Kapitel 8: Rückschlagventile, Speicher und hydraulische Zylinder

Rückschlagventil

Aufbau eines Rückschlagventils

Ein Rückschlagventil besteht hauptsächlich aus einem Ventilkörper mit Einlass- und Auslassanschlüssen sowie einem federbelasteten beweglichen Teil. Der bewegliche Teil kann eine Scheibe, eine Platte oder ein Poppet sein – in hydraulischen Systemen handelt es sich meist um eine Kugel oder einen Poppetsitz.

Funktionsweise eines Rückschlagventils

Flüssigkeit kann nur in einer Richtung durch ein Rückschlagventil strömen – in Richtung der freien Strömung. Wenn der Systemdruck am Einlassanschluss so stark ansteigt, dass er die Federkraft überwindet, die den Ventilkörper (Poppet) in seine Ruheposition drückt, wird der Ventilkörper von seinem Sitz abgehoben und die Flüssigkeit strömt hindurch. Dies ist die Richtung der freien Strömung. Versucht die Flüssigkeit, vom Auslassanschluss her rückwärts zu strömen, wird der Ventilkörper gegen seinen Sitz gedrückt, wodurch die Durchtrittsöffnung abgedichtet und der Rückstrom vollständig blockiert wird.

Abbildung 8-1: Rückschlagventil. Der federbelastete Ventilkörper (Poppet) schließt sich bei umgekehrter Strömungsrichtung und sperrt den Rückstrom vollständig ab. Das Rückschlagventil entspricht hydraulisch einer Einbahnstraße.

Anwendungen von Rückschlagventilen in Schaltungen

Ein Rückschlagventil erfüllt sowohl eine Richtungs- als auch eine Drucksteuerfunktion – es erlaubt den Durchfluss ausschließlich in einer Richtung. In hydraulischen Systemen werden Rückschlagventile häufig als Bypass-Ventile eingesetzt, um den Durchfluss an einem Komponenten vorbeizuleiten. Beispielsweise ermöglicht ein parallel zum Durchflussregler angeordnetes Rückschlagventil den Rückstrom, der den Durchflussregler umgeht.

Rückschlagventile können auch einen Zweig oder eine Komponente eines Systems isolieren. Zum Beispiel bei einem Akkumulator: Das Rückschlagventil verhindert, dass der Akkumulator über das Sicherheitsventil oder die Hydraulikpumpe entlädt.

Ein Rückschlagventil ist im Allgemeinen ein Gerät mit geringer Leckage; tatsächlich kann es sogar so konstruiert werden, dass es vollständig dicht ist. Ein Rückschlagventil kann eine Last nahezu unbegrenzt halten. Beachten Sie jedoch, dass ein Rückschlagventil ein Einwegventil ist – um die Last freizugeben, muss das bewegliche Teil von seinem Sitz abgehoben werden. Hierfür ist eine spezielle Art von Rückschlagventil erforderlich, das sogenannte druckgesteuerte Rückschlagventil.

Abbildung 8-2 Drei häufige Anwendungen von Rückschlagventilen in hydraulischen Schaltungen: Bypass um eine Durchflussregelung, Isolierung eines Akkumulators und druckbelastete Feder als Druckschwelle.

Halten einer hängenden Last

Die meisten hydraulischen Komponenten mit Spulenaufbau weisen einen gewissen internen Bypass-Strom auf – dies deutet nicht auf eine schlechte Qualität hin, da dieser Bypass-Strom größtenteils absichtlich zur Schmierung der Komponente konstruiert ist. Wenn jedoch ein System erfordert, dass ein Zylinder eine Last ohne Durchrutschen in angehobener Position hält, wird die Undichtigkeit zum Problem. In diesem Fall muss ein Rückschlagventil mit Dichtfunktion eingesetzt werden.

Pilotgesteuertes Rückschlagventil

Ein pilotgesteuertes Rückschlagventil ermöglicht freien Durchfluss in einer Richtung; wenn ein Pilotdruck das bewegliche Teil von seinem Sitz abhebt, kann auch ein Rückstrom durch das Ventil fließen.

