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O+P Fluidtechnik 1-2/2016

O+P Fluidtechnik 1-2/2016

PUMPEN UND

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED ÖLEINFLUSS AUF DEN WIRKUNGSGRAD VON HYDRAULIKPUMPEN: VORUNTERSUCHUNGEN Nicolai Otto, Hubertus Murrenhoff 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 Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen University der Öleinfluss auf den Wirkungsgrad hydraulischer Pumpen untersucht. Im Fokus standen insbesondere Bioöle der Klassen HEES und HETG. Um weitere Einflüsse auf den Wirkungsgrad zu erfassen, wurden im Rahmen von Voruntersuchungen das Einlaufverhalten der hydraulischen Pumpen sowie die fertigungsbedingte Wirkungsgradstreuung untersucht. Autoren: Nicolai Otto M.Sc., Prof. Dr.-Ing. Hubertus Murrenhoff, Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen University 96 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 1-2/2016

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE 1 EINLEITUNG Neben der schnellen biologischen Abbaubarkeit und der möglichen Gewinnung aus nachwachsenden Rohstoffen sind esterbasierte Öle aufgrund der Polarität ihrer Moleküle gute Schmierstoffe. Im Rahmen eines vom BMEL über die FNR geförderten Projektes wurde die These, dass sich mit Bioölen der Wirkungsgrad von Hydraulikanlagen steigern lässt, anhand von Hydraulikpumpen systematisch untersucht. Aus dem daraus folgenden geringeren Energieverbrauch ergibt sich neben einem zusätzlichen Umweltaspekt auch ein finanzieller Grund für den Einsatz von Bioöl. Als Pumpenhersteller konnte die Firma Parker Hannifin gewonnen werden, die das Projekt durch die Bereitstellung der zu untersuchenden Pumpen unterstützt. 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 anhand von Ottomotoren, dass auch der Einlauf erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad nimmt. Dieser Einfluss wird für die verwendeten Hydraulikpumpen quantifiziert. Des Weiteren wird vermutet, dass auch die fertigungsbedingte Streuung der Pumpenbauteile und die damit verbundene Änderung von Oberflächen und Spaltmaßen einen signifikanten Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. Die diesbezüglich durchgeführten Untersuchungen werden ebenfalls vorgestellt. 2 UNTERSUCHTE PUMPEN Um unterschiedliche Tribokontakte der Pumpen zu berücksichtigen, werden drei verschiedene Bauarten untersucht. Hierbei handelt es sich um Axial-, Zahnrad- und Flügelzellenpumpen der mittleren Leistungsklasse für Stationär- bzw. Mobilhydraulik. Bild 02-1 zeigt die verwendeten Pumpen. Die Axialkolbeneinheit besitzt ein Verdrängungsvolumen von 46 cm 3 , das Verdrängungsvolumen der Zahnradeinheit in der Bildmitte beträgt 44 cm 3 sowie das der Flügelzellenpumpe rechts im Bild 45 cm 3 . Da für die Untersuchungen mit den verschiedenen Ölen in einer ersten Projektphase Mischungseffekte ausgeschlossen werden sollten, wurden alle Pumpen ohne den sonst üblichen mit Mineralöl durchgeführten Einlauf im Werk geliefert. 02-1 Die Axialkolbeneinheit PV046 (links), die Zahnradeinheit PGP517 (mitte) und die Flügelzelleneinheit T7B (rechts) der Firma Parker Hannifin GmbH (Quelle: Parker Hannifin) 3 PÜFSTANDSAUFBAU Der Wirkungsgradprüfstand, siehe Bild 03-1, orientiert sich im Wesentlichen an der Norm ISO 4409 [ISO07]. Angetrieben von einem Elektromotor fördert die zu untersuchende Pumpe das Öl aus dem Tank zuerst durch einen Hochdruckfilter. Dieser Filter reduziert die Partikelkonzentration im Öl, die hauptsächlich durch den Abrieb während des Einlaufens in den Pumpen entsteht. Der Volumenstrom wird durch den anschließenden Volumenstromzähler erfasst. Mit dem Lastventil lässt sich in diesem Teil des Systems ein Druck von bis zu 350 bar einstellen. Hinter dem Ventil wird die durch den Druckabbau entstandene Wärme durch den Wärme - tauscher dem Öl wieder entzogen. Um die Eingangsleistung der Pumpe bestimmen zu können, werden an der Antriebswelle Drehzahl und Drehmoment erfasst. Im Ansaugbereich, im Hochdruckteil sowie in der Leckageleitung werden jeweils Druck und Öltemperatur gemessen. Bei den Axialkolbeneinheiten wird zusätzlich zum Hauptvolumenstrom der Leckagevolumenstrom erfasst. Um einen Dauerbetrieb zu gewährleisten, ist der Prüfstand vollständig automatisiert. Die Messgenauigkeit der Sensoren genügt der Klasse B nach ISO 4409. 03-1 Schaltplan des Wirkungsgradprüfstandes 4 CHARAKTERISIERUNG DES EINLAUFVERHALTENS Vor dem Hintergrund der geplanten Wirkungsgradmessungen wird der Einlaufzustand der Pumpen anhand der zeitlichen Wirkungsgradänderung bewertet. Aufschluss über die Reibungszustände in den Pumpen gibt insbesondere der hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad. Die in den Pumpen auftretenden Reibkräfte setzen sich aus Festkörperreibung und hydrodynamisch bedingter Flüssigkeitsreibung zusammen. Deren Verhältnis wird durch die Stribeckkurve wiedergegeben [Czi10]. Während der hydrodynamische Anteil durch die Scherkräfte im Schmierstoff entsteht und bei über der Zeit gleichen Öleigenschaften unabhängig von der Belastungsdauer ist, kann sich die Festkörperreibung in den ersten Betriebsstunden deutlich ändern [Sha04]. Ein Einlaufeffekt setzt also voraus, dass sich die Reibpartner im Grenz- oder Mischreibungsbereich befinden. Durch die Relativbewegung werden zuerst auf den Oberflächen Rauheitsspitzen eingeebnet. Findet über mehrere Stunden ein Einlaufen unter Mischreibung statt, können sich Grenzschichten an den Kontaktflächen der Reibpartner ausbilden, die durch ein Trennen der Metalloberflächen eine verschleiß- und reibungsmindernde Wirkung haben. Sie bestehen bei Verwendung von unadditivierten Ölen aus amorphem Metalloxid oder setzen sich bei Verwendung von additivierten Ölen aus den Additivbestandteilen zusammen [Bur13]. Je größer die Energiedissipation beim Einlaufen ist, desto weiter werden auch tiefer liegende Metallschichten vom Einlaufprozess beeinflusst. Dabei gelangt das Metall in einen quasiplastischen Zustand und erreicht am Ende des Einlaufens nanokristalline Strukturen. Diese Tribomutationsschicht ist gegenüber der vorherigen Gitterstruktur leicht verformbar und setzt so Druck und Scherkräften weniger Widerstand entgegen [Sha04]. Auch die Dichtwirkung von sich nachstellenden Kontakten in der Pumpe profitiert von diesem Prozess, da die Leckage zwischen Rauheitsspitzen verringert wird. O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 1-2/2016 97

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