Часто задаваемые вопросы об управлении загрязнением гидравлических систем

Гидравлические жидкости играют центральную роль в функционировании олеодинамических контуров. Их основная функция заключается в передаче мощности и энергии, что является фундаментальным для работы гидравлических систем. Помимо этой ключевой задачи, гидравлические жидкости выполняют ряд дополнительных, но не менее критически важных функций, таких как смазка движущихся поверхностей, защита компонентов от коррозии и износа, а также эффективное охлаждение элементов системы путем обмена теплом с поверхностями.  

Несмотря на тщательно подобранные характеристики и свойства, гидравлические жидкости неизбежно подвержены загрязнению. Это не просто эксплуатационная проблема, а фундаментальная особенность, присущая любым гидравлическим системам, которую необходимо учитывать на всех этапах — от проектирования до повседневной эксплуатации. Накопление загрязняющих веществ в жидкости является одной из наиболее значимых причин сбоев, отказов и преждевременной деградации гидравлических компонентов. Хотя полное исключение загрязнений практически невозможно, их эффективный контроль и управление с помощью соответствующих устройств и стратегий являются абсолютно необходимыми мерами.  

1. Гидравлические жидкости

Что такое гидравлическая жидкость и каковы ее функции?

Гидравлическая жидкость — это среда, которая передает энергию в олеодинамическом контуре. Помимо передачи энергии, она выполняет функции смазки, защиты и охлаждения поверхностей.

• Смазка: Гидравлическая жидкость обеспечивает смазку движущихся поверхностей внутри системы, снижая трение и предотвращая износ компонентов.  
• Защита: Она защищает внутренние металлические поверхности от коррозии и других видов деградации, обеспечивая долговечность системы.  
• Охлаждение: Жидкость эффективно обменивается теплом с поверхностями компонентов, способствуя их охлаждению и поддержанию оптимальной рабочей температуры, что критически важно для предотвращения перегрева и деградации.

Какие существуют основные типы гидравлических жидкостей?

Согласно стандартам, гидравлические жидкости классифицируются по следующим семействам:

• Минеральные масла: Это наиболее широко используемые жидкости, получаемые из нефти, известные своей доступностью и хорошими эксплуатационными характеристиками.  
• Огнестойкие жидкости: Эти жидкости обладают присущими характеристиками негорючести или очень высокой температурой вспышки, что делает их незаменимыми в условиях, где существует риск возгорания.  
• Синтетические жидкости: Представляют собой химически модифицированные продукты, разработанные для достижения специфических, оптимизированных характеристик. Они могут обеспечивать улучшенную стабильность, производительность в экстремальных температурных условиях или повышенную устойчивость к деградации.  
• Экологические жидкости: Эти жидкости синтетического или растительного происхождения характеризуются высокой степенью биоразлагаемости, что минимизирует их воздействие на окружающую среду в случае утечек или утилизации.  

Какие параметры влияют на выбор гидравлической жидкости?

Выбор жидкости для гидравлической системы зависит от нескольких параметров. Эти параметры могут негативно сказаться на работе системы, вызывая задержку в управлении, кавитацию насоса, чрезмерное поглощение, повышение температуры, снижение эффективности, увеличение дренажа, износ, заклинивание или попадание воздуха в установку.

Основные свойства, характеризующие гидравлические жидкости и влияющие на их выбор, включают:

• Динамическая вязкость: Определяет сопротивление жидкости скольжению из-за взаимодействия частиц, образующих ее.
• Кинематическая вязкость: Широко используемое формальное измерение в гидравлике. Рассчитывается как отношение динамической вязкости к плотности жидкости. Она изменяется с изменением температуры и давления.
• Индекс вязкости: Выражает способность жидкости поддерживать вязкость при изменении температуры. Высокий индекс вязкости указывает на способность жидкости ограничивать изменения вязкости при изменении температуры.
• Индекс фильтруемости: Значение, указывающее на способность жидкости проходить через фильтрующие материалы. Низкий индекс фильтруемости может привести к преждевременному засорению фильтрующего материала.
• Рабочая температура: Влияет на основные характеристики жидкости. При выборе гидравлического масла необходимо учитывать условия окружающей среды, в которых будет работать машина.
• Модуль сжимаемости: Идентифицирует увеличение давления, необходимое для соответствующего увеличения плотности.
• Гидролитическая стабильность: Характеристика, предотвращающая гальванические пары, которые могут вызвать износ в системе/установке.
• Антиоксидантная стабильность и защита от износа: Эти свойства означают способность гидравлического масла предотвращать коррозию металлических элементов внутри системы.
• Теплопередача: Характеристика, указывающая на способность гидравлического масла обмениваться теплом с поверхностями и охлаждать их.

