Hydraulische filtratie: ISO-reinheidscodes, selectie van filterelementen en verontreinigingscontrole

1. Inleiding

De betrouwbaarheid van het functioneren van hydraulische systemen in de industriële productie hangt rechtstreeks af van de zuiverheid van de werkvloeistof. Uit onderzoek blijkt dat tot 70-80% van de defecten aan hydraulische componenten, zoals pompen, kleppen, hydraulische motoren en cilinders, worden veroorzaakt door vloeistofverontreiniging. Dit leidt tot voortijdige slijtage, ongeplande stilstand van de apparatuur, aanzienlijke reparatie- en vervangingskosten van onderdelen en een verminderde algehele productieproductiviteit. Een goed ontworpen en onderhouden filtersysteem is een cruciaal element bij het garanderen van de levensduur en efficiëntie van hydraulische apparatuur. Dit artikel biedt een diepgaand technisch overzicht van hydraulische filtratieprincipes, reinheidsnormen en methoden voor het selecteren en implementeren van effectieve oplossingen voor vervuilingsbeheersing.

2. Fundamentele principes

2.1. Soorten en bronnen van vervuiling

Verontreiniging van hydraulische vloeistoffen is onderverdeeld in verschillende hoofdtypen:

• Vaste deeltjes: Slijtdeeltjes van metaal (staal, brons, aluminium), stof, vezels, vloeibare oxidatieproducten. De grootte van deze deeltjes varieert van micrometers tot enkele honderden micrometers. Zelfs deeltjes van 5-15 micron groot, onzichtbaar voor het blote oog, kunnen aanzienlijke schurende slijtage veroorzaken op de precisieoppervlakken van hydraulische componenten.
• Water: kan het systeem vanuit de lucht binnendringen via ademhalingsfilters, tijdens vloeistofverversingen, via lekkende afdichtingen. Water versnelt de oxidatie van de vloeistof, veroorzaakt corrosie, vermindert de smering, bevordert cavitatie en kan leiden tot de vernietiging van additieven.
• Lucht: Opgeloste of vrije lucht kan cavitatie veroorzaken, de samendrukbaarheid van vloeistoffen vergroten, wat de regelnauwkeurigheid beïnvloedt, en oxidatie versnellen.

Bronnen van vervuiling:

• Ingebouwd: productieresten van componenten, aanslag, stof na installatie van een nieuw systeem of reparatie.
• Binnengedrongen: Stof uit de omgeving als gevolg van lekkende afdichtingen van cilinders, stangen, ademhalingsfilters van tanks, vuil tijdens het vervangen van vloeistoffen.
• Gegenereerd door: Slijtageproducten van bewegende delen (pompen, kleppen, cilinders), oxidatieproducten van hydraulische vloeistof onder invloed van temperatuur.

2.2. Filtermechanismen

Filterelementen werken volgens verschillende principes:

• Oppervlaktefiltratie: Deeltjes worden vastgehouden op het oppervlak van het filtermateriaal. Dit zijn meestal dunne netten of membranen. Effectief voor grote deeltjes.
• Dieptefiltratie: Deeltjes worden opgevangen in de laag poreus materiaal. Dit mechanisme wordt gebruikt in de meeste hydraulische filters, waarbij het materiaal bestaat uit veel willekeurig gerangschikte vezels die een labyrint voor de vloeistof vormen.
• Absorptie: Sommige filters kunnen water of andere polaire verontreinigende stoffen absorberen dankzij speciale materialen.

2.3. Bètacoëfficiënt (βx)

De filterefficiëntie wordt gekwantificeerd door de bètacoëfficiënt (βx), die wordt bepaald door de ISO 16889-standaard (multipass-test). Deze verhouding geeft weer hoeveel keer meer deeltjes van een bepaalde grootte (x micrometer) door het filter worden tegengehouden dan er doorheen gaan.

Formule voor bètacoëfficiënten:

βx = (Aantal deeltjes met een grootte ≥ x μm vóór het filter) / (Aantal deeltjes met een grootte ≥ x μm na het filter)

β5 = 200 betekent bijvoorbeeld dat voor elke 200 deeltjes van 5 µm of groter die het filter binnenkomen, er slechts één deeltje van dezelfde grootte doorheen gaat. Dit komt overeen met een filtratie-efficiëntie van (200-1)/200 * 100% = 99,5% voor deeltjes van 5 μm en groter. Hoe hoger de βx-waarde, hoe efficiënter het filter. Voor moderne krachtige hydraulische systemen zijn de aanbevolen waarden van βx(c) ≥ 1000 voor kritische deeltjesgroottes.

