Trends in der hydraulischen Filtration

Die richtige Filterung spielt eine wichtige Rolle für den störungsfreien Betrieb hydraulischer Systeme. Hochleistungsfilter halten die Reinheit der Hydraulikflüssigkeit über die gesamte Lebensdauer aufrecht. Darüber hinaus sind Konstrukteure mit sich ständig ändernden Anwendungsanforderungen konfrontiert – längere Filterwechselintervalle, höhere Betriebssicherheit, höhere Abscheidegrade und erhöhte Kompatibilität mit der neuen Generation von Hydraulikölen. Im Folgenden finden Sie einen Überblick über einige wichtige Technologien und Trends in der Branche sowie deren Auswirkungen auf Benutzer hydraulischer Systeme.

Heutige Standardfilterelemente ähneln denen früherer Filtergenerationen, allerdings hat sich die Leistung stark verändert. Die wesentlichen Parameter sind Schmutzaufnahmekapazität und Druckverlust. Beispielsweise hatte ein typisches ARGO-HYTOS-Filterelement mit einer Feinheit von 10 μm(c) vor 17 Jahren eine spezifische Schmutzaufnahmekapazität von etwa 6 mg/cm2. Heute ist diese Kapazität um mehr als 130 % auf etwa 14 mg/cm2 gestiegen, während der Druckverlust um etwa 50 % reduziert wurde.

Für diese Verbesserungen gibt es mehrere Gründe. Einerseits hat die Forschung in der Materialtechnologie zu verbesserten Filtermedien geführt. Die Erhöhung der Schmutzaufnahmekapazität von Glasfasermedien bei gleichem Druckabfall war ein wichtiger Faktor für die verbesserte Leistung. Das Porenvolumen ist ein entscheidender Parameter. Feinere Fasern sorgen für ein größtmögliches Porenvolumen und schaffen mehr Kapazität für eine bessere Schmutzaufnahme.

Diese verbesserten Filtermaterialien führten auch zu einem geringeren Druckabfall, was den Einbau zusätzlicher Schichten ermöglichte. In der Vergangenheit verfügten Filter typischerweise über eine einzelne Glasfaserschicht, um Schadstoffpartikel einzufangen und festzuhalten. Heutzutage sind die meisten Hochleistungsfilter doppelschichtig. Diese Schichten bestehen aus einer gröberen Vorfilterschicht zum Auffangen der größeren Partikel und einer Hauptschicht zum Auffangen kleinerer Partikel. Die Kombination aus Vorfilter und Feinfilterschicht erhöht die Schmutzaufnahmekapazität und verbessert die Ölreinheit.

Der deutlich geringere Druckverlust ist auch auf eine verbesserte Gestaltung des Stütz- und Schutzgewebes zurückzuführen. Glasfaserfiltermedien sind weich und brechen unter Druck. Drahtgeflechte – typischerweise aus Stahl oder Edelstahl – bieten Schutz vor Schäden an den Innen- und Außenflächen der Medien.

Von großer Bedeutung waren auch Veränderungen in der Gewebestruktur. Früher wurden die Drähte in Leinenbindung gewebt; Allerdings bestand bei dieser Webart die Gefahr, dass sich die Drähte unter Druck verhaken und die Falte vollständig geschlossen wird. Heutzutage sorgen Köperbindungen dafür, dass die Filterelementfalten nicht vollständig verschränkt werden können. Auch unter Belastung behält das Element immer einen Mindestabstand in der Falte bei, was zu einer effizienten Filterung bei geringem Druckabfall führt.

Designer profitieren in mehrfacher Hinsicht. Filter gleicher Größe haben längere Filterwechselintervalle und einen höheren Nennvolumenstrom. Bei konstanten Filterwechselintervallen können kleinere und kostengünstigere Filter eingesetzt werden. Das schont die Umwelt und die Ressourcen.

Seit einigen Jahren geht der Trend hin zur Verwendung umweltfreundlicher Flüssigkeiten in hydraulischen Systemen, z. B. höher raffinierter Grundöle aufgrund ihrer verbesserten technischen Eigenschaften, wie z. B. Alterungsbeständigkeit; Allerdings haben diese Öle eine geringere Leitfähigkeit. Auch neuere Additivpakete beeinflussen die Leitfähigkeit erheblich.

