O+P Fluidtechnik 6/2018

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elative Lebensdauer Lösung Chem. Reaktion 4 Verdampfung Sublimation HYDRAULIKSYSTEM FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 05 06 Grundkörper 07 10 5 4 3 2 1 Kavitationsschäden (Rahmen) an der Kolbentrommel einer Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise [Kun95] Wechselwirkungen zwischen den Elementen eines tribologischen Systems [Hab80] Adsorption Chem. Reaktion Sublimation Adsorption Chem. Reaktion Lösung, Anreicherung mit Verschleißpartikeln 5 3 Umgebungsmedium Zwischenstoff Trennung Schmierung Tribooxidation Abrasion Oberflächenzerrüttung 2 Adhäsion Abräsion Oberflächenzerrüttung Lebensdauer eines Kegelrollenlagers in Abhängigkeit verschiedener Wassergehalte der Flüssigkeit [Can77] 3 5 Adsorption Chem. Reaktion Sublimation Lösung, Anreicherung mit Verschleißpartikeln Adsorption Chem. Reaktion 1 25 100 400 Wasserkonzentration [10 -4 %] Gegenkörper 06 Druckflüssigkeit Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen [Tum82] Betriebsstunden [h] Wassergehalt [Volumen-%] H 1000 0 0 H 1000 1,0 3 H 1000 2,5 3 H 1000 5,0 2 HL 2000 2,5 3 HL 2000 5,0 1 HLP 2000 0 0 HLP 2000 1,0 0 HLP 2000 5,0 0 HLP-D-I 2000 0 0 HLP-D-I 2000 1,0 3 HLP-D-I 2000 5,0 3 HLP-D-II 2000 0 0 HLP-D-II 1500 5,0 0 H 1000 Voralterung/5,0 2 HL 1000 Voralterung/5,0 1 HLP 2000 Voralterung/5,0 0 HLP-D-I 2000 Voralterung/5,0 3 HLP-D-II 2000 Voralterung/5,0 1 Korrosionsgrad erhebliche Schäden an den metallischen Bauteilen verursachen kann. In Tabelle 06 sind die Korrosionsgrade der Stäbe unter verschiedenen Bedingungen angegeben. 2.4 SCHÄDEN DURCH DAMPFKAVITATION Unter Kavitation wird das Entstehen von Gasblasen bei sinkendem Druck und konstanter Temperatur verstanden [Bre95]. Implodieren diese, kann es zu Schäden an Bauteilen kommen. In der Hydraulik kann die Blase mit aus der Umgebungsflüssigkeit entlöster Luft, mit Flüssigkeitsdampf oder mit dem Dampf fremder Flüssigkeiten, bspw. Wasserdampf, gefüllt sein. Der Sättigungsdruck der gasförmigen Flüssigkeit wird unterschritten, bspw. beim Durchströmen einer Blende, wodurch, mit steigender Druckdifferenz, Energie zur Blasenbildung und zu deren Wachstum in der Umgebungsflüssigkeit freigesetzt wird. Blasen entstehen an Keimen, wobei zwischen homogener und heterogener Keimbildung unterschieden wird. Bei homogener Keimbildung wächst die Blase ausgehend von vorübergehenden mikroskopischen Hohlräumen, die durch thermische Bewegung der Moleküle entstehen. Da in hydraulischen Systemen nicht nur Druckflüssigkeit, sondern auch Partikel, Luftblasen u. Ä. vorhanden sind und somit die heterogene Keimbildung überwiegt, wird hier auf die Darstellung der homogenen Bildung verzichtet. Bei der heterogenen Bildung entstehen die Mikroblasen an Unstetigkeiten in der Flüssigkeit. Da der Fokus dieses Beitrags auf Wasser liegt, ist die Blase in der vorliegenden Betrachtung mit Wasserdampf gefüllt. Das mechanische Gleichgewicht der Blasen in einer Flüssigkeit kann durch Gl. 2-1 beschrieben werden. Hierbei ist p B der Druck in der Blase, der, im Falle einer isothermen Dampfblase, gleich dem Sättigungsdampfdruck p V ist. Der Druck p herrscht außerhalb der Blase, S ist die Oberflächenspannung zwischen Blase und Flüssigkeit und R der Radius. 2 ⋅ S pB − p = Gl. 2 −1 R 56 O+P Fluidtechnik 6/2018
