Trends in der Hydraulikfiltration

Will man sicherstellen, dass Hydrauliksysteme störungsfrei funktionieren, spielt einwandfreie Filtration zweifellos eine wichtige Rolle. Hochleistungsfilter sorgen für die Sauberkeit der Hydraulikflüssigkeit während ihrer gesamten Lebensdauer. Zudem setzen Kunden angesichts immer stärker variierender Applikationsanforderungen längere Filterwechselintervalle, eine höhere Betriebssicherheit, gesteigerte Abscheidegrade und eine erhöhte Kompatibilität mit der neuen Hydraulikölgeneration voraus. Nachstehend erhalten Sie einen Überblick über einige wichtige Technologien und Trends der Branche und deren Einfluss auf Anwender von Hydrauliksystemen.

Filterleistungsdaten
Auf den ersten Blick könnte man den Eindruck gewinnen, an Standardfilterelementen hätte sich über die Jahre nur wenig geändert. Doch auch wenn die heutigen Filter denen der vergangenen Filtergenerationen ähnlich sehen, so haben sich doch die Leistungsdaten sehr verändert. Die wesentlichen Parameter sind Schmutzaufnahmekapazität und Druck- verlust. Im Jahr 2000 hatte ein typisches ARGO-HYTOS Filterelement mit der Feinheit 10 µm(c) eine spezifische Schmutzaufnahmekapazität von etwa 6 mg/cm². Heute hat sich diese Kapazität um mehr als 130 % auf etwa 14 mg/cm² erhöht, gleichzeitig konnte der Druckverlust um etwa 50 % reduziert werden.

Es gibt mehrere Gründe für diese bemerkenswerten Verbesserungen. Zum einen hat die Forschung in der Werkstofftechnik zu besseren Filtermedien geführt. Das Erhöhen der Schmutzaufnahmekapazität von Glasfasermedien bei gleichem Druckabfall war ein wichtiger Faktor für die verbesserte Leistung. Das Porenvolumen ist ein Hauptparameter. Feinere Fasern gewährleisten das größtmögliche Porenvolumen und schaffen mehr Kapazität für eine höhere Schmutzaufnahme.
Solche verbesserten Filtermaterialien führten außerdem zu einem geringeren Druckabfall, was den Einbau zusätzlicher Lagen ermöglichte. In der Vergangenheit hatten Filter typischerweise eine einzige Glasfaserschicht, um Schmutzpartikel zu erfassen und zu halten. Heute sind die meisten Hochleistungsfilter doppellagig ausgestattet. Diese Lagen bestehen aus einer gröberen Vorfilterlage, um die größeren Partikel zu erfassen und einer Hauptfilterlage, um kleinere Teilchen einzufangen.
Die Kombination aus Vor- und Feinfilterlage erhöht die Schmutzaufnahmekapazität und verbessert dabei die Ölreinheit.
Der deutlich geringere Druckabfall ist neben besseren Filtermedien auf ein verbessertes Design des Stütz- und Schutzgewebes zurückzuführen. Glasfaserfiltermedien sind weich und brechen unter Druck. Drahtgeflechte – typischerweise aus Stahl oder rostfreiem Stahl – schaffen einen Schutz vor Beschädigungen an den inneren und äußeren Oberflächen der Medien.
Auch Änderungen in der Gewebestruktur waren von großer Bedeutung. In der Vergangenheit wurden die Drähte typischerweise in einer Leinenbindung gewoben. Hier bestand jedoch die Gefahr, dass sich bei dieser Webart die Drähte unter Druck ineinander legen und die Falte somit komplett verschlossen wird. Heute stellen Köperbindungen sicher, dass sich die Filterelementfalten nicht vollständig ineinander legen können. Selbst unter Belastung behält das Element immer einen Minimumabstand in der Falte, und gewährleistet damit eine effiziente Filtration mit geringem Druckabfall.
Diese optimierte Filtermaterialstruktur des ARGO-HYTOS EXAPOR^®MAX 2 Elementaufbaus reduziert beispielsweise den Druckverlust in den Filterelementfalten um bis zu 50 % und bis zu 40 % im Filterelement. Umgekehrt können die Filterelemente bei konstantem Druckverlust eine um bis zu 65 % höhere Durchflussrate erreichen.
Der Kunde profitiert in mehrfacher Hinsicht: durch eine verbesserte Schmutzaufnahmekapazität und geringeren Druckverlust bei gleichbleibender Filterfeinheit. Filter der gleichen Größe verfügen damit über längere Filterwechselintervalle und einen höheren Nennvolumenstrom.
Bei gleichbleibenden Filterwechselintervallen können Kunden kleinere und kostengünstigere Filter verwenden. Das schont die Umwelt und die Ressourcen.

