ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ И СЕПАРАТОРЫ

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 р_ном и расход Q _ном жид­кости; условный проход D_y; 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].