O+P Fluidtechnik 7-8/2018

HYDRAULIKSYSTEM
1. EINLEITUNG
Wasser im hydraulischen System ist Ursache vieler verschiedener
Schädigungsmechanismen im hydraulischen System. Es führt dazu,
dass die eingesetzten Druckflüssigkeiten durch Hydrolyse bzw.
Oxidation vorzeitig altern und die Wartungsintervalle der Systeme
verkürzt werden müssen. Wasser greift außerdem die eingesetzten
Materialien der Komponenten des Systems an. Metallische Oberflächen
können durch Wasser oxidieren wodurch Partikel herausgelöst
werden können, was weitere Schäden nach sich zieht. Des
Weiteren kann die Funktionalität von Dichtelementen durch Quellen
oder Schrumpfen, hervorgerufen durch die Anwesenheit von
Wasser, beeinträchtigt bzw. gestört werden. Ein weiteres bekanntes
Phänomen von Schädigungen in einem hydraulischen System ist
Kavitationserosion. Durch lokales Absenken des statischen Drucks
entsteht bei Unterschreiten des Sättigungsdampfdrucks eine
Dampfphase und bildet damit Blasen. Wenn der Druck dann
wieder steigt, implodieren diese und bilden Mikrojets, die beim
Auftreffen auf die Wand das Material ermüden und zerstören.
Zuletzt stört Wasser die tribologischen Kontaktpartner. Am Beispiel
von Kegelrollenlager wurde eine deutliche Reduktion der Lebensdauer
in Anwesenheit von Wasser nachgewiesen. Diese vielfältigen
Schädigungsmechanismen wurden im Beitrag „Schädigungen
durch Wasser in hydraulischen Systemen“ in der vergangenen
Ausgabe detailliert betrachtet. Im Folgenden stehen die Orte des
Wassereintritts sowie die erwartete Menge im Fokus.
Ein großer Vorteil der Hydraulik ist die einfache Realisierung von
linearen Bewegungen [Mur12], die mithilfe von Zylindern umgesetzt
werden. Die Energie wird über Kolbenstangen an die Umgebung
geleitet und kann dort abgegriffen werden. Abgedichtet wird
die Kolbenstange mittels eines weichen Dichtelementes. Dadurch
ist ein ordentlicher Druckaufbau gewährleistet. Beim Ausfahren der
Stange schwimmt die Dichtlippe des Elements leicht auf, wodurch
die Reibkraft reduziert wird. Allerdings verbleibt ein dünner Ölfilm
auf der Oberfläche. Das Dichtelement ist derart ausgelegt, dass
dieser Film beim Einfahren wieder mit in das System gelangen
kann. Ein typisches Dichtelement, der Nutring, das eine weite
Verbreitung in der Industrie gefunden hat, ist in Bild 01 gezeigt.
Durch die Möglichkeit des Wiedereinzugs von Flüssigkeit besteht
die Gefahr, dass Wasser mit ins System gelangt. Einen weiteren
Zutrittsort von Wasser stellt die Belüftung des Tanks dar. In Bild 02
ist ein typisches hydraulisches System mit den Zutrittsorten
dar gestellt.
Nachdem im vorherigen Beitrag die Schäden, die durch Wasser
hervorgerufen werden, beleuchtet wurden, werden in diesem die
Zutrittsorte von Wasser diskutiert. Außerdem wird ein Verfahren
zur Bestimmung des Sättigungsverhaltens von typischen Hydraulikölen
vorgestellt, ermittelte Sättigungskurven dargestellt und,
aufbauend darauf, ein Modell zur Beschreibung des Eintrags von
gelöstem Wasser im Ölfilm auf einer Kolbenstange ins System
entwickelt. Die Wassereinträge, die über die verschiedenen Wege
ins System gelangen, werden miteinander verglichen und bewertet.
2. WASSEREINTRITT INS SYSTEM
Wasser kann auf unterschiedlichen Wegen in das hydraulische
System eindringen. Es kann bereits gelöst sein, z.B. wenn Frischöl
hohen Wassergehaltes nachgefüllt wird. Auch im ungelösten
Zustand kann es, z.B. durch Spritzer auf den Belüftungsfilter oder
durch einen Kühlerbruch, eindringen. Das warme Hydrauliköl wird
zur Abkühlung durch den Kühler geleitet und gibt dort die Wärme
an das Kühlmittel ab. Beide Flüssigkeiten sind im Kühler voneinander
getrennt. Im Bruchfall wird diese Trennung ungewollt aufgelöst.
In diesem Fall kommt es zu katastrophalen Verunreinigungen
des hydraulischen Systems. Da Kühlerbrüche unvorhersehbar auftreten
können, nicht systemimmanente Ereignisse sind und zudem
sehr selten auftreten, wendet sich die Studie im nächsten Absatz
Wassereinträgen durch Belüftungsfilter im Tank zu. Im Anschluss
01
02
Typischer Nutring
Zutrittsorte von Wasser in ein hydraulisches System
werden dynamische Dichtstellen als Wassereintrittsort erläutert.
Dazu wird die Berechnungsgrundlage zur Bestimmung der Dicke
des Schmierfilms, der auf der Kolbenstange beim Ausfahren
verbleibt, erläutert. Anhand dieser wird das Einzugspotential freien
Wassers abgeleitet. Es werden ebenfalls gemessene Schmierfilmhöhen
zur Abschätzung des Einzugs freien Wassers herangezogen.
Im letzten Abschnitt wird ein Modell zur Beschreibung des Eintrags
von im Schmierfilm der Kolbenstange gelösten Wassers entwickelt
und im Vergleich mit den anderen Eintragsorten diskutiert.
Wasser kann ebenfalls über undichte Verschraubungen, Verbindungen
und Schläuche ins System gelangen. Diese sind unvorhersehbar
und werden daher im Rahmen dieser Studie nicht weiter
betrachtet.
2.1 LUFTFILTER
In [Jae94] wurden Getriebeentlüftungen hinsichtlich des Wassereintrags
untersucht. Getriebe müssen entlüftet werden, um Volumenänderungen
des Öls durch Temperaturänderung und Leckage
ausgleichen zu können. In hydraulischen Systemen müssen aufgrund
von unsymmetrischen Verbrauchern, wie z.B. Differentialzy­
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