Umweltfreundliche Hydraulikflüssigkeiten
Seit einigen Jahren geht der Trend hin zur Verwendung von umweltfreundlichen Flüssigkeiten in Hydrauliksystemen wie z.B. höher raffinierter Grundöle wegen ihrer verbesserten technischen Eigenschaften wie etwa Alterungsbeständigkeit. Allerdings weisen diese Öle eine geringere Leitfähigkeit auf. Neuere Additivpakete beeinflussen die Leitfähigkeit zudem erheblich.
In der Vergangenheit enthielten konventionelle Hydraulik- öle oft Zinkdithiophosphat (ZDDP), was vor Verschleiß und Korrosion schützte und als Antioxidans wirkte. Da dieser Bestandteil nun als schädlich eingestuft wurde, haben die Anwender zu zinkfreien Ölen gewechselt. Die Verringerung der Menge an metallorganischen Zusätzen wie ZDDP senkt die Leitfähigkeit des Öls. Deshalb reduziert die Beseitigung dieses Additivs, wie z.B. in umweltfreundlichem Öl, die Leitfähigkeit und erhöht die Gefahr einer elektrostatischen Aufladung.
Wenn ein nicht oder nur wenig leitendes Hydrauliköl durch ein System fließt, kann an den Schnittstellen zwischen Öl und nicht leitenden Oberflächen wie Filtervlies und Schläuchen eine elektrostatische Aufladung entstehen. Diese Aufladung wird durch die schnelle Trennung zweier nicht leitfähiger Oberflächen erzeugt. Filterelemente haben eine große nicht leitfähige Oberfläche und der Ladungsaufbau verstärkt sich mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Öls. Sobald die Ladungsmenge groß genug ist, kommt es zu Entladungen in Form von Funkenüberschlag.
Herkömmliches Filtermaterial könnte durch Entladungsblitze und damit verbundene hohen Temperaturen lokal zerstört werden. Es entstehen Löcher, durch die Schmutzpartikel ungefiltert passieren können. Dies führt zu erhöhtem Verschleiß von Hydraulikkomponenten und später zu Funktionsstörungen und zum Ausfall der Maschine.
Die hohen Temperaturen der Entladungsblitze tragen aber auch zu einer beschleunigten Ölalterung bei, also zu einer Verschlechterung der Öleigenschaften und zur Verkürzung der Ölstandzeiten. Ölalterungsbedingte Nebenprodukte reduzieren zusätzlich die Standzeiten der Filterelemente. Auch benachbarte elektronische Bauteile können aufgrund von elektrischen Entladungen beschädigt werden.
Zur Vermeidung solcher Probleme muss ein Ladungsausgleich stattfinden. Hierzu wurde ein spezieller Filterelementaufbau entwickelt, der für Ladungsausgleich sorgt und zerstörerische Entladungsblitze verhindert.
Glasfasern in einem Filterelement sind selbst nicht leitfähig, aber, wie bereits erwähnt, sind die inneren stützenden Maschen und das äußere Schutzgitter aus Metall.

