Filtrazione idraulica: codici di purezza ISO, selezione degli elementi filtranti e controllo della contaminazione

1. Introduzione

L'affidabilità del funzionamento dei sistemi idraulici nella produzione industriale dipende direttamente dalla purezza del fluido di lavoro. La ricerca mostra che fino al 70-80% dei guasti dei componenti idraulici come pompe, valvole, motori idraulici e cilindri sono causati dalla contaminazione del fluido. Ciò comporta usura prematura, tempi di inattività non programmati delle apparecchiature, costi significativi di riparazione e sostituzione dei componenti e riduzione della produttività complessiva della produzione. Un sistema di filtraggio adeguatamente progettato e mantenuto è un elemento fondamentale per garantire la longevità e l'efficienza delle apparecchiature idrauliche. Questo articolo fornisce una panoramica tecnica approfondita dei principi di filtrazione idraulica, degli standard di pulizia e dei metodi per selezionare e implementare soluzioni efficaci di controllo dell'inquinamento.

2. Principi fondamentali

2.1. Tipi e fonti di inquinamento

La contaminazione dei fluidi idraulici è suddivisa in diversi tipi principali:

• Particelle solide: Particelle metalliche soggette a usura (acciaio, bronzo, alluminio), polvere, fibre, prodotti liquidi di ossidazione. Le dimensioni di queste particelle variano da micrometri a diverse centinaia di micrometri. Anche le particelle di dimensioni comprese tra 5 e 15 micron, invisibili a occhio nudo, possono causare una significativa usura abrasiva sulle superfici di precisione dei componenti idraulici.
• Acqua: può entrare nel sistema dall'aria attraverso i filtri di respirazione, durante i cambi di fluido, attraverso guarnizioni che perdono. L'acqua accelera l'ossidazione del liquido, provoca corrosione, riduce il potere lubrificante, favorisce la cavitazione e può portare alla distruzione degli additivi.
• Aria: l'aria disciolta o libera può causare cavitazione, aumentare la compressibilità del fluido incidendo sulla precisione del controllo e accelerare l'ossidazione.

Fonti di inquinamento:

• Incorporato: Residui di produzione dei componenti, incrostazioni, polvere dopo l'installazione di un nuovo sistema o la riparazione.
• Ingresso: Polvere dall'ambiente dovuta a guarnizioni che perdono di cilindri, aste, filtri di respirazione dei serbatoi, sporco durante la sostituzione del fluido.
• Generato da: Prodotti di usura di parti mobili (pompe, valvole, cilindri), prodotti di ossidazione del fluido idraulico sotto l'influenza della temperatura.

2.2. Meccanismi di filtraggio

Gli elementi filtranti funzionano secondo diversi principi:

• Filtrazione superficiale: le particelle vengono trattenute sulla superficie del materiale filtrante. Di solito si tratta di reti o membrane sottili. Efficace per particelle di grandi dimensioni.
• Filtrazione profonda: le particelle vengono intrappolate nello strato di materiale poroso. Questo meccanismo viene utilizzato nella maggior parte dei filtri idraulici, dove il materiale è costituito da numerose fibre disposte in modo casuale che formano un labirinto per il liquido.
• Assorbimento: alcuni filtri possono assorbire acqua o altri inquinanti polari grazie a materiali speciali.

2.3. Coefficiente beta (βx)

L'efficienza del filtraggio è quantificata dal coefficiente Beta (βx), che è determinato dallo standard ISO 16889 (test multipass). Questo rapporto mostra quante volte più particelle di una certa dimensione (x micrometri) vengono trattenute dal filtro rispetto a quelle che lo attraversano.

Formula del coefficiente beta:

βx = (Numero di particelle con dimensione ≥ x μm prima del filtro) / (Numero di particelle con dimensione ≥ x μm dopo il filtro)

Ad esempio, β5 = 200 significa che per ogni 200 particelle di 5 µm o più che entrano nel filtro, solo una particella della stessa dimensione lo attraversa. Ciò corrisponde a un'efficienza di filtrazione di (200-1)/200 * 100% = 99,5% per particelle di 5 μm e più grandi. Più alto è il valore βx, più efficiente è il filtro. Per i moderni sistemi idraulici ad alte prestazioni, i valori raccomandati di βx(c) ≥ 1000 per le dimensioni critiche delle particelle.

