Introdução: desafio com a confiabilidade da produção e a importância da filtragem hidráulica

Sistemas hidráulicos são elementos principais de muitos processos industriais, incluindo produção, transporte e processamento de materiais. No entanto, mesmo os melhores sistemas podem perder eficiência devido ao acúmulo de contaminantes na fluido de trabalho. A contaminação causa o desgaste dos componentes, redução da eficiência e aumento dos custos de manutenção. Por isso, para garantir a durabilidade e confiabilidade dos sistemas hidráulicos, é necessário limpá-los e filtrá-los regularmente.

Este artigo está dedicado a um análise detalhada da filtração hidráulica, incluindo os padrões de pureza ISO, escolha dos elementos filtrantes e recomendações práticas sobre o controle de contaminação. O material é destinado a engenheiros técnicos, serviços de operação e gerentes de produção que buscam soluções confiáveis para garantir o funcionamento contínuo dos sistemas hidráulicos.

Princípios fundamentais da filtragem hidráulica

A filtração hidráulica baseia-se no princípio físico de separação de partículas da líquido de trabalho. Esse processo é realizado por meio de um elemento filtrante, que impede a passagem de partículas maiores que o tamanho especificado. As partículas podem surgir devido ao desgaste de componentes, corrosão ou introdução de partículas estranhas no sistema.

É importante entender que o nível de contaminação influencia na eficiência de funcionamento dos sistemas hidráulicos. Por exemplo, o aumento da concentração de partículas no líquido de trabalho leva ao aumento das perdas de potência, redução da eficiência dos atuadores hidráulicos e aumento dos custos de manutenção. Por isso, o controle da pureza do líquido de trabalho é um elemento crítico para a manutenção da confiabilidade dos sistemas.

Especificações técnicas e padrões

A filtração hidráulica é regulada por uma série de padrões internacionais que garantem critérios únicos de avaliação da pureza e exigências para os elementos filtrantes. Os principais padrões incluem:

• ISO 4406: Define a classificação de pureza da líquido de trabalho usando três dígitos, que indicam a quantidade de partículas de diferentes tamanhos por milímetro cúbico de líquido.
• ISO 16883: Estabelece os padrões de medição da pureza do fluido de trabalho usando análise de raios X.
• ISO 3724: Define os métodos de medição de pressão e temperatura para o controle da operação dos sistemas de filtragem.
• ISO 10811: Estabelece requisitos para elementos filtrantes de sistemas hidráulicos.
• DSTU 3435:2016: Estabelece as exigências nacionais para a pureza de fluidos de trabalho em sistemas industriais da Ucrânia.

Além dos padrões, é importante considerar também as exigências quanto à eficiência dos elementos filtrantes. A eficiência do filtro pode ser determinada pela fórmula:

de C_out – concentração de contaminação após a filtração, e C_in – concentração de contaminação antes da filtração.

Escolha e cálculo de elementos filtrantes

A escolha do elemento filtrante exige a consideração de vários critérios, incluindo a potência do sistema, a temperatura da líquido de trabalho, a pressão, os requisitos de pureza e o custo. Abaixo estão as soluções que podem ser utilizadas para a escolha do elemento filtrante:

A escolha do elemento filtrante pode também ser determinada por meio de uma matriz de seleção, que considera diversos parâmetros do sistema. Por exemplo, a matriz pode incluir:

1. Pressão no sistema
2. Temperatura da líquido de trabalho
3. Classe de pureza
4. Eficiência do filtro
5. Material do elemento filtrante

Cada um desses parâmetros tem um impacto definido na escolha do elemento. Por exemplo, se o sistema opera sob alta pressão, o elemento deve ser feito de material que suporte essa pressão sem desgaste.

