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In industriellen Hydrauliksystemen ist die Pumpe üblicherweise oberhalb des Behälters montiert, der die Systemflüssigkeit enthält. Die Saugleitung (auch Einlassleitung genannt) verbindet den Pumpeneinlass mit dem Öl im Behälter.
Der Fluss der Flüssigkeit vom Behälter zur Pumpe kann als eigenständiges Hydrauliksystem betrachtet werden. In diesem Teilsystem stellt der von der Pumpe erzeugte Unterdruck den Strömungswiderstand dar, und die Energie, die die Flüssigkeit bewegt, stammt vom atmosphärischen Druck. Die Atmosphäre wirkt über die Öloberfläche im Behälter wie ein Speicherbehälter (Akku).
Abbildung 5-1 Standardpumpeninstallation — Pumpe oben, Saugleitung unterhalb des Ölspiegels. Der atmosphärische Druck, der auf die Öloberfläche wirkt, ist es, der das Öl in die Pumpe hineindrückt.
Wir betrachten Luft im Allgemeinen als gewichtslos, doch die Erdatmosphäre besitzt tatsächlich einen Druck. Torricelli, der Erfinder des Barometers, zeigte, dass der atmosphärische Druck mithilfe einer Quecksilbersäule gemessen werden kann. Indem er ein mit Quecksilber gefülltes Rohr umstülpte und in eine Quecksilberschale eintauchte, stellte er fest, dass die von dem atmosphärischen Druck am Meeresspiegel gehaltene Quecksilbersäule eine Höhe von 29,92 in (760 mm) erreicht. Unter Standardbedingungen entspricht der atmosphärische Druck auf Meereshöhe daher (bzw. ist äquivalent zu) einer Quecksilbersäule von 29,92 in (760 mm). Natürlich ist der atmosphärische Druck an jedem Standort oberhalb des Meeresspiegels geringer.
Der hydraulische Druck wird üblicherweise in psi oder bar angegeben, während der atmosphärische Druck normalerweise in in.Hg (Zoll Quecksilbersäule) oder mmHg gemessen wird. Bei 68 °F (20 °C) und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 36 % beträgt der atmosphärische Druck auf Meereshöhe 29,92 in.Hg bzw. 760 mmHg, was einem Druck von 14,7 psia oder 1,01 bar entspricht. Wichtig ist, dass die Einheit bar nicht zur Definition des atmosphärischen Drucks verwendet wird; stattdessen beträgt der normale atmosphärische Druck 101.000 N/m².
Bei der Umrechnung zwischen in.Hg und psi ist zu beachten, dass 1 psia = 2,04 in.Hg und 1 bar ≈ 752 mmHg entspricht. Daher gilt näherungsweise: 1 psia ≈ 2 in.Hg bzw. 1 bar ≈ 750 mmHg.
Sowohl der Absolutdruck als auch der Überdruck können zur Messung des Drucks in einem Hydrauliksystem verwendet werden.
Der Absolutdruck wird vom Null-Druck-Punkt aus gemessen – also vom Punkt vollständiger Druckfreiheit. Die Einheit kann psi (bar) oder in.Hg (mmHg) sein. Der Absolutdruck wird durch das Suffix „a“ gekennzeichnet: psia (absoluter psi), bara.
Der Überdruck wird vom Bezugspunkt des atmosphärischen Drucks aus gemessen. Die Einheit ist psi (bar). Der Absolutdruck entspricht dem Überdruck zuzüglich des normalen atmosphärischen Drucks. Beispiel: Wenn ein System 100 psig (6,9 bar Überdruck) anzeigt und der normale atmosphärische Druck 14,7 psia (1 bar) beträgt, dann beträgt der Absolutdruck 114,7 psia (7,9 bar absolut). Um beide Druckarten zu unterscheiden, wird der Überdruck als „psig“ und der Absolutdruck als „psia“ angegeben.
