hydraulische Systeme und deren Flüssigkeiten

Hydraulische Systeme und Flüssigkeitsauswahl

Zu Beginn der industriellen Revolution wandte ein britischer Mechaniker namens Joseph Bramah das Prinzip des Pascalschen Gesetzes bei der Entwicklung der ersten hydraulischen Presse an. Im Jahr 1795 patentierte er seine hydraulische Presse, bekannt als Bramah-Presse. Bramah fand heraus, dass, wenn eine kleine Kraft auf eine kleine Fläche eine proportional größere Kraft auf eine größere Fläche erzeugt, die einzige Grenze für die Kraft, die eine Maschine ausüben kann, die Fläche ist, auf die der Druck ausgeübt wird.

Was ist ein hydraulisches System?

Hydraulische Systeme sind heute in einer Vielzahl von Anwendungen zu finden, von kleinen Montageeinheiten bis hin zu integrierten Anwendungen in Stahl- und Papierwerken. Die Hydraulik ermöglicht es dem Bediener, wichtige Arbeiten (Heben schwerer Lasten, Drehen einer Welle, Bohren von Präzisionslöchern usw.) mit einem Minimum an Kraft in mechanische Verbindungen zu erledigen. Dies durch die Anwendung des Pascalschen Gesetzes, das besagt:

„Druck, der an einem beliebigen Punkt auf eine eingeschlossene Flüssigkeit ausgeübt wird, wird unvermindert durch die gesamte Flüssigkeit in alle Richtungen übertragen und wirkt auf jeden Teil des eingeschlossenen Gefäßes im rechten Winkel zu seinen Innenflächen und gleichmäßig auf gleiche Flächen.“

Das Prinzip des Pascalschen Gesetzes wird in einem hydraulischen System durch die Hydraulikflüssigkeit realisiert, die verwendet wird, um die Energie von einem Punkt zu einem anderen zu übertragen. Da die Hydraulikflüssigkeit nahezu inkompressibel ist, kann sie die Energie blitzschnell übertragen.

Hydraulische Systemkomponenten

Die Hauptkomponenten, die Hersteller von Hydraulikanlagen verwenden, sind der Behälter, die Pumpe, das/die Ventil(e) und der/die Aktuator(en) (Motor, Zylinder, etc.).

Vorratsbehälter

Der Zweck des Hydraulikbehälters ist es, ein Flüssigkeitsvolumen zu halten, Wärme aus dem System abzuleiten, das Absetzen von festen Verunreinigungen zu ermöglichen und die Abgabe von Luft und Feuchtigkeit aus der Flüssigkeit zu erleichtern.

Pumpe

Die Hydraulikpumpe wandelt mechanische Energie in hydraulische Energie um. Dies geschieht durch die Bewegung von Flüssigkeit, die das Übertragungsmedium ist. Es gibt verschiedene Arten von Hydraulikpumpen, darunter Zahnrad-, Flügelrad- und Kolbenpumpen. Alle diese Pumpen haben verschiedene Untertypen, die für bestimmte Anwendungen bestimmt sind, wie beispielsweise eine Schrägkolbenpumpe oder eine Flügelzellenpumpe mit variabler Verdrängung. Alle Hydraulikpumpen arbeiten nach dem gleichen Prinzip, nämlich der Verdrängung eines Flüssigkeitsvolumens gegen eine widerstandsfähige Last oder einen Druck.

Ventile

Hydraulikventile werden in einem System zum Starten, Stoppen und Leiten des Flüssigkeitsstroms verwendet. Hydraulikventile bestehen aus Ventilen oder Schiebern und können durch pneumatische, hydraulische, elektrische, manuelle oder mechanische Mittel betätigt werden.