HYDRAULIKSYSTEM Wenn der Außendruck p kleiner als p B – 2 ∙ S/R ist, wird die Blase wachsen. Das geschieht so lange, bis entweder das Gleichgewicht wieder hergestellt ist oder die Blase platzt. Das Wachstum einer Dampfblase ist also zum einen durch den Sättigungsdampfdruck bei gegebener Temperatur bestimmt, zum anderen durch den Außendruck. Dieser variiert in einem hydraulischen System aufgrund von Arbeitszyklen und Geschwindigkeitsänderungen, lokal wie auch zeitlich. Im Bereich eines lokalen Hochdruckgebietes kann es passieren, dass die Blase kollabiert. Unter der Annahme, dass die Blase eine Kugel ausbildet, kann der Druck p p der Schockwelle, die sich nach dem Platzen ausbreitet, mit Gl. 2-2 [Bre95] abgeschätzt werden. Dabei ist p ∞ der durchschnittliche Druck in der Flüssigkeit, R m der Radius der Blase beim Platzen und r der Abstand vom Blasenmittelpunkt. Rm pp = 100 ⋅p∞ ⋅ Gl. 2−2 r Der Schockwellendruck ist um zwei Größenordnungen größer als der Umgebungsdruck. Implodieren Blasen im Bereich einer Asymmetrie, bspw. im Bereich einer Wand oder in der Umgebung anderer Blasen, entstehen Mikrojets in Richtung der Asymmetrie. Beim Auftreffen des Jets auf die Wand wird ein Impuls übertragen, der zu Werkstoffermüdung führt. Dadurch entstehen die typischen, feinporigen Kavitationsschäden, wie Bild 05 zeigt. In [Tum82] wurden umfangreiche Untersuchungen von Kavitationsschäden durch Wasser im Modellversuch durchgeführt. Durch eine Düse wurde der Druck der feuchten Flüssigkeit im Modell aufbau mittels Wandlung in Strömungsgeschwindigkeit abgesenkt, sodass Blasen entstehen können. Diese Strömung wird auf einen Probekörper geleitet, wo der Druck durch Stauung wieder ansteigt. Als Messgröße wird die Gewichtsänderung aufgrund Kavitationserosion des Probekörpers heran gezogen. Es zeigte sich, dass bei höherem Wassergehalt der Druckflüssigkeit weniger Kavitationsschäden auftraten. Das wurde durch die Ausbildung einer schützenden Dampfschicht an der Wand des Versuchsträgers erklärt, wie es ebenfalls auch in [Kra16] beschrieben wird. Dampfblasen entstehen aufgrund des lokalen Absenkens des Drucks unter den Sättigungsdampfdruck, haften an der zu betrachtenden Stelle an und bilden allmählich die Dampfschicht. Die kinetische Energie platzender Blasen wird von dieser Schicht absorbiert, sodass die darunter liegenden Bauteile geschützt werden. Eine solche Schutzschicht ist im realen hydraulischen System nicht zu erwarten, da zum einen instationäre Vorgänge aufgrund der Arbeitszyklen vorliegen, zum anderen viele Bereiche turbulent durchströmt werden. Die Dampfschicht wird dadurch regelmäßig abgelöst. Die schützende Wirkung ist damit nicht mehr gegeben. Zur Vermeidung von Dampfkavitationsschäden in hydraulischen Systemen sind daher alle Maßnahmen zu ergreifen, um Dampfblasenbildung in Wandnähe zu vermeiden. Das kann zum einen durch besondere Gestaltung der Strömungsführung geschehen, sodass der lokale Druck nicht unter den Sättigungsdampfdruck des Wassers fällt. Zum anderen kann der Gesamtwassergehalt niedrig gehalten werden, sodass weniger Wassermoleküle zur Blasenbildung zur Verfügung stehen. 