O+P Fluidtechnik 1-2/2016

PUMPEN UND

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED Maßgeblich bestimmt wird die Energiedissipation im Einlaufprozess durch die Flächenpressung und die Relativgeschwindigkeit der Reibpartner. Die Untersuchungen in [Bur13] beziehen sich auf Axial-Zylinderrollenlager mit Flächenpressungen von 1890 MPa bei einer mittleren Umlaufgeschwindigkeit von 0,3 m/s. In [Sha04] wird ein Stift-Scheibe Tribometer bei einer Relativgeschwindigkeit der Reibpartner von 2,5 m/s und einer Flächenpressung von maximal 90 MPa verwendet. Während vergleichbare Relativgeschwindigkeiten auch in den Pumpen erreicht werden, so sind die Flächenpressungen bei Axialkolbenpumpen aufgrund der internen Kraftführung, konformen Kontakten sowie der hydrostatischen Lager deutlich kleiner. Van Bebber berechnet zum Beispiel in [vBe03] für eine Modellpumpe bei 315 bar und 1 500 min -1 eine maximale Flächenpressung am Kolben von 28 MPa. Flächenpressungen, die mit den vorgestellten Untersuchungen in [Bur13] und [Sha04] vergleichbar sind, können in der Flügelzellenpumpe aufgrund des Hertzschen Kontaktes zwischen Flügelkopf und Hubring auftreten. In [Fab05] wird die Flächenpressung am Flügelkopf bei einem Förderdruck von 180 bar und 8 000 min -1 mit 873 MPa angegeben. Während der hydraulisch-mechanische und der volumetrische Wirkungsgrad nur die Auswirkungen der Grenz- und Tribomutationsschichten auf die Pumpe erfassen können, müssten, um die Ausprägung und Struktur solcher Schichten zu erfassen, die Pumpen zerlegt werden. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist dies aber noch nicht für alle Pumpen möglich, da der Großteil der Pumpen noch für weitere Versuche benötigt wird und nach einem Wiederzusammenbau nicht sichergestellt ist, dass der ursprüngliche Wirkungsgrad wieder erzielt würde. 4.1 EINLAUFVERFAHREN Das im Rahmen des Projektes eingesetzte Einlaufverfahren gliedert sich in zwei Teile. Zuerst werden die Pumpen, wie es im Werk üblich ist, am Prüfstand kurz eingefahren und auf ihre Funktionstüchtigkeit hin überprüft. In einer anschließenden zweiten Einlaufphase wird die weitere Entwicklung des Wirkungsgrades erfasst. Nach den oben vorgestellten Untersuchungen müssten die Pumpen, um das Einlaufen zu beschleunigen, unter möglichst hoher Last laufen. Dem entgegen steht allerdings die mit zunehmender Last wachsende Gefahr des Fressens. Als Kompromiss wird die Pumpe unter relativ hohem Druck sowie unterhalb der Nenndrehzahl im Einlauf betrieben. Tabelle 4-1 gibt die gewählten Betriebspunkte für die drei verwendeten Pumpenbauarten wieder. Als Öl wurde für die ersten Einlaufversuche ein HLP 46 Mineralöl nach DIN 51 524 verwendet. Die Öltemperaturen orientieren sich an denen des Werkseinlaufes. Nach jeder Betriebsstunde wird der Wirkungsgrad gemessen. Um eine ausreichende zeitliche Auflösung des Wirkungsgradverlaufes zu erhalten, muss die Messzeit wesentlich kürzer als die Zeit, die die Pumpe zum Einlaufen benötigt, sein. Deshalb wird kein ganzes Kennfeld nach jeder Betriebsstunde gemessen, sondern das Einlaufverhalten nur anhand des Verlaufes von drei Betriebspunkten B 1 ,B 2 ,B 3 untersucht. Tabelle 4-2 gibt die Betriebspunkte für die jeweilige Pumpe wieder. Die Öltemperaturen entsprechen denen aus Tabelle 4-1. Die Wahl der Punkte orientiert sich zum einen an dem für die jeweilige Axialkolbenpumpe Zahnradpumpe Flügelzellenpumpe Drehzahl [min -1 ] 1 000 1 000 1 000 Druck [bar] 300 200 300 Öltemperatur [°C] 50 45 50 Tabelle 4-1: Einlaufbetriebspunkte Axialkolbenpumpe B 1 500 min -1 , 1 200 bar B 2 2 000 min -1 , 50 bar B 3 500 min -1 , 350 bar Pumpe zulässigen Betriebsbereich. Zum anderen sollen sie charakteristisch für das Verhalten der Pumpe sein. Der Betriebspunkt B 2 zeichnet sich durch eine im Vergleich zur Nenndrehzahl hohe Drehzahl und einen geringen Druck aus. An diesem Punkt ist der volumetrische Wirkungsgrad der Pumpe im Vergleich zu anderen Betriebspunkten aufgrund des hohen Fördervolumenstromes und der durch den geringen Druck bedingten kleinen Leckage hoch. Für den Betriebspunkt B 3 verhält es sich genau umgekehrt. Hier ist der volumetrische Wirkungsgrad gering und dafür der hydraulisch-mechanische aufgrund des prozentual geringeren Reibmomentes groß. Ein hoher Gesamtwirkungsgrad, also das Produkt aus volumetrischem und hydraulischmechanischem, wird am Betriebspunkt B 1 bei Nenndrehzahl erwartet. 4.2 EINLAUFKRITERIUM Für den Wirkungsgradverlauf über der Zeit wird ein asymptotisches Verhalten erwartet [Sha04]. Um einen Zeitpunkt angeben zu können, an dem eine Pumpe als eingelaufen betrachtet wird, muss ein Kriterium zur Bewertung des Wirkungsgradverlaufes definiert werden. Hierfür wird das Verhalten des Wirkungsgrades η Bi (t) im i-ten Betriebspunkt B i über der Zeit t durch mit den Konstanten a,b,c angenähert. Im Folgenden werden die Wirkungsgradverläufe η ges für die drei genannten Betriebspunkte durch den Vektor zusammengefasst. Hiermit wird für die Beendigung der Einlaufphase festgelegt, wobei ⎢⎢∙⎢⎢ 2 die übliche euklidische Norm bezeichnet. Wird zum Beispiel Zahnradpumpe 1 500 min -1 , 150 bar 2 000 min -1 , 50 bar 500 min -1 , 200 bar Flügelzellenpumpe 1 500 min -1 , 200 bar 2 000 min -1 , 50 bar 600 min -1 , 300 bar Tabelle 4-2: Betriebspunkte für die Wirkungsgradmessung im Einlauf gesetzt, folgt, dass während einer fünfstündigen Kennfeldmessung eine Abweichung des absoluten Wirkungsgrades aufgrund des Einlaufens der Pumpe von maximal also 0,15 % in Kauf genommen wird. Dieser Wert liegt im Bereich der Sensorgenauigkeiten. 98 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 1-2/2016

