7. SUODATUS

Hydraulinesteistä puhuttaessa todettiin jo, että hydraulijärjestelmän toiminta ja pitkä käyttöikä riippuu merkittävästi hydraulinesteen puhtaudesta. Useista lähteistä selviää, että 75 % kaikista järjestelmissä ilmenevistä vioista on seurausta nesteen epäpuhtauksista.

Tyypillisiä vikoja ovat:

• kuristusten tukkeutuminen (suuttimet)
• komponenttien kuluminen
• ruosteen ja oksidien muodostuminen
• kemiallisten aineiden muodostuminen
• lisäaineiden katoaminen
• bakteerien lisääntyminen .

Tämän luvun tavoitteena on selvittää miten nesteen puhtaus määritetään ja miten se aikaan saadaan.

7.1 Nesteen epäpuhtaudet

Kuvassa 7.1 on esitetty eräitä hiukkaskokoa selventäviä kohteita.

Kuva 7.1

Haitallisimmat hiukkaskoot ovat alle 40 μm kokoisia ja siten silmällä havaitsemattomia. Nesteen epäpuhtaudet voidaan jakaa kuvan 7.2 mukaisesti:

1. Partikkelit (siltti ja roskat)
2. Vesi
3. Ilma

Kuva 7.2

Siltillä tarkoitetaan yleensä alle 5 μm partikkeleita.

Kaikilla epäpuhtauksilla on omat haittavaikutuksensa. Partikkelit tulevat järjestelmään:

1. Komponenttien ja järjestelmän valmistuksen ja kokoonpanon yhteydessä
2. Nesteen täytön tai lisäyksen yhteydessä
3. Tunkeutuvat järjestelmään käytön aikana ulkoa päin
4. Syntyvät järjestelmän sisällä käytön aikana.

Partikkelit aiheuttavat mm kulumista ja komponenttien jumittumista ja vaurioita voi syntyä moneen kohteeseen vaikutusmekanismista riippuen. Epäpuhtauksien pääsyä ja määrää järjestelmässä voidaan estää:

1. Säiliön huohotin suodattimet kunnossa ja riittävän tehokkaat
2. Järjestelmän huuhtelu ennen käyttöönottoa
3. Sylintereiden männänvarsien pyyhkijöiden tarkastus ja vaihto tarvittaessa
4. Avointen liitosten ja letkunpäiden suojaaminen lialta
5. Uuden nesteen täyttö suodattimen läpi

Veden ja ilman pääsyä järjestelmään on vaikea täysin estää. Niiden haittavaikutuksia voidaan estää oikealla järjestelmän suunnittelulla.

7.2 Puhtausluokat

Aikaisemmin komponenttivalmistajat ilmoittivat suoraan millaisen suodatin järjestelmässä tuli olla, jotta neste olisi riittävän puhdasta. Suodattimesta ilmoitettiin haluttu partikkelikoko esim 10 μm sekä erottelukyky nimellis- tai absoluuttisena suodatuksena. Nimellissuodatus tarkoitti, että 95 %≥10 μm partikkeleista jäisi suodattimeen. Absoluuttinen suodatus tarkoitti 99 % erottelukykyä.

Tämä tapa ei kuitenkaan huomioinut mm erilaisia olosuhteita, joissa järjestelmän likaantuminen saattoi olla normaalia suurempaa.

Nykyään käytetään partikkelimäärien laskentaan perustuvia menetelmiä. Partikkelimäärien laskenta on tullut mahdolliseksi optisten laskurien avulla.

Yleisin nesteen puhtausluokkaa määrittelevä standardi on ISO 4406. Siinä määritetään puhtausluokat nesteen sisältämien likapartikkelimäärien mukaan,

kuva 7.3.

Tietyn nesteen partikkelimäärien laskemiseksi on rajattava myös minkä kokoisia partikkeleita kulloinkin lasketaan. Varsinainen nesteen puhtausluokkamerkintä annetaankin kuvan 7.4 mukaisesti. Esim ISO 4406 18/16/13.

Kuva 7.4

Ensimmäinen numero tarkoittaa puhtausluokkaa (partikkelimäärää) tarkasteltaessa ≥2μm kokoisia partikkeleita. (Sallittu partikkelimäärä ylärajalla per 100 ml nestettä saadaan myös 2¹⁸≈260000). Keskimmäinen numero tarkoittaa puhtausluokkaa ≥5 μm partikkelikoolla ja viimeinen luku puhtausluokkaa ≥15 μm partikkelikoolla. Määrittäminen useamman partikkelikoon avulla auttaa ennustamaan myös muiden partikkelikokojen epäpuhtausmäärät.

Kuvassa 7.5 näkyy mikroskooppikuva kahdesta nesteen puhtausluokasta. Vasemmalla puhtausluokka on 21/19/17 ja oikealla 16/14/11.