Melhores práticas de instalação e partida

O correto instalação e partida do elemento filtrante é um elemento-chave para garantir sua eficácia. Abaixo estão as principais recomendações:

1. Instalação do elemento filtrante em local onde o fluido de trabalho tenha temperatura estável.
2. Verificação de todos os conexões para hermeticidade antes do início.
3. Uso de um meio especial para limpeza de superfícies antes da instalação do elemento.
4. Verificação da pressão no sistema antes do início, para evitar sobrecarga do elemento.
5. Início do sistema em modo gradual, para evitar subida brusca de pressão.

Após a instalação do elemento é necessário realizar o teste de eficácia da filtragem. O teste pode incluir a medição da pressão antes e após o filtro, bem como a análise da concentração de contaminantes na lubrificante.

Modos de vibração e análise de causas

Os elementos filtrantes podem ser ejetados por diferentes razões, incluindo desgaste, obstruções, mudança nas propriedades do fluido de trabalho e uso inadequado. Abaixo estão apresentados os principais modos de ejeção:

Para a análise das causas de ejeção de elementos são utilizados métodos tais como análise de sinais visuais, medição de pressão e temperatura, bem como análise do fluido de trabalho. Esses métodos permitem determinar a causa principal da ejeção e propor as recomendações apropriadas.

Manutenção preditiva e monitoramento do estado

Reparação prognóstica e monitoramento do estado de sistemas hidráulicos permitem reduzir os custos de reparação, aumentar a vida útil do sistema e garantir uma operação estável. Os principais métodos de monitoramento incluem:

• Monitoramento de pressão: Medição da pressão antes e depois do filtro para determinar a eficiência da filtragem.
• Monitoramento de temperatura: Medição da temperatura do fluido de trabalho para determinar a estabilidade do sistema.
• Monitoramento de contaminantes: Uso de analisadores para medir a concentração de contaminantes na líquido de trabalho.
• Monitoramento de desgaste: Uso de sensores para medir o desgaste dos componentes do sistema.

Esses métodos permitem identificar oportunamente possíveis problemas e iniciar as ações necessárias para evitar a falha do sistema.

Tabela comparativa de elementos filtrantes

Esta tabela demonstra diferentes variantes de elementos filtrantes, permitindo a escolha do opção ideal dependendo das exigências do sistema. Todos os elementos atendem aos padrões ISO, DSTU e possuem certificados CE, UkrSEPRO.

Conclusão

A filtração hidráulica é um elemento crítico para garantir a confiabilidade e a eficiência de sistemas hidráulicos. A escolha do elemento filtrante correto, a execução da instalação e partida corretas, bem como o uso de métodos prognósticos de monitoramento podem aumentar significativamente a vida útil do sistema e reduzir os custos de manutenção.

UNITEC-D GmbH oferece uma ampla gama de elementos filtrantes que atendem aos requisitos dos padrões ISO, DSTU, além de possuírem certificados CE e UkrSEPRO. Para obter mais informações detalhadas sobre elementos filtrantes que atendem às suas exigências, visite nosso e-catalogo:

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Lista de referências

1. ISO 4406:1999 – Pureza do óleo de trabalho
2. ISO 16883:2012 – Métodos de medição da pureza do fluido de trabalho
3. DSTU 3435:2016 – Requisitos para a pureza de líquidos de trabalho em sistemas industriais da Ucrânia
4. UNITEC-D GmbH – Documentação Técnica
5. IEEE 1180 – Padrões para medição e análise de líquido de trabalho

1. Introdução

A confiabilidade do funcionamento dos sistemas hidráulicos na produção industrial depende diretamente da pureza do fluido de trabalho. A pesquisa mostra que até 70-80% das falhas de componentes hidráulicos, como bombas, válvulas, motores hidráulicos e cilindros, são causadas por contaminação de fluidos. Isso leva a desgaste prematuro, tempo de inatividade não programado do equipamento, custos significativos de reparo e substituição de componentes e redução da produtividade geral da produção. Um sistema de filtragem adequadamente projetado e mantido é um elemento crítico para garantir a longevidade e a eficiência do equipamento hidráulico. Este artigo fornece uma visão técnica aprofundada dos princípios de filtragem hidráulica, padrões de limpeza e métodos para selecionar e implementar soluções eficazes de controle de poluição.