Stellantriebe

Hydraulische Aktuatoren sind das Endergebnis des Pascalschen Gesetzes. Hier wird die hydraulische Energie wieder in mechanische Energie umgewandelt. Dies kann durch den Einsatz eines Hydraulikzylinders geschehen, der hydraulische Energie in lineare Bewegung und Arbeit umwandelt, oder durch einen Hydraulikmotor, der hydraulische Energie in Drehbewegung und Arbeit umwandelt. Wie bei den Hydraulikpumpen gibt es auch bei den Hydraulikzylindern und -motoren mehrere verschiedene Untertypen, die jeweils für bestimmte Konstruktionsanwendungen vorgesehen sind.

Wichtige geschmierte Hydraulikkomponenten

Es gibt mehrere Komponenten in einem Hydrauliksystem, die aufgrund der Wartungskosten oder der Kritikalität der Aufgabe als lebenswichtige Komponenten gelten, darunter Pumpen und Ventile. Verschiedene Pumpenkonfigurationen müssen aus schmierungstechnischer Sicht individuell behandelt werden. Unabhängig von der Pumpenkonfiguration sollte das gewählte Schmiermittel jedoch korrosionshemmend wirken, die Viskositätsanforderungen erfüllen, thermisch stabil sein und leicht identifizierbar sein (im Falle einer Leckage).

Flügelzellenpumpen

Es gibt viele Varianten von Flügelzellenpumpen. Sie arbeiten alle nach einem ähnlichen Konstruktionsprinzip. Ein geschlitzter Rotor ist mit der Antriebswelle gekoppelt und dreht sich innerhalb eines Nockenrings, der versetzt oder exzentrisch zur Antriebswelle angeordnet ist. Die Schaufeln sind in die Rotorschlitze eingesetzt und folgen der Innenfläche des Nockenrings, während sich der Rotor dreht.

Die Schaufeln und die Innenfläche der Nockenringe sind immer in Kontakt und unterliegen einem hohen Verschleiß. Wenn die beiden Oberflächen verschleißen, kommen die Schaufeln weiter aus ihrem Schlitz heraus. Flügelzellenpumpen liefern einen gleichmäßigen Förderstrom bei hohen Kosten. Flügelzellenpumpen arbeiten in einem normalen Viskositätsbereich zwischen 14 und 160 cSt bei Betriebstemperatur. In kritischen Hochdruck-Hydrauliksystemen, in denen Verschmutzung und Flüssigkeitsqualität schwer zu kontrollieren sind, sind Flügelzellenpumpen möglicherweise nicht geeignet. Bei Flügelzellenpumpen ist die Leistung des Verschleißschutzadditivs der Flüssigkeit im Allgemeinen sehr wichtig.

Kolbenpumpen

Wie bei allen Hydraulikpumpen gibt es auch bei den Kolbenpumpen Ausführungen mit festem und variablem Hubraum. Kolbenpumpen sind im Allgemeinen der vielseitigste und robusteste Pumpentyp und bieten eine Reihe von Optionen für jede Art von System. Kolbenpumpen können bei Drücken von über 6000 psi arbeiten, sind hocheffizient und erzeugen vergleichsweise wenig Lärm. Viele Ausführungen von Kolbenpumpen sind außerdem verschleißfester als andere Pumpentypen. Kolbenpumpen arbeiten in einem normalen Viskositätsbereich der Flüssigkeit von 10 bis 160 cSt.

Zahnradpumpen

Es gibt zwei gängige Arten von Zahnradpumpen, Innen- und Außenzahnradpumpen. Jeder Typ hat eine Vielzahl von Untertypen, aber alle entwickeln einen Fluss, indem sie Flüssigkeit zwischen den Zähnen eines ineinandergreifenden Zahnradsatzes befördern. Obwohl sie im Allgemeinen weniger effizient sind als Flügelrad- und Kolbenpumpen, sind Zahnradpumpen oft toleranter gegenüber Flüssigkeitsverunreinigungen.

Innenzahnradpumpen erzeugen Drücke bis zu 3000 bis 3500 psi. Diese Pumpentypen bieten einen weiten Viskositätsbereich bis zu 2200 cSt, je nach Fördermenge, und sind im Allgemeinen leise. Innenzahnradpumpen haben auch bei niedriger Flüssigkeitsviskosität einen hohen Wirkungsgrad.