2. Загрязнение жидкости

Что такое загрязнение жидкости и каковы его источники?

Загрязнение жидкости неизбежно, независимо от ее природы и свойств. Загрязнение может иметь два источника:

• Первичное загрязнение: Возникает в результате введения уже загрязненной жидкости в контур. Это может произойти из-за неправильного хранения, транспортировки или перекачки жидкости. Такая ситуация подчеркивает важность поддержания чистоты на всех этапах обращения с маслом, начиная от поставщика и заканчивая заправкой в систему.  
• Прогрессирующее загрязнение: Вызывается факторами, связанными с непрерывной работой системы. К ним относятся:
  • Износ металлических поверхностей и уплотнений: Естественный процесс износа компонентов генерирует частицы, которые попадают в жидкость.  
  • Окисление или деградация самой жидкости: Химические изменения в жидкости со временем могут приводить к образованию шлама и лаков.  
  • Попадание загрязнителей во время технического обслуживания: Несоблюдение чистоты при замене фильтров, доливке масла или ремонте может привести к попаданию внешних частиц.  
  • Коррозия: Химическое или электрохимическое взаимодействие между жидкостью и компонентами может вызывать образование коррозионных продуктов.  
  • Кавитация: Образование и схлопывание пузырьков в жидкости может вызывать эрозию поверхностей и генерировать частицы. 

Какие бывают типы загрязнения гидравлических систем?

Загрязнение гидравлических систем может быть различного характера:

• Твердое загрязнение: Например, ржавчина, шлак, металлические частицы, волокна, частицы резины или краски, или присадки.
• Жидкое загрязнение: Например, присутствие воды из-за конденсации или внешнего проникновения, или кислот.
• Газообразное загрязнение: Например, присутствие воздуха из-за недостаточного уровня масла в баке, дренажа во всасывающих трубопроводах, неправильного размера труб или баков.

3. Влияние загрязнения на гидравлические компоненты

Каковы основные последствия загрязнения?

Твердое загрязнение признано основной причиной неисправностей, отказов и ранней деградации в гидравлических системах. Полностью удалить его невозможно, но его можно эффективно контролировать с помощью соответствующих устройств.

Основные последствия твердого загрязнения:

• Истирание поверхностей: Причина утечек через механические уплотнения, снижения производительности системы, отказов.
• Эрозия поверхностей: Причина утечек через механические уплотнения, снижения производительности системы, изменения настройки управляющих компонентов, отказов.
• Адгезия движущихся частей: Причина отказа из-за отсутствия смазки.
• Повреждения из-за усталости: Причина поломок и разрушения компонентов.
• Изменение свойств жидкости (модуля сжимаемости, плотности, вязкости): Причина снижения эффективности и управляемости системы.

Легко понять, что система без надлежащего управления загрязнением подвержена более высоким затратам, чем система, которая его обеспечивает.

• Обслуживание: Деятельность по техническому обслуживанию, запасные части, затраты на остановку машины.
• Энергия и эффективность: Снижение эффективности и производительности из-за трения, дренажа, кавитации.

Жидкое загрязнение в основном приводит к ухудшению смазывающих свойств и защитных функций жидкости. Последствия включают:

• Растворенная вода: Приводит к повышению кислотности жидкости. Причина коррозии поверхности и преждевременного окисления жидкости.
• Гальванические пары при высоких температурах: Причина коррозии.
• Свободная вода - дополнительные эффекты: Ухудшение смазывающих свойств. Причина образования ржавчины и шлама, коррозии металлов и увеличения твердого загрязнения. Создание колоний бактерий. Причина ухудшения фильтруемости. Создание льда при низких температурах. Причина повреждения поверхности. Истощение присадок. Свободная вода удерживает полярные присадки.

