Aufrufe
vor 5 Monaten

O+P Fluidtechnik 6/2018

O+P Fluidtechnik 6/2018

Gewichtsänderung

Gewichtsänderung HYDRAULIKSYSTEM FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 03 04 Schädigungsstellen an einem dreifachen Ester [Boy02], [Tot03] Hydrolyse Thermolyse 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% -1% -2% Oxidation Gewichtsänderung der Axialscheibendichtelemente aus Polyamid [Tum82] freihängend im Tank Einbauzustand 0% und eine ohne Wasser durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in Bild 02 gezeigt. Die Neutralisationszahl und damit die Menge der sauren Oxidationsprodukte ist mit Wasser jeweils deutlich größer als ohne. Noch deutlicher wird der Einfluss des Wassers, wenn der zeitliche Verlauf der Oxidationszahlen berücksichtigt wird. Während es beim Kupferkatalysator 3000 h dauerte, um die Neutralisationszahl ohne Wasser zu erreichen, dauerte es mit Wasser nur 100 h. Bei Wasser und Eisen wurde die Neutralisationszahl nach 400 h bestimmt. Alle anderen Versuche dauerten länger als 3500 h. Bioverträgliche Flüssigkeiten, wie z.B. auf Esterbasis, werden insbesondere in ökologisch sensiblen Gebieten der Land- und Forstwirtschaft sowie in Trinkwasserschutzgebieten verwendet. Sie zeichnen sich durch schnelle Abbaubarkeit aus. Der Grund hierfür ist die Hydrolyse, die durch Anwesenheit von Wasser stattfindet. In Bild 03 sind verschiedene Schädigungsstellen an einem dreifachen Ester gezeigt (links). Eingekreist ist die Schädigungsstelle durch Hydrolyse. Im rechten Teil des Bildes ist die Zersetzungsreaktion gezeigt. Die zweiwertige Alkoholgruppe (im Bild links, eingekreist) weist nur eine geringe hydrolytische Stabilität auf. Wasser löst diese Stelle auf und bildet einen Alkohol. Der abgespaltete Molekülrest wird zu einer Säure (im Bild rechts). Dadurch kann eine Versäuerung des O 1% Wassergehalt (Volumen-%) O H 2 O R 1 C H + R 1 O H + R 2 R2 5% C OH OH Systems entstehen, wodurch metallische Komponenten korrosiv angegriffen werden können. Des Weiteren greift die Säure Farben, Kunststoffe und Dichtelemente an, was weitere Schäden im System nach sich zieht. Insbesondere kann es durch Partikelablösungen zu einer beschleunigten Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit und einen beschleunigten Verschleiß der eingesetzten hydraulischen Komponenten kommen [Boy02, Jac12]. 2.2 DICHTELEMENTQUEL- LUNG UND -SCHWINDUNG Dichtelemente in hydraulischen Systemen haben die Aufgabe, das Austreten von Flüssigkeit in die Umgebung zu verhindern. Dadurch wird die ordnungsgemäße Funktion des Systems gewährleistet. Dichtelemente kommen direkt mit der Flüssigkeit in Kontakt und reagieren mit dieser. Durch Wasserkontamination der Druckflüssigkeit können Dicht elemente Quellen oder Schwinden [Tum82]. Wenn spezifische Grenz werte überschritten werden, nimmt im Quellfall das Volumen sowie bei dynamischen Dichtelementen die Reibung zwischen den abzudichtenden Partnern zu und es besteht die Gefahr, dass das Element aus seiner Montagenut gequetscht wird, wodurch die Dichtwirkung schlagartig wegfällt. Beim Schwinden nimmt das Volumen des Dichtelements ab wodurch es zu Leckage kommen kann. In [Tum82] wird der Einfluss von Wasser in Druckflüssigkeiten auf Dichtelemente aus Polyamid, einem Thermoplast, die die Axialscheiben einer Innenzahnradpumpe gegen das Gehäuse abdichten, untersucht. Als Kriterium wurde die Gewichtsänderung der Elemente nach einer definierten Zeit unter Einwirkung verschie dener Flüssigkeitstypen und Wassergehalte herangezogen. Die Dichtelemente wurden im eingebauten Zustand und frei hängend im Tank untersucht. Bild 04 zeigt die Ergebnisse der Untersuchungen mit der Druckflüssigkeit HLP. Die Proben wurden der Flüssigkeit mit unterschiedlichen Wassergehalten für 2000 h ausgesetzt. Die resultierenden Gewichtsänderungen sind auf der Ordinate aufgetragen. Es zeigt sich ein Einfluss des Wassergehaltes der Flüssigkeit auf die Gewichtsänderung des Bauteils. Bei trockener Flüssigkeit (0% Wassergehalt) verlieren die Dichtelemente an Gewicht. Das kann durch das Herauslösen von Weichmachern und anderen löslichen Stoffen erklärt werden. Bei höheren Gehalten wurde Quellen beobachtet was mit einer Gewichtszunahme verbunden war. Wasser diffundiert aus der Flüssigkeit in den Dichtungswerkstoff. Dieser Effekt ist umso ausgeprägter, je höher der Wassergehalt in der Flüssigkeit ist. Hersteller von Dichtelementen geben für die eingesetzten Materialien Beständigkeitslisten mit Umgebungsmedien, sowie Empfehlungen aus, an denen sich Anwender orientieren können. 54 O+P Fluidtechnik 6/2018