Wenn die Pumpe nicht läuft, befindet sich die Saugseite des Systems im Gleichgewicht – die Druckdifferenz zwischen Pumpe und Atmosphäre ist null, d. h., es tritt kein Durchfluss auf. Damit die laufende Pumpe Öl zu ihrem rotierenden Aggregat fördern kann, erzeugt sie am Saugstutzen einen Unterdruck gegenüber dem atmosphärischen Druck – das System gerät dadurch aus dem Gleichgewicht – und der Durchfluss beginnt.
Der Druck, den der atmosphärische Druck auf die Flüssigkeit ausübt, erfüllt zwei Aufgaben:
Der größte Teil des atmosphärischen Drucks wird genutzt, um die Flüssigkeit in die Pumpe zu beschleunigen; die erste Aufgabe muss jedoch zuerst erledigt werden: die Zufuhr von Flüssigkeit zum Pumpeneinlass. Wird in diesem Stadium zu viel atmosphärischer Druck verbraucht, bleibt nicht genügend Druck übrig, um die Flüssigkeit in die rotierende Baugruppe zu beschleunigen. Dadurch gerät die Pumpe in Unterversorgung, und es tritt das Phänomen der Kavitation auf.
Kavitation ist die Bildung und der Kollaps von Dampfhohlräumen in einer Flüssigkeit. Sie schädigt die Pumpe auf zwei Arten:
An der Saugseite der Pumpe bilden sich Dampfhohlräume im gesamten Fluid. Dadurch wird die Schmierwirkung verringert und der Verschleiß beschleunigt. Wenn diese Hohlräume in die Hochdruckzone am Pumpenauslass gelangen, werden ihre Wände komprimiert und kollabieren heftig, wobei enorme Energie freigesetzt wird, die metallische Oberflächen „abtrümmert“ – ähnlich wie ein Bildhauer, der mit Hammer und Meißel auf Stein arbeitet. Wird die Kavitation unbehindert fortgesetzt, verkürzt sich die Lebensdauer der Pumpe, und Kavitationsrückstände können sich im System ausbreiten und andere Komponenten beschädigen.
Abbildung 5-5: Kavitationschäden an der Bohrung des Pumpengehäuses. Das mikroskopische Pitting-Muster entsteht durch wiederholtes Implosionsverhalten von Dampfhohlräumen an der Metalloberfläche.
Das offensichtlichste Anzeichen für Kavitation ist Geräusch — beim Kollabieren von Dampfblasen entsteht eine Schwingung hoher Amplitude, die sich im gesamten System ausbreitet, und die hydraulische Pumpe erzeugt ein hochfrequentes, durchdringendes Geräusch. Tritt Kavitation auf, so verringert sich der Durchfluss, weil die Pumpenkammern nicht vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sind, und der Systemdruck wird instabil.
Kavitation entsteht in einer Flüssigkeit, weil diese siedet — dieses Sieden wird jedoch nicht durch Wärme verursacht, sondern dadurch, dass die Flüssigkeit einen ausreichend niedrigen absoluten Druck erreicht.
Alle Moleküle in einer Flüssigkeit befinden sich ständig in Bewegung, jedoch nicht alle mit derselben Geschwindigkeit. Schneller bewegte Moleküle an der Oberfläche versuchen, trotz der Anziehungskraft der umgebenden Moleküle in den darüberliegenden Raum zu entweichen. Die Kraft, die schnell bewegte Moleküle überwinden müssen, um in die Atmosphäre zu gelangen, ist der Dampfdruck der Flüssigkeit.
Wenn der Flüssigkeitsbehälter verschlossen ist, gelangen schnell bewegte Moleküle in den Raum über der Flüssigkeit. Sobald dieser Raum die Dampfsättigung erreicht hat, stoßen die Moleküle zusammen und kehren in die Flüssigkeit zurück. Das Verlassen der Flüssigkeit durch Moleküle wird Verdampfung genannt; das Zurückkehren der Moleküle in die Flüssigkeit wird Kondensation genannt. Wenn die Raten von Verdampfung und Kondensation gleich sind, stellt sich ein Gleichgewicht ein, und der vom Dampf erzeugte Druck ist der Dampfdruck dieser Flüssigkeit. Der Dampfdruck wird üblicherweise in absoluten Druckeinheiten angegeben, z. B. in Zoll Quecksilbersäule (in. Hg).
