Фильтры гидросистем

Фильтры созданы для удаления из рабочей жидкости разного рода загрязнений. Под загрязнениями понимаются как посторонние частицы, случайно попавшие в гидросистему (через неплотности уплотнений, при заправке или доливке жидкости в бак и т. п.), так и продукты износа деталей гидроагрегатов и продукты окислительных процессов самой жидкости.

Попадание твёрдых механических частиц в рабочую жидкость вызывает целый ряд нежелательных эффектов: ускоряется абразивный износ трущихся пар, возможна их блокировка, ухудшаются смазывающие свойства жидкости, снижается её химическая стойкость, а также забиваются тонкие каналы распределительной аппаратуры.

Принцип работы

Для удаления загрязнений применяют фильтры (рис. ZSK.29.1). Их принцип работы основан либо на прохождении потока жидкости через специальные фильтрующие элементы, либо на использовании силовых полей (сепараторов).

В первом случае задержание примесей происходит на поверхности или внутри фильтрующего материала — сетчатого, щелевого или пористого.

Во втором варианте очистка достигается за счёт действия создаваемых искусственно физических полей: магнитного, электрического, центробежного либо гравитационного, которые осаждают частицы загрязнений и выводят их из потока.

Рис. ZSK.29.1. Схема фильтрации рабочей жидкости

Согласно степени очистки, то есть по величине задерживаемых примесей, фильтрующие устройства делят на три основных категории: для грубой, нормальной и тонкой очистки рабочей жидкости.

Назначение фильтров грубой очистки заключается в удалении из потока жидкости сравнительно крупных частиц — порядка 0,1 мм. В эту группу входят сетчатые и пластинчатые разновидности. Обычно такие фильтры располагают в заливных отверстиях гидробаков, а также во всасывающих или напорных трубопроводах. Их основное назначение заключается в предварительной очистке рабочей среды перед подачей в систему.

Фильтры нормальной очистки способны задерживать примеси среднего размера — от 0,1 до 0,05 мм. К ним относят не только сетчатые и пластинчатые варианты, но и магнитно-сетчатые конструкции, которые дополнительно используют магнитное поле для повышения эффективности. Наибольшее распространение такие устройства получили в напорных и сливных линиях, где особенно важна защита аппаратуры от средних загрязнений.

К элементам тонкой фильтрации относят устройства, способные улавливать частицы примесей величиной до 0,05 мм. В качестве фильтрующего материала применяются специальные пористые материалы — прессованный картон, войлок, а также керамические элементы. Так как их пропускная способность относительно невелика, подобные фильтры обычно устанавливаются в боковых ответвлениях магистралей, где они не ограничивают общий расход жидкости.

Кроме того, по рабочему давлению фильтры подразделяют на устройства высокого и низкого давления. Конструкции последнего типа применяются исключительно во всасывающих и сливных участках системы, так как они не рассчитаны на значительные механические нагрузки.

Конструкции фильтров

Фильтры представляют собой устройства или системы, предназначенные для отделения нежелательных компонентов от основного потока или среды. Их конструкции существенно различаются в зависимости от области применения, принципа действия и требуемой степени очистки.

Сетчатые фильтры

Сетчатые фильтры широко применяются в гидросистемах и обычно устанавливаются в сливных и всасывающих линиях, а также в заливных горловинах баков. Их рабочим элементом служит металлическая сетка, чаще всего из латуни, размер ячеек которой напрямую определяет уровень очистки рабочей жидкости. Сетка может выполняться как однослойной, так и многослойной — это повышает эффективность задержания загрязнений. Для уменьшения потерь давления в системе стремятся увеличить площадь фильтрующей поверхности, что позволяет снизить гидравлическое сопротивление потоку.

Рис. ZSK.29.2. Сетчатый фильтр 1 - корпус; 2 - сетка; 3 - диски; 4 - перфорированная трубка; 5 - гайка; 6 - прокладки.

На рис. ZSK.29.2 приведён пример типовой конструкции сетчатого фильтра. Основным элементом служит корпус 1 с отверстиями, через которые проходит рабочая жидкость. Снаружи он покрывается двумя слоями сетки 2, а торцы герметизируются дисками 3. В центральной части установлена перфорированная металлическая трубка 4, обеспечивающая соединение фильтра со всасывающей линией насосного агрегата.