ARGO-HYTOS Exapor^®Spark Protect Filterelemente verbinden die beiden Maschengewebe mit einem gefalteten Metallfilm. Somit kann eine elektrostatische Ladung den Leiter passieren, ohne dass sich eine plötzliche, heftige Entladung durch das Material aufbaut. Exapor^®Spark Protect vermeidet vollständig zerstörerische Entladungsblitze. Die Filterelemente sind kompatibel zu den Standardfilterelementen wie Exapor^®Max 2 und erfordern somit keine Umbau- oder Zusatzmaßnahmen am Hydrauliksystem. Anders als bei einem nachträglich ergänzten elektrostatischen Entladungsschutz bleiben alle übrigen Filtereigenschaften unverändert. Exapor^®Spark Protect Filterelemente sind Problemlöser. Wir empfehlen ihre Anwendung, wenn die elektrische Leitfähigkeit des Hydrauliköls in einem System < 500 pS/m beträgt.

Nachbau-Filterelemente
Während namhafte Filterhersteller zweifellos erhebliche Produktverbesserungen vorgenommen haben, bedeutet dies nicht, dass die besseren Produkte unbedingt in die Hände der Anwender gelangen. Die Verbreitung von Filterelementkopien wird immer mehr zum besorgniserregenden Trend in der Branche. Lieferanten von Nachbau-Produkten verweisen auf namhafte Hersteller und behaupten, ihre Produkte seien originalgetreue Ersatzelemente bei gleicher Leistung. In Wirklichkeit sind sie meist nur maßliche Nachbauten, verfügen über minderwertige Filtermedien und haben oft nur eine schlechte Qualitätskontrolle durchlaufen.
Leider kaufen viele Anwender solche Ersatzfilter aufgrund von Preis und Passform und machen sich über die Auswirkungen auf ihre Maschinen und Anlagen keine Gedanken. Es ist wichtig zu erwähnen, dass viele Filterelemente zwar ähnlich aussehen, in Wirklichkeit aber komplexe hydraulische Komponenten darstellen. Neben Parametern wie Schmutzaufnahmekapazität, Filterfeinheit und Druckverlust sollten die Anwender weitere entscheidende Merkmale berücksichtigen:

Die Abscheideleistung eines Filterelementes, gekennzeichnet durch die Filterfeinheit, ist über die gesamte Einsatzdauer maßgeblich für die Ölreinheit in einem System.
Die Durchflussermüdungsfestigkeit des Filtermaterials gewährleistet die Ölreinheit auch bei wechselnder Durchflussbelastung.
Eine hohe Schmutzaufnahmekapazität sorgt für lange Filterwechselintervalle, vorausgesetzt, die Filtereinheit besitzt die erforderliche Durchflussermüdungsfestigkeit und ist mit dem Hydraulikfluid kompatibel.
Eine exzellente Differenzdruckstabilität gewährleistet, dass bei häufigen Kaltstarts, die das Material aufgrund der hohen Viskosität des Hydrauliköles stark belasten, die Filterelemente intakt und funktionsfähig bleiben.

Die Filtrationsleistung der Nachbau-Elemente hält in keinem dieser Punkte dem Vergleich mit Original-Filterelementen stand. Um Original- und Nachbau-Produkte miteinander vergleichen zu können, müsste man sie auf einem Laborprüfstand unter Standardbedingungen testen. Anwender machen oft die schmerzliche Erfahrung, dass Nachbau-Filter nur einen Bruchteil der Lebensdauer der originalen Filterelemente haben. Dies bedeutet häufigere Wechsel, ein größeres Risiko von Geräteschäden und schlussendlich höhere Gesamtkosten für den Anwender.
Um dieses Problem zu lösen, bewegt sich der derzeitige Trend weg von Standardfiltern hin zu kundenspezifisch angepassten Filtern. Hierbei wird durch clevere Funktionsintegration in die Filter oder durch Systemintegration der Filter z.B. in Hydraulikbehälter eine Eintrittsbarriere geschaffen, die den Nachbau aufgrund des sehr hohen technischen Aufwandes erschwert bzw. aufgrund von Schutzrechten verhindert. Damit wird sichergestellt, dass immer Original-Ersatzfilterelemente verwendet werden und die erforderliche Ölreinheit über die gesamte Einsatzdauer erzielt wird. Dies ermöglicht es, Garantien zu erweitern und eine überlegene Leistungsfähigkeit der Geräte zu gewährleisten.