Der Dampfdruck wird von der Temperatur beeinflusst. Mit steigender Temperatur erhalten die Flüssigkeitsmoleküle mehr Energie und bewegen sich schneller. Der Dampfdruck steigt. Sobald der Dampfdruck dem atmosphärischen Druck entspricht, können die Flüssigkeitsmoleküle ungehindert in die Atmosphäre übergehen – dies wird Sieden genannt. Wasser siedet auf Meereshöhe bei 212 °F (100 °C), weil bei dieser Temperatur der Dampfdruck des Wassers dem atmosphärischen Druck entspricht.
Eine Flüssigkeit kann auch zum Sieden gebracht werden, indem der auf sie wirkende Druck gesenkt wird. Wenn der reduzierte Druck dem Dampfdruck der Flüssigkeit entspricht, können Flüssigkeitsmoleküle frei in den Raum oberhalb der Flüssigkeit übergehen. Wasser bei 100 °F (37,2 °C) hat einen Dampfdruck von 2 in.Hg (0,068 bar). Wenn ein Behälter mit Wasser bei 100 °F an eine Vakuumpumpe angeschlossen wird und der innere Absolutdruck auf 2 in.Hg (0,068 bar) absinkt, beginnt das Wasser zu sieden. Pumpen, die eine Flüssigkeit fördern, unterliegen im Allgemeinen dieser Art des Siedens.
Hydrauliköl auf Meereshöhe enthält etwa 10 % gelufte Luft. Diese Luft liegt gelöst in der Flüssigkeit vor – sie ist unsichtbar und vergrößert das Flüssigkeitsvolumen nicht merklich. Die Fähigkeit von Hydrauliköl oder jeder anderen Flüssigkeit, Luft zu lösen, nimmt ab, wenn der auf die Flüssigkeit wirkende Druck sinkt. Wenn beispielsweise eine Tasse Hydrauliköl unter atmosphärischem Druck in ein Vakuum gebracht wird, wandelt sich die gelöste Luft in Blasen um und entweicht aus der Lösung. Während der Kavitation entweicht die gelöste Luft aus dem Öl und verursacht Schäden an der Hydraulikpumpe.
Eingeschlossene Luft ist Luft, die sich in der Flüssigkeit in einem ungelösten Zustand – als Blasen – befindet. Wenn eine Pumpe gelegentlich Öl mit eingeschlossener Luft ansaugt, wirken sich die Luftblasen ähnlich wie bei einer Kavitation auf die Pumpe aus. Da dieser Effekt jedoch nicht mit dem Dampfdruck der Flüssigkeit zusammenhängt, bezeichnen wir ihn als Pseudo-Kavitation.
Wenn Leckagen in der Saugleitung vorliegen oder die Pumpenwellendichtung versagt, ist nahezu immer eingeschlossene Luft im System vorhanden. Da der Druck auf der Saugseite der Pumpe oft unter dem Atmosphärendruck liegt, führt jede Öffnung an dieser Stelle dazu, dass Luft in das Öl und in die Pumpe gesaugt wird. Alle eingeschlossenen Luftblasen, die im Behälter nicht entweichen können, gelangen ebenfalls in die Pumpe.
Kavitation schädigt sowohl die Pumpe als auch das gesamte System erheblich. Aus diesem Grund geben Pumpenhersteller für ihre Produkte Grenzwerte für die Saugseite an. Hersteller von industriellen hydraulischen Verdrängerpumpen geben in der Regel vor, dass der Druck an der Pumpensaugseite unter dem Atmosphärendruck liegen muss, damit die Flüssigkeit in die rotierende Baugruppe der Pumpe eingespeist werden kann. Diese Druckvorgabe wird jedoch üblicherweise nicht in absoluten Druckeinheiten angegeben, sondern in Form eines Unterdrucks.
Ein Vakuum ist jeder Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks. Der Begriff Vakuum ist verwirrend, da sein Ausgangspunkt derselbe ist wie beim Überdruck (atmosphärischer Druck), die Werte jedoch in der Einheit in.Hg (mmHg) nach unten gezählt werden.
