Фильтры. Гидравлическим фильтром называется гидроустройство, предназначенное для очистки рабочей жидкости методом фильтрования. В основе метода фильтрования лежит процесс, при котором жидкость преднамеренно пропускают через фильтрующую перегородку (сетку, пакет с щелями, пористую среду). При этом взвешенные частицы загрязнения задерживаются фильтрующей перегородкой. Основными составными частями фильтра являются корпус и фильтрующий элемент (в дальнейшем — фильтроэлемент). В зависимости от конструкции фильтрующих перегородок фильтры разделяют на щелевые, сетчатые и пористые.
Основными параметрами фильтров являются номинальные тонкость фильтрации δ (мкм), давление рном и расход Q ном жидкости; условный проход Dy; допустимый перепад давлений на фильтроэлементе ∆ р; ресурс работы фильтроэлемента.
Под номинальной тонкостью фильтрации понимают минимальный размер частиц, задерживаемых фильтроэлементом, число которых составляет не менее 90 % от числа частиц загрязнителя такого же размера, находящегося в неотфильтрованной жидкости. Установлен ряд номинальных тонкостей фильтрации: 1, 2, 5, 10, 16, 25, 40, 63 и 80 мкм (ГОСТ 14066—68). В зависимости от номинальной тонкости фильтрации δ можно условно выделить фильтры грубой (свыше 15 мкм), нормальной (до 10 мкм), тонкой (до 1 мкм) очистки.
Под номинальным расходом фильтра понимают расход жидкости, проходящей через фильтр с чистым фильтроэлементом при определенной вязкости и заданном перепаде давлений на фильтре. Графическую зависимость перепада давлений от расхода жидкости, проходящей через фильтр, ∆ р = f (Q) называют гидравлической характеристикой фильтра (рис. 5.1). Перепад давлений на фильтроэлементе зависит от степени загрязненности фильтрующей перегородки во время работы фильтра. Чем больше фильтр находится в работе, тем больше он засоряется. При этом перепад давлений на фильтроэлементе увеличивается ∆ р = f(Т) (здесь Т — время).
Фильтровальный материал должен обеспечивать необходимую тонкость фильтрации, быть достаточно термостойким, прочным и не выделять в поток фильтруемой рабочей жидкости никаких компонентов (волокон, частиц порошка и т. п.). Наличие в фильтровальном материале сквозных каналов, пустот и других дефектов, нарушающих его фильтрующие свойства, не допускается. Фильтровальный материал должен быть совместим с рабочей жидкостью, например, картон и прочие подобные материалы не должны разбухать, а металлические материалы должны иметь противокоррозионные покрытия. Фильтроэлементы должны быть прочными и выдерживать без разрушения пробный перепад давлений, превышающий предельный перепад давления менее чем в 1,5 раза. Прочность фильтроэлементов повышают при помощи опорных и защитных элементов в виде, например, цилиндрических пружин. Корпус фильтра должен быть прочным и выдерживать без разрушения пробное (испытательное) давление, равное 1,25 максимального.
На корпусе фильтра должно быть указано направление потока рабочей жидкости, так как через фильтр обратного направления потока жидкости не допускается. В корпусе отстойного фильтра для удаления осадка устанавливают пробку. В фильтрах, в которых не предусмотрена замена фильтроэлементов (например, щелевых), необходимы устройства для ручной или автоматической очистки последних. Для предохранения фильтроэлементов от разрушения в отдельных случаях применяют фильтры со встроенными перепускными клапанами (см. рис. 5.6), которые при превышении допустимого перепада давлений пропускают неотфильтрованную жидкость в гидросистему в обход фильтроэлемента. Конструкция фильтра должна обеспечивать легкую замену фильтроэлементов при минимальной утечке рабочей жидкости. С этой целью в отдельных случаях применяют фильтры со встроенными отсечными клапанными распределителями (рис. 5.2). При удалении фильтроэлемента из корпуса фильтра клапан распределителя РК под действием пружины перекрывает внешние гидролинии. В момент установки фильтроэлемента в корпус фильтра под действием внешнего усилия пружина сжимается, и клапанный распределитель открывает внешние линии. В отдельных случаях
в корпус фильтра могут быть встроены индикаторы загрязненности (см. рис. 5.6).
