O+P Fluidtechnik 6/2018

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HYDRAULIKSYSTEM FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED SCHÄDIGUNGEN DURCH WASSER IN HYDRAULISCHEN SYSTEMEN Tobias Mielke, Hubertus Murrenhoff, Katharina Schmitz Jeder der sich mit Hydraulik beschäftigt, lernt, dass Wasser im System schädlich und daher unbedingt zu vermeiden ist. Doch wovon geht die Gefährdung genau aus? Was macht Wasser im System? Und wie kommt es überhaupt hinein? Diesen Fragen gehen dieser und ein hierauf aufbauender und in der nächsten Ausgabe erscheinender Beitrag nach. Zunächst werden die Schädigungsmechanismen und -orte erörtert. Im folgenden Beitrag werden die Zutrittsorte diskutiert.
Neutralisationszahl HYDRAULIKSYSTEM 1. EINLEITUNG In diesem Beitrag wird zunächst der Einfluss von Wasser in einem hydraulischen System und die daraus resultierenden Schäden und Beeinträchtigung der Funktionalität erläutert. Darauf aufbauend wird im Beitrag in der nächsten Ausgabe dann aufgezeigt, wo und wie Wasser ins System gelangt. Aufgabe eines hydraulischen Systems ist der Transport und die Wandlung von Energie. Dazu wird in der Pumpe mechanische Energie, die durch einen E-Motor oder eine Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt wird, in hydraulische Energie gewandelt. Durch Rohrleitungen und Schläuche wird diese, gesteuert durch Ventile, zum Aktor gleitet, wo sie wieder in mechanische Energie zurückgewandelt wird. Energieträger im hydraulischen Teil ist eine Flüssigkeit, die unter Druck steht. Ein großer Vorteil der Hydraulik ist die einfache Realisierung von linearen Bewegungen [Mur12], die mithilfe von Zylindern umgesetzt werden. Diese bestehen aus einem Kolben mit angeschlossener Kolbenstange, der in einem Zylinder axial beweglich gelagert ist. Der Kolben bildet zwei Räume aus, die über ein Dichtelement getrennt sind. Dort findet die Rückwandlung der hydraulischen in mechanische Energie statt und über die Kolbenstange wird diese der Umgebung zur Verfügung gestellt. Um eine störungsfreie und effiziente Wandlung zu ermöglichen, muss ein Austreten der Flüssigkeit aus dem System verhindert werden. Im Fall der Stange ist eine hermetische Abdichtung aufgrund der relativen Bewegung zum Zylinder nicht möglich, weswegen die Dichtfunktion dynamisch durch einen engen Spalt, der zwischen der Stange und dem weichen Dichtring gebildet wird, erfolgt. Das birgt das Potential des Eintritts von Wasser, was insbesondere die Mineralöl- und Ester-basierten Flüssigkeiten gefährdet. Die Tankbelüftung stellt einen weiteren potentiellen Eintrittsort dar, vgl. Bild 01. Aufgrund von schärferen Wettbewerbsbedingungen und steigendem Kostendruck nimmt die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von hydraulischen Anlagen einen immer höheren Stellenwert für die Betreiber ein. Wasser im System hat großen, negativen Einfluss auf beide Faktoren und wird für 20% aller Ausfälle verantwortlich gemacht [Rab81]. Im Folgenden werden die Schädigungsmechanismen und die Orte der Schädigungen in hydraulischen Systemen durch Wasser erläutert. 2. SCHÄDEN IN HYDRAULISCHEN SYSTEMEN DURCH WASSER Neben der Schädigung der Druckflüssigkeit, der verwendeten Komponenten aus verschiedenen Werkstoffen, der auftretenden Störungen der tribologischen Kontakte durch Wasser wird ebenfalls die Problematik der Dampfkavitation erläutert. 2.1 ALTERUNG DER DRUCKFLÜSSIGKEIT Die in der Hydraulik eingesetzten Druckmedien altern durch die Anwesenheit von Wasser aufgrund von zwei Mechanismen: Oxidation und Hydrolyse. Im Folgenden wird zunächst auf die Oxidation von Flüssigkeiten eingegangen, bei der Wasser eine katalysierende Rolle spielt. Sauerstoffionen können aufgrund ihrer relativ hohen Elektro negativität aus einem Kohlenwasserstoffmolekül ein Wasserstoffatom dissoziieren. Dadurch entsteht ein Kohlenwasserstoff radikal, das mit einem Sauerstoffatom ein Kohlenwasserstoff Per oxid-Radikal bildet. Dieses ist sehr reaktiv und greift weitere Moleküle an. Durch die weitere Abspaltung eines Wasserstoffatoms entstehen ein Kohlenwasserstoff Hydroperoxid und ein neues Kohlenwasserstoff Radikal. Hydroperoxide zerfallen und bilden Per oxid- und Alkyloxid Radikale sowie Wasser, welche wie- 01 02 12 10 8 6 4 2 0 Zutrittsorte von Wasser in ein hydraulisches System Stangendichtelement Tankbelüftung Auswirkung von Wasser und metallischer Katalysatoren auf die Neutralisationszahl von Turbinenölen [Iwa79] ohne Eisen Kupfer ohne Wasser mit Wasser derrum weitere Moleküle zersetzten. Durch die Bildung immer weiterer Radikale bleibt die Kettenreaktion im Gang. Die Reaktionsprodukte sind Alkohole, Aldehyde, Ketone und Säuren. Des Weiteren fällt Schlamm aus und es bilden sich lackartige Produkte [Tum82]. Oxidationsuntersuchungen im Labor zeigen, dass die Oxidation mit einer ausgeprägten Induktionsphase beginnt. Sauerstoff wird zunächst sehr langsam aufgenommen. Erst mit der Bildung ausreichend vieler Radikale steigt die Oxidationsgeschwindigkeit an. Die Induktionsphase ist der im Wesentlichen bestimmende Teil des Alterungsverlaufes und damit der Lebensdauer der eingesetzten Flüssigkeit. Wasser wirkt katalysierend auf die Oxidation, was in [Iwa79] an Turbinenölen nachgewiesen wurde. Der Fortschritt der Oxidation wurde mittels der Neutralisationszahl gemessen, mit der die Menge der sauren Reaktionsprodukte bestimmt werden kann [DIN90]. Den Proben wurde entweder kein metallischer Katalysator, Eisen oder Kupfer zugesetzt. Außerdem wurde jeweils eine Messung mit O+P Fluidtechnik 6/2018 53
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