2.5 LEBENSDAUERREDUKTIONEN DURCH STÖRUNG DES TRIBOLOGISCHEN SYSTEMS Ein tribologisches System besteht aus den Elementen Grundkörper, Gegenkörper, Zwischenstoff und Umgebungsmedium. Im Fall eines Stangendichtelements ist die Kolbenstange Grundkörper, der Dichtring der Gegenkörper, die Druckflüssigkeit der Zwischenstoff und die Umgebungsluft das Umgebungsmedium. Zwischen den Elementen herrschen komplexe Wechselwirkungen wie in Bild 06 dargestellt ist [Jac12]. Wasser gelangt über das Umgebungsmedium Luft in den Zwischenstoff der dieses absorbiert. Es ist also nach [Jac12] eine Störgröße. Es beeinflusst die Schmierung und die Trennung von Grund- und Gegenkörper und löst chemische Reaktion dort aus. Zurück in den Zwischenstoff kommen dadurch Verschleißpartikel. In [Can77] wurden die Auswirkungen von Wasser in Schmierflüssigkeiten auf die Lebensdauer von Kegelrollenlagern untersucht. Solche finden sich unter anderem in Axialkolbeneinheiten in Schrägscheibenbauweise [Mur12], wo sie mit Hydraulikflüssigkeit geschmiert werden. In der Untersuchung wurde ein Prüfstand entwickelt, mit dem Lagerlebensdauertests durchgeführt werden können. Als Wassergehalte wurden 25 ∙10 -4 %, 100 ∙10 -4 % und 400 ∙10 -4 % gewählt, wodurch das Wasser gelöst und nicht als freie Phase vorliegt. Als Schmierstoff wurde eine SAE 20-Flüssigkeit verwendet. Im Versuch wurde die L15,9 Lebensdauer ermittelt, d.h. die Anzahl der Umdrehungen, bei der 15,9% der untersuchten Lager ausfallen. Ausfallkriterium waren aufgetretene Abplatzungen größer als 0,0645 cm². Die Ergebnisse der Untersuchungen wurden auf die Lebensdauer bei 100 ∙10 -4 % Wassergehalt bezogen und in einem doppellogarithmischen Diagramm über dem Wassergehalt aufgetragen, siehe Bild 07. Es zeigt sich, dass der Zusammenhang zwischen der relativen Lebensdauer L der untersuchten Lager und dem Wassergehalt X der Schmierflüssigkeit durch die folgende Gl. 2-3 beschrieben werden kann. L ist die Lebensdauer für den untersuchten Wassergehalt bezogen auf die Lebensdauer bei einem Gehalt von 100 ∙10 -4 %. 0,6 −4 ⎛100 ⋅10 ⎞ L = ⎜ ⎟ Gl. 2−3 ⎝ X ⎠ Eine Erhöhung des Wassergehaltes von 25 ∙10 -4 % auf 100 ∙10 -4 % reduziert die Lebensdauer um 60%. Eine weitere Erhöhung des Wassergehaltes sorgt für einen weiteren Abfall der Lebensdauer, jedoch nicht mehr so stark wie bei geringeren Wassergehalten. Steigerungen bei geringeren Wassergehalten sind daher kritischer zu betrachten als bei größeren. 3. ZUSAMMENFASSUNG / AUSBLICK In diesem Beitrag wurden die Auswirkungen von Wasser in Ölhydraulischen Anlagen aufgezeigt und die daraus resultierenden Schäden erläutert. Wasser wirkt beschleunigend auf die Oxidation bzw. ist Voraussetzung für die Hydrolyse der eingesetzten Druckflüssigkeit. Es wirkt außerdem korrosiv auf metallische Oberflächen, wodurch die Partikelkonzentration durch Ablösen der Korrosionsprodukte von Bauteilen im System erhöht wird. Dichtungswerkstoffe können bei Anwesenheit von Wasser quellen und ihre Zugspannung verlieren, wodurch ihre Funktionssicherheit gefährdet wird. Wasserdampfkavitation und die damit einhergehende Erosion schädigen das System zusätzlich. Zuletzt sei noch die Störung der tribologischen Systeme, u.a. in den Wälzlagern, genannt, die deren Lebensdauer deutlich herabsetzt. In einer auf diesem Artikel aufbauenden Abhandlung in der folgenden Ausgabe werden die Wege von Wasser ins System beschrieben. Es werden dazu Modelle entwickelt, mit deren Hilfe die eingetretenen Wassermengen quantifiziert werden können. 4. DANKSAGUNG Das Projekt „Wassereinzug über Stangendichtungen“ (FKM-Nr. 703360) wird durch einen industriedominierten Arbeitskreis des Forschungsfonds des Fachverbandes Fluidtechnik im VDMA begleitet und unterstützt. Die Autoren danken allen Beteiligten für die finanzielle Förderung und die fachliche Unterstützung. O+P Fluidtechnik 6/2018 57
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