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O+P Fluidtechnik 7-8/2018

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HYDRAULIKSYSTEM

HYDRAULIKSYSTEM FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 07 08 09 Schmierfilmdicke in Umfangsrichtung, Einfahren [Niß15] Schmierfilmdicke in Umfangsrichtung, Ausfahren [Niß15] Messaufbau zur Bestimmung der Sättigungskurven Tabelle 01: Vergleich der Wassereinträge in das hydraulische System Eintrittsort Tankentlüftung Stangendichtring, gelöst im Schmierfilm Stangendichtring, als freies Wasser Eingetragene Wassermasse mindestens 1 mg pro Abkühlvorgang maximal 2 µg pro Hub ca. 2,45 mg pro Hub 3. BESCHREIBUNG DES GELÖSTEN WASSEREINTRITTS ÜBER STANGENDICHTRINGE In diesem Kapitel wird der Eintrag von gelöstem Wasser im Schmierfilm auf der Kolbenstange über die Stangendichtringe beschrieben. Dazu ist die Kenntnis der Schmierfilmdicken und des Sättigungsvermögens der Druckflüssigkeit notwendig. Erstere wurden in Abschnitt 2.2 beschrieben. Im Folgenden wird ein Verfahren zur Ermittlung des Sättigungsvermögens vorgestellt. 3.1 SÄTTIGUNGSKURVEN Im Rahmen eines Forschungsprojekts am ifas wurden Sättigungskurven für die Hydraulikflüssigkeit HLP 46 und HLP D 46 aufgezeichnet. Im Folgenden werden zunächst das Messprinzip erläutert, Messstrategien vorgestellt und abschließend die Sättigungskurven dargestellt. Der Messablauf ist in Bild 09 dargestellt. Die Flüssigkeitsprobe wird zu Beginn der Messungen homogenisiert. m W ist die gemessene Wasserkonzentration in der Flüssigkeit, m W,max die gesuchte Sättigungsgrenze und Rh der relative Wassergehalt. Im Behälter ist ein Ölzustandssensor AquaSensor AS 1000 der Firma Hydac [Hyd17] verbaut. Dieser arbeitet kapa zitiv und verfügt über eine hygrosko pische Zwischenschicht, die reversibel Wasser aus der Flüssigkeit aufnimmt und damit die Kapazität des Sensors ändert [Bau11]. Ausgegeben wird der relative Wassergehalt Rh, der gemäß Gl. 3-1 definiert ist. Die gelöste Wassermasse ist m W , die maximal lösbare Wassermasse m W,max . Der Sättigungspunkt der Druckflüssigkeit bei gegebener Temperatur, der in diesem Versuch ermittelt werden soll, ist wie folgt definiert: VW VW ⋅ ρ mW Rh = = = Gl.3 −1 V V ⋅ ρ m Wmax , Wmax , Wmax , Das maximale Sättigungsvermögen der Druckflüssigkeit ist temperaturabhängig. Für die Versuche wird eine homogene Atmosphäre mittels eines isolierten Temperierschrankes eingestellt. Zur Bestimmung von m W wird ein Karl-Fischer Titrationsverfahren nach DIN 51777 [DIN16] verwendet. Die Messungen wurden bei der Firma Fuchs Schmierstoffe GmbH in Mannheim durch geführt. Mit den beiden Ergebnissen, m W und Rh, kann der Sättigungspunkt der Druckflüssigkeit bei der betrachteten Temperatur nach Gl. 3-2 berechnet werden. mW mWmax , = Gl.3 −2 Rh Die Genauigkeit der Berechnungsergebnisse hängt von der Qualität der Eingangsdaten ab. Zur Beurteilung der Fehlerverstärkung durch die Berechnung wird eine Sensitivitätsbetrachtung durchgeführt. Dies baut auf einer Taylorentwicklung [Dah08] auf, welche nach dem linearen Glied abgebrochen wird (Gl. 3-3). ( ) ( ) ( ) ( ) f y ≈ f x + f´ x ⋅ y− x Gl.3− 3 Zur Berechnung der Fehlerverstärkung wird die Gleichung umgeformt (Gl. 3-4). ( ) ( ) ( ) ( ) f y − f x ≈ f´ x ⋅ y− x Gl.3− 4 Wenn (y-x) den Fehler in den Messdaten beschreibt und f(y)-f(x) den daraus resultierenden Berechnungsfehler, kann f´(x) als Fehlerverstärkungsfaktor interpretiert werden und sollte möglichst klein sein. Im vorliegenden Fall von Gl. 3-2 ergeben sich zwei Fehlerverstärkungsfaktoren, einen der Fehler in m W berücksichtigt (Gl. 3-5), der andere für Fehler in Rh (Gl. 3-6). ∂mWmax , 1 = Gl.3 −5 ∂m Rh W ∂m ∂Rh Wmax , mW =− Gl.3 − 6 2 Rh Im Nenner der Verstärkungsfaktoren ist Rh einmal linear und einmal quadratisch enthalten. Der relative Wassergehalt sollte daher sehr groß eingestellt werden, d.h. dass die entnommenen Flüssigkeitsproben einen hohen Wassergehalt haben sollten, damit die Verstärkungsfaktoren möglichst klein werden. 48 O+P Fluidtechnik 7-8/2018