3. Caratteristiche tecniche e norme

3.1. Codici di purezza ISO 4406

Lo standard internazionale ISO 4406:2017 (precedentemente ISO 4406:1999, ancora ampiamente utilizzato) è il metodo principale per classificare la purezza dei fluidi idraulici. Imposta un codice a tre cifre che rappresenta la quantità di solidi in 1 ml di liquido per tre diverse dimensioni:

1. Primo numero: numero di particelle ≥ 4 μm (ISO 4406:2017) o ≥ 2 μm (ISO 4406:1999).
2. Secondo numero: numero di particelle ≥ 6 μm (ISO 4406:2017) o ≥ 5 μm (ISO 4406:1999).
3. Terzo numero: numero di particelle ≥ 14 μm (ISO 4406:2017) o ≥ 15 μm (ISO 4406:1999).

Ciascun numero rappresenta una "classe di purezza" corrispondente a un intervallo di conteggi di particelle su scala logaritmica. Ad esempio, il codice 18/16/13 significa:

• Classe 18: 130.000 - 250.000 particelle ≥ 4 μm per 1 ml.
• Classe 16: 32.000 - 64.000 particelle ≥ 6 μm per 1 ml.
• Classe 13: 4000 - 8000 particelle ≥ 14 μm per 1 ml.

Altri standard, come NAS 1638 e SAE AS4059, sono preliminari o specifici per determinati settori (ad esempio, l'aviazione). Sebbene sia ancora possibile trovarli, ISO 4406 è il più comune nel settore.

3.2. Caratteristiche degli elementi filtranti

• Finezza di filtrazione nominale e assoluta:
  • Nominale: Specifica la dimensione delle particelle che il filtro può trattenere con una certa efficienza (ad esempio, 90%). Questo indicatore è meno accurato.
  • Assoluto: specifica la dimensione delle particelle che il filtro può trattenere quasi completamente (ad esempio, 98-99%). Viene determinato mediante un test a passaggi multipli ISO 16889 con un valore specifico di βx (ad esempio, βx ≥ 75 o βx ≥ 200).
• Materiale dell'elemento filtrante:
  • Cellulosa (carta): Opzione economica, ma ha una minore capacità di sporco ed efficienza rispetto ai materiali sintetici. Sensibile all'acqua.
  • Microfibra (sintetica): Alta efficienza (alto βx), significativa capacità di trattenere lo sporco, resistenza all'acqua e agli agenti chimici. È ampiamente utilizzato per elevati requisiti di pulizia.
  • Rete metallica: utilizzata per la filtrazione grossolana o in sistemi in cui è richiesta la pulizia degli elementi.
  • Materiali che assorbono l'acqua: Elementi speciali per la rimozione dell'acqua libera ed emulsionata.
• Pressione di collasso: la caduta di pressione massima che l'elemento filtrante può sopportare prima della deformazione o del collasso. Tipicamente 10 bar, 20 bar o 210 bar per articoli ad alta pressione. ISO 2941. standard
• Portata: il flusso massimo di liquido (l/min) che può passare attraverso il filtro senza un'eccessiva caduta di pressione.
• Compatibilità dei fluidi: i materiali dei filtri e delle guarnizioni devono essere compatibili con il tipo di fluido idraulico (oli minerali, fluidi sintetici, idroglicoli HFC). ISO 2943. standard

3.3. Conformità agli standard

Tutti i filtri e gli elementi filtranti forniti da UNITEC-D soddisfano gli standard internazionali di qualità e sicurezza, tra cui la marcatura CE e la certificazione UkrSEPRO, che conferma la loro idoneità all'uso nell'industria ucraina.

Oltre a ISO 4406 e ISO 16889, sono importanti anche i seguenti elementi:

• ISO 2942: Controllo dell'integrità della produzione dell'elemento filtrante.
• EN 12792: Fluido idraulico - Filtri - Terminologia.
• DSTU ISO (standard pertinenti): standard nazionali ucraini armonizzati con quelli internazionali.

4. Guida alla scelta e al calcolo

La scelta del filtro e dell'elemento filtrante giusti è un processo multifattoriale. È necessario tenere conto dei seguenti criteri:

4.1. Criteri di selezione

1. Livello target di purezza del fluido (codice ISO): determinato dalla sensibilità del componente più sensibile del sistema. Ad esempio, le servovalvole possono richiedere 16/14/11, valvole proporzionali 17/15/12, pompe a ingranaggi 19/17/14.
2. Tipo di sistema idraulico: i sistemi ad alta precisione (servoidraulica) richiedono una filtrazione più fine rispetto ai sistemi per uso generico.
3. Pressione e portata di esercizio: determina il tipo di filtro (pressione, scarico), il suo design e le dimensioni.
4. Tipo di fluido idraulico e sua viscosità: Influisce sulla scelta del materiale dell'elemento e sulla sua portata (caduta di pressione).
5. Intervallo di temperatura: influisce sulla scelta dei materiali di tenuta e sulla viscosità del fluido.
6. Il tasso di contaminazione: Determina la capacità di sporco richiesta del filtro.

