Принципы фильтрации рабочей жидкости в гидросистемах и методиках подбора фильтров

26.04.2021 / Это интересно 82

Принципы фильтрации рабочей жидкости в гидросистемах и методиках подбора фильтров

Из статистических данных 60% отказов машин и механизмов, оснащённых гидросистемами, приходится именно на гидравлические элементы системы, и, в свою очередь, 70% - 80% этих отказов гидравлического оборудования происходит по причине загрязнения рабочей жидкости гидросистем. Поэтому, ни один производитель техники при использовании гидроприводов в выпускаемых машинах и механизмах не вправе игнорировать эту проблему, если он ставит задачу выпуска на рынок высококачественной продукции. Для решения этой проблемы современная наука и техника могут предложить эффективные методы.

К этим методам относятся различные способы фильтрации, очистка с помощью центрифуг, применение мембранных технологий. В машиностроении наиболее часто применяются фильтры или системы фильтрации.

На рис.1 представлены конструкции фильтров, в которых реализованы перечисленные способы фильтрации.

 

а) сетчатый 

 

б) центробежный

Рис.1 Конструкции фильтров

Специалисты в области гидропривода отмечают: «…Эффективность, а зачастую даже область применения современной техники, в значительной мере определяется качеством ее обслуживания, подготовленностью персонала и оснащенностью сервисных служб. Ключевую роль при этом играет качество систем фильтрации рабочей жидкости, которые должны обеспечить, при интенсивной эксплуатации, функционирование силовых агрегатов в оптимальных режимах.»

Обеспечение требуемой промышленной чистоты рабочей жидкости позволяет:

  • многократно повысить ресурс основных агрегатов привода и существенно увеличить коэффициент готовности машин;

  • поднять производительность техники за счет увеличения КПД привода;

  • уменьшить расход топлива на 7-10 % и эксплуатационный расход рабочей жидкости на 15-25 %;

  • сократить расходы на обслуживание и ремонт гидросистем.

«Прогресс в разработке и производстве качественных фильтрующих материалов, очистителей, контрольно-измерительной аппаратуры и расчетно-аналитических методов позволяет обеспечить жесткие требования к промышленной чистоте (ГОСТ Р 51109-97) и добиться повышения эффективности использования оборудования. Реализация этих возможностей должна базироваться на комплексном подходе к проектированию, изготовлению, модернизации и эксплуатации систем фильтрации, учитывающим как конструктивные особенности техники, так и специфику режимов ее эксплуатации…». (Г.С. Бродский Выбор оптимальных параметров систем фильтрации при разработке и эксплуатации горных машин).

Для унификации требований к чистоте рабочей жидкости гидросистем разработан ряд стандартов ISO, NAS, ГОСТ и некоторые отраслевые. Наиболее часто применяется стандарт ISO4406:1999. По этому стандарту класс чистоты рабочей жидкости описывается тремя классификационными числами, обозначающими концентрацию частиц больше 4, 6 и 14 мкм соответственно на 100 мл рабочей жидкости, сведёнными таблицу 1.

Таблица 1 Классы чистоты рабочей жидкости гидросистем.


                                                                                                           

Например, если класс чистоты рабочей жидкости имеет код 21/18/15 по ISO4406:1999, то это значит, что в 100 мл рабочей жидкости, концентрация частиц должна быть всегда в пределах:

  • от 1000000 до 2000000 частиц ≥ 4 мкм

  • от 130000 до 250000 частиц ≥ 6 мкм

  • от 16000 до 32000 частиц ≥ 14 мкм

Класс чистоты рабочей жидкости по ISO4406:1999 или по ГОСТ 17216-2001 указывается производителями гидравлических устройств, как паспортная характеристика, требующая соответствующего качества рабочей жидкости для данного устройства. Производители компонентов гидросистем проводят тестирование своей продукции на предмет зависимости работоспособности своей продукции от чистоты рабочей жидкости, указывая в технических характеристиках требуемый её класс чистоты.

