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O+P Fluidtechnik 1-2/2016

O+P Fluidtechnik 1-2/2016

PUMPEN UND

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 05-1 Axialkolbenpumpe: Links der hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad, rechts der volumetrische Wirkungsgrad für verschiedene Öltemperaturen 05-2 Zahnradpumpe: Links der hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad, rechts der volumetrische Wirkungsgrad für verschiedene Öltemperaturen 05-3 Flügelzellenpumpe: Links der hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad, rechts der volumetrische Wirkungsgrad für verschiedene Öltemperaturen 100 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 1-2/2016

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE zusammengestellt. Entsprechend der Stufenanzahl ist der Messbereich äquidistant aufgeteilt. Drehzahlbereich [min -1 ] Druckbereich [bar] Temperaturbereich [°C] Axialkolbenpumpe 500-2 000 (7 Stufen) 50-350 (7 Stufen) 40-80 (5 Stufen) Zahnradpumpe 500-2 000 (7 Stufen) 50-200 (4 Stufen) 40-80 (5 Stufen) Flügelzellenpumpe 600-2 000 (7 Stufen) 50-300 (4 Stufen) 40-80 (5 Stufen) Tabelle 5-1: Parameterbereiche der Wirkungsgradkennfelder In Bild 05-1, Bild 05-2 sowie Bild 05-3 ist jeweils links der hydraulisch-mechanische und rechts der volumetrische Wirkungsgrad unter Verwendung von HLP 46 für die untersuchten Pumpenbauformen dargestellt. Zu erkennen ist, dass die Temperaturabhängigkeit der Wirkungsgrade bei allen Pumpen für weite Bereiche prinzipiell ähnlich ist. Der hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad nimmt mit steigender Temperatur zu. Dies ist auf die Abnahme der Scherkräfte mit fallender Viskosität zurückzuführen. Wird der volumetrische Wirkungsgrad betrachtet, so wirkt sich dieser Effekt genau gegensätzlich aus, da auch die Leckage der Pumpe mit sinkender Viskosität zunimmt. Die Abhängigkeiten der Wirkungsgrade hinsichtlich Druck und Drehzahl sind bei den verschiedenen Pumpen unterschiedlich. Hinsichtlich des hydraulisch-mechanischen Wirkungsgrades zeigt die Axialkolbenpumpe eine ausgeprägte Druckabhängigkeit. Für das theoretisch benötigte Antriebsdrehmoment M th der Pumpe gilt Hier bezeichnet ∆p die an der Pumpe anliegende Druckdifferenz und V das Verdrängungsvolumen. Mit fallendem Druck wird also auch das benötigte theoretische Antriebsdrehmoment kleiner. Aus der gleichzeitigen Abnahme des gemessenen hydraulischmechanischen Wirkungsgrades folgt somit, dass das Verlustmoment demgegenüber eine schwächere Druckabhängigkeit aufweisen muss. Die geringe Druckabhängigkeit des Verlustmomentes folgt zum einen aus der hydrostatischen Entlastung der Kontakte Kolbentrommel-Steuerspiegel sowie Kolbengleitschuh-Schwenkscheibe. Des Weiteren ist die Federkraft, mit der die Kolbentrommel auf die Steuerplatte gedrückt wird, druckunabhängig. Für den Druckbereich über 200 bar, in dem die Axialkolbenpumpen normalerweise betrieben werden, ist der hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad nahezu unabhängig von der Drehzahl. Hydrodynamisch bedingte Reibkräfte bzw. Strömungs- und Planschverluste spielen hier also eine untergeordnete Rolle. Die flächigen Dichtungen und engen Spaltmaße der Axialkolbenpumpe zeichnen sich durch eine hohe Dichtwirkung aus. Mit steigendem Druck nimmt der volumetrische Wirkungsgrad durch die druckgetriebene Leckage nur geringfügig ab. Auch der volumetrische Wirkungsgrad der Zahnradpumpe (Bild 05-2) besitzt eine geringe Druckabhängigkeit. Die Ursache hier liegt zum einen in den Lagerbrillen, die mit steigendem Betriebsdruck in axialer Richtung dichter an die Zahnräder gepresst werden. Des Weiteren werden wie bereits erwähnt die Zahnräder mit steigendem Druck in radialer