Проволочные фильтры

Фильтры проволочного исполнения имеют схожий принцип построения, однако вместо сетки используется труба с множеством пазов или отверстий. На её поверхность навивается калиброванная проволока круглого либо трапециевидного профиля. Степень фильтрации определяется величиной зазоров между витками и может достигать 0,05 мм.

Общим минусом как сетчатых, так и проволочных конструкций является затруднённая очистка: загрязнения осаждаются на поверхности элементов, что требует трудоёмкой промывки либо замены фильтрующего материала.

Щелевые фильтры

Щелевые (или пластинчатые) фильтры, напротив, находят применение преимущественно в напорных и сливных линиях гидросистем. Типичным представителем этого класса является фильтр типа Г41 (см. рис. ZSK.29.3). Его конструкция включает корпус 1, крышку 2 и ось 3, на которой фиксируется пакет фильтрующих пластин. В крышке выполнены отверстия для входа и выхода рабочей жидкости, а герметичность соединения обеспечивается резиновым кольцевым уплотнением 4.

Фильтрующий узел образован чередующимися основными дисками 5 и промежуточными пластинами 6. Жидкость, поступающая внутрь корпуса, просачивается через узкие щели между пластинами и далее попадает в полость, формируемую вырезами на основных дисках. При этом частицы загрязнений задерживаются на входных кромках щелей, а эффективность фильтрации определяется толщиной промежуточных пластин.

Со временем зазоры забиваются частицами загрязнений. Для их удаления предусмотрены скребки 7, закреплённые на шпильке 8. При вращении оси 3 с рукояткой скребки проходят вдоль пластин, снимая отложения с их кромок. Скопившиеся в нижней части корпуса примеси удаляются через специальное дренажное отверстие 9.

Такой механизм очистки является значительным преимуществом пластинчатых фильтров, так как позволяет поддерживать их работоспособность без полной разборки конструкции.

Пластинчатые фильтры

Фильтры пластинчатого типа Г41 рассчитаны на подачу рабочей жидкости с расходом до 70 л/мин при перепаде давления 0,1–0,2 МПа. В зависимости от исполнения минимальный размер задерживаемых загрязнений может составлять 0,08; 0,12 либо 0,2 мм.

Рис. ZSK.29.3. Пластинчатый фильтр типа Г41: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - ось; 4 - резиновое кольцо; 5 - основные пластины; 6 - промежуточные пластины; 7 - скребки; 8 - шпилька; 9 - пробка.

Сетчатые, проволочные и щелевые фильтры отличаются сравнительно малым сопротивлением потоку, однако возможности их ограничены в плане тонкости очистки. Когда требуется более высокий уровень фильтрации, применяют фильтры тонкой очистки. Эти устройства обеспечивают качественную очистку, но рассчитаны только на небольшой расход и создают заметное гидравлическое сопротивление. Чтобы предотвратить их быстрое засорение, обычно в систему дополнительно включают фильтры предварительной (грубой) очистки.

Фильтры тонкой очистки

В фильтрах тонкой очистки рабочими элементами служат материалы с высокой задерживающей способностью — картон, ткань, войлок, керамика. Например, картонные и тканевые элементы способны удерживать до 75 % твёрдых частиц размером свыше 4–5 мкм уже при первом прохождении потока.

На рис. ZSK.29.4 показан фильтр с комбинированным элементом: секцией грубой очистки 1 и секцией тонкой очистки 2.

• В штатном режиме (рис. ZSK.29.4, а) поток жидкости проходит через оба элемента последовательно.
• Если же фильтр тонкой очистки засоряется, срабатывает перепускной клапан 3. В этом случае жидкость направляется к выходу, проходя только через секцию грубой очистки и минуя тонкую (рис. ZSK.29.4, б).

Рис. ZSK.29.4. Комбинированный фильтр из элементов грубой и тонкой очистки

Бумажные фильтры обычно выполняются в форме цилиндра, при этом его стенки делают гофрированными (рис. ZSK.29.5). Такое решение позволяет значительно увеличить площадь поверхности фильтрации, сохраняя при этом компактность всей конструкции. В результате фильтр способен задерживать большее количество загрязнений при сравнительно малых размерах.

