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O+P Fluidtechnik 6/2017

O+P Fluidtechnik 6/2017

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG VERBINDUNGSELEMENTE DIESELGATE IM TANKROHR Heiko Baum, Gerd Scheffel Hydraulische Antriebe werden zur Reduzierung der Zykluszeit immer dynamischer, was zu höheren Fluidaustauschraten führt. Seitens der Druckversorgung ist dem Anlagenbauer hierfür kein Aufwand zu groß. Der Rücklauf zum Tank jedoch wird oft noch anhand von überlieferten Faustformeln ausgelegt. Das kann zu Beschädigungen der Anlage durch Kavitation, Druckschlägen und Diesel-Effekten führen und ist nicht mehr zeitgemäß. 38 O+P Fluidtechnik 6/2017

VERBINDUNGSELEMENTE ENTSTEHUNG VON DIESEL-EFFEKTEN IN EINER HYDRAULIKANLAGE Nachdem das letzte Ventil im Kreislauf durchströmt worden ist, fließt das Fluid mit hoher Geschwindigkeit durch die Tankleitung zurück in den Tank. Beim Einlauf in den Tank wird die Geschwindigkeit bis zum Stillstand abgebremst. Wenn die Schließzeit des Ventils kürzer als die Bremszeit der Fluidsäule ist, kommt es durch Entstehen von Unterdruck zum Zurückströmen des Fluids in der Tankleitung, was Druckschläge erzeugt. Die Strömungsverhältnisse in einer Tankleitung können in einen stationären und einen instationären Zustand unterteilt werden. Strömungsverhältnisse: Von stationären Verhältnissen spricht man, wenn sich die Strömungsverhältnisse (z. B. Durchfluss, Druck) an einem Punkt der Rohrleitung zeitlich nicht ändern. Eine derartige vereinfachende Annahme ist für viele Aufgaben der Hydraulik in Rohrleitungen ausreichend und die Berechnung erfolgt durch Anwendung der Bernoullischen Energiegleichung. Instationäre Bedingungen treten immer dann auf, wenn zeitliche Veränderungen eine Rolle spielen. Ein praktisches Beispiel ist der Druckstoß beim plötzlichen Öffnen oder Schließen eines Ventils. Dabei treten erhebliche dynamische Kräfte (Schläge) auf. Das kann man zum Beispiel bei Wasserschläuchen beobachten oder in Hauswasserleitungen manchmal hören. Dabei können Schäden an Leitungen und Rohrhalterungen entstehen [1]. Die stationären Strömungsverhältnisse werden hier nicht näher betrachtet; sie dienen aber häufig als theoretische Basis für die Faustformeln zur Dimensionierung der Tankleitung. Die folgenden Ergebnisse zeigen, dass die instationären Strömungsverhältnisse für die Auslegung der Tankleitung viel relevanter sind, da diese in der Praxis maßgeblich für die Druckschläge verantwortlich sind. Beim Druckschlag denkt man oft nur an die Zulaufleitung. Es kommt aber auch auf der Ablaufseite des Ventils in der Tankleitung zu Druckschlägen – nur, dass hier unter Umständen ein kurzer, aber wie die folgenden Betrachtungen zeigen, entscheidender Zeitraum mit sehr niedrigem Druck durchlaufen wird, bevor es zum Druckschlag kommt. Ursache des niedrigen Drucks hinter dem Ventil ist die Induktivität der Fluidsäule. In einer bewegten Fluidsäule ist kinetische Energie gespeichert, die erst durch eine Bremskraft abgebaut werden muss, damit die Fluidsäule stoppt. Hierdurch strömt beim Schlie- ßen des Ventils kurzzeitig mehr Volumenstrom in Richtung Tank als über das schließende Ventil nachströmen kann. Analog gilt das auch für die Rücklaufleitung eines Zylinders, wenn dieser in den Anschlag bzw. die Endlagendämpfung läuft. In beiden Fällen wird die Volumenstrombilanz für den Bereich am Anfang der Leitung negativ. Wird die Fluidsäule zunächst vereinfacht als homogener Block betrachtet (Bild 01), die Reibung in der Leitung vernachlässigt und der Brems-Differenzdruck konstant gehalten, so kann man sich den Bremsvorgang der Fluidsäule wie eine PKW-Bremsung vorstellen und die Bremszeit und der Bremsweg werden wie gezeigt berechnet. Die Kurven im Diagramm zeigen den zugehörigen Weg-Geschwindigkeits-Verlauf. Die Geschwindigkeit sinkt parabelförmig von der Anfangsgeschwindigkeit bis auf Null ab. Fluidtechnisch sehr interessant ist, was auf der linken Seite der Leitung direkt hinter dem Ventil passiert. Wenn kein Fluid nachströmt, dann bleibt die Volumenstrombilanz während der gesamten Bremszeit, also bis zum Stopp der Fluidsäule, negativ. Der Druck fällt während dieser Zeit immer weiter ab. Die Fluidsäule „zieht“ am Anfang der Tankleitung. Das „Ziehen“ der Fluidsäule ist für die weitere Betrachtung der Druckschläge in der Tankleitung von essenzieller Bedeutung. Im Unterschied zu Festkörpern, die einen Elastizitätsmodul haben und die auf Druck und Zug belastet werden können, können Fluide, deren Widerstand gegenüber einer Volumenänderung über den Kompressionsmodul beschrieben wird, nicht gezogen, sondern nur gedrückt werden. In hydraulischen Systemen steht das Fluid immer unter Druck, denn selbst im Tank herrscht mindestens Atmosphärendruck. Wird das Fluid entspannt, dann sinkt der Fluiddruck. Es ist aber zu beachten, dass ein reales Fluid immer auch einen Anteil gelöster und einen sehr geringen Anteil ungelöster Luft enthält, die das Betriebsverhalten beeinflussen. In Druckflüssigkeiten gelöste Luft (Absorption): Sauerstoff- und Stickstoffmoleküle lagern sich in die Struktur der Flüssigkeit ein. Es liegt ein homogenes, molekular verteiltes Gemisch vor (echte Lösung). Die gelöste Luftmenge erreicht einen Sättigungswert, der mit dem absoluten Druck steigt. Nach dem Henryschen Löslichkeitsgesetz: Der Löslichkeitskoeffizient für Luft (Bunsen-Koeffizient) α = 0,09 bzw. 9 Vol.-% zeigt an, dass Mineralöl bei Atmosphärendruck 9 Vol.-% Luft bis zum Sättigungszustand aufnimmt, d. h. bis zu 90 cm³ Luft auf 1 L Öl in Lösung gehen [2]. 01 Weg-Geschwindigkeits-Verlauf einer Fluidsäule bei konstanter Bremskraft O+P Fluidtechnik 6/2017 39

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