Газообразное загрязнение в основном приводит к снижению производительности системы. Последствия включают:

• Колебания давления: Причина повышенного шума и кавитации.
• Окисление жидкости: Причина ускорения коррозии металлических деталей.

4. Измерение уровня твердого загрязнения

Как измеряется уровень загрязнения?

Уровень загрязнения системы определяет количество загрязнителя, содержащегося в жидкости , и относится к единице объема жидкости. Уровень загрязнения может отличаться в разных точках системы. Уровень загрязнения сильно зависит от условий работы системы, ее срока службы и условий окружающей среды. Анализ уровня загрязнения имеет значение только при проведении унифицированным и повторяемым методом, с использованием стандартных методов испытаний и калиброванного оборудования.

Какие стандарты используются для измерения уровня загрязнения?

Международная организация по стандартизации (ISO) выпустила ряд стандартов, позволяющих проводить испытания и выражать измеренные значения следующими способами:

• Гравиметрический уровень ISO 4405: Уровень загрязнения определяется путем проверки веса частиц, собранных лабораторной мембраной. Мембрана должна быть очищена, высушена и обезвожена, с жидкостью и условиями, определенными Стандартом. Объем жидкости фильтруется через мембрану с использованием подходящей системы отсоса. Вес загрязнителя определяется путем проверки веса мембраны до и после фильтрации жидкости.
• Кумулятивное распределение размера частиц - ISO 4406: Уровень загрязнения определяется путем подсчета количества частиц определенных размеров на единицу объема жидкости. Измерение выполняется автоматическими счетчиками частиц (APC). По результатам подсчета определяются классы загрязнения, соответствующие количеству обнаруженных частиц в единице жидкости. Наиболее распространенные методы классификации соответствуют стандартам ISO 4406 и SAE AS 4059 (аэрокосмический сектор).
  • ISO 4406:2017: Код чистоты, полученный при микроскопическом подсчете, дается только двумя шкалами, соответствующими частицам размером 5 μm и 15 μm (что эквивалентно 6 μm(c)​ и 14 μm(c)​ для APC). Пример классификации по ISO 4406: код относится к количеству частиц размером 4,6 или 14 μm или более в 1 мл жидкости.
• Кумулятивное распределение размера частиц SAE AS 4059-1 и SAE AS 4059-2: Этот код, разработанный для аэрокосмической промышленности, основан на размере, количестве и расстоянии между частицами в 100 мл образца жидкости. Классы загрязнения определяются числовыми кодами, а размер загрязнителя — буквами (A-F). Возможны дифференциальные (Таблица 1) или кумулятивные (Таблица 2) измерения.
• Классы загрязнения согласно NAS 1638 (январь 1964): Система NAS была первоначально разработана в 1964 году для определения классов загрязнения для загрязнений, содержащихся в компонентах самолетов. Ее применение было расширено на промышленные гидравлические системы просто потому, что в то время не существовало ничего другого. Система кодирования определяет максимально допустимое количество частиц в объеме 100 мл в различных интервалах размеров (дифференциальный подсчет), а не кумулятивный, как в ISO 4406:1999. Классы загрязнения определяются числом (от 00 до 12), которое указывает максимальное количество частиц на 100 мл, подсчитанных на дифференциальной основе, в заданном диапазоне размеров.
• Кумулятивное распределение размера частиц - ISO 4407: Уровень загрязнения определяется путем подсчета количества частиц, собранных лабораторной мембраной, на единицу объема жидкости. Измерение проводится с помощью микроскопа. Мембрана должна быть очищена, высушена и обезвожена, с жидкостью и условиями, определенными Стандартом. Объем жидкости фильтруется через мембрану, используя подходящую систему отсоса. Уровень загрязнения определяется путем деления мембраны на заранее определенное количество областей и подсчета частиц загрязнителя с использованием подходящего лабораторного микроскопа.

Существуют ли таблицы для сравнения классов чистоты по разным стандартам?

Хотя стандарт ISO 4406:2017 широко используется в гидравлической промышленности, иногда требуются другие стандарты, и может быть запрошено сравнение. Таблица ниже дает очень общее сравнение, но часто прямое сравнение невозможно из-за различных классов и размеров частиц.

5. Технологии фильтрации

Какие механизмы используются для снижения уровня загрязнения?