Herkömmliche Hydrauliköle enthielten in der Vergangenheit häufig Zinkdithiophosphat (ZDDP), das sie vor Verschleiß und Korrosion schützte und als Antioxidans wirkte. Da dieser Bestandteil mittlerweile als gesundheitsschädlich eingestuft wurde, greifen Anwender auf zinkfreie Öle zurück. Die Reduzierung metallorganischer Zusätze wie ZDDP verringert die Leitfähigkeit von Öl. Daher verringert der Verzicht auf diesen Zusatzstoff, z. B. in umweltfreundlichem Öl, die Leitfähigkeit und erhöht die Gefahr elektrostatischer Aufladung.

Fließt ein nicht oder schlecht leitendes Hydrauliköl durch ein System, kann es an den Grenzflächen zwischen Öl und nicht leitenden Oberflächen wie Filtervlies und Schläuchen zu einer elektrostatischen Aufladung kommen. Diese Ladung entsteht durch die schnelle Trennung zweier nichtleitender Oberflächen. Filterelemente haben eine große nichtleitende Oberfläche und die Ladungsbildung nimmt mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Öls zu. Sobald die Ladungsmenge groß genug ist, kommt es zu Entladungen in Form von Funkenüberschlägen.

Herkömmliches Filtermaterial könnte durch Entladungsblitze und die damit verbundenen hohen Temperaturen lokal zerstört werden. Dadurch entstehen Löcher, durch die Schmutzpartikel ungefiltert gelangen können, was zu erhöhtem Verschleiß hydraulischer Komponenten und später zu Störungen und zum Ausfall der Maschine führt. Die hohen Temperaturen der Entladungsblitze tragen außerdem zu einer beschleunigten Ölalterung und schließlich zu einer Verschlechterung der Öleigenschaften und einer Verkürzung der Öllebensdauer bei. Ölalterungsbedingte Nebenprodukte verringern die Lebensdauer der Filterelemente. Auch benachbarte elektronische Bauteile können durch elektrische Entladungen beschädigt werden. Um solche Probleme zu vermeiden, müssen die Gebühren ausgeglichen sein.

Ein spezielles Filterelementdesign, wie zum Beispiel ARGO-HYTOS Exapor®Spark Protect Filterelemente, kann den Ladungsausgleich gewährleisten und zerstörerische Entladungsblitze verhindern. Glasfasern in einem Filterelement sind selbst nicht leitend, aber wie bereits erwähnt bestehen die inneren Stütznetze und das äußere Schutznetz aus Metall. Die speziellen Filterelemente verbinden die beiden Netzgewebe mit einer plissierten Metallfolie. Somit kann elektrostatische Ladung durch den Leiter gelangen, ohne dass es zu einer plötzlichen, heftigen Entladung im Material kommt.

Die zunehmende Verbreitung von Filterelementkopien ist in der Branche ein zunehmend besorgniserregender Trend. Anbieter von Kopierfilterelementen beziehen sich auf namhafte Hersteller und behaupten, dass es sich bei ihren Produkten um Originalproduktionselemente mit gleicher Leistung handele. In Wirklichkeit handelt es sich meist nur um dimensionale Kopierfilterelemente, sie verfügen über minderwertige Filtermedien und weisen oft eine schlechte Qualitätskontrolle auf. Leider kaufen viele Anwender solche Ersatzfilter aufgrund des Preises und der Passform und machen sich keine Sorgen über die Auswirkungen auf ihre Maschinen und Anlagen.

Es ist wichtig zu beachten, dass viele Filterelemente ähnlich aussehen, tatsächlich jedoch komplexe hydraulische Komponenten darstellen. Neben Parametern wie Schmutzaufnahmekapazität, Filterfeinheit und Druckverlust sollte der Anwender weitere entscheidende Merkmale berücksichtigen:

Die Filterleistung eines Filterelements, die durch die Filterfeinheit charakterisiert wird, bestimmt die Ölreinheit in einer Anlage über die gesamte Lebensdauer. Die Strömungsdauerfestigkeit des Filtermaterials gewährleistet auch die Ölreinheit bei wechselnder Strömungsbelastung.

Eine hohe Schmutzaufnahmekapazität sorgt für lange Filterwechselintervalle, sofern die Filtereinheit die erforderliche Strömungsdauerfestigkeit aufweist und mit der Hydraulikflüssigkeit kompatibel ist. Eine hervorragende Differenzdruckstabilität sorgt dafür, dass die Filterelemente auch bei häufigen Kaltstarts, die aufgrund der hohen Viskosität des Hydrauliköls das Material stark beanspruchen, intakt und funktionsfähig bleiben.

