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O+P Fluidtechnik 1-2/2020

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O+P Fluidtechnik 1-2/2020

WASSERHYDRAULIK

WASSERHYDRAULIK FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED Flüssigkeit Zusammensetzung Temperaturbereich Klarwasser Reines Wasser 5 bis 50 °C HFA HFC 03 Dampfdruck (bar) 04 Luftlöslichkeit (Vol %) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Öl-in-Wasser- Emulsion 1 bis 5 % Öl Wässrige Polymerlösung 35 bis 55 % Wasser Tabelle 02: Klarwasser und Emulsionen nach ISO 12922 Dampfdruck von Wasser nach /Tro01/ Zulässiger Bereich Temperatur (°C) Unzulässiger Bereich 0 0 20 40 60 80 100 Luftlösevermögen von Wasser und Mineralöl nach /Tro01/ Absolutdruck (bar) 5 bis 55 °C – 20 bis 60 °C Wasser misch vorliegen. Diese Art der Kavitation wird außerdem durch das Mitreißen von Luftbläschen aus dem Tank und durch das Ansaugen von Luft über Dichtungen begünstigt. Untersuchungen zur Kavitationsersosion, also der Auswirkung auf die Materialien in Folge der Kavitation, wurden von Kleinbreuer /Kle79/ für verschiedene Druckflüssigkeiten und von Berger /Ber83/ zu HFA-Flüssigkeiten unternommen. Berger zeigt, dass neben dem Auftreten von Kavitationsblasen in wasserhydraulischen Systemen der Materialabtrag vermutlich aufgrund der Viskosität vergrößert ist. Die Simulation von Kavitationserscheinungen und deren Validierung ist Gegenstand aktueller Forschung am ifas /Gus19/. 2.3 SCHMIERUNG VON TRIBOLOGISCHEN KONTAKTEN Mineralöl 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Die Thematik der Schmierung eines tribologischen Kontakts umfasst das Zusammenspiel von hydrostatischen und hydrodynamischen Druckfeldern mit einem zusätzlichen Festkörperkontakt bei Berührung der Oberflächen. Diese Effekte bilden zusammen die Lasttragfähigkeit eines Kontakts und werden unter dem Aspekt der Schmierung mit dem Medium Wasser diskutiert. In Kapitel 3 erfolgt anschließend eine Bewertung des maximalen Drucks für wasserhydraulische Kolbenschuhe unter Berücksichtigung der Deformation. Für die Leckage aus hydrostatischen Druckfeldern und für den hydrodynamischen Druckaufbau ist vor allem die Viskosität des Schmiermediums relevant. Die Viskosität von Wasser ist im Vergleich zu einem Hydrauliköl HLP 32 um den Faktor 30 reduziert. Bild 03 zeigt zum einen die kinematische Viskosität von Wasser als auch die dynamische Viskosität im Vergleich zu Mineralöl. Die Leckage durch Spaltabdichtungen steigt aufgrund der reduzierten Viskosität. Im Vergleich mit Öl ergibt sich aus dem Viskositätsunterschied bei gleichen Spalthöhen eine Vergrößerung um den Faktor 30, siehe Gl. 1. Die reduzierte Viskosität führt hingegen nach der Gleichung von Hagen und Poiseuille zu einem verringerten Druckverlust bei der Leistungsübertragung durch lange Rohrleitungen. Weiterhin ist der dynamische Druckaufbau reduziert. Dies kann an einem Keilspaltlager, siehe Bild 06, gezeigt werden. Für dessen Berechnung anhand der Reynolds’schen Gleichung ist die einzige Voraussetzung für das Medium selbst, dass es sich um eine Newton’sche Flüssigkeit handelt. Dies ist für Wasser wie für Mineralöl gegeben, somit kann die Theorie für die Berechnung der Hydrodynamik bei Wasserschmierung herangezogen werden. Der Druck im unendlich breiten Keilspalt kann analytisch aus der Reynolds’schen Gleichung hergeleitet werden, siehe Gl. 2. Um denselben hydrodynamischen Druckaufbau zu erzielen, reduziert sich die nominelle Spalthöhe auf ca. 30 %, verglichen mit einem Mineralöl HLP 32. Dazu wurde die Annahme getroffen, dass der Winkel β unverändert bleibt. Die reduzierte Viskosität führt dazu, dass die Spalthöhen in den Kontakten kleiner werden müssen, um die gleiche Lasttragfähigkeit zu erzeugen. Dies wirkt sich zum einen positiv auf die Leckage aus. Auf der anderen Seite kommt es daher zu einem Betrieb im Mischreibungsbereich über alle Betriebspunkte und damit zu Festkörperreibung und Materialabtrag im Kontakt. Dies muss bei der Auswahl einer Materialpaarung berücksichtigt werden. Ein weiterer Aspekt ist die korrosive Wirkung von Wasser in den tribologischen Kontakten, im Gegensatz zu benetzten freien Oberflächen. Die freien Oberflächen können bereits durch Beschichten (Chromatieren, Brünieren) beziehungsweise Passivierung oder direktem Einsatz von korrosionsbeständigen Werkstoffen vor Korrosion geschützt werden. Die Oberflächen in den Gleitkontakten sind zum einen dem Verschleiß unterlegen, der die Passivschicht entfernt, und zum anderen der Aktivierungsenergie durch die Reibleistung. Ein Neuaufbau einer Passivschicht findet unter Belastung nicht notwendigerweise statt und fortschreitende Korrosion zerstört auch die tieferen Schichten. Die Bewertung eines tribologischen Kontakts in Bezug auf den Festkörperkontakt und den auf damit einhergehenden Verschleiß ist nur experimentell möglich. Dazu wurden am ifas bereits zahlreiche Untersuchungen zur Schmierung mit dem Medium HFA durchgeführt. Donders /Don98/ erarbeitete die Grundlagen der Schmie- 40 O+P Fluidtechnik 1-2/2020