Для снижения уровня загрязнения могут использоваться различные механизмы, такие как механическая остановка, магнетизм, гравитационное осаждение или центробежное разделение. Метод механической остановки является наиболее эффективным и может осуществляться двумя способами:

• Поверхностная фильтрация: Загрязняющие частицы собираются на поверхности фильтрующего элемента. Фильтр предотвращает прохождение частиц, размер которых превышает размер пор. Поверхностные фильтры обычно изготавливаются из металлической сетки или проволоки. Они имеют небольшую грязеемкость, что значительно сокращает их срок службы по сравнению с глубинными фильтрами. Эффективность проволочных сетчатых фильтров определяется как максимальный размер частиц, которые могут пройти через ячейки фильтрующей сетки.
• Глубинная фильтрация: Частицы грязи проникают в фильтрующий материал и задерживаются его структурой. Фильтры создаются путем переплетения волокон. Такие обертывания образуют пути различных форм и размеров, в которых частицы остаются запертыми, когда они находят отверстия меньшего диаметра, чем их собственный. Глубинные фильтры обычно изготавливаются из бумаги, пропитанной фенольными смолами, металлических или неорганических волокон. При фильтрации неорганическими волокнами, обычно называемой микроволокном, фильтрующие слои часто накладываются друг на друга для увеличения способности удерживать загрязнитель. Эффективность микроволоконной и бумажной фильтрации (BX(c)​) определяется с помощью лабораторного испытания "Многопроходный тест" (Multipass Test). Значение эффективности (BX(C)​) определяется как отношение количества частиц определенного размера, обнаруженных до и после фильтра.

Какие еще важные характеристики фильтров проверяются при испытаниях?

Помимо значения эффективности фильтрации, во время многопроходного теста также проверяются другие важные характеристики, такие как стабильность фильтрации ($B$ стабильность) и грязеемкость (DHC). Низкая стабильность фильтрации является причиной ухудшения качества фильтрации по мере увеличения срока службы фильтра. Низкая грязеемкость приводит к сокращению срока службы фильтра.

6. Рекомендуемые классы чистоты

Как определяется рекомендуемый уровень фильтрации?

Независимо от природы и свойств жидкостей, они неизбежно подвержены загрязнению. Уровень загрязнения можно регулировать с помощью специальных компонентов, называемых фильтрами. Производители гидравлических компонентов, зная проблему загрязнения, рекомендуют уровень фильтрации, соответствующий использованию их продукции.

Пример рекомендуемых уровней загрязнения для давлений ниже 140 бар:

7. Типы фильтров

Какие существуют типы фильтров по их положению в системе?

Общая классификация фильтров определяется их положением в установке:

• Всасывающие фильтры: Расположены перед насосом и предназначены для защиты насоса от грязных загрязнителей. Они также обеспечивают дополнительное направление потока к всасывающей линии насоса. Изготавливаются с простой и легкой конструкцией, так как подвержены незначительным рабочим давлениям. В основном производятся с грубой поверхностной фильтрацией, обычно 60÷125 μm. Могут быть оснащены магнитной колонкой для удержания черных частиц. Обычно размещаются под уровнем жидкости для использования пьезометрического напора жидкости и снижения риска кавитации.
  • Погружные фильтры: Простой фильтрующий элемент, навинчиваемый на всасывающий трубопровод.
  • Фильтры с корпусом: Более громоздкие, но обеспечивают более простое обслуживание бака.
• Напорные (или давлетельные) фильтры: Расположены между насосом и наиболее чувствительными регулирующими и управляющими компонентами, такими как сервоклапаны или пропорциональные клапаны, и предназначены для обеспечения класса загрязнения, требуемого используемыми компонентами. Изготавливаются с более прочной и сложной конструкцией, так как подвергаются высоким рабочим давлениям. В особых случаях, при наличии агрессивных сред или жидкостей, могут быть изготовлены из нержавеющей стали. В основном производятся с глубиной фильтрации 3÷25 μm. Могут быть изготовлены с линейными соединениями, с пластинчатыми или фланцевыми соединениями или непосредственно интегрированы в блоки управления/коллекторы. Также могут быть изготовлены в дуплексной конфигурации, чтобы обеспечить обслуживание загрязненной секции даже при работающей установке без прерывания рабочего цикла.
• Возвратные фильтры: Расположены на возвратной линии к баку и выполняют задачу фильтрации жидкости от частиц, поступающих в систему извне или образующихся в результате износа компонентов. Обычно крепятся к резервуару (по этой причине также называются фильтрами для установки на верхнюю часть бака), располагаются полупогруженными или полностью погруженными. Размещение возвратных фильтров должно гарантировать, что дренаж жидкости происходит в погруженном состоянии при любых условиях эксплуатации; это позволяет избежать образования пены в баке, которая может вызвать неисправности или кавитацию в насосах. Для подбора размера возвратных фильтров необходимо учитывать наличие аккумуляторов или цилиндров, которые могут значительно увеличить расход возвратного потока по сравнению с расходом всасывания насоса. Изготавливаются с простой и легкой конструкцией, так как подвержены ограниченным рабочим давлениям. Обычно можно извлечь фильтрующий элемент, не отсоединяя фильтр от остальной системы.
• Комбинированные фильтры: Предназначены для применения в системах с двумя или более контурами. Они обычно используются в машинах с гидростатической трансмиссией, где они выполняют двойную функцию фильтрации возвратной линии и всасывающей линии насоса гидростатической трансмиссии. Фильтр оснащен клапаном, который поддерживает давление 0.5 бар внутри фильтра. Часть жидкости, возвращающейся в бак, фильтруется возвратным фильтрующим элементом, обычно с абсолютной фильтрацией, и возвращается к насосу-усилителю трансмиссии. Только избыточная жидкость возвращается в бак через клапан. Внутреннее давление фильтра и абсолютная фильтрация помогают избежать явления кавитации внутри насоса.
• Автономные (Off-line) фильтры: Обычно используются в очень больших системах/установках, размещаются в замкнутом контуре, независимом от основного контура. Они остаются в работе независимо от работы основного контура и пропускают постоянный расход. Также могут быть изготовлены в дуплексной конфигурации, чтобы обеспечить обслуживание загрязненной секции даже при работающей установке без прерывания рабочего цикла.
• Вентиляционные фильтры: Во время работы установок уровень жидкости в резервуаре постоянно меняется. Результатом этого непрерывного колебания является обмен воздухом с внешней средой. Функция вентиляционного фильтра, расположенного на баке, заключается в фильтрации воздуха, поступающего в бак для компенсации изменений уровня жидкости.

8. Параметры подбора фильтра

Какие факторы влияют на выбор фильтрующей системы?

Выбор фильтрующей системы для гидравлической системы зависит от нескольких факторов. Необходимо учитывать характеристики различных компонентов, присутствующих в установке, и их чувствительность к загрязнению. Также необходимо учитывать все задачи, которые фильтр будет выполнять в установке:

• Защита жидкости от загрязнения.
• Защита олеодинамических компонентов, чувствительных к загрязнению.
• Защита олеодинамических установок от экологических отходов.
• Защита олеодинамических установок от загрязнений, вызванных отказами компонентов.

Преимущества правильного размещения и подбора фильтров включают:

• Повышение надежности системы.
• Увеличение срока службы жидкостных компонентов.
• Сокращение времени простоя.
• Снижение количества отказов.

Каждый гидравлический фильтр описывается общими характеристиками, которые определяют возможность использования в различных областях:

• Максимальное рабочее давление (Pmax): Максимальное рабочее давление фильтра должно быть больше или равно давлению в том участке контура, где он будет установлен.
• Перепад давления (ΔP): Зависит от ряда факторов, таких как рабочая температура контура, вязкость жидкости, состояние чистоты фильтрующего элемента.
• Рабочая температура (T): Глубоко влияет на выбор материалов. Чрезмерно высокие или низкие температуры могут негативно сказаться на прочности материалов или характеристиках уплотнений.
• Эффективность фильтрации (%) / Коэффициент фильтрации ((Bx(c)​): Эффективность фильтрации является наиболее важным параметром при выборе фильтра. При выборе характеристик фильтрации необходимо учитывать потребности наиболее чувствительных компонентов системы.
• Тип жидкости: Влияет на выбор фильтров с точки зрения совместимости и вязкости. Всегда необходимо проверять фильтруемость.
• Размещение в установке: Положение фильтра в системе определяет эффективность всех характеристик фильтрации.

