Właściwie zastosowane i eksploatowane filtry wielokrotnie wydłużają okres eksploatacji maszyn i obniżają jej koszty. Rozwój technologii związanych z filtracją różnych mediów służy również ochronie środowiska, w tym w praktyce przedsiębiorstwa ogranicza koszty związane z ich utylizacją.
W wielu dziedzinach filtracja ma dziś większe znaczenie niż jeszcze kilka lat temu. Wynika to między innymi z wymogów, jakie stawiamy na przykład systemom hydraulicznym pod względem szczelności. Dokładne pasowanie pracujących powierzchni powoduje, że bardzo małe – trudne do usunięcia cząstki poprzez tarcie uszkadzają pracujące powierzchnie. W wyniku takiego oddziaływania można po pewnym czasie zaobserwować powiększenie się rozmiarów szczelin i uszkodzenia.
Dążenie do większej wydajności i wzrostu efektywności układów hydraulicznych powoduje, że stosowane dotychczas filtry (często tylko zgrubne) nie odpowiadają stawianym wymogom. Codziennym problemem jest uzyskiwanie takich parametrów skuteczności filtracji, by minimalizować straty (koszty wymiany, naprawy) w samych instalacjach i urządzeniach przy rozsądnym koszcie samej filtracji. Dla systemów hydraulicznych niebezpieczne są szczególnie cząstki zanieczyszczeń stałych o wielkości porównywalnej do szczeliny otworu tolerancyjnego. Filtry powinny takie cząstki skutecznie wychwytywać.
Źródła zanieczyszczenia
W płynach hydraulicznych występuje wiele różnych zanieczyszczeń. Częstym zanieczyszczeniem są gazy, których źródłem jest otaczające powietrze dostające się na przykład przez nieszczelne przewody ssące. Przy wysokich różnicach ciśnienia występuje też zjawisko powstawania pęcherzyków pary, które po przejściu do obszaru o wyższym ciśnieniu implodują. Gdy występuje to w sąsiedztwie ścianek, obserwuje się odkształcanie (uszkadzanie) ich struktury. Dla olejów hydraulicznych duże potencjalne zagrożenie stanowi woda, spełniając funkcję katalizatora utleniającego. Również katalizatory metaliczne – elementy wykonane z miedzi i jej stopów, mają duży wpływ na przyspieszanie procesu starzenia płynów hydraulicznych. W przypadku zanieczyszczeń przez cząstki ciał stałych rozróżnia się zanieczyszczenia powstające podczas montażu i konserwacji oraz w czasie pracy systemu. Mogą one wnikać zarówno z zewnątrz, na przykład poprzez tłoczysko lub niesprawne uszczelnienie. Jest to szczególnie widoczne w bardzo zapylonych środowiskach pracy, takich jak choćby kamieniołomy. Cząstki stałe powstają w trakcie eksploatacji na skutek takich procesów, jak: abrazja (ścieranie), adhezja, kawitacja, korozja, erozja i zmęczenie.
Pielęgnując oleje z wykorzystaniem filtrów mechanicznych, trzeba zwracać uwagę na zjawiska, które w starszych typach filtrów nie występowały. Przykładem jest przyspieszenie procesów starzenia się oleju przy zmniejszeniu przepuszczalności filtru mechanicznego. Ponieważ chodzi o to, aby filtr zatrzymywał również bardzo małe cząstki (poniżej 5 μm), w czasie procesu filtracji wzrasta (na skutek tarcia przy przepływie oleju przez materiał filtrujący) temperatura, co przyspiesza jego degradację. Jak wykazały badania prof. Akira Sasaki, w olejach przepuszczanych przez filtr o oczkach 5 μm z prędkością 7,2 m/sek. kumuluje się ładunek elektryczny o potencjale 3 kV, a w filtrach o oczkach 3 μm wartość ładunku wynosi nawet 8 kV. Pomiędzy cząstkami zanieczyszczeń powstają elektryczne wyładowania iskrowe, w wyniku czego obserwuje się przepalanie oleju.