Фильтры, в которых жидкость очищается при прохождении через щели в фильтрующем пакете, называют щелевыми. В зависимости от конструкции фильтроэлемента или пакета щелевые фильтры разделяют на пластинчатые (δ = 80... 120 мкм) и проволочные (б = 40... 100 мкм).
Фильтры, в которых жидкость очищается при прохождении через ячейки сетки фильтроэлемента, называют сетчатыми. В качестве фильтровального материала в сетчатых фильтроэлементах наибольшее распространение получили металлические (никелевые) сетки квадратного и саржевого плетений. На рис. 5.3 показана конструкция цилиндрического сетчатого фильтроэлемента, состоящего из перфорированного металлического каркаса 3, сетчатой гофрированной перегородки 1 и присоединительных шайб 2 и 4.
На рис. 5.4 показан дисковый сетчатый фильтроэлемент, изготовленный из набора фильтрующих колец и фигурного диска. Фильтрующие кольца 5 и 6 устанавливают на опорный подслой 7, изготовленный из коррозионно-стойкой сетки, и на фигурный диск 2. Кольца 5, 6 и подслой прочно соединяют внутренней обоймой 1. Наружная обойма 3 соединяет верхние и нижние кольца и фигурный диск. Для герметизации в обоймах установлены уплотнения 4 и 8. Рабочая жидкость через фильтрующие кольца 5 и 6 проходит к фигурному диску. Частицы загрязнения оседают на наружной поверхности кольца 5. Фигурный диск выполняет роль каркаса фильтрующих колец и опорных слоев. Диски устанавливают на трубчатый стержень, и очищенная жидкость по внутреннему каналу поступает в гидролинию.
Фильтры, в которых жидкость очищается при прохождении через поры фильтроэлемента, называют пористыми. Пористые фильтры разделяют на поверхностные (в них частицы задерживаются на поверхности фильтроэлемента) и глубинные (частицы задерживаются в капиллярах материала). В первых в качестве фильтровального материала применяют бумагу, картон, реже ткань, во вторых — пористый порошковый материал (в виде ленты или корпусов) и пористую пластмассу.
Цилиндрический бумажный фильтроэлемент (рис. 5.5), состоит из гофрированной бумажной фильтровальной перегородки 2 с сетчатым подслоем, шайб 1 и 4, прикрепленных к торцам перегородки, и проволочного каркаса 3, выполненного в виде винтовой пружины. Номинальная точность фильтрации таких фильтроэлементов δ = 6 мкм.
Бумажные фильтроэлементы получили широкое распространение (низкая стоимость по сравнению со стоимостью других элементов). К их недостаткам относится невысокая прочность бумажного фильтровального материала и возможность его разбухания. Указанные недостатки, частично устраняются при пропитке бумаги спиртовым раствором бакелитового лака.
Металлопорошковые фильтроэлементы изготовляют спеканием металлических порошков под давлением. Металлопорошковые фильтроэлементы обладают по сравнению с бумажными фильтроэлементами повышенной (в 3... 5 раз) грязеемкостью, но имеют меньшую удельную пропускную способность, что требует увеличения эффективной поверхности фильтроэлемента. Пористый порошковый материал допускает механическую обработку, сварку, поэтому из него можно получать фильтроэлементы любой формы. Прокаткой порошкового материала можно получить фильтроэлемент с меньшими размерами фильтрующих пор. Площадь рабочей (эффективной) поверхности фильтроэлемента S (м2) рассчитывают по формуле
где Q — расход жидкости через чистый фильтроэлемент, м3/с; Dр — перепад давлений на фильтроэлементе, Па. m—динамическая вязкость жидкости, Па·с; k — коэффициент засоряемости, принимаемый равным 0,5—0,75; q — удельный расход жидкости через фильтроэлемент, м.
Под удельным расходом жидкости через фильтроэлемент понимается расход жидкости через единицу площади чистого фильтроэлемента при перепаде давлений Dр =1 Па, динамической вязкости m= 1 Па·с и коэффициенте засоряемости, равным 1. Удельный расход жидкости определяют экспериментально для каждого вида фильтровального материала при различных перепадах давлений и строят диаграммы зависимости q=f (Dр). Лучшими гидравлическими свойствами обладают фильтровальные материалы, у которых значительное увеличение скорости фильтрации не связано с резким возрастанием перепада давлений.