К средствам тонкой очистки относят также войлочные и металлокерамические фильтры. Их относят к категории так называемых глубинных, так как рабочая жидкость проходит не только по поверхности, а через толщу пористого наполнителя. Подобный принцип обеспечивает высокое качество фильтрации и одновременно увеличивает грязеёмкость, что продлевает срок службы фильтрующего элемента без необходимости частой замены.

Рис. ZSK.29.5. Бумажный фильтроэлемент

Рис. ZSK.29.6. Структура фильтроматериала из спеченных шариков

Глубинные фильтры находят широкое применение в гидросистемах благодаря использованию наполнителей из пористых металлов и керамики, получаемых методом спекания металлических или неметаллических порошков. Такой способ изготовления создаёт структуру с развитой сетью извилистых и удлинённых каналов, по которым протекает рабочая жидкость. В этих каналах эффективно оседают и удерживаются частицы загрязнений (схема пористой структуры показана на рис. ZSK.29.6).

Войлочные фильтры (рис. ZSK.29.7) состоят из корпуса 1 с крышкой 2, снабжённой отверстиями для подвода и отвода жидкости. Внутри корпуса размещена перфорированная труба 3, на которую последовательно насаживаются фильтрующие элементы в форме войлочных колец 4. Такая конструкция позволяет обеспечить высокую степень очистки при компактных габаритах.

Сепараторы

Особую категорию составляют сепараторы, характеризующиеся крайне низким гидравлическим сопротивлением и практически неограниченной пропускной способностью. Их принцип действия основан на прохождении рабочей жидкости через силовые поля, которые эффективно задерживают частицы загрязнений.

Примером такого устройства является магнитный фильтр С43-3 (рис. ZSK.29.8), предназначенный для улавливания ферромагнитных включений. Он состоит из корпуса 3 и крышки 8, в которую ввернута латунная трубка 7 с магнитным уловителем. Последний выполнен в виде шайбы 4 с шестью отверстиями, в которых закреплены постоянные магниты 9. Магниты отделены от крышки фибровой прокладкой 5, а снизу установлена латунная шайба 2, выполняющая функцию экрана для магнитного поля и предотвращающая его замыкание на корпус.

Ферромагнитные частицы оседают на поверхности магнитов и при необходимости удаляются через специальное отверстие в корпусе, закрытое пробкой 1.

Рис. ZSK.29.7. Войлочный фильтр типа Г43: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - перфорированная труба; 4 - фильтрующие элементы

Рис. ZSK.29.8. Магнитный фильтр типа С43-3: 1 - пробка; 2 - латунная шайба; 3 - корпус; 4 - шайба; 5 - прокладка; 6 - уплотнение; 7 - латунная труба; 8 - крышка; 9 – магниты

Установка фильтров в гидросистему

При разработке схемы расположения фильтров в гидросистеме необходимо учитывать ряд факторов, определяющих долговечность оборудования и эффективность работы привода. Ключевыми из них являются:

• возможные пути проникновения загрязнений в рабочую среду;
• степень чувствительности гидроаппаратуры и исполнительных органов к наличию твёрдых частиц в жидкости;
• особенности режима эксплуатации (длительный или периодический, с постоянными нагрузками либо с их колебаниями);
• рабочее давление, характерное для системы;
• условия обслуживания оборудования (регулярность профилактики, удобство замены фильтров);
• тип и свойства используемой рабочей жидкости, её устойчивость к внешним воздействиям;
• эксплуатационная среда — перепады температур, уровень запылённости и влажности и др.

С учётом этих параметров фильтры монтируются в различных зонах гидросистемы:

• во всасывающем трубопроводе — чтобы задерживать крупные частицы до попадания жидкости в насос;
• в напорной линии — для защиты гидродвигателей и распределительной аппаратуры от загрязнений, прошедших через насос;
• в сливном контуре — с целью улавливания примесей перед возвратом жидкости в бак;
• в ответвлениях магистралей — разгружая фильтры тонкой очистки и предохраняя особо чувствительные элементы.

Схема возможного расположения фильтров в различных участках гидросистемы представлена на рис. ZSK.29.9

Рис. ZSK.29.9. Схемы включения фильтров: а - на всасывающей гидролинии; б - в напорной гидролинии; в - в сливной гидролинии