Filtracja olejów hydraulicznych
Media hydrauliczne mogą być zanieczyszczone w różny sposób. Mogą się do nich przedostawać zanieczyszczenia gazowe, płyny i ciała stałe. Często pojawienie się jednego z zanieczyszczeń powoduje, że w krótkim czasie pojawiają się kolejne, jako wynik reakcji chemicznych czy procesów trybologicznych.
Z doświadczeń wynika, że na skuteczność działania filtrów znaczny wpływ mają jakość i parametry stosowanych olejów hydraulicznych. Procesy starzenia się olejów mogą powodować już w stosunkowo krótkim czasie przedwczesne zużycie się filtrów na skutek zaklejenia się powierzchni filtrującej. Jak przedstawia w jednym ze swoich opracowań Pall Corporation (producent filtrów), negatywne skutki ma również stosowanie innych niż zalecane systemy filtracji. Nie dała też zadowalających rezultatów próba poprawy żywotności filtrów polegająca na zastosowaniu przełącznika ciśnienia (wskaźnika zanieczyszczeń) o wyższej różnicy ciśnienia. Taka metoda tylko nieznacznie wydłużała czas pracy filtru, i to kosztem znacznego wzrostu zużycia energii. Pomogła dopiero zmiana stosowanego oleju na inny. Dlatego też zalecenie, aby każdy użytkownik domagał się potwierdzenia pożądanych własności oleju przez swojego dostawcę i corocznego ich kontrolowania w warunkach laboratoryjnych, wcale nie jest wygórowanym żądaniem.
Tomasz Goss z firmy Chemtech przy problematyce związanej z właściwym filtrowaniem (to znaczy z zachowaniem wysokiej jakości przy minimalnych kosztach) zwraca uwagę na to, że w utrzymaniu ruchu spotykamy się z filtracją już po zakupieniu oleju. Trzeba przecież ten olej dostarczyć/wlać do maszyny i można do tego wykorzystać wiadro, konewkę albo agregat filtracyjny z prawdziwego zdarzenia – a więc taki, który zapewni, że ze świeżego oleju usunięte zostanie wszystko, co zagrażałoby maszynie. Kolejny etap to według niego eksploatacja/filtracja oleju w maszynie, czyli: kontrola klas czystości, kontrola stanu filtrów (procent zabicia), wymiana filtrów itd. Jak uważa Tomasz Goss, ważne też jest doszczelnianie układów, bowiem 30% zanieczyszczeń w oleju to cząstki z otoczenia, a im więcej takich miejsc zamkniemy, tym dłużej filtr popracuje.
Jak uważa Bronisław Krótki z Zakładu Mechanicznego Hydrometr, przy eksploatacji filtrów w układach hydraulicznych należy zwracać uwagę na to, czy filtry w ogóle pracują. Większość wkładów filtracyjnych ma zawory obejściowe, które otwierają się przy wzroście oporów przepływu spowodowanych zanieczyszczeniem, a olej przepływa wtedy bez filtracji, co nie jest tak wprost widoczne. Trzeba też pamiętać, że w hydraulice wkłady filtracyjne pracują nie tylko powierzchniowo, ale również objętościowo i nie nadają się do czyszczenia. Przypomina też użytkownikom, że do czyszczenia nadają się wyłącznie zgrubne wkłady z siatki stalowej. Nie można się nie zgodzić też z opinią, że moment wymiany wkładu z technicznego punktu widzenia powinien nastąpić wtedy, kiedy wkład jeszcze pracuje, a z ekonomicznego punktu widzenia jest to moment zbliżony do otwarcia się zaworu obejściowego, przy czym określenie właściwego momentu wymiany wkładu nie jest możliwe bez użycia wskaźnika zabrudzenia. Z kolei każdej wymianie wkładu powinna towarzyszyć operacja czyszczenia zbiornika. Niestety – jak słusznie zauważa Bronisław Krótki, oszczędzanie na filtrach ma zwykle konsekwencje we wcześniejszym zużyciu innych elementów układu hydraulicznego. Oczywiście dobrym rozwiązaniem jest też badanie czystości oleju i ewentualne dofiltrowanie agregatem zewnętrznym.