Конструктор, при проектировании гидроприводов, анализируя требования по классу чистоты по всем применённым им компонентам от гидронасоса до исполнительного механизма, комплектует свою гидравлическую систему соответствующей системой фильтров, ориентируясь на самый чувствительный к чистоте элемент. В РФ действует ГОСТ 17216-2001 «ЧИСТОТА ПРОМЫШЛЕННАЯ. Классы чистоты жидкостей», в котором приведено соответствие кодировок с ISO4406:1999.

Класс чистоты важнейшая характеристика рабочей жидкости гидросистемы, и современное производство гидрофицированной техники должно иметь приборы контроля или лабораторию, с помощью которых определяется класс чистоты рабочей жидкости после сборки и обкатки техники перед отгрузкой потребителю.

Чтобы достичь необходимого класса чистоты методом фильтрации, конструктор должен принять во внимание механизм этого процесса с учётом специфики современных фильтроматериалов и конструкции фильтров.

Как правило, в машиностроении, фильтры представляют собой узлы гидравлических систем, состоящих из корпуса, в который устанавливаются один или реже несколько картриджей из материалов фильтрации, дооборудованными датчиками засорения, байпасными и другими клапанами элементами  присоединения в гидравлическую линию рис.2.

         

Рис.2 Блок фильтров гидросистемы и конструкция катриджного фильтра

Сама фильтрация, происходит на сменном фильтроэлементе, который является инструментом очистки от загрязнений. На рис.3 показаны фильтроэлементы.


Рис.3 Фильтроэлементы

Процесс фильтрации делится на «поверхностную» и фильтрацию «по глубине фильтрующего слоя». Поверхностная фильтрация подразумевает отфильтровывание частиц на поверхности фильтроэлемента. В этом случае материалом часто бывает металлическая сетка рис.4, с определённым размером ячейки, в которой задерживаются все частицы более крупного размера, чем размер ячейки.

      

Рис.4 Металлическая сетка


Фильтрация «по глубине фильтрующего слоя» (объёмная фильтрация) удерживает частицы  своей толщиной, микроструктурой переплетённых волокон. В этом случае используются  фильтровальная бумага, тканое, нетканое волокно, полиэстер, одно – многослойные элементы фильтра рис 5..

   

       Схема объёмной фильтрации

     

Фильтровальная бумага Неорганическое стекловолокно


   Рис.5 Элементы объёмной фильтрации

Из практического опыта сложно и дорого соблюсти класс чистоты по ISO4406:1999, применяя поверхностную фильтрацию, потому что необходимо использовать сетку с ячейкой, заведомо меньшего размера чем 4 мкм, обеспечивая абсолютную фильтрацию всех частиц, что с одной стороны излишне, а с другой стороны невозможно обеспечить приемлемую продолжительность работы фильтра до его засорения.

При фильтрации «по глубине фильтрующего слоя» подразумевается, что жидкость проходит через фильтроматериал оставляя в нём частицы всех размеров из нормального ряда чисел от 2, 3, 4 мкм…40 (предел видимости глаза) и выше, застревая между волокнами материала в определённой постоянной пропорции, зависящей от структуры, количества и толщины волокон слоя.

Этой пропорции дали название ß (БЕТА). Эта характеристика фильтроматериала, представляющая отношение количества частиц до фильтра к количеству частиц после фильтра, построенного по всем целым размерам частиц загрязнения, начиная с 2 мкм. Например, для частиц размером 10 мкм формула для ß имеет вид:

 ß10 = (n входа = X μm) : (n выхода = X μm) ,

где «n» - число частиц = X (размер), мкм до фильтра и после фильтра.
Например. если имеем 100000 частиц 10 мкм до фильтра и 1000 частиц того же размера после прохождения фильтра, то


           ß10 = 100000 : 1000 = 100

Современный производитель систем фильтрации для машиностроения обязан иметь и предоставлять ß (БЕТА) характеристику по всем видам своих производимых фильтроэлементов работающих «по глубине фильтрующего слоя».