HYDRAULIKSYSTEM Die gewonnen Ergebnisse sind für HLP 46 in Bild 10, die für HLP D 46 in Bild 11 gezeigt. Die Proben wurden bei Umgebungsdruck erstellt. Die Einheit der Sättigung ξ max ist mg kg und gibt die ge löste Masse Wasser in mg pro kg Druckflüssigkeit an. Beide Flüssigkeiten können mit steigender Temperatur exponentiell mehr Wasser lösen. Die Kurven der beiden Flüssigkeiten unterscheiden sich nicht signifikant voneinander. Grund hierfür ist, dass beide mit der gleichen Grundflüssigkeit formuliert sind und sich nur in der Additivierung unterscheiden. HLP D enthält detergierende und dispergierende Additive, die Fremdstoffe wie Wasser in Suspension halten sollen [Mur12]. Aktiv werden diese Additive im Falle von Wasser erst, wenn die Sättigungsgrenze überschritten wird und somit Wasser frei vorliegt. Auf das Sättigungsvermögen haben diese keinen Einfluss. 3.2 MODELLBILDUNG Neben dem Eintritt von Wasser durch die Entlüftung aufgrund von Flüssigkeitsstandsänderungen sowie durch den Eintritt von freiem Wasser über die Stangendichtringe kann Wasser auch gelöst im Flüssigkeitsfilm auf der Kolbenstange ins System gelangen. Wasser aus der Luft wird im ausgefahrenen Zustand in den Flüssigkeitsfilm übertreten und diesen sättigen. Beim Ausfahren der Kolbenstange verbleibt ein Schmierfilm auf der Stange. Dessen Dicke h beim drucklosen Ausfahren der Stange beträgt zwischen 30 nm und 50 nm (vgl. Bild 08), im Weiteren werden 40 nm angenommen. Der Schmierfilm besteht im Folgenden aus einem mineralölbasiertem HLP 46, dessen Sättigungskurve in Bild 10 gegeben ist. Das Flüssigkeitsvolumen V Öl , das mit ausgezogen wird, kann mit Gl. 3-7 in guter Näherung berechnet werden. Der Näherungsfehler ist in der Größenordnung von h 2 und daher vernachlässigbar klein. V ≈d ⋅π ⋅H ⋅h Gl.3 − 7 Öl Im vorliegenden Fall ergibt sich ein Schmierfilmvolumen von 2,827 µl/Hub. Die eingetragene Wassermasse berechnet sich mit der Dichte der Druckflüssigkeit ρ, die temperaturabhängig ist und mit Gl. 3-8 [Mur12] berechnet werden kann. ρ0 ρ = Gl.3 8 1+ γ ⋅∆θ − ρ 0 ist die Dichte der Druckflüssigkeit bei Bezugstemperatur (in der kg Hydraulik typischerweise 15°C [Mur12], für HLP 46 ρ 0 =875 3 m ), γ der Ausdehnungskoeffizient (bei HLP 46 =7∙10 -4 K -1 ) [Mur12] und ∆θ die Temperaturdifferenz vom betrachteten Zustand zur Bezugstemperatur. Der Verlauf der Dichte und der Masse des Flüssigkeitsfilms m Öl ist in Bild 12 gegeben. Die eingetragene Wassermasse kann mit Gl. 3-9 bestimmt werden. Dabei ist x der Sättigungsgrad und ξ max der maximale Sättigungsgrad bei gegebener Temperatur, der aus Bild 10 abgelesen werden kann (vgl Abschnitt 3-1). m = m ⋅x ⋅ξ Gl.3 −9 Wasser Öl max Der kritischste Fall für ein hydraulisches System ist, wenn der Flüssigkeitsfilm bei Einzug maximal gesättigt ist, d.h. dass der relative Wassergehalt des Flüssigkeitsfilms 100% beträgt. Es wird angenommen, dass die sofortige Sättigung der Druckflüssigkeit realistisch ist. Der Grund dafür sind die sehr dünnen Filme auf der Kolbenstange sowie die geringen Sättigungskurven der Flüssigkeit. Damit ergibt sich die eingetragene Wassermasse pro Hub über der Temperatur nach Bild 13 für die Stangendurchmesser 40 mm, 50 mm und 60 mm sowie 450 mm Hub. Der Verlauf zeigt, dass das Sättigungsverhalten der Druckflüssigkeit maßgeblich den Wassereintrag beeinflusst. Bei ca. 12 °C bildet die Kurve ein Minimum aus, das auch in der Sättigungskurve beobachtet werden kann. 10 11 12 13 Sättigungskurve für ein HLP 46 Sättigungskurve für ein HLP D 46 Dichte- und Filmmassenverlauf über Temperatur Eingetragene Wassermasse pro Hub für Beispielzylinder verschiedener Stangendurchmesser O+P Fluidtechnik 7-8/2018 49

Ausgabe

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O+P Fluidtechnik REPORT 2017
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