2. Princípios fundamentais

2.1. Tipos e fontes de poluição

A contaminação de fluidos hidráulicos é dividida em vários tipos principais:

• Partículas sólidas: partículas de desgaste de metal (aço, bronze, alumínio), poeira, fibras, produtos de oxidação líquida. Os tamanhos dessas partículas variam de micrômetros a várias centenas de micrômetros. Mesmo partículas de 5 a 15 mícrons de tamanho, invisíveis a olho nu, podem causar desgaste abrasivo significativo nas superfícies de precisão dos componentes hidráulicos.
• Água: pode entrar no sistema vindo do ar através de filtros respiratórios, durante trocas de fluidos, através de vedações com vazamento. A água acelera a oxidação do líquido, causa corrosão, reduz a lubricidade, promove cavitação e pode levar à destruição de aditivos.
• Ar: O ar dissolvido ou livre pode causar cavitação, aumentar a compressibilidade do fluido, afetando a precisão do controle e acelerar a oxidação.

Fontes de poluição:

• Integrado: resíduos de fabricação de componentes, incrustações e poeira após a instalação de um novo sistema ou reparo.
• Ingressou: Poeira do ambiente devido a vazamentos nas vedações de cilindros, hastes, filtros respiratórios de tanques, sujeira durante a substituição de fluidos.
• Gerado por: Produtos de desgaste de peças móveis (bombas, válvulas, cilindros), produtos de oxidação de fluido hidráulico sob a influência da temperatura.

2.2. Mecanismos de filtragem

Os elementos filtrantes funcionam de acordo com princípios diferentes:

• Filtragem de superfície: as partículas são retidas na superfície do material do filtro. Geralmente são redes ou membranas finas. Eficaz para partículas grandes.
• Filtragem de profundidade: as partículas ficam presas na camada de material poroso. Este mecanismo é utilizado na maioria dos filtros hidráulicos, onde o material consiste em muitas fibras dispostas aleatoriamente formando um labirinto para o líquido.
• Absorção: alguns filtros podem absorver água ou outros poluentes polares graças a materiais especiais.

2.3. Coeficiente beta (βx)

A eficiência da filtragem é quantificada pelo coeficiente Beta (βx), que é determinado pelo padrão ISO 16889 (teste multipass). Esta proporção mostra quantas vezes mais partículas de um determinado tamanho (x micrômetros) são retidas pelo filtro do que passam por ele.

Fórmula do coeficiente beta:

βx = (Número de partículas com tamanho ≥ x μm antes do filtro) / (Número de partículas com tamanho ≥ x μm após o filtro)

Por exemplo, β5 = 200 significa que para cada 200 partículas de 5 µm ou maiores que entram no filtro, apenas uma partícula do mesmo tamanho passa através dele. Isto corresponde a uma eficiência de filtração de (200-1)/200 * 100% = 99,5% para partículas de 5 μm e maiores. Quanto maior o valor de βx, mais eficiente é o filtro. Para sistemas hidráulicos modernos de alto desempenho, os valores recomendados de βx(c) ≥ 1000 para tamanhos críticos de partículas.

3. Características técnicas e padrões

3.1. Códigos de pureza ISO 4406

A Norma Internacional ISO 4406:2017 (anteriormente ISO 4406:1999, que ainda é amplamente utilizada) é o principal método para classificar a pureza de fluidos hidráulicos. Define um código de três dígitos que representa a quantidade de sólidos em 1 ml de líquido para três tamanhos diferentes:

1. Primeiro número: número de partículas ≥ 4 μm (ISO 4406:2017) ou ≥ 2 μm (ISO 4406:1999).
2. Segundo número: número de partículas ≥ 6 μm (ISO 4406:2017) ou ≥ 5 μm (ISO 4406:1999).
3. Terceiro número: número de partículas ≥ 14 μm (ISO 4406:2017) ou ≥ 15 μm (ISO 4406:1999).

