Filtracja na wtryskarkach

Dla zagwarantowania ochrony przed zużyciem wtryskarki wyposażane są w najprzeróżniejsze systemy filtracji różniące się między sobą także sprawnością. Poniższy tekst wyjaśnia funkcję i sposób działania poszczególnych rodzajów filtracji i przedstawia możliwe problemy.

Filtry mają za zadanie odseparowanie zanieczyszczeń z oleju hydraulicznego i pełnią funkcję zabezpieczenia ważnych elementów konstrukcyjnych. Ich budowa jest zróżnicowana w zależności od miejsca zastosowania. Rozróżnia się szereg ważnych kryteriów, stanowiących o jakości filtrów, takich jak:

- Dokładność filtracji, w przypadku filtrów ciśnieniowych oraz filtrów umieszczonych w odgałęzieniach pomiędzy 1 i 12 mikronów, w przypadku filtrów ssawnych od 60 do 200 mikronów,

- Filtry powierzchniowe i zanurzeniowe. Filtry powierzchniowe wykonane są przeważnie z celulozy i nie mają działania wgłębnego. Nie powinny one być już więcej stosowane w wtryskarkach, nawet jako filtry wentylacyjne.

- Wartość Beta oznaczająca pojemność materiału filtracyjnego o zdefiniowanej dokładności filtracji, cząstki o tej wielkości są zatrzymywane. Wartości Beta wynoszą powszechnie od 75 do 2000 - stopień separacji 98,7 do 99,9 proc. Wartość ta jest określana przez jakość materiału filtracyjnego i wpływa decydująco na klasę czystości w maszynie. Im wyższa jest wartość Beta, tym szybciej filtr powinien być w stanie odfiltrować zanieczyszczenia z oleju.

- Pojemność wchłaniania zanieczyszczeń jest to ilość zanieczyszczeń w gramach możliwa do pobrania przez filtr.

- Początkowa różnica ciśnień wpływa na trwałość filtra, a tym samym na koszty filtracji maszyny. Nie powinna ona przekraczać 25 proc. różnicy ciśnień stanowiącej punkt włączenia wskaźnika zanieczyszczonego filtra.

Najnowsza wiedza i wyniki badań materiałów filtracyjnych doprowadziły do opracowania przez firmę Pall Corporation tzw. testu odporności na obciążenia (SRT). Firma przeprowadziła również badania wpływu zmiennych strumieni objętości i rosnących różnic ciśnienia na parametry określające wydajność filtracji. Wynik: lepsze, bardziej zbliżone do rzeczywistości przedstawienie zjawisk niż w przypadku testu wielostopniowego (ISO 16889).

Dodatkową zaletą dla użytkownika jest fakt, że zamiast dotychczasowej wartości Beta na elemencie filtracyjnym podawana jest uzyskana podczas testu SRT klasa czystości według ISO 4406.

Wtryskarki są na ogół wyposażane w jedną lub w kilka z następujących koncepcji filtracji: filtr ssawny, filtr ciśnieniowy, filtr w przewodzie powrotnym, filtr w odgałęzieniu (filtr w przewodzie obejściowym), filtr wentylacyjny

Filtr ssawny składa się z kosza ssawnego o dużej wielkości oczka i jest kontrolowany przy pomocy wyłącznika podciśnieniowego. Służy do zabezpieczania pompy przed bardzo dużymi zanieczyszczeniami, a równocześnie ma za zadanie uszczelnienia zbiornika względem pompy. Filtr ssawny przeznaczony jest do ochrony pompy przed ewentualnymi dużymi zanieczyszczeniami podczas uruchomienia, po naprawach lub przy większych uszkodzeniach elementów konstrukcyjnych.

Warto wiedzieć, że przy mocnym zanieczyszczeniu filtra ssawnego powstaje niebezpieczeństwo zmniejszenia strumienia oleju przepływającego do pompy oraz negatywnego wpływu uszkodzeń kawitacyjnych. Filtr ssawny jest szczególnie wrażliwy na obecność produktów starzenia oleju, które mogą być usuwane z tkaniny filtracyjnej tylko z dużą trudnością. Po kilku dniach przestoju, zwłaszcza w przypadku starszych wtryskarek, stan ten staje się rozpoznawalny dzięki wyraźnej emisji nietypowych dźwięków, co sygnalizuje konieczność przeprowadzenia czyszczenia filtra ssawnego.

Niektórzy producenci maszyn zrezygnowali ze stosowania filtra ssawnego przy równoczesnym przejściu na filtrację dokładną (6 do 12 mikronów). Jak wynika z doświadczeń, w maszynach tych nie wystąpiły jeszcze uszkodzenia pomp spowodowane dużymi zanieczyszczeniami.

Idealnym rozwiązaniem jest zgrubny kosz ssawny z prętem magnetycznym oraz z funkcją uszczelniania zbiornika.