HYDRAULIKSYSTEM Ein Beispiel dafür ist [Cog17]. Die Beständigkeit der Elastomere wird anhand der Volumenquellung beurteilt und es werden entsprechende Buchstaben vergeben. Ein Beispiel für ein typisches Dichtelement aus Elastomer in der Hydraulik sind O-Ringe (NBR und FKM). Nach diesem Schema sind verschiedene Werkstoff/Umgebungsmedien Kombinationen untersucht worden. Das vorgestellte Schema kann nicht auf die Messwerte in Bild 04 übertragen werden, da hier nur der Werkstoff (Elastomer) und dort ein Bauteil aus Poly amid in Funktion betrachtet wird. Die Ergebnisse für relevante Umgebungsmedien im vorliegenden Kontext, Abwasser, Hydraulikflüssigkeit und Wasser, sind in Tabelle 02 für hydraulik-typische Werkstoffe aufgeführt. Diese Ergebnisse zeigen, dass insbesondere Abwasser (nach DIN 4045) und Hydraulikflüssigkeit bei den meisten der vorgestellten Materialien zu einer Quellung führt. Allerdings gibt es wieder Ausnahmen, wie z.B. ACM, dass keine bzw. geringe Quellung bei Hydraulikflüssigkeit zeigt, aber bei Abwasser nicht zu empfehlen ist. Es kommt wieder auf die genaue Betrachtung des Anwendungsfalls an. Für die oben genannten Werkstoffe sind weitere Verträglichkeitsuntersuchungen, unter anderem für Salz und Seewasser sowie Frischwasser, durchgeführt worden [Pru94]. Die Verträglichkeit wird anhand der Volumenquellung oder anhand des Verlusts der Zugspannung quantifiziert, je nachdem welcher Fall zuerst eintritt, siehe Tabelle 03. Die Autoren verwenden, anders als in der Quelle, den Buchstaben D anstatt NR. Tabelle 04 gibt die Untersuchungsergebnisse wieder. Für die Fälle, in denen die Ergebnisse stark variieren, werden die jeweils kritischsten Bewertungen angegeben. Hauptaufgabe des Werkstoffes ist die Verkörperung des Dichtelements. Dessen Aufgabe ist es, über die Lebensdauer der Maschine Leckagefreiheit sicherzustellen. Bei dynamischen Dichtelementen kommt erweiternd die Anforderung geringer Reibung hinzu. Durch Quellung bzw. Schwindung des Materials kann es zu erhöhter Reibung bzw. Leckage kommen. Durch eine Reduktion der Zugspannung kann der Dichtwerkstoff spröde werden und aufreißen, wodurch es zum schlagartigen Ausfall kommt. Untersuchungen diesbezüglich sind sehr komplex und erfordern eine genaue Analyse des Einsatzfalls des Dichtelements. 2.3 SCHÄDEN AN METALLISCHEN BAUTEILEN In [Tum82] wird der Einfluss von Wasser auf metallische Bauteile hinsichtlich Korrosion untersucht. Korrosionsgefahr besteht vor allem an Stellen, an denen sich Wasser absetzen kann, bspw. am Behälterboden. In Ventilen oder in engen Dichtspalten besteht die Gefahr, dass Korrosionsprodukte bzw. -folgen zu einem Klemmen der Bauteile führen. Wie bereits in Abschnitt 2.1 beschrieben, wirken korrosionsbedingt ausgelöste Partikel beschleunigend auf die Flüssigkeitsalterung. Diese ist charakterisiert durch die Zersetzung der Kohlen-Wasserstoffketten, wodurch es zur Säurebildung im System kommt. Untersuchungen haben gezeigt, dass Eisen in diesem Prozess katalysierend wirkt. Zur Vorbeugung werden Korrosionsinhibitoren eingesetzt. In [Tum82] wurden Korrosionsversuche in Anlehnung an die mittlerweile zurückgezogene Norm DIN 51 585 durchgeführt. Es wurden Stahlstäbe aus Ck 15 einem Öl-Wasser-Gemisch für unterschiedliche Betriebszeiten bei 60°C ausgesetzt. Der Durchmesser der Stäbe betrug 12,5 mm, die Länge 80 mm. Danach wurden die Oberflächenschäden gemäß Tabelle 05 beurteilt und entsprechend ein Korrosionsgrad vergeben. Getestet wurden verschiedene mineralölbasierten Druckflüssigkeiten, verschiedene Wassergehalte und verschiedene Alterungsstufen der Flüssigkeiten. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Einfluss des Wassers auf die Korrosionseigenschaften der Flüssigkeiten. Es kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass Wasser 01 Buchstabe Volumenquellung [%] Beschreibung A 0-5 Elastomer zeigt keine bis geringe Quellung B 5-10 Elastomer zeigt geringe bis mäßige Quellung C 10-20 Elastomer zeigt mäßige bis starke Quellung D Buchstabencode zur Beurteilung der Beständigkeit nach [Cog17] - keine Daten vorhanden 02 Umgebungs flüssigkeit NR IIR EPDM NBR HNBR CR nicht zu empfehlen Abwasser B B B A A B D D B A A A Hydraulikflüssigkeit (Mineralölbasis) D D D A A B A A C A A A Wasser A A A A A A C D A A A A 03 Beständigkeit verschiedener Dichtwerkstoffe in verschiedenen Medien nach [Cog17] Buchstabe Volumenquellung Verlust an Zugspannung A ≤ 15% in 30 Tagen bis 1 Jahr ≤ 15% in 30 Tagen bis 1 Jahr B ≤ 30% in 30 Tagen bis 1 Jahr ≤ 30% in 30 Tagen bis 1 Jahr C ≤ 50% in 30 Tagen bis 1 Jahr ≤ 60% in 30 Tagen bis 1 Jahr D ≥ 50% sofort bis 1 Jahr ≥ 60% sofort bis 1 Jahr 04 Umgebungs flüssigkeit AU ACM VMQ FVMQ FKM Buchstabencode zur Beurteilung der Beständigkeit nach [Pru94] NR IIR EPDM NBR HNBR Frischwasser B A A A A B A D B A B B Salzwasser D B B B A B D D A A B B Seewasser D B B B A C D D B A A B 05 Beständigkeit verschiedener Dichtwerkstoffe in Salz- und Seewasser nach [Pru94] CR AU ACM VMQ FVMQ Bewertungskriterien der Korrosionsschäden nach DIN 51 585 Korrosionsgrad Bedeutung Beschreibung 0 Keine Korrosion Unverändert 1 Geringe Korrosion Höchstens 6 Korrosionsstellen von denen keine einen größeren Durchmesser als 1 mm hat 2 Mäßige Korrosion Nicht mehr als 5% der Oberfläche korrodiert, aber mehr oder größer als Korrosionsgrad 1 3 Starke Korrosion Über 5% der Oberfläche korrodiert FKM FFKM FFKM O+P Fluidtechnik 6/2018 55