Cada número representa uma "classe de pureza" correspondente a uma faixa de contagens de partículas em escala logarítmica. Por exemplo, o código 18/16/13 significa:

• Classe 18: 130.000 - 250.000 partículas ≥ 4 μm por 1 ml.
• Classe 16: 32.000 - 64.000 partículas ≥ 6 μm por 1 ml.
• Classe 13: 4.000 - 8.000 partículas ≥ 14 μm por 1 ml.

Outras normas, como NAS 1638 e SAE AS4059, são preliminares ou específicas para determinados setores (por exemplo, aviação). Embora ainda possam ser encontrados, ISO 4406 é o mais comum na indústria.

3.2. Características dos elementos filtrantes

• Finura de filtração nominal e absoluta:
  • Nominal: Especifica o tamanho das partículas que o filtro pode reter com uma certa eficiência (por exemplo, 90%). Este indicador é menos preciso.
  • Absoluto: especifica o tamanho da partícula que o filtro pode reter quase completamente (por exemplo, 98-99%). É determinado por um teste de passagem múltipla ISO 16889 com um valor específico de βx (por exemplo, βx ≥ 75 ou βx ≥ 200).
• Material do elemento filtrante:
  • Celulose (papel): Opção econômica, mas tem menor capacidade de sujeira e eficiência do que materiais sintéticos. Sensível à água.
  • Microfibra (sintética): Alta eficiência (alto βx), significativa capacidade de retenção de sujeira, resistência à água e produtos químicos. É amplamente utilizado para altos requisitos de limpeza.
  • Malha metálica: Usada para filtração grossa ou em sistemas onde a limpeza do elemento é necessária.
  • Materiais absorventes de água: Elementos especiais para remoção de água livre e emulsionada.
• Pressão de colapso: A queda de pressão máxima que o elemento filtrante pode suportar antes da deformação ou colapso. Normalmente 10 bar, 20 bar ou 210 bar para itens de alta pressão. Padrão ISO 2941.
• Taxa de vazão: a vazão máxima de líquido (l/min) que pode passar pelo filtro sem queda excessiva de pressão.
• Compatibilidade de fluidos: Os materiais do filtro e da vedação devem ser compatíveis com o tipo de fluido hidráulico (óleos minerais, fluidos sintéticos, HFCs de hidroglicol). Padrão ISO 2943.

3.3. Conformidade com padrões

Todos os filtros e elementos filtrantes fornecidos pela UNITEC-D atendem aos padrões internacionais de qualidade e segurança, incluindo a marcação CE e a certificação UkrSEPRO, o que confirma sua adequação para uso na indústria ucraniana.

Além de ISO 4406 e ISO 16889, o seguinte também é importante:

• ISO 2942: Verificação da integridade da fabricação do elemento filtrante.
• EN 12792: Fluido de energia hidráulica - Filtros - Terminologia.
• DSTU ISO (padrões relevantes): padrões nacionais ucranianos harmonizados com os internacionais.

4. Guia para seleção e cálculo

Escolher o filtro e o elemento filtrante corretos é um processo multifatorial. Os seguintes critérios devem ser levados em consideração:

4.1. Critérios de seleção

1. Nível alvo de pureza do fluido (código ISO): determinado pela sensibilidade do componente mais sensível no sistema. Por exemplo, servoválvulas podem exigir 16/14/11, válvulas proporcionais 17/15/12, bombas de engrenagem 19/17/14.
2. Tipo de sistema hidráulico: sistemas de alta precisão (servo-hidráulicos) exigem filtragem mais fina do que sistemas de uso geral.
3. Pressão e vazão de trabalho: Determina o tipo de filtro (pressão, dreno), seu design e tamanho.
4. Tipo de fluido hidráulico e sua viscosidade: Afeta a escolha do material do elemento e seu rendimento (queda de pressão).
5. Faixa de temperatura: afeta a escolha dos materiais de vedação e a viscosidade do fluido.
6. A taxa de contaminação: Determina a capacidade de sujeira necessária do filtro.