Druga grupa filtrów to filtry ciśnieniowe. Są one obecnie filtrami najczęściej montowanymi we wtryskarkach, przy czym filtr taki jest instalowany za jedną lub za kilkoma pompami i oczyszcza olej wypływający z pompy i to zanim przepłynie on przez inne elementy konstrukcyjne.

Z uwagi na wysokie ciśnienie oraz jego pulsacje wymagana jest wysoka jakość materiału filtracyjnego w celu wyeliminowania wyrywania włókien filtracyjnych. Cenną zaletą filtracji ciśnieniowej, a w szczególności filtracji pełnostrumieniowej, jest ochrona systemu przy wysokich natężeniach cyrkulacji. Filtracja ciśnieniowa pozwala na uzyskiwanie najlepszych klas czystości przy ilości cyrkulacji przez zbiornik wynoszącej co najmniej 4 na godzinę, a optymalnie 10na godzinę i przy dokładności filtracji równej 3 mikrony.

Wada takiego rozwiązania polega na tym, że jeśli przy podwyższeniu wydajności pompy (powyżej 200 l/min) ma być zachowana dająca się zaakceptować początkowa różnica ciśnień, to przy pomocy filtracji ciśnieniowej niemożliwe jest poprawa dokładności filtracji do 3 mikronów. Korpusy filtrów są tak duże i ciężkie, że ich wymiana jest bardzo pracochłonna. W przypadku wtryskarek z pompami o wysokiej wydajności lepszym rozwiązaniem jest filtracji w odgałęzieniu (filtracja równoległa) lub kombinacja obu systemów. Przy dużym strumieniu objętości należy wybrać w filtrze ciśnieniowym gorszą dokładność filtracji i równolegle do tego przeprowadzać filtrację bardzo dokładną części oleju w strumieniu odgałęzionym (1 do 3 mikronów).

Należy koniecznie wiedzieć, że w przypadku kilku typów pomp lepsze dla uzyskania niezmiennej klasy czystości jest zainstalowanie filtrów ciśnieniowych za pompami o stałej wydajności.

Teraz warto przejść do problematyki zastosowania filtrów ciśnieniowych za pompami regulowanym.

W przyszłości, ze względu na oszczędność energii, coraz częściej stosowane będą pompy z regulacją proporcjonalną. Odnośnie filtrów wysokociśnieniowych zainstalowanych za pompami regulowanymi stawiane są wysokie wymagania. Pulsująca ilość tłoczonego medium oraz wahające się ciśnienia mogą obniżać sprawność filtracji. Dla uniknięcia przerw w filtracji skuteczne okazało się zastosowanie w praktyce wysokiej jakości obejściowych zaworów rewersyjnych, które przy wahaniach na pompie szybko reagują w obszarze ujemnym poprzez szybkie otwieranie.

Wynikiem umieszczenia filtra wysokociśnieniowego za pompą są nieco większe wahania klas czystości. Jeśli dąży się do utrzymywania klasy czystości na stałym, dobrym poziomie, wówczas zalecane jest dodatkowe zainstalowanie filtracji obejściowej o dokładności 1 mikrona. Taka kombinacja spełnia wysokie wymagania odnośnie stałego uzyskiwania dobrej klasy czystości.

Poniższy rysunek przedstawia wtryskarkę wyposażoną w dodatkowy filtr 1μm zainstalowany w odgałęzieniu w celu ciągłego uzyskiwania dobrej klasy czystości.

Oto kolejny przykład zastosowania dodatkowego, optymalnego rozwiązania filtracji bardzo dokładnej za pompami regulowanymi

Wtryskarka koncernu KraussMaffei została wyposażona przez producenta w filtrację 3 mikronów. Wartość Beta zastosowanego filtra 3 mikronów wynosiła zaledwie 75, zmniejszenie ilości zanieczyszczeń bardzo drobnych nie nastąpiło.

Jakie były efekty?

Gdy nawet po 1,5 tys. godzin pracy nie nastąpiło usunięcie cząstek o wielkości 2 mikronów, oczyszczenie zostało dokonane przy pomocy filtracji 1 mikrona. Po ponownym wzroście zakresu zanieczyszczeń bardzo drobnych, przy stanie 7,3 tys. godzin pracy zastąpiono filtr na większy filtr 3 mikronów o wartości Beta 200 i lepszym przepływie. Należy tutaj również zauważyć występowanie lekkich wahań klas czystości wynikających z pulsacji ciśnienia, jednak obecnie udział zanieczyszczeń bardzo drobnych jest o cztery klasy korzystniejszy, a więc mamy do czynienia z przykładem pozytywnego wyniku umieszczenia filtra ciśnieniowego za pompą regulowaną.

Kontrola pompy regulowanej pod kątem możliwych oddziaływań tego dużego zanieczyszczenia bardzo drobnego wykazała zużycie na bieżniach tłoków.
Poniższy rysunek przedstawia powstające uszkodzenie pompy po ok. 10 tys. godzin pracy. Bardziej efektywna filtracja pozwoliłaby już od samego początku uzyskiwać lepszy wynik.

