Всасывающий (заборный) фильтр — самый незаметный фильтр гидросистемы: он спрятан в баке, и о нём вспоминают, когда насос начинает шуметь. При вскрытии фильтр нередко оказывается смятым, сдвинутым с посадочного места или порванным. Смятие — не дефект самого фильтра, а следствие: перепад давления на нём превысил то, на что элемент рассчитан. Разберём, откуда берётся этот перепад, почему он опасен для насоса и как его не допустить.
Как устроена гидросистема
В упрощённом виде гидросистема экскаватора или экскаватора-погрузчика выглядит так:
Упрощённая схема. Цветом выделена линия всасывания — участок, где давление ниже атмосферного. Пунктир — дренажная линия.
- Гидробак. Хранит запас масла. Здесь масло остывает, из него выходит воздух, а тяжёлые частицы и вода оседают на дно.
- Всасывающий фильтр — сетка на входе в линию насоса. Обычно это металлическая сетка с ячейкой порядка 100–150 мкм. Она задерживает крупные частицы и посторонние предметы, но тонкую очистку не делает и не должна: тонкий материал на всасывании создавал бы слишком большое сопротивление.
- Насос. На экскаваторах обычно аксиально-поршневой. Его поршни и распределительная плита работают с зазорами в несколько микрон, поэтому такой насос особенно чувствителен и к загрязнению масла, и к условиям на входе.
- Сапун — фильтр, через который «дышит» бак. Когда цилиндры выдвигаются, уровень масла падает, и в бак входит воздух. На стройплощадке он пыльный и влажный, и без фильтра сапуна бак быстро набирает пыль и воду. На многих машинах в сапуне стоит клапан, который поддерживает в баке небольшое избыточное давление: оно помогает насосу заполняться.
- Гидрораспределитель направляет масло к рабочему оборудованию.
- Гидроцилиндры и гидромоторы — рабочее оборудование.
- Сливной фильтр очищает всё масло, которое возвращается в бак. Это основная тонкая очистка: на нём оседает большая часть грязи, которая образуется в системе.
- Дренажный фильтр очищает утечки из корпусов насосов и гидромоторов. С ними первыми приходят продукты износа. Такой фильтр ставят не на все машины, чаще — на экскаваторы от 20–25 тонн.
Кроме них, в системе управления стоит фильтр пилотной линии; на схеме он не показан.
Физика всасывания: откуда берётся разрежение
Насос не тянет масло, как шприц. Поршень, отходя назад, освобождает объём, давление в нём падает, и масло в насос вталкивает давление над поверхностью масла в баке — атмосферное или чуть выше, если бак под наддувом. Поэтому весь запас давления на линии всасывания — около одной атмосферы, и его делят между всеми сопротивлениями на пути масла:
pвх = pбака + ρgH − Δpфильтра − Δpлинии − ρv²/2,
где:
- pвх — абсолютное давление на входе насоса;
- pбака — давление над маслом в баке: около 1 бар абсолютного, с наддувом — больше;
- ρgH — подпор столба масла высотой H над входом насоса. Он невелик: у масла плотностью 870 кг/м³ полметра столба дают около 0,04 бар;
- Δpфильтра и Δpлинии — потери давления в фильтре и трубопроводе;
- ρv²/2 — давление, которое уходит на разгон масла до скорости v.
Производители аксиально-поршневых насосов, как правило, требуют, чтобы абсолютное давление на входе было не ниже примерно 0,8 бар, то есть разрежение — не глубже 0,2 бар. Значит, на фильтр, трубу и разгон масла вместе остаётся около 0,2 бар. Чистая сетка на прогретом масле забирает из этого запаса сотые доли бара. Забитая сетка или слишком густое масло съедают весь запас.
От чего зависит перепад давления на фильтре
Через ячейки сетки и поры осевшей грязи масло течёт медленно, ламинарно, и перепад давления описывается законом Дарси:
Δp = μ · Q · δ / (k · A),
где μ — динамическая вязкость масла, Q — расход, δ — толщина фильтрующего слоя, k — его проницаемость, A — площадь. Отсюда три главные причины роста перепада:
- Вязкость. Перепад растёт прямо пропорционально ей, а вязкость масла при охлаждении растёт в десятки раз.
- Загрязнение. Частицы и шлам закрывают ячейки: падают проницаемость k и рабочая площадь A. На поверхности сетки нарастает корка, которая сама становится фильтром с очень низкой проницаемостью. Поэтому перепад давления сначала растёт медленно, а затем — скачком.
- Расход. Он пропорционален оборотам двигателя и рабочему объёму насоса: на полных оборотах перепад выше, чем на холостых.