Kuva 7.5

7.2.1 Komponenttien puhtausluokkavaatimukset

Komponenttivalmistajat ilmoittavat kuinka puhdasta nesteen tulee olla antamalla ISO 4406 mukaisen luokituksen, Esim ISO 4406 16/14/11. Kuvassa 7.6 on tyypillisiä arvoja erilaisille järjestelmille ja komponenteille.

Kuva 7.6

Kuvan 7.7 avulla voi verrata eri standardeja keskenään.

Kuva 7.7

7.3 SUODATTIMET

Nestettä pidetään puhtaana suodatinten avulla. Edellä käsiteltiin kuinka puhdasta nesteen tulee olla ja tällä onkin vaikutusta suodattimen valintaan.

Suodattimet voidaan jakaa pinta- ja kerrossuodattimiin riippuen rakenteesta. Kuvassa 7.8 on pintasuodatin. Sen reiän koko (verkon koko) määrää kuinka suuria partikkeleita pääsee läpi. Ongelmana on, että partikkelit voivat olla pituussuunnassa suurempia ja suodattimen likakapasiteetti on melko pieni.

Kuva 7.8

Kerrossuodattimet, kuva 7.9, koostuvat huokoisesta kuitukerroksesta (lasikuitu, selloosa, pronssi), jonka "tiiveys" määrittää erottelukyvyn. Näillä suodattimilla on huomattavan suuri liansietokapasiteetti.

Kuva 7.9

7.3.1 Suodattimen erottelukyky

Suodattimen vaadittu erottelukyky määräytyy vaaditun puhtausluokan mukaan. Erottelukyky ilmoitetaan ISO MULTIPASS testin perusteella saadulla β-arvolla. Kyseinen arvo saadaan laskemalla likapartikkelien määrä ennen ja jälkeen suodattimen.
jossa
n1 = partikkelimäärä ennen suodatinta

n2 = partikkelimäärä suodattimen jälkeen

β = suhdeluku (kuinka monta kertaa vähemmän partikkeleita on suodattimen jälkeen)

x = tarkasteltu partikkelikoko

Multipass testin mittausperiaate selviää kuvasta 7.10.

Kuva 7.10

Erottelukyky prosentteina voidaan laskea β-arvosta seuraavasti:

erottelu % = (1 - 1/β)*100

Jos β₁₀=20, saadaan erottelukyvyksi:
(1-1/20)*100 = 95 %.

7.3.2 Erottelukyvyn valinta

Järjestelmään tulevaa likamäärää on vaikea tietää. Niinpä suodattimen erottelukyky valitaan kokemusperäisesti tai noudattaen suodatinvalmistajien laatimia taulukoita.

Syyt miksi ei käytetä aina erittäin tehokkaita suodattimia, johtuvat mm liansietokapasiteetista. Suuren erottelukyvyn mukainen suodatin tukkeutuu nopeasti ja lyhentää huoltoväliä. Sillä ei myöskään saavuteta merkittäviä lisäetuja riittävät vaatimukset täyttävään suodattimeen.

Kuvassa 7.11 on esitetty millaista suodattimen erottelukykyä tulee käyttää nesteen puhtausluokasta riippuen.

Kuva 7.11

Taulukon painearvot ovat yksiköinä psi. (3000 psi = 210 bar, 1000 psi = 70 bar).

7.3.3 Suodattimen tukkeutuminen

Suodattimen likakapasiteetin täyttyminen näkyy paine-eron kasvamisena. Alussa paine-ero kasvaa hitaasti mutta likakapasiteetin alkaessa täyttyä, paine-ero alkaa kasvamaan nopeasti. Kuva 7.12 esittää paine-eron kasvua ajan kuluessa. Käytetty suodatinmateriaali vaikuttaa myös käyttöikään. Kuvassa 7.13 on vertailtu erilaisia materiaaleja.

Kuva 7.12

Kuva 7.13

Suodatinelementti sijoitetaan suodatinrunkoon, jonka tyyppi vaihtelee paineenkestosta ja sijoituspaikasta riippuen. Painesuodatinten on kestettävä täysi järjestelmän paine. Paluusuodattimille riittää huomattavasti matalampi paineenkesto (esim n. 30 bar). Kuvassa 7.14 on rakennekuva tyypillisestä suodattimesta. Elementin lisäksi suodatin sisältää liitynnät tulevaa ja poistuvaa tilavuusvirtaa varten. Normaalisti virtaus kulkee suodattimen läpi ulkoa sisälle päin (suurempi pinta-ala). Usein suodattimessa on myös ohivirtausventtiili tukkeutumisen varalle sekä indikaattori, joka kertoo suodattimen paine-eron kasvaneen liian korkeaksi.

Suodattimen koon valintaan on erilaisia ohjeita. Eräs suositus on, että puhtaan suodattimen paine-eron tulee olla niin matala, että ohivirtausventtiili avautuu tähän paine-eroon nähden kolminkertaisella paineella, kuva 7.15. Suhteen tulee kuitenkin olla vähintään 2:1. Indikaattorin indikointipaine valitaan niin, että se varoittaa 5...25 % ennen kuin ohivirtausventtiili avautuu.