9. Применимые стандарты для разработки фильтров

Какие стандарты ISO регулируют разработку и испытания фильтров?

Для получения единых критериев разработки и проверки характеристик фильтров были выпущены специальные стандарты ISO для испытаний фильтров и фильтрующих элементов. Эти нормы описывают цель, методологию, условия и методы представления результатов испытаний:

• ISO 2941: Гидравлическая силовая гидравлика — Фильтрующие элементы — Проверка номинального давления разрушения/взрыва. Этот стандарт описывает метод испытания на устойчивость фильтрующих элементов к разрушению/взрыву.
• ISO 2942: Гидравлическая силовая гидравлика — Фильтрующие элементы — Проверка целостности изготовления и определение точки первого пузырька. Этот стандарт описывает метод проверки целостности собранных фильтрующих элементов.
• ISO 2943: Гидравлическая силовая гидравлика — Фильтрующие элементы — Проверка совместимости материалов с жидкостями. Этот стандарт описывает метод проверки совместимости материалов с определенными гидравлическими жидкостями.
• ISO 3723: Гидравлическая силовая гидравлика — Фильтрующие элементы — Метод испытания на осевую нагрузку. Этот стандарт описывает метод проверки осевой нагрузочной стойкости фильтрующих элементов.
• ISO 3968: Гидравлическая силовая гидравлика — Фильтры — Оценка характеристик перепада давления в зависимости от расхода. Этот стандарт описывает метод проверки перепада давления на фильтре.
• ISO 16889: Гидравлическая силовая гидравлика — Фильтры — Многопроходный метод оценки эффективности фильтрации фильтрующего элемента. Этот стандарт описывает метод проверки характеристик фильтрации фильтрующих элементов.
• ISO 23181: Гидравлическая силовая гидравлика — Фильтрующие элементы — Определение усталостной прочности потока с использованием высоковязкой жидкости. Этот стандарт описывает метод испытания на усталостную прочность фильтрующих элементов.
• ISO 11170: Гидравлическая силовая гидравлика — Последовательность испытаний для проверки эксплуатационных характеристик фильтрующих элементов. Этот стандарт описывает метод испытания характеристик фильтрующих элементов.
• ISO 10771-1: Гидравлическая силовая гидравлика — Испытание на усталость под давлением металлических корпусов, содержащих давление — Метод испытаний. Этот стандарт описывает метод проверки сопротивления гидравлических компонентов импульсному давлению.

10. Вода в гидравлических и смазочных жидкостях

Каково влияние воды на гидравлические масла?

Вода нежелательна в минеральных маслах и не водостойких жидкостях. Минеральное масло обычно имеет содержание воды 50-300 ppm (при 40∘C), которое оно может выдерживать без неблагоприятных последствий. Как только содержание воды превышает примерно 300 ppm, масло начинает выглядеть мутным. Выше этого уровня существует опасность накопления свободной воды в системе в областях с низким расходом. Это может привести к коррозии и ускоренному износу. Рекомендуется поддерживать уровень насыщения ниже 50% во всем оборудовании.

Как фильтры помогают бороться с загрязнением водой?

Вода присутствует везде: при хранении, транспортировке и обслуживании. Элементы фильтров оснащены абсорбирующим материалом, который защищает гидравлические системы как от твердых частиц, так и от загрязнения водой. Технология фильтрующих элементов доступна с неорганическим микроволоконным материалом с рейтингом фильтрации 25 мкм (обозначается WA025), обеспечивающим абсолютную фильтрацию твердых частиц до Bx(c)​=1000. Абсорбирующий материал изготовлен из водопоглощающих волокон, которые увеличиваются в размере в процессе абсорбции. Таким образом, свободная вода связывается с фильтрующим материалом и полностью удаляется из системы (ее даже нельзя выдавить).

Удаляя воду из вашей гидравлической системы, вы можете предотвратить такие ключевые проблемы, как:

• Коррозия (травление металла).
• Потеря смазывающей способности.
• Ускоренный абразивный износ в гидравлических компонентах.
• Заклинивание клапанов.
• Усталость подшипников.
• Изменение вязкости (снижение смазывающих свойств).
• Выпадение присадок и окисление масла.
• Увеличение уровня кислотности.
• Повышенная электропроводность (потеря диэлектрической прочности).
• Медленная/слабая реакция систем управления.