Niektórzy producenci maszyn stosują przed regulowanym blokiem wtryskowym oddzielny filtr ciśnieniowy jako filtr ochronny. Przy wysokim stopniu czystości panującym w takiej maszynie daje się zauważyć, że filtry po przezbrojeniu systemu filtracji na dokładność filtracyjną 3 mikronów nie ulegają zabrudzeniu nawet po wielu latach.

Pomimo tego godna polecenia jest wymiana filtra po określonej ilości przepracowanych godzin, tak aby zapobiec zmęczeniowemu pęknięciu wkładu filtracyjnego na skutek zmian ciśnienia. Przy wysokiej czystości oleju w maszynie stwierdzono, że także filtry ochronne (filtry metalowe) wbudowane w zaworach proporcjonalnych i regulacyjnych nie wykazywały już żadnych zanieczyszczeń i musiały być wymieniane wyłączeni w celach profilaktycznych.

W małych maszynach stosowana jest zwykle częściowa filtracja na przewodzie powrotnym do zbiornika. Filtrowana jest przy tym część strumienia powrotnego. Wadą tego rodzaju filtracji, występującą przy nieoptymalnym zaprojektowaniu, jest duża pulsacja powracającego oleju, co może prowadzić do obecności zbyt dużej ilości zanieczyszczeń bardzo drobnych.

Kolejna warta do omówienia kategoria to filtry w odgałęzieniu. Tego rodzaju filtr w odgałęzieniu, zwany również filtrem obejściowym, jest filtrem pracującym całkowicie niezależnie od wahań ciśnienia hydraulicznego w maszynie. Podstawową zasadą przy tego rodzaju filtracji powinno być zasysanie brudnego oleju z przewodów powrotnych w pobliżu zbiornika i odprowadzanie go po przefiltrowaniu w pobliże miejsca zasysania. Niekiedy kombinację pompy, filtra i silnika instaluje się oddzielnie. Rozwiązaniem umożliwiającym zainstalowanie filtracji w odgałęzieniu jest również dołączenie do istniejącego zespołu pomp dodatkowego stopnia pompowania w obszarze niskich ciśnień.

Działanie filtra w odgałęzieniu cechuje duża dokładność filtracji od 1 do 3μm; małe obciążenia oleju przez niskie ciśnienie w obejściu; ciągłe oczyszczanie układu jednak tylko przy dużej cyrkulacji przez zbiornik; niskie koszty filtracji dzięki dużej trwałości filtrów; możliwość dodatkowego wykorzystania przez integrację chłodzenia oleju oraz wyższe zużycie energii wskutek zainstalowania dodatkowej pompy cyrkulacyjnej.

Przy takiej koncepcji maszyn MC i przy zastosowaniu oleju hydraulicznego o wysokiej jakości uzyskiwane są w praktyce trwałości filtrów ponad 8 tys. godzin pracy. Osiągane są klasy czystości 15/12/09 i lepsze. Jest to rozwiązanie tanie i efektywne.

Ten rodzaj filtracji jest często wykorzystywany równocześnie do chłodzenia oleju hydraulicznego poprzez zainstalowanie w przewodzie powrotnym chłodnicy oleju. Przy instalacji należy zwrócić uwagę, aby w obszarze zasysania pomp w maszynie nie dochodziło do większych zawirowań, co może doprowadzić do uszkodzenia pompy. Aby możliwe było uzyskiwanie i utrzymywanie wysokich klas czystości, konieczne jest odpowiednie ustalenie wydajności cyrkulacji objętości zbiornika.

Na koniec warto zapoznać się nieco z tematem filtracji wentylacyjnej. Zapobiega ona wnikaniu zanieczyszczeń do zbiornika hydraulicznego podczas wymiany powietrza.

Należy koniecznie wiedzieć, że zaleca się zastosowanie filtra wentylacyjnego o dokładności filtracji zbliżonej do filtracji oleju. W praktyce dobre wyniki są uzyskiwane przy dokładności 3 mikronów.

Cykle wymiany wkładów filtracyjnych są uzależnione od stopnia zanieczyszczenia powietrza w otoczeniu wtryskarki (wielkość emisji pyłów). Podczas gdy przy pracy w czystym pomieszczeniu wystarczający jest kilkuletni cykl wymiany, w zakładach o wysokiej emisji pyłów konieczne są coroczne wymiany wkładów filtracyjnych. W halach wtryskarek o małej emisji pyłów i równoczesnej filtracji pyłu przy transporcie i suszeniu granulatu wystarczająca jest wymiana co dwa do trzech lat. W zakładach przetwórstwa wtryskowego o małym zapyleniu możliwości wnikania zanieczyszczeń przez układ wentylacji zbiorników oraz przez cylindry hydrauliczne są niewielkie.