3. Technische kenmerken en normen

3.1. Zuiverheidscodes ISO 4406

De internationale norm ISO 4406:2017 (voorheen ISO 4406:1999, die nog steeds veel wordt gebruikt) is de belangrijkste methode voor het classificeren van de zuiverheid van hydraulische vloeistoffen. Er wordt een driecijferige code ingesteld die de hoeveelheid vaste stoffen in 1 ml vloeistof weergeeft voor drie verschillende maten:

1. Eerste getal: aantal deeltjes ≥ 4 μm (ISO 4406:2017) of ≥ 2 μm (ISO 4406:1999).
2. Tweede getal: aantal deeltjes ≥ 6 μm (ISO 4406:2017) of ≥ 5 μm (ISO 4406:1999).
3. Derde getal: aantal deeltjes ≥ 14 μm (ISO 4406:2017) of ≥ 15 μm (ISO 4406:1999).

Elk getal vertegenwoordigt een "zuiverheidsklasse" die overeenkomt met een reeks deeltjesaantallen op logaritmische schaal. De code 18/16/13 betekent bijvoorbeeld:

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

Andere standaarden, zoals NAS 1638 en SAE AS4059, zijn voorlopig of specifiek voor bepaalde sectoren (bijvoorbeeld de luchtvaart). Hoewel ze nog steeds te vinden zijn, is ISO 4406 de meest voorkomende in de branche.

3.2. Kenmerken van filterelementen

• Nominale en absolute filtratiefijnheid:
  • Nominaal: Specificeert de grootte van de deeltjes die het filter met een bepaalde efficiëntie kan tegenhouden (bijvoorbeeld 90%). Deze indicator is minder nauwkeurig.
  • Absoluut: specificeert de deeltjesgrootte die het filter vrijwel volledig kan vasthouden (bijvoorbeeld 98-99%). Het wordt bepaald door een meervoudige test ISO 16889 met een specifieke waarde van βx (bijvoorbeeld βx ≥ 75 of βx ≥ 200).
• Materiaal filterelement:
  • Cellulose (papier): Voordelige optie, maar heeft minder vuilcapaciteit en efficiëntie dan synthetische materialen. Gevoelig voor water.
  • Microvezels (synthetische stoffen): Hoog rendement (hoge βx), aanzienlijk vuilhoudend vermogen, weerstand tegen water en chemicaliën. Het wordt veel gebruikt voor hoge eisen aan reinheid.
  • Metalen gaas: Gebruikt voor grove filtratie of in systemen waar elementreiniging vereist is.
  • Waterabsorberende materialen: Speciale elementen voor het verwijderen van vrij en geëmulgeerd water.
• Instortingsdruk: De maximale drukval die het filterelement kan weerstaan ​​voordat het vervormt of instort. Typisch 10 bar, 20 bar of 210 bar voor hogedrukartikelen. Standaard ISO 2941.
• Debiet: De maximale vloeistofstroom (l/min) die door het filter kan stromen zonder overmatig drukverlies.
• Vloeistofcompatibiliteit: Filter- en afdichtingsmaterialen moeten compatibel zijn met het type hydraulische vloeistof (minerale oliën, synthetische vloeistoffen, hydroglycol-HFK's). Standaard ISO 2943.

3.3. Naleving van normen

Alle door UNITEC-D geleverde filters en filterelementen voldoen aan internationale kwaliteits- en veiligheidsnormen, waaronder CE-markering en UkrSEPRO-certificering, wat hun geschiktheid voor gebruik in de Oekraïense industrie bevestigt.

Naast ISO 4406 en ISO 16889 zijn ook de volgende zaken belangrijk:

• ISO 2942: Controle van de integriteit van de productie van het filterelement.
• EN 12792: Hydraulische vloeistof - Filters - Terminologie.
• DSTU ISO (relevante normen): Oekraïense nationale normen geharmoniseerd met internationale normen.

4. Gids voor selectie en berekening

Het kiezen van het juiste filter en filterelement is een proces waarbij meerdere factoren betrokken zijn. Er moet rekening worden gehouden met de volgende criteria:

4.1. Selectiecriteria

1. Beoogd vloeistofzuiverheidsniveau (ISO-code): Bepaald door de gevoeligheid van de meest gevoelige component in het systeem. Voor servokleppen is bijvoorbeeld 16/14/11 nodig, voor proportionele kleppen 17/15/12 en voor tandwielpompen 19/17/14.
2. Type hydraulisch systeem: Systemen met hoge precisie (servohydrauliek) vereisen een fijnere filtratie dan systemen voor algemene doeleinden.
3. Werkdruk en stroom: Bepaalt het type filter (druk, afvoer), het ontwerp en de grootte.
4. Type hydraulische vloeistof en de viscositeit ervan: heeft invloed op de keuze van het materiaal van het element en de doorvoer ervan (drukval).
5. Temperatuurbereik: heeft invloed op de keuze van afdichtingsmaterialen en vloeistofviscositeit.
6. De vervuilingsgraad: Bepaalt de vereiste vuilcapaciteit van het filter.