0 in (0 mm) Vakuum = atmosphärischer Druck oder null Überdruck. 29,92 in.Hg (760 mmHg) Vakuum = vollständiges Vakuum oder null absoluter Druck.
Wie in der Abbildung gezeigt, ist eine Quecksilberwanne über ein Glasrohr mit einem Behälter verbunden, der sich auf atmosphärischem Druck befindet: Da der Druck innerhalb des Behälters dem atmosphärischen Druck entspricht, der auf die Wanne wirkt, steigt das Quecksilber im Glasrohr nicht an. Die Nullhöhe der Quecksilbersäule zeigt an, dass sich der Behälter nicht im Vakuum befindet.
Wenn der Behälter so weit evakuiert wird, dass der Innendruck um 10 in. Hg (254 mmHg) absinkt, kann der atmosphärische Druck, der auf die Oberfläche der Quecksilbersäule wirkt, dann eine Quecksilbersäule von 10 in. (254 mm) Höhe halten – der gemessene Unterdruck beträgt 10 in. Hg (254 mmHg). Wenn der Behälter bis zum vollständigen Vakuum (absoluter Druck gleich null) evakuiert wird, kann der atmosphärische Druck eine Quecksilbersäule von 29,92 in. (760 mm) Höhe halten – der gemessene Unterdruck beträgt 29,92 in. Hg (760 mm).
0 in. (0 mm) Quecksilber-Unterdruck = atmosphärischer Druck = Null Überdruck. 29,92 in. Hg (760 mm) Unterdruck = vollständiges Vakuum = absoluter Druck gleich null.
Abbildung 5-9: Unterdruckmessung mit einem Quecksilbermanometer. Die drei Zustände von oben nach unten: atmosphärisch (kein Unterdruck), Teilvakuum (10 in. Hg) und vollständiges Vakuum (29,92 in. Hg = 0 psia).
Ein Vakuummanometer ist von 0 bis 30 in.Hg (0–760 mmHg) kalibriert, wobei jede Teilung 1 in.Hg entspricht. Auf Meereshöhe wird ein Vakuummanometerwert in absoluten Druck umgerechnet, indem man den Vakuumwert (in in.Hg) von 30 in.Hg (760 mmHg) subtrahiert. Beispielsweise entspricht ein Vakuumwert von 7 in.Hg (177 mmHg) einem absoluten Druck von 23 in.Hg (583 mmHg).
Pumpenhersteller verwenden Vakuum-Einheiten für die Anforderungen am Einlass, weil diese sich auf die Meereshöhe beziehen – bei Einsatz der Pumpe in Höhenlagen über dem Meeresspiegel muss der dort niedrigere atmosphärische Druck berücksichtigt werden.
Beispiel: Wenn ein Hersteller angibt, dass der maximale Einlassvakuumdruck 7 in.Hg (177 mmHg) nicht überschreiten darf, bedeutet dies, dass der Hersteller mindestens 23 in.Hg (583 mmHg) absoluten Druck (bzw. atmosphärischen Druck) am Pumpeneinlass benötigt, um das Fluid in die rotierende Baugruppe einzusaugen. Falls der absolute Druck am Pumpeneinlass unter 23 in.Hg (583 mmHg) fällt, kann die Pumpe beschädigt werden – dies hängt jedoch vom vom Hersteller für die Vakuumbeanspruchung zugelassenen Sicherheitsfaktor ab. Alle veröffentlichten Angaben zum Pumpeneinlass setzen Nenndrehzahl und Mineralöl voraus. Wird die Pumpe mit einer anderen Drehzahl betrieben oder ein anderes Fluid verwendet, müssen die Angaben entsprechend angepasst werden.
Die maximal zulässige Vakuumhöhe der Pumpe hängt von der zu fördernden Flüssigkeit ab. Die technischen Anforderungen an der Saugseite werden auf Grundlage der spezifischen Dichte und des Dampfdrucks von Mineralöl berechnet. Werden feuerbeständige Hydraulikflüssigkeiten verwendet, beeinflussen Änderungen der spezifischen Dichte und des Dampfdrucks die maximal zulässige Saugvakuumhöhe.