Ausgabe

O+P Fluidtechnik 11-12/2018
O+P Fluidtechnik 10/2018
O+P Fluidtechnik 9/2018
O+P Fluidtechnik 7-8/2018
O+P Fluidtechnik 6/2018
O+P Fluidtechnik 5/2018
O+P Fluidtechnik 4/2018
O+P Fluidtechnik 3/2018
O+P Fluidtechnik 1-2/2018
O+P Fluidtechnik REPORT 2017
O+P Fluidtechnik 11-12/2017
O+P Fluidtechnik 10/2017
O+P Fluidtechnik 9/2017
O+P Fluidtechnik 7-8/2017
O+P Fluidtechnik 6/2017
O+P Fluidtechnik 5/2017
O+P Fluidtechnik 4/2017
O+P Fluidtechnik 3/2017
O+P Fluidtechnik 1-2/2017
O+P Fluidtechnik 11/2016
O+P Fluidtechnik 10/2016
O+P Fluidtechnik 9/2016
O+P Fluidtechnik 7-8/2016
O+P Fluidtechnik 6/2016
O+P Fluidtechnik 5/2016
O+P Fluidtechnik 4/2016
O+P Fluidtechnik 3/2016
O+P Fluidtechnik 1-2/2016
O+P Fluidtechnik KJB 2016
© 2018 by Vereinigte Fachverlage GmbH. Alle Rechte vorbehalten.