На рис. 5.6, а показана конструкция фильтра ФП17, состоящего из стакана 1, корпуса 2 и крышки 3. Корпус имеет входное и выходное отверстия. В стакане размещен фильтроэлемент 7 с заглушками 6 и 8. В крышку фильтра вмонтированы обратный 5 и переливной 9 клапаны. В крышке также находится индикаторное устройство, предназначенное для сигнализации о засорении фильтроэлемента; оно состоит из магнита—золотника 10, пружины, стрелки и стекла 4. Герметичность соединения в фильтре обеспечивается с помощью уплотнительных колец.
Принцип работы фильтра следующий. При включении гидросистемы рабочая жидкость проходит через канал Б в корпус фильтра. Пройдя через фильтроэлемент, поток очищенной рабочей жидкости поступает в выходное отверстие через канал Л, предварительно открыв обратный клапан. При увеличении перепада давлений на фильтроэлементе вследствие его засорения открывается переливной клапан 9, и часть общего потока рабочей жидкости, минуя фильтроэлемент, поступает в канал Г, перемещает вправо магнит — золотник 10 индикаторного устройства 4 и через отверстие Д и канал А идет на выход.
В фильтре тонкой очистки ФП17 установлен фильтроэлемент из специальной бумаги (картона), обеспечивающий номинальную тонкость фильтрации 5... 25 мкм. Фильтр ФС7 с фильтроэлементом из металлической сетки обеспечивает номинальную тонкость фильтрации 40... 80 мкм.
При выборе типа фильтра учитывают заданный расход жидкости, требуемую номинальную тонкость фильтрации, давление рабочей жидкости и место установки фильтра в гидросистеме.
Варианты установки фильтров в гидролиниях показаны на рис. 5.7. Для фильтра Ф, включенного во всасывающую линию насоса Н (рис. 5.7, а), характерна работа при минимальном давлении рабочей жидкости. Однако по мере загрязнения фильтра увеличивается сопротивление во всасывающей линии и ухудшается кавитационная характеристика самовсасывающего насоса. Обычно в этих условиях устанавливают фильтры грубой очистки с малым перепадом давлений, большим расходом жидкости и с индикатором загрязненности.
Для фильтра Ф, включенного в напорную линию после насоса Н (рис. 5.7, б), характерна работа при максимальном давлении рабочей жидкости. В связи с этим ужесточаются требования к прочностным характеристикам корпуса фильтра и увеличивается его масса.
На рис. 5.7, в показана схема установки фильтра Ф в линию с реверсивным потоком жидкости. Обратные клапаны К01... К04 обеспечивают постоянное направление потока рабочей жидкости через фильтр независимо от направления потока рабочей жидкости в гидролинии.
Установка фильтра Ф в сливной линии (рис. 5.7, г) имеет существенное преимущество, так как в этом случае фильтр не подвержен большому давлению жидкости. Однако эта схема не лишена недостатка: по мере загрязнения фильтра возникает подпор жидкости в сливной линии.
Эффективным вариантом является установка фильтра Ф в напорную линию вспомогательного насоса Н2 (см. рис. 7.12), который осуществляет подпитку гидросистемы с замкнутым потоком. В данной схеме корпус фильтра находится под небольшим давлением жидкости 0,4...1 МПа, и расход рассчитывают исходя из максимальной подачи вспомогательного насоса, а не основного насоса H1. В электрогидравлических следящих системах фильтры тонкой очистки часто размещают непосредственно перед дросселирующими гидроаппаратами.
Сепараторы. Сепараторы—устройства, предназначенные для разделения жидких неоднородных смесей под действием различных внешних силовых полей. В объемных гидроприводах применяют центробежные, магнитные сепараторы и отстойники.
В центробежных сепараторах (центрифугах) рабочая жидкость очищается под действием центробежных сил
(5.2)
где m — масса частицы; ω — угловая скорость частицы; r — радиус окружности расположения масс частицы от оси вращения.
К основным параметрам центробежных сепараторов относятся: номинальная производительность; давление жидкости; частота вращения ротора и номинальная тонкость фильтрации. Для центробежных сепараторов с приводящими двигателями максимальная частота вращения ротора составляет 500... 1000 об/мин, с гидрореактивным приводом 5000... 8000 об/мин, а номинальная тонкость фильтрации 10... 30 мкм.
В магнитных сепараторах рабочая жидкость очищается под действием сил магнитного поля. Магнитные сепараторы в виде постоянных магнитов монтируют в ввертные пробки, которые устанавливают в корпусе гидробаков. Магнитные сепараторы входят также в состав фильтров [6].