Richtung hin zum Niederdruck in das Gehäuse gedrückt und verringern so die Spalte zwischen den Zahnköpfen und dem Gehäuse. Insgesamt werden die Spalte mit steigendem Druck also kleiner, wodurch die Leckage näherungsweise konstant gehalten werden kann. Die ausgeprägte Viskositätsabhängigkeit der Leckage deutet zusätzlich auf einen eher flächigen drosselförmigen Spalt hin. Dies legt nahe, dass hauptsächlich der Spalt zwischen den Zahnrädern und den Lagerbrillen für die Leckage verantwortlich ist, da der Spalt zwischen Zahnkopf und Gehäuse dem gegenüber wesentlich scharfkantiger ist und somit eher die Durchflusscharakteristik einer Blende (viskositätsunabhängig) zeigen würde. Die deutliche Drehzahlabhängigkeit des volumetrischen Wirkungsgrades lässt sich auf die mit fallender Drehzahl ebenfalls fallende Reynolds-Zahl zurückführen. Dasselbe Verhalten wird auch bei Kreiselpumpen beobachtet [Mün99]. Der hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad der Zahnradpumpe besitzt gegenüber der Axialkolbenpumpe keine ausgeprägte Druckabhängigkeit. Das bedeutet wiederum, dass das Verlustmoment hier eine größere Druckabhängigkeit gegenüber dem der Axialkolbenpumpe aufweist. Dies lässt sich durch die vorher beschriebene Spaltkompensation erklären. Je enger die Spalten werden, je größer wird der Geschwindigkeitsgradient über der Spalthöhe und damit die Scherkraft des Fluides im Spalt. Zusätzlich wird das Auftreten von Mischreibung begünstigt. Die Flügelzellenpumpe verhält sich prinzipiell ähnlich wie die Zahnradpumpe, wobei beachtet werden muss, dass das Kennfeld bei 600 min -1 endet. Die Druckabhängigkeit des volumetrischen Wirkungsgrades für geringe Drehzahlen ergibt sich bei der Flügelzellenpumpe aus den kleineren Zentrifugalkräften, mit denen die Flügel an den Hubring gedrückt werden. 6 STATISTISCHE KENNGRÖSSEN DER PUMPENWIRKUNGSGRADE Um die fertigungsbedingte Streuung des Pumpenwirkungsgrades zu erfassen, wurden von jeder Pumpenbauart fünf Pumpen mit Mineralöl HLP 46 eingefahren. Anschließend wurden entsprechend den Leistungsbereichen der Pumpen die Wirkungsgradkennfelder gemessen (vgl. Tabelle 5-1). In Bild 06-1, Bild 06-2 und Bild 06-3 ist der hydraulisch-mechanische, der volumetrische sowie der Gesamtwirkungsgrad der fünf vermessenen Axialkolben-, Zahnrad-, und Flügelzellenpumpen für Öltemperaturen von 40° bis 80 °C dargestellt. Des Weiteren wird die Wirkungsgradstreuung der jeweils fünf vermessenen Pumpen durch ein 95-prozentiges Vertrauens intervall δ mit angegeben. Es berechnet sich aus der Standardabweichung σ, dem Stichprobenumfang g = 5 sowie dem Parameter k = 2,78 nach [Pap06] zu Das bedeutet, dass unter Berücksichtigung des Stichprobenumfanges mit 95-prozentiger Wahrscheinlichkeit der Wirkungsgradverlauf einer weiteren baugleichen Pumpe sich innerhalb der angegebenen Grenzen befindet. Voraussetzung ist jedoch, dass alle Wirkungsgrade unter den gleichen Bedingungen gemessen werden. Um die Angaben für die Druck-Drehzahlkennfelder allgemeingültig zu halten, wurden die Wirkungsgrade über diese Parameter arithmetisch gemittelt. Dabei ist zu beachten, dass die Wirkungsgrade durch die Mittelung von denen im Nennbetriebspunkt aufgrund der Kennfeldgröße deutlich abweichen. Für die Axial- und Zahnradpumpen ist deutlich der gegensinnige Verlauf von hydraulisch-mechanischem und volumetrischem Wirkungsgrad zu erkennen. Wie schon im vorherigen Kapitel erwähnt, ist die Ursache hierfür in der Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Öles zu suchen. Die dynamische Viskosität fällt für das verwendete Mineralöl HLP 46 von 40,8 mPas bei 40 °C auf O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 1-2/2016 101

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