4.2. Tipos de filtros e sua localização

• Filtros de sucção (Filtros de Sucção): Proteja a bomba contra partículas grandes. Geralmente possuem filtração grossa (60-250 mícrons) e estão localizados dentro do tanque ou na linha de sucção. É importante minimizar a queda de pressão através deles para evitar a cavitação da bomba.
• Filtros de pressão (Filtros de pressão): proteja componentes sensíveis localizados após a bomba. Eles são instalados na linha de alta pressão. Requer uma carcaça robusta e elementos com alta pressão de ruptura (por exemplo, 20 bar ou 210 bar). Eles fornecem alta finura de filtração (3-10 μm, βx ≥ 200).
• Filtros de Linha de Retorno: Proteja o tanque hidráulico contra contaminantes que retornam do sistema. Eles são instalados na linha de drenagem em frente ao tanque. Eles geralmente têm uma finura de filtração de 10 a 25 mícrons (βx ≥ 75). Este é o tipo de filtro mais comum.
• Unidades de filtração autônomas (filtros off-line/de circuito renal): instaladas em um circuito separado para filtração e polimento contínuos de líquido, independentemente da operação do sistema principal. Pode fornecer níveis muito elevados de limpeza (βx ≥ 1000) e remoção de água.
• Filtros de respiro: Proteja o tanque contra sujeira e umidade do ar circundante, que entra quando o nível do líquido muda. Pode ser combinado com um absorvedor de umidade.

4.3. Matriz de seleção de filtro

A tabela abaixo fornece recomendações gerais para seleção de filtros para vários tipos de sistemas hidráulicos. A seleção real deve ser baseada em uma análise detalhada do sistema específico e nos requisitos do fabricante do componente.

4.4. Cálculo do tamanho do filtro

O tamanho do filtro (seu rendimento) deve ser calculado levando em consideração a vazão máxima do fluido e a queda de pressão mínima desejada. Uma regra geral é selecionar um filtro com capacidade nominal 20-30% maior que a vazão operacional máxima do sistema, especialmente para filtros de drenagem onde a vazão pode ser pulsante. Isto proporciona uma margem para contaminação do elemento e evita a operação prematura da válvula de derivação. Por exemplo, para um sistema com vazão máxima de 100 l/min, vale a pena escolher um filtro com vazão de 120-130 l/min.

5. Melhores Práticas para Instalação e Comissionamento

1. Lavagem do sistema: Novos sistemas hidráulicos, bem como sistemas após revisão, devem ser completamente lavados antes do comissionamento. Para a lavagem, é utilizada uma bomba de lavagem com filtro com finura de filtração 1-2 classes superior ao nível operacional alvo, até que o código ISO alvo seja alcançado. Isso permite remover impurezas incorporadas.
2. Seleção da carcaça do filtro: A carcaça deve ter resistência adequada para a pressão de trabalho e estar equipada com um indicador de queda de pressão. A válvula de derivação na carcaça do filtro deve ser ajustada para uma pressão que atenda às recomendações do fabricante (por exemplo, 3 bar para a maioria dos filtros de drenagem).
3. Instalação de filtros de respiro: Instale filtros de respiro nos tanques hidráulicos. Filtros respiratórios com finura de filtração de ar de 3 mícrons e propriedades de absorção de umidade (com sílica gel) são recomendados para evitar a entrada de partículas e água do ar.
4. Limpeza na substituição de elementos: Os elementos filtrantes devem ser substituídos nas condições mais limpas possíveis. Use ferramentas e luvas limpas. Certifique-se de que não haja poeira ou sujeira ao redor da caixa do filtro. Sempre substitua os anéis de vedação.
5. Enchimento do sistema: O fluido hidráulico deve sempre ser abastecido no sistema através de uma unidade de filtração (filtro-prensa ou carrinho de filtro) com a finura de filtração adequada, mesmo que o fluido seja fornecido como