Außenzahnradpumpen sind weit verbreitet und können Drücke bis zu 3000 bis 3500 psi bewältigen. Diese Zahnradpumpen bieten eine kostengünstige Förderung mit mittlerem Druck, mittlerem Volumen und festem Platzbedarf in einem System. Die Viskositätsbereiche für diese Pumpentypen sind auf weniger als 300 cSt begrenzt.

Hydraulikflüssigkeiten

Hydraulikflüssigkeiten dienen mehreren Zwecken. Die Hauptfunktion einer Hydraulikflüssigkeit ist die Energieübertragung durch das System, wodurch Arbeit und Bewegung ermöglicht werden. Hydraulikflüssigkeiten sind auch für die Schmierung, Wärmeübertragung und Verschmutzungskontrolle verantwortlich. Bei der Auswahl eines Schmiermittels sind die Viskosität, die Dichtungsverträglichkeit, das Grundmaterial und das Additivpaket zu berücksichtigen. Es gibt drei gängige Arten von Hydraulikflüssigkeiten auf dem Markt: Flüssigkeiten auf Erdölbasis, Flüssigkeiten auf Wasserbasis und synthetische Flüssigkeiten.

Flüssigkeiten auf Erdöl- oder Mineralölbasis sind heute die am häufigsten verwendeten Flüssigkeiten. Diese Flüssigkeiten bieten eine kostengünstige, qualitativ hochwertige und große verfügbare Auswahl. Die Eigenschaften einer Flüssigkeit auf Mineralölbasis hängen von den verwendeten Additiven, der Qualität des ursprünglichen Rohöls und dem Raffinationsprozess ab. Die Additive in einer mineralbasierten Flüssigkeit bieten eine Reihe von spezifischen Leistungsmerkmalen. Zu den gängigen Hydraulikflüssigkeitsadditiven gehören Rost- und Oxidationsinhibitoren, Korrosionsschutzmittel, Demulgatoren, Antiverschleiß- und Extremdruckmittel, VI-Verbesserer und Entschäumungsmittel. Zusätzlich enthalten einige dieser Schmierstoffe farbige Farbstoffe, mit denen Sie Leckagen leicht erkennen können. Da Hydrauliklecks so kostspielig (und häufig) sind, spielt diese kleine Eigenschaft eine große Rolle, wenn es darum geht, die Lebensdauer Ihrer Ausrüstung zu verlängern und Ihrer Anlage Geld und Ressourcen zu sparen.

Flüssigkeiten auf Wasserbasis werden aufgrund ihres hohen Wassergehalts für die Feuerbeständigkeit verwendet. Sie sind als Öl-in-Wasser-Emulsionen, Wasser-in-Öl-(Invert-)Emulsionen und Wasser-Glykol-Gemische erhältlich. Flüssigkeiten auf Wasserbasis können geeignete Schmiereigenschaften bieten, müssen aber genau überwacht werden, um Probleme zu vermeiden. Da Flüssigkeiten auf Wasserbasis in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Feuerbeständigkeit erforderlich ist, können diese Systeme und die Atmosphäre um die Systeme herum heiß sein.

Erhöhte Temperaturen führen dazu, dass das Wasser in den Flüssigkeiten verdampft, wodurch die Viskosität ansteigt. Gelegentlich muss dem System destilliertes Wasser hinzugefügt werden, um das Gleichgewicht der Flüssigkeit zu korrigieren. Wenn diese Flüssigkeiten verwendet werden, müssen mehrere Systemkomponenten auf ihre Kompatibilität überprüft werden, darunter Pumpen, Filter, Rohrleitungen, Fittings und Dichtungsmaterialien.

Flüssigkeiten auf Wasserbasis können teurer sein als herkömmliche Flüssigkeiten auf Erdölbasis und haben andere Nachteile (geringere Verschleißfestigkeit), die gegen den Vorteil der Feuerbeständigkeit abgewogen werden müssen.