WASSERHYDRAULIK 80 90 05 06 Kinematic viscosity v, 10 -6 [m 2 /s] oben: kinematische Viskosität von Wasser /Tro01/, unten: Vergleich der dynamischen Viskosität von Wasser und Öl /Bac99/ 1,810 50,0 1,620 1,430 1,240 1,050 0,860 0,670 0,480 0,290 Dynamic viscosity, η Druckaufbau im Keilspalt /Sch18/ rung von Tribostellen für eine wasserhydraulische Pumpe. Oberem /Obe02/ führte die Untersuchungen am Beispiel eines wasserhydraulischen Motors weiter. In den Forschungsprojekten wird der in Bild 07 dargestellte Tribometerprüfstand für Versuche mit Materialpaarungen unter HFA-Schmierung verwendet. Dabei wurden sowohl Materialversuche an Scheibe-Scheibe-Konfigurationen als auch Komponentenversuche an Gleitschuhen durchgeführt. Die Versuche zeigen gute Ergebnisse für eine Materialpaarung aus Nitrierstahl mit dem Messingwerkstoff Aeterna /Obe02/. Dies gilt allerdings nur für die Verwendung von HFA-Flüssigkeiten. In einer weiteren Versuchsreihe wurde eine Werkstoffpaarung aus korrosionsbeständigem Stahl und Aeterna mit Klarwasser geprüft. 07 Anpresszylinder Pressure 1 [bar] Kraftsensor 100 [bar] m Pas 200 [bar] Reibmomentsensor 10,0 5,0 HFS-Fluid Prüfkörper 1,0 0,5 Rotationsantrieb 0,1 Umwälzpumpe 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperature T [°C] 08 5,0 0,42 0,39 0,36 1,0 Water 0,33 0,5 0,30 0,27 0,24 0,1 0,21 Temperature [°C] 0,18 0,15 0,12 0,09 0,06 0,03 L v p dyn ß 50,0 m Pas HLP-ISO VG 22 10,0 100 20 30 40 50 60 70 80 0 bar 0 bar Dynamic viscosity, η Reibwert Tribometer-Prüfstand nach Oberem /Obe99/ 100 20 30 40 50 60 70 80 Temperature [°C] Versuch mit Klarwasser /Obe99/ große Ringe HLP-ISO VG 22 Water Zeit [min] obere Aufspannplatte untere Aufspannplatte X 5 CrNi 18 9: 150 HV 20 – 30 Materialübertrag – 20 – 10 0 10 20 30 40 24 20 16 12 8 4 0 Klarwasser n = 100 U/min T = 40 °C Flächenpressung: 0,8 N/mm 2 Versuch-Nr.: 0614 0 0 10 20 30 40 50 60 Diese zeigt nach zehn Minuten Versuchszeit bereits erheblichen Materialabtrag an Aeterna /Obe99/, siehe Bild 08. Für Anwendungen mit dem Medium Klarwasser sind sinnvolle Materialpaarungen Kunststoffe in Kombination mit korrosionsbeständigen Stählen. Oberem untersucht die Materialpaarung PEEK gegen Nitrierstahl mit HFA-Flüssigkeit /Obe02/. Es zeigt sich, dass Karbonfaser verstärktes PEEK niedrige Reibwerte und niedrigen Verschleiß erzeugt. Dieses Ergebnis wird auch von Liu et al. /Liu09/ an Versuchen mit Gleitschuh-Geometrien bestätigt. Die Untersuchung von Rokala /Rok12/ zu Gleitschuhen in wasserhydraulischen verstellbaren Axialkolbenpumpen nutzen auch den Werkstoff PEEK. 3 BESTIMMUNG DER GRENZEN DES DRUCK­ BEREICHS BEI SCHMIERUNG MIT WASSER 3.1 ENTWICKLUNG EINER SELBSTGESCHMIERTEN HOCHDRUCKPUMPE FÜR DEN BETRIEB MIT KLARWASSER Ausgehend von der Problematik, dass das Druckniveau einer wasserhydraulischen Anwendung mit selbstgeschmierten Komponenten auf 160 bis 210 bar limitiert ist, beschäftigt sich ein Forschungs- O+P Fluidtechnik 1-2/2020 41

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