В процесс фильтрации происходят потери энергии жидкости при прохождении через фильтр. Загрязняется и фильтроматериал. И как следствие у фильтроэлементов изменяются рабочие характеристики: площадь фильтрующей поверхности фильтроэлемента (см2) и грязеёмкость (г). Эти параметры определяют ресурс его работы и перепад давления разрушения на нём (бар). От них зависит потеря энергии жидкости при прохождении через него.

Таким образом: ß (БЕТА) – характеристика, площадь фильтрующей поверхности (см2), грязеёмкость (г), перепад давления разрушения (бар) в совокупности являются рабочими характеристиками фильтроэлемента, его паспортными и качественными характеристиками.

Компания UFI FILTERS HYDRAULICS S.p.A. изначально была открыта, как производитель гидравлических фильтров, ориентированный на сертифицированное производство продукции, отвечающей стандарту ISO4406:1999. Позднее были внесены инвестиции в производство собственных фильтроматериалов «по глубине фильтрующего слоя» типа многослойного неорганического стекловолокна. Была открыта сборочная линия по производству фильтроэлементов и гидравлических фильтров в сборе. Линейка выпускаемых фирмой фильтров полностью покрывает машиностроительные нужды, а производство отвечает системе менеджмента качества UNI EN ISO 9001:15–IATF 16949:16–UNI EN ISO 14001:15.

Отдельное внимание уделено тестированию собственной продукции, для чего создана собственная сертифицированная лаборатория, где готовая продукция тестируется по следующим стандартам:

- ISO 10771: Испытание корпусов на усталостную прочность при циклических и пиковых нагрузках.

-Испытаниям по подтверждению рабочей температуры, герметичности и пр.

- ISO 2941: Испытание на прочность фильтрующего элемента методом прокачки загрязнённой жидкости через него до достижения установленного перепада давления и перепада давления разрушения

- ISO 2942: Испытания воздухом, при котором устанавливается целостность фильтрующего элемента по появлению первого пузырька и локализация пор по прохождению пузырьков

-  ISO 2943: Испытания на совместимость с жидкостями

- ISO 3723: Испытания под торцевой нагрузкой. Испытание, в ходе которого нагружают торец фильтрующего элемента и проверяют, происходит ли из-за этого осевая деформация.

- ISO 3724: Испытания на усталостную прочность при пульсациях перепада давления происходящую при пульсирующем расходе.

- ISO 3968: Испытания устанавливающие соотношения между перепадом давления на фильтроэлементе, расходом и вязкостью рабочей жидкости.

На трёх стендах лаборатории проводятся испытания по ISO 16889, где паспортные характеристики, (Beta характеристика, грязеёмкость, площадь поверхности, перепад давления разрушения) снимаются по стандарту ISO16889 многопроходного моделирования с образцов фильтроэлементов, берущихся из каждой новой произведённой партии. На рис.6 представлена схема стенда.


Рис.6 Схема стенда испытания фильтроэлементов по ISO 16889

Результатом тестирования материалов являются ß (БЕТА) характеристики рис.7.

   

FA – неорганическое волокно 5 мкм или ß5 = 1000

FB – неорганическое волокно 7 мкм или ß7 = 1000

FC – неорганическое волокно 12 мкм или ß12 = 1000

FD – неорганическое волокно 21 мкм или ß21 = 1000

Рис.7 ß (БЕТА)  характеристики

Примечание: Понятие тонкости фильтрации используется только для того, чтобы материалы как-то идентифицировать, - для неорганического волокна тонкость фильтрации X понимается, когда ßx = 1.000. Например, для материала FD (неорганическое волокно 21 мкм) мы имеем ß21 = 1.000 (см. график) .

Если бы в процессе эксплуатации техники загрязнения не попадали в гидросистему, жидкость бы очищалась установленными фильтрами за 7..9 проходов через фильтр до самых высоких классов чистоты, однако это не так, потому что загрязнения поступают из вне  и вырабатываются самой системой постоянно, и интенсивность поступления загрязнений в систему составляет порядка 1000000 шт/л/час для строительной и дорожной техники. Соответственно соблюдение класса чистоты является сложной задачей, так как необходимо постоянно поддерживать баланс между количеством поступающих в систему и количеством отфильтрованных частиц. Возникает вопрос -как правильно подобрать материал фильтрации и определится с ß (БЕТА) – характеристикой удовлетворяющей требующемуся классу чистоты?

