O+P Fluidtechnik 10/2018

DRUCKFLÜSSIGKEITEN
1 EINLEITUNG
Neben der schnellen biologischen Abbaubarkeit und der möglichen
Herstellung aus nachwachsenden Rohstoffen gelten esterbasierte
Öle aufgrund der Polarität ihrer Moleküle sowie günstigem Viskositäts-Temperaturverhalten
als gute Schmierstoffe. Im Rahmen eines
Projektes wurde die These, dass sich mit Bio-Ölen der Wirkungsgrad
von Hydraulikanlagen steigern lässt, am ifas anhand von Hydraulikpumpen
untersucht. Als Pumpenhersteller konnte die Firma Parker
Hannifin gewonnen werden, die das Projekt durch die Bereitstellung
der zu untersuchenden Pumpen unterstützte. Damit Wirkungsgradänderungen
eindeutig auf die Verwendung des Öls zurückgeführt
werden können, müssen alle anderen Einflüsse auf den
Wirkungsgrad bekannt sein. Dem Einfluss des Betriebspunktes wird
durch Kennfeldmessungen Rechnung getragen. Untersuchungen
zum Beispiel in /Keh98/ zeigen aber anhand von Ottomotoren, dass
auch der Einlauf erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad nimmt.
Des Weiteren werden fertigungsbedingte Streuungen der Pumpenwirkungsgrade
mit berücksichtigt. Die genannten Einflüsse außer
denen des Öls wurden ausführlich in /Ott16/ vorgestellt.
1.1 UNTERSUCHTE ÖLE
01
Dynamische Viskositäten der Versuchsöle
(eigene Messung)
Als umweltverträglich gelten nach EN ISO 6743-4 und DIN ISO
15380 unter anderem Hydrauliköle der Klassen HETG (native Ester)
und HEES (synthetische Ester) /EN02, ISO03/. Im Gegensatz dazu
kommen für Produkte der Klasse HLP meist Grundöle aus Erdöldestillaten
oder synthetischen Kohlenwasserstoffverbindungen,
wie z. B. Polyalphaoleofine, zum Einsatz. Für die Untersuchungen
wurden je ein Produkt aus den Klassen HETG und HEES, sowie
zwei Produkte (-1, -2) unterschiedlicher Hersteller der Klasse HLP
gewählt. Die gewählten Bio-Öle der Klassen HETG und HEES
bestehen zu über 25 % aus nachwachsenden Rohstoffen gemäß
DIN EN 16807. Des Weiteren wurde ein polyalphaolefinbasiertes,
synthetisches HVLP Produkt mit in die Untersuchungen einbezogen.
Im Vergleich zu HLP-Ölen sind HVLP-Öle mit Additiven für ein
besseres Temperatur-Viskositätsverhalten versetzt. Bild 01 zeigt das
Temperatur-Viskositätsdiagramm der genannten Versuchsfluide. In
der doppelt-logarithmischen Darstellung nach Ubbelohde ergeben
sich annäherungsweise Geraden für die Verläufe der Viskosität.
Nach DIN ISO 2909 wird die Steigung der Geraden durch eine
Kennzahl beschrieben, die Viskositätsindex genannt wird /ISO04/.
Dabei gilt, dass sich der Viskositätsindex reziprok zur Steigung im
Temperatur-Viskositätsdiagram verhält. Auffallend ist der gegenüber
den Mineralölen deutlich geringere Abfall der Viskosität mit
steigender Temperatur (hoher Viskositätsindex) für den nativen
Ester (HETG). Während der Viskositätsindex von HLP 46-1 105
beträgt, liegt derselbe Wert für das HETG bei 239. Für die Darstellung
wurde die dynamische Viskosität, anstelle der sonst üblichen
kinematischen gewählt, da die dynamische Viskosität ein von der
Öldichte unabhängiger Wert ist.
1.2 PUMPEN
Um unterschiedliche Verdrängerprinzipien zu berücksichtigen,
wurden Axialkolbenpumpen, Flügelzellenpumpen sowie Außenzahnradpumpen
untersucht. Tabelle 01 gibt die Nenndaten der
Pumpen wieder. Die untersuchten Axialkolben- und Flügelzellenpumpen
besitzen dabei keine Verstellfunktion.
1.3 PRÜFSTAND
In Bild 02 ist der Schaltplan des Wirkungsgradprüfstandes
dar gestellt. Angetrieben von einem Elektromotor mit variabler
Drehzahl, fördert die zu untersuchende Pumpe das Öl aus dem
Tank zuerst durch einen Hochdruckfilter. Anschließend fließt das
Öl durch einen Volumenstromzähler. Mit dem Lastventil lässt sich
02
Wirkungsgradprüfstand IFAS
Tabelle 01: Nenndaten der Versuchspumpen
Axialkolbenpumpe
Außenzahnradpumpe
Flügelzellenpumpe
Verdrängungsvolumen [cm 3 ] 46 44 44
Druck [bar] 350 220 300
Drehzahl [min -1 ] 1500 1500 1500
Eingangsleistung [kW] 45 27 34
in diesem Teil des Systems ein Druck von bis zu 350 bar einstellen.
Hinter dem Ventil wird die durch den Druckabbau entstandene
Wärme im Öl von einem Wärmetauscher soweit wieder entzogen,
bis sich die gewünschte Temperatur im Prüfstand einstellt. Um den
Hochdruckteil gegen Überdruck abzusichern, wird parallel dazu
ein Sicherheitsventil (DBV) geschaltet.
Um die Eingangsleistung der Pumpe bestimmen zu können,
werden an der Antriebswelle Drehzahl und Drehmoment erfasst.
Im Ansaugbereich, im Hochdruckteil, sowie in der Leckageleitung
wird jeweils der Druck gemessen. Bei den Axialkolbeneinheiten
wird zusätzlich zum Hauptvolumenstrom der Leckagevolumenstrom
erfasst, da er Bauprinzip-bedingt nach außen abgeführt wird.
Die Temperatur des Öls wird in der Saugleitung gemessen.
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