Die spezifische Dichte ist das Verhältnis des Gewichts einer Flüssigkeit zum Gewicht einer anderen Flüssigkeit. Genauer gesagt ist sie das Verhältnis des Gewichts eines festgelegten Volumens einer Flüssigkeit zum Gewicht desselben Volumens Wasser. Bei 60 °F (15,6 °C) wiegt 1 ft³ Wasser 62,4 lbs (28,3 kg). Wenn wir das Gewicht des Öls durch das Gewicht des Wassers teilen, stellen wir fest, dass Öl 90 % so viel wiegt wie Wasser, oder das Gewichtsverhältnis beträgt 1 (Wasser) zu 0,90 (Mineralöl) — die spezifische Dichte (SG) von Mineralöl beträgt daher 0,90.
Die Anforderungen an den Pumpeneintritt werden für Mineralöl mit einer spezifischen Dichte (SG) von 0,87–0,90 berechnet. Bei phosphatveresterbasierten feuerhemmenden Flüssigkeiten erhöht sich die spezifische Dichte um 30 % auf etwa 1,15. Die spezifische Dichte wässriger Hydraulikflüssigkeiten liegt zwischen 0,93 (HFB-Emulsion) und 1,08 (Wasser-Glykol). Um diese schwereren Flüssigkeiten schneller in die Pumpe zu befördern, ist am Pumpeneintritt ein höherer Druck erforderlich. Daher sollte der zulässige maximale Unterdruck leicht verringert werden.
Mineralöl und phosphatveresterbasierte feuerhemmende Flüssigkeiten weisen bei normalen hydraulischen Betriebstemperaturen einen sehr niedrigen Dampfdruck auf; wässrige Hydraulikflüssigkeiten hingegen unterscheiden sich hierin deutlich. Wässrige Flüssigkeiten enthalten einen hohen Anteil Wasser. Der Dampfdruck sowohl von HFB-Emulsionen als auch von Wasser-Glykol-Flüssigkeiten kann mehrere Zoll Quecksilber betragen, während Mineralöl und synthetische Flüssigkeiten nur einen Bruchteil eines Zolls Quecksilber aufweisen. Daher neigen wässrige Flüssigkeiten stärker zur Verdampfung und Kavitation.
Um zu verhindern, dass wässrige Flüssigkeiten kavitieren, verlangen Pumpenhersteller einen ausreichenden Druck am Pumpeneinlass, um die Förderflüssigkeit in die Pumpe einzusaugen. Diese Anforderung kann erfüllt werden, indem das zulässige maximale Vakuum verringert wird.
Abbildung 5-13: Vergleich des Dampfdrucks. Wässrige Flüssigkeiten weisen bei gleicher Temperatur einen deutlich höheren Dampfdruck als Mineralöl auf, wodurch sie anfälliger für Kavitation sind, falls das Einlassvakuum zu hoch ist.
Wartungspersonal entdeckt in der Regel am ehesten frühzeitig eine beginnende Kavitation oder Luftansaugung einer Pumpe, da seine Vertrautheit mit der Maschine es ermöglicht, die ersten Anzeichen einer Störung wahrzunehmen.
Das offensichtlichste Anzeichen für Kavitation oder Luftansaugung in einer Hydraulikpumpe ist ein hochfrequenter Ton; es gibt jedoch subtile Unterschiede: Eine kavitierende Pumpe erzeugt einen gleichmäßigen, hochfrequenten Ton – dieser Ton kann durch das Zusammenbrechen von Blasen ähnlicher Größe verursacht werden. Bei Luftansaugung variiert das Pumpengeräusch stark: Wenn eine geringe Menge Luft eindringt, klingt das Geräusch wie ein Klicken oder wie ein Lagerausfall; bei einem großen Luftanteil entsteht ein seltsames Hämmern oder Knistern.
Eine zuverlässigere Methode, Kavitation von Luftansaugung zu unterscheiden, besteht darin, ein Vakuummanometer einzusetzen, um den absoluten Druck am Pumpeneintritt zu bestimmen. Subtrahieren Sie die Vakuumanzeige vom atmosphärischen Druck; falls der ermittelte absolute Druckwert unzureichend ist, liegt möglicherweise Kavitation vor.