Synthetische Flüssigkeiten sind künstlich hergestellte Schmiermittel und viele bieten hervorragende Schmiereigenschaften in Hochdruck- und Hochtemperatursystemen. Zu den Vorteilen synthetischer Flüssigkeiten gehören u. a. Feuerbeständigkeit (Phosphatester), geringere Reibung, natürliche Waschkraft (organische Ester und esterverstärkte synthetische Kohlenwasserstoffflüssigkeiten) und thermische Stabilität.

Der Nachteil dieser Arten von Flüssigkeiten ist, dass sie in der Regel teurer sind als herkömmliche Flüssigkeiten, sie können leicht giftig sein und erfordern eine spezielle Entsorgung, und sie sind oft nicht mit Standard-Dichtungsmaterialien kompatibel.

Flüssigkeitseigenschaften

Beachten Sie bei der Auswahl einer Hydraulikflüssigkeit die folgenden Eigenschaften: Viskosität, Viskositätsindex, Oxidationsstabilität und Verschleißfestigkeit. Diese Eigenschaften bestimmen, wie Ihre Flüssigkeit in Ihrem System arbeitet. Die Prüfung der Flüssigkeitseigenschaften erfolgt entweder nach der American Society of Testing and Materials (ASTM) oder nach anderen anerkannten Normenorganisationen.

Die Viskosität (ASTM D445-97) ist das Maß für den Fließ- und Scherwiderstand einer Flüssigkeit. Eine Flüssigkeit mit höherer Viskosität fließt mit höherem Widerstand im Vergleich zu einer Flüssigkeit mit niedriger Viskosität. Eine zu hohe Viskosität kann zu einer hohen Flüssigkeitstemperatur und einem höheren Energieverbrauch beitragen. Eine zu hohe oder zu niedrige Viskosität kann ein System beschädigen und ist daher der wichtigste Faktor bei der Auswahl einer Hydraulikflüssigkeit.

Der Viskositätsindex (ASTM D2270) gibt an, wie sich die Viskosität einer Flüssigkeit bei einer Temperaturänderung verändert. Eine Flüssigkeit mit hohem VI behält ihre Viskosität über einen breiteren Temperaturbereich bei als eine Flüssigkeit mit niedrigem VI bei gleichem Gewicht. Flüssigkeiten mit hohem VI werden dort eingesetzt, wo extreme Temperaturen zu erwarten sind. Dies ist besonders wichtig für Hydrauliksysteme, die im Freien betrieben werden.

Oxidationsstabilität (ASTM D2272 und andere) ist die Beständigkeit der Flüssigkeit gegen hitzebedingten Abbau durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff. Oxidation verringert die Lebensdauer einer Flüssigkeit erheblich und hinterlässt Nebenprodukte wie Schlamm und Verlackung. Verlackung beeinträchtigt die Funktion des Ventils und kann den Durchfluss einschränken.

Verschleißfestigkeit (ASTM D2266 und andere) ist die Fähigkeit des Schmierstoffs, die Verschleißrate bei reibenden Grenzkontakten zu reduzieren. Dies wird erreicht, wenn die Flüssigkeit einen Schutzfilm auf Metalloberflächen bildet, um Abrieb, Fressen und Kontaktermüdung an Bauteiloberflächen zu verhindern.

Abgesehen von diesen grundlegenden Eigenschaften ist eine weitere Eigenschaft, die es zu berücksichtigen gilt, die Sichtbarkeit. Wenn es ein Hydraulikleck gibt, wollen Sie es frühzeitig erkennen, um Ihre Anlage nicht zu beschädigen. Die Entscheidung für einen eingefärbten Schmierstoff kann Ihnen helfen, Leckagen schnell zu erkennen und Ihre Anlage effektiv vor einem Maschinenausfall zu bewahren.

Kommentar verfassen