства. Их фильтроэлемент сделан из специальной бумаги или синтетической нетканой основы. У него отличная фильтрующая способность и устойчивость к механическим повреждениям.

В зависимости от объема пропускаемой жидкости, фильтрующие масляные фильтры гидравлики бывают:

• частичнопоточными — устанавливаются параллельно системе подачи масла, поэтому пропускают только часть рабочей жидкости. Система очистки отличается низкой степенью эффективности;
• полнопоточными — монтируются непосредственно в гидросистему и пропускают через себя все масло. При подключении внутрь такого фильтра или в его кожух монтируется клапан обхода;
• комбинированными. Модели объединяют свойства описанных выше вариантов, их использование дает высокую степень очистки.

Перечисленные типы бывают в картриджном исполнении, когда фильтрующий элемент вставляется в кожух, и в корпусном. Корпусный фильтр меняется вместе с элементом очистки.

Масляный фильтр для гидравлики: критерии выбора

От фильтра прямо зависит энергоэффективность и надежность гидравлики. Чтобы сделать грамотный выбор, нужно учесть место установки, характеристики рабочей жидкости, температурные условия. Прочность шторы фильтрэлемента должна обеспечивать равномерное прохождение рабочей среды по всей поверхности, не деформироваться на предельных режимах.

Важные параметры фильтрующих систем:

• тонкость фильтрации (определяется для самого чувствительного компонента гидросистемы);
• количество рабочих циклов;
• степень очистки;
• поглощающая способность фильтрующего элемента.

Для увеличения интервала замены рекомендуется использовать модели с большей грязеемкостью. Сетчатые фильтры поверхностного типа восстанавливают очисткой в ультразвуковых ваннах. Но регенерация не дает 100% эффекта. После очередного цикла отмечается усталость металла, разрушается структура, через определенное количество чисток изделие нужно менять.

Особенности эксплуатации гидравлических фильтроэлементов

70% неисправностей гидравлических систем КМУ связаны с рабочими жидкостями. Часто именно масло является причиной проблем. Это случается, если используется масло неподходящего типа или не соответствующее сезону работы.

Владельцы кран-манипуляторов часто пренебрегают фильтрацией. Но практика показывает, что две трети отказов техники связаны с загрязнением масла.

Важно помнить, что гидрофильтры чувствительны к перепадам температуры, колебаниям рабочего давления. При остывании масла могут наблюдаться скачки давления. При снижении температуры увеличивается его вязкость. При прохождении рабочей жидкости через фильтр материал может деформироваться, разрушиться в местах складок, что снижает КПД работы.

Для продолжительной работы манипуляторов нужно соблюдать правила обслуживания, эксплуатации, но важно помнить, что фильтрация – ключевой аспект штатного функционирования спецтехники.

Наша компания ООО «КранАвтоЗапчасть» готова предоставить все виды гидравлических фильтров для кран-манипуляторных установок Soosan, Unic, Todano, Kanglim, Hiab и Dong Yang.