Kuva 7.14

Kuva 7.15

Kaikissa suodattimissa ei käytetä ohivirtausventtiiliä, koska se mahdollistaa suodattamattoman nesteen pääsyn järjestelmään. Kuva 7.16 kuvaa miten erottelukyky heikkenee, jos ohivirtausta ilmenee.

Painesuodattimissa ohivirtausventtiili jätetään usein pois. Paluusuodattimissa sitä usein käytetään, jottei suodattimen tukkeutuminen aiheuttaisi vaaratilanteita.

Kuva 7.16

7.3.4 Suodattimen sijoittaminen

Suodatus voi olla täysvirtasuodatusta tai ohivirtaussuodatusta. Täysvirtaussuodatuksessa kaikki kierrossa ollut neste suodatetaan. Sivuvirtasuodatuksella pyritään useimmiten pitämään säiliössä oleva neste puhtaana. Koska suodattimen paikka vaikuttaa käytettyyn suodatintyyppiin, jaetaan suodattimet usein:

1. Painesuodatin
2. Paluusuodatin
3. Imusuodatin
4. Ohivirtaussuodatin

Painesuodatin

Painesuodatin sijaitsee painelinjassa ennen muita komponentteja. Sitä käytetään, kun järjestelmän komponentit ovat erityisen herkkiä lialle. Näiden suodattimien on kestettävä täysi järjestelmän paine. Niiden koko määräytyy tilavuusvirran perusteella (kuten muidenkin suodatinten). Edellä mainittiin valintakriteereistä. Usein käytetään myös seuraavaa:

Puhtaan suodatinelementin + rungon paine-ero saa olla max 1 bar normaalissa käyttölämpötilassa ja maksimi virtauksella. Kuvassa 7.17 näkyy painesuodattimen sijoitus. Ohivirtausventtiili suositellaan usein jätettäväksi pois. Painesuodatin ei suojaa pumppua parhaalla mahdollisella tavalla.

Kuva 7.17

Paluusuodatin

Paluusuodattimen sijoitus järjestelmään näkyy kuvassa 7.18.

Kuva 7.18

Kaikki järjestelmästä palaava neste kulkee paluusuodattimen läpi. Tämä suodatin estää järjestelmästä irronneen lian pääsyn säiliöön ja samalla pumppuun. Suodattimen valinta perustuu 0,5 bar sallittuun paine-eroon (puhdas elementti + runko, täysi virtaus, normaali käyttölämpötila). Valinnassa on vielä huomioitava, että sylinterien pinta-alaeroista johtuen paluuvirtaus voi olla suurempi kuin suurin pumpun tuotto.

Imusuodatin

Imusuodattimen sijoittaminen selviää kuvasta 7.19.

Kuva 7.19

Imusuodatin tarjoaa periaatteessa parhaan suojan pumpulle. Imukanavassa sallitaan kuitenkin hyvin pieniä alipaineita kavitaatiovaaran takia. Imusuodatin lisää aina alipainetta ja kavitaatiovaaran johdosta sitä ei voida tehdä kovin tehokkaaksi. Yleensä imusuodatin on paremminkin imusiivilä, joka suojaa pumppua suuremmilta partikkeleilta. Varsinainen suodatin sijoitetaan muualle.

Ohivirtaussuodatin

Ohivirtaussuodatuksessa osa palaavasta nesteestä ohjataan suodattimen läpi tai kuten kuvassa 7.20, käytetään erillistä suodatuspiiriä, jossa on myös oma pumppu. Usein voidaan sanoa täysvirtaussuodatuksen olevan suositellumpi vaihtoehto. Tällöin tulee kuitenkin aina muistaa, että täysvirtaussuodatus vaikuttaa järjestelmän toimintaan ja tämä tulee suunnittelussa huomioida. Ohivirtaussuodatus on oma piirinsä ja se voidaankin tehdä erotuskyvyltään hyvin suureksi. Suodatuspiiri voi toimia myös pääjärjestelmän ollessa pois käytöstä.

Yhteenveto eri suodatustapojen välisistä eroista on esitetty taulukossa 7.21.

Kuva 7.20

Joskus kuulee sanottavan: "Neste on niin likaista, että se pitää vaihtaa".

Näin ei saa koskaan olla järjestelmässä. Nesteen likaantuminen on aina merkki jostain vakavasta häiriötilasta! Sitä ei voi korjata nestettä vaihtamalla. Itse asiassa on tyypillistä, että uusi neste on alussa likaisempaa ja puhdistuu käynnin aikana. Valitusta suodattimesta riippuen saavutetaan tietty puhtauden tasapainotila.

Nesteen vaihto saattaa olla tarpeen, jos järjestelmässä on sattunut vakava vaurio.

Kuva 7.21