4.2. Soorten filters en hun locatie

• Aanzuigfilters (aanzuigfilters): Bescherm de pomp tegen grote deeltjes. Ze hebben meestal een grove filtratie (60-250 micron) en bevinden zich in de tank of op de zuigleiding. Het is belangrijk om de drukval erover te minimaliseren om pompcavitatie te voorkomen.
• Drukfilters (Pressure Filters): Bescherm gevoelige componenten die zich na de pomp bevinden. Ze worden op de hogedrukleiding geïnstalleerd. Vereist een sterke behuizing en elementen met een hoge barstdruk (bijvoorbeeld 20 bar of 210 bar). Ze bieden een hoge filtratiefijnheid (3-10 μm, βx ≥ 200).
• Retourleidingfilters: Bescherm de hydraulische tank tegen verontreinigingen die uit het systeem terugkeren. Ze worden op de afvoerleiding vóór de tank geïnstalleerd. Ze hebben doorgaans een filtratiefijnheid van 10-25 micron (βx ≥ 75). Dit is het meest voorkomende type filter.
• Autonome filtratie-eenheden (offline-/nierlusfilters): Geïnstalleerd in een apart circuit voor continue filtratie en polijsting van vloeistof, ongeacht de werking van het hoofdsysteem. Kan een zeer hoog niveau van reinheid (βx ≥ 1000) en waterverwijdering bieden.
• Ontluchtingsfilters: Bescherm de tank tegen vuil en vocht uit de omringende lucht, die naar binnen komt als het vloeistofniveau verandert. Kan gecombineerd worden met een vochtvanger.

4.3. Filterselectiematrix

De onderstaande tabel geeft algemene aanbevelingen voor filterselectie voor verschillende soorten hydraulische systemen. De daadwerkelijke selectie moet gebaseerd zijn op een gedetailleerde analyse van het specifieke systeem en de eisen van de fabrikant van de componenten.

4.4. Berekening van de filtergrootte

De grootte van het filter (de doorvoer) moet worden berekend rekening houdend met de maximale vloeistofstroom en de minimaal gewenste drukval. Een algemene vuistregel is om een ​​filter te selecteren met een nominale capaciteit die 20-30% groter is dan de maximale bedrijfsstroom van het systeem, vooral voor afvoerfilters waarbij de stroom pulserend kan zijn. Dit biedt een marge voor elementvervuiling en voorkomt voortijdige bediening van de bypassklep. Voor een systeem met een maximaal debiet van 100 l/min is het bijvoorbeeld de moeite waard om een ​​filter te kiezen met een doorvoer van 120-130 l/min.

5. Beste praktijken voor installatie en inbedrijfstelling

1. Systeemspoelen: Nieuwe hydraulische systemen, evenals systemen na revisie, moeten grondig worden gespoeld voordat ze in gebruik worden genomen. Voor het wassen wordt een spoelpomp gebruikt met een filter met een filtratiefijnheid die 1-2 klassen hoger is dan het beoogde bedrijfsniveau, totdat de beoogde ISO-code is bereikt. Hierdoor kunt u ingebouwde onzuiverheden verwijderen.
2. Selectie van de filterbehuizing: De behuizing moet voldoende sterk zijn voor de werkdruk en zijn uitgerust met een drukvalindicator. De omloopklep in het filterhuis moet worden ingesteld op een druk die voldoet aan de aanbevelingen van de fabrikant (bijvoorbeeld 3 bar voor de meeste afvoerfilters).
3. Ontluchtingsfilters installeren: Installeer ontluchtingsfilters op de hydraulische tanks. Ademhalingsfilters met een luchtfiltratiefijnheid van 3 micron en vochtabsorberende eigenschappen (met silicagel) worden aanbevolen om het binnendringen van deeltjes en water uit de lucht te voorkomen.
4. Reinheid bij het vervangen van elementen: Filterelementen moeten in de schoonst mogelijke omstandigheden worden vervangen. Gebruik schoon gereedschap en handschoenen. Zorg ervoor dat er geen stof of vuil rond het filterhuis aanwezig is. Vervang altijd de O-ringen.
5. Het systeem vullen: De hydraulische vloeistof moet altijd in het systeem worden bijgevuld via een filtereenheid (filterpers of filterwagen) met de juiste filtratiefijnheid, zelfs als de vloeistof wordt geleverd als