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.
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