Może elektrostatycznie?
Jak uważa Janusz Toman z firmy „EKSPERT” – przedstawiciela Kleentek w Polsce – pielęgnacja (filtrowanie) olejów hydraulicznych w układach hydrauliki siłowej ma również wpływ na poziom poboru energii elektrycznej przez pompy zasilające. Przyczyną jest zjawisko „papieru ściernego” będące skutkiem oklejania siłowników przez produkty starzenia się oleju, które mają galaretowatą konsystencję o właściwościach kleistych. W czasie postoju maszyny cząstki zanieczyszczeń stałych, które w trakcie pracy rozproszone są równomiernie w oleju, przyklejają się do tej kleistej substancji. Efektem jest wzrost tarcia, a co za tym idzie, wzrost poboru energii elektrycznej przez pompę zasilającą. Pomiary wykonane na zasilaniu 5-letniej pompy prasy hydraulicznej wykazały, że po usunięciu osadów z siłowników poprzez zastosowanie elektrostatycznego oczyszczania olejów spadł pobór energii elektrycznej o 30% (próba była przeprowadzona w maju 2004 r. i trwała przez 14 dni, a badanie przeprowadzono na prasie ENGEL ES 2000/400, rok produkcji 1994 r.; ilość oleju w układzie – 580 l, typ oleju – Azolla ZS 46, silnik pompy hydraulicznej 45 kW; zastosowane urządzenie: Kleentek model ELC-R100 SP). W opinii Janusza Tomana technologia elektrostatycznego oczyszczania olejów przemysłowych powoduje utrzymywanie olejów w stanie pierwotnych właściwości fizyczno-chemicznych przez nieograniczony okres oraz idealny stan czystości, czyli: NAS1638 ≤3, całkowita wagowa zawartość zanieczyszczeń na membranie 0,45 µm <5 mg/kg. Japońska firma Kleentek Co. jest producentem chronionych patentem urządzeń do elektrostatycznego oczyszczania olejów.
Nie należy sądzić, że eksploatując stare maszyny, nie warto inwestować w stosowanie bardzo dokładnej filtracji. Jak pokazuje praktyka, nawet w sytuacji gdy wystąpiło już zużycie i uszkodzenia, to zastosowanie dokładnego oczyszczania zatrzymuje te procesy i dodatkowo chroni nowo zainstalowane elementy hydrauliczne. Błędną jest też opinia, że nowa maszyna musi być w środku czysta. Tak nie jest – znajdują się w niej zanieczyszczenia poprodukcyjne oraz te, które dostały się do środka w czasie transportu i montażu. Trzeba też pamiętać o docieraniu, choć obecnie producenci starają się ten proces ograniczać. Z praktycznych testów i badań wynika, że dopiero zastosowanie filtracji absolutnej (dokładność filtracji od 1 do 3 μm) daje wymierne korzyści w ochronie maszyn i urządzeń przed zużyciem i obniża koszty pielęgnacji olejów. Stosowane obecnie systemy filtracji mają swoje ograniczenia. Filtry mechaniczne na przykład nie usuwają wody, a te dokładne mogą – jak się okazuje – przyspieszać starzenie oleju. Z kolei wirówki – choć skuteczne w usuwaniu zanieczyszczeń i wody nawet z bardzo brudnych olejów – są drogie i mają skomplikowaną budowę. Nie usuną też drobnych zanieczyszczeń i produktów starzenia. Filtry magnetyczne usuwają tylko cząstki o takim charakterze. Obecnie stosuje się jeszcze technologię elektrostatycznego oczyszczania olejów (ELC – electrostatic cleaner). Teoretycznie przy wykorzystaniu tej technologii do oczyszczania z olejów można usunąć każdy rodzaj zanieczyszczeń bez względu na jego rodzaj i wielkość. Metoda elektrostatyczna oczyszczania polega na wydzielaniu z olejów zanieczyszczeń rozpuszczalnych (polarnych) i nierozpuszczalnych w oleju, co daje możliwość zarówno oczyszczania olejów w trakcie pracy, jak też regenerowania ich właściwości użytkowych i w efekcie ogranicza potrzebę wymiany.