Die Filterleistung von Kopierfilterelementen kann in keinem dieser Punkte mit der von Originalfilterelementen mithalten. Um Original- und Nachbau-Filterelemente vergleichen zu können, müsste man diese auf einem Laborprüfstand unter Standardbedingungen testen. Benutzer müssen oft auf die harte Tour lernen, dass kopierte Filterelemente nur einen Bruchteil der Lebensdauer der Originalfilterelemente haben. Dies bedeutet häufigere Wechsel, ein höheres Risiko von Geräteschäden und letztlich höhere Gesamtkosten für den Anwender.

Um dieses Problem zu lösen, geht der aktuelle Trend weg von Standardfiltern hin zu kundenspezifischen Filtern. Durch Funktionsintegration in die Filter oder durch Systemintegration der Filter, z. B. in Hydrauliktanks, wird eine Eintrittsbarriere geschaffen, die das Kopieren aufgrund des sehr hohen technischen Aufwands erschwert oder aufgrund von Schutzrechten verhindert. Dadurch wird sichergestellt, dass immer Original-Ersatzfilterelemente verwendet werden und die erforderliche Ölreinheit über die gesamte Lebensdauer erreicht wird.

Ein weiterer anhaltender Trend besteht darin, dass Hersteller von Hydraulikfiltrationen nicht mehr nur einzelne Komponenten, sondern komplette Systemlösungen liefern. Heutige Konstrukteure wollen mehr als nur ein Filtergehäuse – sie wollen alles rund um den Filter, von Montagezubehör und Anschlussadaptern bis hin zu Druckschaltern und Ölzustandssensoren.

Dazu gehört die Integration von Funktionen und Systemen mit besonderem Fokus auf die Reduzierung der Schnittstellen sowie die Herstellung vormontierter und getesteter Funktionseinheiten. ARGO-HYTOS lieferte beispielsweise einen kundenspezifischen Ansaugfilter inklusive Druckregelventil für den Schmierkreislauf, Druckschalter, Temperatursensor und einem modularen, patentierten Anschlusssystem angepasst an die Bauraumsituation des Anwenders.

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) und Industrie 4.0 sind derzeit keine großen Treiber für die Filtertechnik. Aber auch die Möglichkeit, Anlagen wie Filter digital mit der Cloud zu vernetzen, bietet spannende Möglichkeiten. Denken Sie zum Beispiel an die Verstopfungsanzeige an einem Filter. Derzeit kann eine Ein-/Aus-Anzeige in einem Traktor feststellen, ob das Filterelement normal funktioniert oder ob es verstopft ist. Allerdings könnte ein „intelligentes“ Display an die elektronische Steuerung einer Maschine angeschlossen werden, um Parameter wie Temperatur, Durchfluss und Motorgeschwindigkeit zu überwachen und möglicherweise das Filterverhalten, z. B. beim Kaltstart, zu verfolgen. Mit einem einfachen Algorithmus kann der Anwender Informationen darüber gewinnen, ob das System innerhalb vorgegebener Grenzen arbeitet oder ob der Betrieb außerhalb der Spezifikationen verläuft, z. B. ob der Volumenstrom niedriger oder höher als erwartet ist. Durch diese Signale können Anwender komplexere Informationen gewinnen und flexible Servicekonzepte wie die vorbeugende Wartung in Angriff nehmen.

Ähnlich wie bei der Technologie einiger Neuwagen können Sensoren Parameter wie Betriebsstunden, Motordrehzahl, Öltemperaturbereich und Anzahl der Kaltstarts überwachen und anhand dieser Daten Lebensdauer-Softwaremodelle entwickeln. Letztendlich erhält der Anwender nur dann eine Serviceanzeige für den Öl- oder Filterwechsel, wenn dieser tatsächlich erforderlich ist, anstatt die Filter unabhängig vom Betriebszyklus in regelmäßigen Abständen zu wechseln.

Diese Technologie wird an zukünftige Filtersysteme angepasst. Der Trend zur Verbesserung der Maschinenzuverlässigkeit wird anhalten und durch den Bedarf an Informationen und ausgefeilten Überwachungs- und Steuerungsalgorithmen unterstützt. Auch Maschinen an entlegenen Standorten werden vor drohenden Maschinenschäden gewarnt, um ungeplante Stillstände zu verhindern und die Betriebskosten zu senken.

Dieser Artikel wurde von ARGO-HYTOS Inc., Zug, Schweiz, verfasst. Für weitere Informationen klicken Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Dezemberausgabe 2017 des Motion Design Magazine.

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