Systemlösungen
Ein weiterer anhaltender Trend ist, dass Hydraulikfiltrationshersteller nicht mehr nur einzelne Komponenten liefern, sondern sich zu Lieferanten von kompletten Systemlösun- gen entwickeln. Die Kunden von heute wollen mehr als ein Filtergehäuse, sie wollen alles rund um den Filter, vom Montagezubehör und den Anschlussadaptern bis zu Druckschaltern und Ölzustandssensoren.
Mit zunehmender Bedeutung des Supply Chain Managements bei den OEMs gibt es eine immer deutlichere Nachfrage nach komplexeren integrierten Lösungen von immer weniger Hauptlieferanten. Dazu gehört die Funktions- und Systemintegration mit besonderem Fokus auf die Reduzierung der Schnittstellen sowie auf die Herstellung von vormontierten und getesteten Funktionseinheiten.
Um nur ein Beispiel zu nennen: ARGO-HYTOS hat, angepasst an die Bauraumsituation des Kunden, ein kundenspezifisches Saugfilter geliefert, das ein Druckhalteventil für den Schmierkreislauf, einen Druckschalter, einen Temperatursensor und ein modulares, patentiertes Anschlusssystem beinhaltete. Damit konnten Installationszeit, Aufwand und Kosten deutlich reduziert werden.

Industrie 4.0
Das Industrial Internet of Things (IIoT) und die Industrie 4.0 sind momentan kein wesentlicher Treiber für die Filtrationstechnologie. Aber das Potenzial, Fabrikanlagen wie z.B. Filter, digital mit der Cloud zu vernetzen, bietet spannende Möglichkeiten. Nehmen wir das Beispiel eines Verschmutzungsanzeigers eines Filters. Heute kann eine Ein-/Ausanzeige in einem Traktor feststellen, ob das Filterelement normal funktioniert oder ob es verschmutzt ist. Eine „intelligente” Anzeige könnte jedoch mit der elektronischen Steuerung einer Maschine verbunden sein, um Parameter wie Temperatur, Durchfluss und Motorendrehzahl zu überwachen und möglicherweise das Filterverhalten wie z.B. beim Kaltstart zu verfolgen. Mit einem einfachen Algorithmus kann der Anwender Informationen darüber gewinnen, ob das System innerhalb der vorgegebenen Grenzen arbeitet oder ob der Betrieb außerhalb der Vorgaben läuft, z.B. ob der Volumenstrom niedriger oder höher ist als erwartet.
Durch diese Signale können Anwender komplexere Informationen gewinnen und flexible Service-Konzepte wie vorbeugende Instandhaltung in Angriff nehmen. Ähnlich der Technik einiger neuer Autos können Sensoren Betriebsstunden, Motordrehzahl, Öltemperatur-Bereich, Anzahl der Kaltstarts usw. überwachen und diese Daten verwenden, um Service-Life-Software Modelle zu entwickeln. Letztendlich bekommt der Anwender eine Wartungsmeldung für den Öl- oder Filterwechsel nur dann, wenn sie tatsächlich erforderlich ist, anstatt die Filter unabhängig vom Arbeitszyklus in regelmäßigen Abständen zu wechseln. Diese Technologie wird auf Filtrationssysteme der Zukunft angepasst werden. Der Trend zur Verbesserung der Zuverlässigkeit wird sich fortsetzen und durch den Bedarf an Informationen und ausgefeilten Überwachungs- und Steuerungsalgorithmen noch gestützt werden. Sogar Maschinen an entfernten Standorten werden vor bevorstehendem Maschinenschaden gewarnt, um ungeplante Ausfallzeiten zu verhindern und Betriebskosten zu senken.

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