Холодное масло: вязкость в десятки раз выше
При охлаждении вязкость масла растёт не линейно, а гораздо быстрее. Оценка по уравнению Вальтера (ASTM D341) для типичных гидравлических масел, кинематическая вязкость в мм²/с:
| Температура масла | HVLP 32 | HVLP 46 | HLP 68 |
|---|---|---|---|
| +40 °C | 32 | 46 | 68 |
| +20 °C | ≈ 80 | ≈ 120 | ≈ 220 |
| 0 °C | ≈ 250 | ≈ 410 | ≈ 1 000 |
| −10 °C | ≈ 530 | ≈ 900 | ≈ 2 800 |
| −20 °C | ≈ 1 300 | ≈ 2 300 | 9 000 и выше |
Для HVLP принят индекс вязкости около 150, для HLP — около 100. У конкретного масла цифры будут другими, точные — в его паспорте. Вблизи температуры застывания расчёт становится приблизительным.
Пример. Допустим, чистая сетка на масле HLP 68, прогретом до +50 °C (вязкость около 43 мм²/с), теряет 0,01 бар. При 0 °C вязкость того же масла около 1 000 мм²/с, и перепад вырастет примерно в 24 раза — до 0,24 бар. Это больше всего допустимого запаса на линии всасывания, причём на чистой сетке.
Поэтому производители насосов ограничивают вязкость при холодном пуске — для аксиально-поршневых насосов это порядка 1 000–1 600 мм²/с, и то только на малых оборотах и без нагрузки. Оптимальным для длительной работы обычно считают диапазон около 16–36 мм²/с.
Почему фильтр сминается
Перепад давления давит на элемент снаружи внутрь и прижимает сетку или складки к опорному каркасу. Каждый элемент рассчитан на определённый перепад смятия; его проверяют по ISO 2941. Чем слабее каркас — тонкая сетка, нет внутренней опорной трубы, непрочное соединение с торцевыми крышками, — тем меньший перепад нужен, чтобы элемент сложился. Даже если разовый перепад не дошёл до предела, повторяющиеся циклы «пуск — полные обороты — холостой ход» на загрязнённом элементе постепенно его расшатывают: стойкость к пульсациям расхода проверяют по ISO 3724.
Когда перепад превышает прочность элемента, сетка проминается, складки слипаются, торцевые крышки отрываются. Дальше возможны три исхода, и все плохие:
- элемент смещается с посадочного места, и масло идёт к насосу мимо фильтра вместе со всей грязью из бака;
- сетка рвётся, и её обрывки уходят в насос;
- элемент остаётся на месте, но насос продолжает работать на голодном пайке.
Основные причины
1. Шлам после пропущенных замен масла
Масло в гидросистеме обычно меняют через 2000–4000 моточасов; точный интервал указан в руководстве по эксплуатации. Если замену пропускают, масло окисляется, присадки срабатываются, а продукты износа, пыль и вода накапливаются. На дне бака образуется шлам — мягкий осадок из продуктов окисления, грязи и воды. Пока система работает на старом масле, шлам лежит на месте. Свежее масло, особенно с моющими и диспергирующими присадками (см. статью «Зачем в гидравлическом масле появляется буква D»), смывает отложения со стенок и дна, и они приходят на всасывающую сетку. Новый фильтр быстро забивается и сминается.
Отсюда правило: после долгой работы без обслуживания недостаточно поменять масло и фильтры. Масло нужно слить горячим, вскрыть бак, удалить шлам со дна и из зоны всасывающего фильтра, промыть бак, а по возможности — и всю систему. Через первые десятки моточасов снова осмотреть сетку и заменить сливной фильтр.
2. Масло не по температуре
Масло с вязкостью «на лето», залитое на зиму, — самая частая причина смятия на морозе. Если машина работает при −10 °C на HLP 68, вязкость при пуске около 2 800 мм²/с: это выше допустимого для насоса, а перепад на сетке в десятки раз больше расчётного. Масло подбирают по классу вязкости ISO VG и индексу вязкости под тот диапазон температур, который указан в руководстве по эксплуатации. Для работы зимой подходят всесезонные масла HVLP с высоким индексом вязкости — подробнее в статье «Что на самом деле означает буква V в гидравлических маслах HVLP».
Даже с правильным маслом машину на морозе прогревают: двигатель на холостых оборотах, затем плавные движения рабочим оборудованием без нагрузки, пока масло не прогреется. Сразу давать полные обороты нельзя: вместе с оборотами растёт расход через холодную сетку.