PUMPEN UND PUMPENAGGREGATE 4.3 EINLAUFERGEBNISSE 04-1 Einlauf der Axialkolbenpumpe 04-2 Einlauf der Zahnradpumpe Bild 04-1, Bild 04-2 und Bild 04-3 zeigen den Einlauf einer Axialkolben-, einer Zahnrad- und einer Flügelzellenpumpe. Dargestellt ist die Entwicklung des Gesamtwirkungsgrades über der Betriebsdauer. Neben den Messpunkten sind auch die nach Gl. 4-1 berechneten Regressionen sowie der Gradient nach Gl. 4-2 zur Bewertung des Einlaufens dargestellt. Im Einlaufverhalten sind zwischen den Pumpen sowie den Betriebspunkten deutliche Unterschiede zu erkennen. Während das Einlaufverhalten der Axialkolbenpumpe in den Betriebspunkten B 1 und B 2 wenig ausgeprägt ist, so ist für den Betriebspunkt B 3 deutlich der prognostizierte asymptotische Verlauf zu erkennen. Hier ist der Festkörperreibanteil aller tribologischen Kontakte aufgrund der geringen Drehzahl und des hohen Drucks am größten. Im Umkehrschluss lässt sich aus der Tatsache, dass die anderen beiden Betriebspunkte dieses Verhalten nicht zeigen schließen, dass hier primär hydrodynamische Kräfte für die Reibung verantwortlich sind. Durch den Betriebsdruck werden die beiden Zahnräder in der Zahnradpumpe in Richtung des Niederdruckes gegen das Gehäuse gepresst. Besonders während der ersten Umdrehungen der Zahnräder kommt es daher zu einem Einschaben im Gehäuse, solange bis eine Weiterverschiebung der Zahnräder von den Gleitlagern in den Lagerbrillen verhindert wird. Durch das Einschaben verbessert sich die Dichtwirkung der Pumpe. Es wird angenommen, dass dieser Prozess wenn auch in viel geringerem Ausmaß auch noch längerfristig das Einlaufen der Pumpe verzögert. Die Lagerbrillen werden von außen mit Betriebsdruck beaufschlagt und so an die Zahnräder gepresst, um die Spalte der Zahnräder in axialer Richtung zu verringern. Zusätzlich werden die Lagerbrillen durch den Betriebsdruck zum Niederdruck hin verkippt. Dies führt zu Festkörperkontakt zwischen den Zahnrädern und den Lagerbrillen auf der Niederdruckseite und erzeugt deutlich sichtbare Laufspuren an den Lagerbrillen. Da diese Effekte druckgetrieben sind, zeigt im Vergleich zur Axialkolbenpumpe neben dem Betriebspunkt B 3 auch der Betriebspunkt B 1 bei Nenndrehzahl noch ein Einlaufverhalten. Auch der Gradient fällt hier deutlich langsamer als bei der Axialkolbenpumpe ab. Im Gegensatz zu den Zahnköpfen der Zahnradpumpe werden die Flügel der Flügelzellenpumpe nicht nur während des Einlaufens durch den Betriebsdruck auf die Laufflächen des Hubrings gedrückt, sondern auch während des regulären Betriebs. Hinzu kommt, dass es sich bei dem Kontakt zwischen Flügelkopf und Hubring um einen nichtkonformen Kontakt (Herzsche Pressung) handelt, der im Vergleich zu flächigen Kontakten eine höhere Flächenpressung aufweist. Dieser Kontakt befindet sich häufig im Misch reibungszustand, weswegen er hier als maßgebend für das Einlaufverhalten der Flügelzellenpumpe angesehen wird [Iva93]. Im Vergleich zu der Axial- und der Zahnradpumpe benötigt die Flügelzellenpumpe die längste Einlaufzeit. Erst nach 40 Betriebsstunden bei 1 500 min -1 und 300 bar fällt der Gradient unter 5 KENNFELDMESSUNGEN 04-3 Einlauf der Flügelzellenpumpe Um das Verhalten der Pumpen hinsichtlich des Wirkungsgrades unter verschiedenen Betriebsparametern zu erfassen, wurde für jede Pumpe nach deren Einlauf ein Wirkungsgradkennfeld gemessen. Die Parameterbereiche orientieren sich an den zulässigen Betriebsbereichen der jeweiligen Pumpe und sind in Tabelle 5-1 O+P – Ölhydraulik und Pneumatik 1-2/2016 99