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O+P Fluidtechnik 10/2018

O+P Fluidtechnik 10/2018

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG DRUCKFLÜSSIGKEITEN ÖLEINFLUSS AUF DEN WIRKUNGS- GRAD VON HYDRAULIKPUMPEN TEIL 2 Nicolai Otto, Hubertus Murrenhoff, Katharina Schmitz Im Rahmen eines durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) geförderten Projektes wurde am Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme (ifas) der RWTH Aachen University der Öleinfluss auf den Wirkungsrad hydraulischer Pumpen untersucht. Im Fokus standen insbesondere Bio-Öle der Klassen HEES, HETG sowie Vergleichsmessungen mit HLP. 38 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. O+P Fluidtechnik 10/2018 39

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