3. Вода и лёд
Вода попадает в бак через неисправный сапун, с конденсатом при суточных перепадах температуры, при доливке из грязной тары. В масле она образует эмульсию, которая гуще чистого масла, и вступает в реакцию с присадками: противоизносные присадки на основе цинка гидролизуются, продукты реакции выпадают в осадок и забивают фильтры. На морозе свободная вода замерзает, и кристаллы льда закрывают ячейки сетки. Такую пробку не увидеть, если фильтр достают уже в тёплом боксе. Подробнее — в статье «Кейс из практики: стойкая эмульсия в гидросистеме».
4. Смешивание несовместимых масел
Масла с разными пакетами присадок, например цинковое и беззольное, при смешивании могут образовать нерастворимые продукты — гели и осадки. Внешне масло выглядит нормально, но его фильтруемость (ISO 13357) резко падает, и первой это чувствует всасывающая сетка. Перед переходом на другое масло проверяют совместимость и промывают систему: см. «Совместимы ли масла при переходе или доливке? Проверили в лаборатории!».
5. Неподходящий фильтрующий элемент
На всасывании нельзя ставить элемент тоньше по фильтрации или меньше по площади, чем предусмотрено конструкцией. Бумажный элемент на 10–25 мкм вместо сетки на 150 мкм создаёт перепад в разы выше расчётного. Элемент короче оригинала, без внутренней опорной трубы или с ослабленным торцевым уплотнением сминается или пропускает масло в обход. Если оригинальный номер неизвестен, подбор по одним размерам на всасывании особенно опасен.
6. Забитый сапун и подсос воздуха
Если фильтр сапуна забит, при падении уровня в баке возникает разрежение, давление на входе насоса опускается ещё ниже, и запас по всасыванию уменьшается. Неплотные соединения на линии всасывания подсасывают воздух. Сминанию фильтра это напрямую не способствует, но кавитацию насоса усиливает. Фильтр сапуна меняют при каждом обслуживании гидросистемы.
Чем это грозит насосу
Когда давление на входе насоса падает ниже допустимого, начинается кавитация. В минеральном масле при атмосферном давлении растворено около 8–9 % воздуха по объёму. При падении давления воздух выделяется пузырьками (газовая кавитация), а при глубоком разрежении масло вскипает парами (паровая кавитация). В зоне нагнетания пузырьки схлопываются за доли миллисекунды. Возникают микроструи, местные скачки давления и температуры, которые выбивают металл с поверхности распределительной плиты и блока цилиндров. Сжатый в пузырьке воздух может воспламенить пары масла (микродизельный эффект): масло темнеет и быстро окисляется.
В аксиально-поршневом насосе к этому добавляется недозаполнение цилиндров. Поршень на такте всасывания не успевает заполниться, башмак поршня отрывается от наклонной шайбы и затем ударяет о неё. Так разрушаются башмаки, прижимная пластина и наклонная шайба. Ремонт аксиально-поршневого насоса — один из самых дорогих в экскаваторе, а всасывающий фильтр стоит в десятки и сотни раз дешевле.
Признаки проблемы:
- насос шумит — характерный треск или металлический вой, особенно на холодную;
- рабочие движения замедляются;
- в баке появляется пена;
- растёт температура масла, оно темнеет;
- при вскрытии сетка деформирована, а в сливном фильтре — металлическая стружка.
Что делать
- Меняйте масло и фильтры по регламенту и контролируйте масло анализом: вязкость, содержание воды (по Карлу Фишеру), кислотное число, класс чистоты по ISO 4406. Для аксиально-поршневых насосов производители обычно требуют класс чистоты не хуже 20/18/15, а для продления ресурса рекомендуют 18/16/13 и чище.
- После долгого перерыва в обслуживании чистите бак и промывайте систему, а не только меняйте масло. Через первые десятки моточасов осмотрите сетку и замените сливной фильтр.
- Подбирайте масло по температуре эксплуатации, на зиму — всесезонное HVLP. Прогревайте машину перед работой.
- Не смешивайте масла разных производителей и составов без проверки совместимости.
- Ставьте всасывающие элементы с той же сеткой и площадью, что у оригинала, и с жёстким каркасом.
- Меняйте фильтр сапуна и не допускайте попадания воды в бак.
- Осматривайте снятую сетку. Смятие, шлам, лёд или стружка на ней — повод искать причину, а не просто поставить новый фильтр.
Подберём на вашу машину всасывающие, сливные и дренажные фильтры, фильтры сапуна и пилотной линии — гидравлические фильтры, — а также гидравлическое масло нужного класса вязкости. Пишите на info@zsnab.ru или звоните по телефону +7 984 500-46-00. Подробнее — на страницах «Подбор фильтров по технике» и «Подбор масел».