Компания UFI FILTERS HYDRAULICS предлагает таблицу 2 подбора применения материала фильтрации в зависимости от требуемого класса чистоты рабочей жидкости и типа гидрооборудования. Данные в этой таблице получены на основании статистики.

Таблица 2


Если в системе требуется определённый класс чистоты, например 20/18/15, то рекомендуется применить материал фильтрации FD ß21 > 1000.

Также следует принять во внимание, что система фильтрации подразумевает установку как одного, так и нескольких фильтров, и, если фильтры устанавливать последовательно, то общая ß (BETA системы) = ß1 х ß2 х ß3… если же параллельно, то ß (BETA системы) = Q общ/(Q1/ ß1 + Q2/ ß2 + Q1/ ß1 …) где Q расходы соответствующих контуров.

Определившись c (БЕТА) – характеристикой конструктору можно подобрать всю систему фильтрации, для этого необходимо:

1. Выбрать фильтры по месту установки. Фирма UFI FILTERS предлагает четыре типа фильтров по месту установки из каталога.

Таблица 3


а также множество нестандартных решений.

2.        Определится с реальным расходом, проходящим через фильтр (для всасывающих/напорных – равен расходу насоса, для сливных 2...2,5 от расхода насоса)

3.        Умножить его на коррекционный фактор влияния поступления загрязнений из окружающей среды предполагаемого места работы проектируемой машины Таблица 4

      

4.        Далее следует выбирать серии фильтров исходя из расходно - перепадных характеристик по каждому фильтру, приведённому в каталоге UFI HYDRAULICS по получившемуся реальному расходу следуя рекомендациям:

Перепад давления на фильтре с чистым элементом при получившемся реальном расходе не должен превышать ·

- 3 кПа (0,03 бар) – максимум у всасывающих фильтров

-·35÷50 кПа (0,35÷0,5 бар) - максимум у сливных фильтров

-· 35÷50 кПа (0,35÷0,5 бар) - максимум у напорных фильтров при рабочем давлении  < 11 МПа (110 бар)

-· 50÷150 кПа (0,50÷1,5 бар) - максимум у напорных фильтров при рабочем давлении > 11 МПа (110 бар)

При этом нужно обращать внимание на максимальное рабочее давление

5.        Если вязкость рабочей жидкости отличается от 32 сСт, в п.3 следует внести ещё один коррекционный фактор по перепаду давления

-· Для вязкости ≤ 150 сСт, Δp1 = Δp0 x (V1 : 30)

-· Для вязкости > 150 сСт, Δp1 = Δp0 x [V1 : 30 + (V1 : 30)] : 2

Δp1, перепад давления при заданной вязкости, Δp0 перепад давления при коэффициенте кинематической вязкости 32 сСт

6.         Определиться с необходимостью и настройками байпасных клапанов

7.        Определиться с выбором индикатора загрязнённости

8.        Проверить габариты - 3D модели, которые приведены на сайте UFI HYDRAULICS

Проверить температуру окружающей среды, химическую совместимость с рабочими жидкостями

9.        Используя программу с сайта UFI FILTERS, проверить сделанный выбор, вводя исходные данные, или обратиться за консультацией к нашим специалистам.

На рис. 8 приведен пример системы фильтрации гидросистемы компактного дорожного пылесоса.

   

Рис. 8 Система фильтрации гидросистемы 




Статью подготовил ведущий инженер Группа "Гидравликовъ"

Соловьев А.Ю.

e-mail: solovyev@gidravlikov.ru 

Тел.: 8(495)505-63-23, доб. 117

Соавтор статьи: Бриммер Н. А.

Редакция статьи: 

Доцент, к.т.н.

Артюшин Ю.В


Смотрите также:


Назад в категорию
Отправить ссылку
Ссылка скопирована