Für neue Hydrauliksysteme: Wenn die Pumpe kavitiert, kann dies daran liegen, dass die Saugleitung schlecht ausgelegt ist oder die Ölviskosität zu hoch ist. Die Verwendung eines Öls mit der richtigen Viskosität oder die Vergrößerung des Durchmessers der Saugleitung zur Reduzierung des Druckabfalls in der Leitung hilft, die Kavitation zu verbessern. Für ein korrekt ausgelegtes bestehendes System: Wenn die Pumpe kavitiert, kann dies darauf zurückzuführen sein, dass die Saugleitung durch Ablagerungen, Papier oder kleine Tiere verstopft ist – oder dass der Einlassfilter ohne Bypass zu stark verschmutzt ist bzw. der Bypass nicht ausreichend öffnet.
Bei hydraulischen Pumpen bedeutet „Entlüftung“, den Pumpmechanismus mit Fluid zu füllen. Eine nicht entlüftete Pumpe enthält Luft oder sogenannte „Luftschlösser“. Vor Beginn des Pumpvorgangs muss diese Luft aus der Saugleitung und der Pumpenkammer entfernt werden. Wird dieser Schritt übersprungen, kann die hydraulische Pumpe bei Inbetriebnahme ohne vorherige Entlüftung innerhalb weniger Minuten aufgrund fehlender Schmierung dauerhaften Schaden nehmen.
Eine Pumpe, deren Auslass direkt über ein Wegeventil mit dem Behälter verbunden ist, kann im Allgemeinen beim Anfahren leicht restliches Gas in den Behälter ablassen. Falls die Pumpe die eingeschlossene Luft über das Druckbegrenzungsventil ablassen muss, ist dieser Vorgang möglicherweise nicht möglich – denn eine typische industrielle Hydraulikpumpe ist ein äußerst schlechter Luftverdichter.
Um restliche Luft aus einer nicht gefluteten Pumpe abzulassen, lösen Sie die Rohrverschraubung am Pumpenauslass, drehen Sie die Pumpe langsam, bis Öl aus der Verschraubung austritt (was darauf hinweist, dass die Pumpe geflutet ist), und ziehen Sie die Verschraubung danach wieder fest. Restluft kann zudem durch Entlasten des Druckbegrenzungsventils abgelassen werden.
Hydraulikpumpen müssen in der Regel nur dann entlüftet werden, wenn ein neues System in Betrieb genommen wird oder wenn Wartungsarbeiten an der Saugseite eines bestehenden Systems durchgeführt wurden.
Die folgenden Begriffe und Formeln werden bei der Arbeit mit den Saugbedingungen der Pumpe verwendet:
Der Zustand, bei dem der Pumpeneinlass unterhalb des Flüssigkeitsspiegels im Behälter liegt. Bei überflutetem Sauganschluss liefert die Flüssigkeitssäule (Schwerkraft) zusätzliche Energie, um die Flüssigkeit in die Pumpe zu drücken.
Der Druck am Boden einer Flüssigkeitssäule. Wenn der Pumpeneinlass unterhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt, stellt der Höhendruck eine zusätzliche Energiequelle für die Pumpe dar. Formeln für den Höhendruck:
Höhendruck (in Hg) = Höhe (in) × 0,036 × Spezifische Dichte ÷ 0,491
Höhendruck (mmHg) = Höhe (mm) × 0,0288 × Spezifische Dichte
Die äquivalente Säulenhöhe, ausgedrückt in Längeneinheiten, unterhalb eines gegebenen Bezugspunkts. Formel für den Hebedruck (in in Hg):
Hebedruck (in Hg) = Höhe (in) × 0,036 × Spezifische Dichte ÷ 0,491
Hebedruck (mmHg) = Höhe (mm) × 0,0288 × Spezifische Dichte
Die Aktion, die eine hydraulische Pumpe ausführt, um eine Druckdifferenz zwischen sich selbst und der Atmosphäre zu erzeugen.
Der absolute Druck der Flüssigkeit am Pumpeneinlass.
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