Mówiąc o filtracji, nie można zapominać o jej kosztach. Wbrew powszechnej opinii filtracja dokładna wcale nie musi być droższa od filtracji zgrubnej. Przez stosowanie filtracji o dokładności przynajmniej 3 μm i przy maksymalnym uszczelnieniu (np. aby zapobiec przenikaniu kurzu) udaje się wielokrotnie wydłużyć czas eksploatacji, eliminując kosztowne okresy przestojów. Okazuje się też, że w wielu przypadkach podwojenie wielkości filtru powodowało więcej niż podwójną jego żywotność (trwałość).
Porównując filtry, należy zwrócić uwagę, że stosuje się bardzo różne materiały filtracyjne i tylko różnice ciśnień systemu filtracyjnego w stanie czystym mogą dać jakąś sensowną informację o filtrze. Przy filtrach zbudowanych z włókien cienkich znacznie więcej cząstek może być zatrzymanych, niż wynika to z prostego wyliczenia powierzchni filtru.
Mówiąc o filtrach i ich skuteczności, należy też zwrócić większą uwagę na stosowany olej. Jak już wspomniano, ważna jest jego jakość i parametry użytkowe, ale również trzeba mieć na uwadze, że od momentu jego wyprodukowania oddziałuje na niego wiele różnych czynników. Jednym z nich jest czas, a trwałość nowoczesnych cieczy hydraulicznych nie jest nieograniczona. Na jego końcową jakość ma wpływ nieodpowiedni sposób pakowania, transportu i magazynowania. W wielu przypadkach niewłaściwe postępowanie przy przelewaniu między opakowaniami czy w trakcie wlewania ma wpływ na jego zanieczyszczenie. Z kolei dopuszczanie do eksploatacji w podwyższonych temperaturach (np. w niedokładnie serwisowanych układach) przyspiesza jego starzenie. Już wzrost temperatury o 10 st. C skraca jego żywotność o połowę.
Wybór filtrów różnych typów jest na naszym rynku bardzo duży. Działa na nim wiele firm o światowej renomie, choćby takich jak Parker Hannifin, której sprzedaż na świecie przekracza 10 miliardów dolarów rocznie. Firma Parker Hannifin ma w ofercie między innymi nowoczesne filtry hydrauliczne na ciśnienia od 6 do 750 barów (wysokociśnieniowe, średniego ciśnienia, powrotne, także akcesoria), elementy filtracyjne z zastosowaniem materiału filtracyjnego MicroGlassIII czy EcoGlass, oraz elementy filtracyjne serii ParFit. Grupa Filtracji Parker Hannifin oferuje też nowoczesne rozwiązania w dziedzinie między innymi filtracji procesowej, oraz filtry i osuszacze sprężonego powietrza, generatory azotu i wodoru. Także urządzenia pomiarowe Parkera dla hydrauliki siłowej, takie jak laserowe mierniki cząstek serii I-Count – zaliczają się do najbardziej nowoczesnych konstrukcji tego typu na rynku, jak informuje Krzysztof Kornacki – z działu Filtracja Hydrauliczna i Paliwowa firmy Parker Hannifin.
Podsumowując, trudno doradzać konkretne rozwiązania. Każdy producent filtrów wskaże zalety swoich produktów. Na pewno tym, co można polecać, jest filtracja bardzo dokładna. Choć zwraca się uwagę na koszt filtracji jako takiej, to nie zawsze w kalkulacjach bierze się też pod uwagę koszty niewłaściwej filtracji, takie jak koszty awarii, przestojów, naprawy urządzeń itp. Właściwa pielęgnacja oleju to również wydłużenie okresu jego użytkowania, a tym samym również mniejsze koszty choćby jego utylizacji.
Autor: Bohdan Szafrański