4.2. Tipi di filtri e loro posizione

• Filtri di aspirazione (filtri di aspirazione): proteggono la pompa da particelle di grandi dimensioni. Hanno solitamente una filtrazione grossolana (60-250 micron) e si trovano all'interno del serbatoio o sulla linea di aspirazione. È importante ridurre al minimo la caduta di pressione tra di essi per evitare la cavitazione della pompa.
• Filtri a pressione (filtri a pressione): proteggono i componenti sensibili situati dopo la pompa. Sono installati sulla linea ad alta pressione. Richiede un alloggiamento robusto ed elementi con un'elevata pressione di scoppio (ad es. 20 bar o 210 bar). Forniscono un'elevata finezza di filtrazione (3-10 μm, βx ≥ 200).
• Filtri della linea di ritorno: proteggono il serbatoio idraulico dai contaminanti che ritornano dal sistema. Sono installati sulla linea di scarico davanti al serbatoio. Solitamente hanno una finezza di filtrazione di 10-25 micron (βx ≥ 75). Questo è il tipo di filtro più comune.
• Unità di filtrazione autonome (filtri offline/del circuito renale): Installate in un circuito separato per la filtrazione e la purificazione continue del liquido, indipendentemente dal funzionamento del sistema principale. Può fornire livelli molto elevati di pulizia (βx ≥ 1000) e rimozione dell'acqua.
• Filtri di sfiato: proteggono il serbatoio dallo sporco e dall'umidità dell'aria circostante, che entra quando il livello del liquido cambia. Può essere combinato con un assorbitore di umidità.

4.3. Matrice di selezione del filtro

La tabella seguente fornisce raccomandazioni generali per la selezione del filtro per vari tipi di sistemi idraulici. La scelta effettiva dovrebbe basarsi su un'analisi dettagliata del sistema specifico e sui requisiti del produttore del componente.

4.4. Calcolo della dimensione del filtro

La dimensione del filtro (la sua portata) deve essere calcolata tenendo conto della portata massima del fluido e della caduta di pressione minima desiderata. Una regola pratica generale è quella di selezionare un filtro con una capacità nominale superiore del 20-30% rispetto al flusso operativo massimo del sistema, in particolare per i filtri di scarico in cui il flusso può essere pulsante. Ciò fornisce un margine per la contaminazione dell'elemento e impedisce il funzionamento prematuro della valvola di bypass. Ad esempio, per un sistema con una portata massima di 100 l/min, conviene scegliere un filtro con una portata di 120-130 l/min.

5. Migliori pratiche per l'installazione e la messa in servizio

1. Lavaggio del sistema: I nuovi sistemi idraulici, così come i sistemi dopo la revisione, devono essere lavati accuratamente prima della messa in servizio. Per il lavaggio viene utilizzata una pompa di lavaggio dotata di filtro con finezza di filtrazione 1-2 classi superiore al livello operativo target, fino al raggiungimento del codice ISO target. Ciò consente di rimuovere le impurità integrate.
2. Selezione dell'alloggiamento del filtro: L'alloggiamento deve avere una resistenza adeguata alla pressione di esercizio ed essere dotato di un indicatore di caduta di pressione. La valvola di bypass nell'alloggiamento del filtro deve essere impostata su una pressione che soddisfi le raccomandazioni del produttore (ad esempio 3 bar per la maggior parte dei filtri di scarico).
3. Installazione dei filtri di sfiato: installa i filtri di sfiato sui serbatoi idraulici. Si consigliano filtri respiratori con finezza di filtrazione dell'aria di 3 micron e proprietà di assorbimento dell'umidità (con gel di silice) per impedire l'ingresso di particelle e acqua dall'aria.
4. Pulizia durante la sostituzione degli elementi: Gli elementi filtranti devono essere sostituiti nelle condizioni più pulite possibili. Utilizzare strumenti e guanti puliti. Assicurarsi che non vi sia polvere o sporco attorno all'alloggiamento del filtro. Sostituire sempre gli O-ring.
5. Riempimento del sistema: Il fluido idraulico deve sempre essere riempito nel sistema attraverso un'unità di filtraggio (filtropressa o filtro a carrello) con la finezza di filtrazione adeguata, anche se il fluido viene fornito come