Bauwesen

Wie ein herkömmliches Rückschlagventil verfügt ein pilotgesteuertes Rückschlagventil über ein Ventilgehäuse mit Einlass- und Auslassanschlüssen sowie einen federbelasteten Kolben (bewegliches Teil), der gegen einen Sitz gedrückt wird. Zusätzlich ist dem Sitz gegenüber am Kolben eine Druckstange und ein weichfederbelasteter Pilotkolben angebracht. Der Pilotdruck aus dem Pilotanschluss wirkt auf diesen Kolben. Der Federraum des Kolbens verfügt über einen Entlüftungsanschluss.

Wie es funktioniert

Ein pilzgesteuertes Rückschlagventil ermöglicht einen freien Durchfluss vom Einlass zum Auslass auf die gleiche Weise wie ein gewöhnliches Rückschlagventil. Ein Strom, der vom Auslass her eintreten möchte, zwingt den Ventilkörper (Poppet), sich auf seinem Sitz zu schließen, wodurch die Durchgangsöffnung verschlossen wird. Sobald ein ausreichender Pilotdruck auf den Pilotkolben wirkt, bewegt sich dieser und drückt auf den Rückschlagventilkörper (Poppet), wodurch dieser von seinem Sitz angehoben wird. Solange die Kraft auf den Pilotkolben groß genug ist, kann der Durchfluss vom Auslass zum Einlass erfolgen.

Abbildung 8-3: Pilzgesteuertes Rückschlagventil. Ohne Pilotdruck verhält es sich wie ein gewöhnliches Rückschlagventil (freier Durchfluss nur in einer Richtung). Bei Anlegen von Pilotdruck ist auch ein Rückstrom zulässig – dies ermöglicht die Lastentlastung.

Schaltungsanwendung

Die Verwendung eines pilzgesteuerten Rückschlagventils, um den Durchfluss vom B-Anschluss des Zylinders abzusperren, hält die Last solange in Schwebe, wie die Zylinderdichtungen wirksam sind und keine Leckage in den Leitungen, im Zylinder oder am Rückschlagventil auftritt. Um die Last abzusenken, wird lediglich Pilotdruck über die Leitung A auf den Steuerkolben geleitet.

Der Pilotdruck für das pilotgesteuerte Rückschlagventil wird aus der Arbeitsleitung des Hydraulikzylinders entnommen — solange der Druck in Leitung A ausreichend hoch ist, bleibt das Rückschlagventil geöffnet. Beim Heben der Last strömt Öl problemlos durch das Rückschlagventil, da dies die Freiflussrichtung ist.

In einigen Situationen müssen Lasten, die an der Kolbenstange des Zylinders befestigt sind, vollständig bewegungslos gesperrt werden. Um dies zu erreichen, kann in jede Arbeitsleitung des Zylinders ein pilotgesteuertes Rückschlagventil eingebaut werden — die pilotgesteuerten Rückschlagventile unterbrechen den Abfluss aus dem Zylinder. Solange die Zylinderdichtungen wirksam bleiben und nirgends Leckagen auftreten, kann die Last in ihrer Position gehalten werden.

Hydraulischer Akkumulator

Ein Speicher speichert hydraulischen Druck. Dieser hydraulische Druck stellt potenzielle Energie dar, die in nutzbare Energie (Durchfluss und Druck) umgewandelt werden kann.

Arten von Speichern

Akkumulatoren können in schwerlastbetriebene, federbelastete und Flüssigkeits-/Gas-Akkumulatoren unterteilt werden. Sie unterscheiden sich darin, wie der Akkumulator die Betriebskraft auf das gespeicherte Öl aufrechterhält.

Schwerlastbetriebener Akkumulator

Ein schwerlastbetriebener Akkumulator nutzt das Gewicht eines schweren Körpers, das auf einen Kolben oder Stößel wirkt, um die Betriebskraft auf das gespeicherte Öl aufrechtzuerhalten. Das Gewicht kann aus jedem schweren Material bestehen – Eisen, Beton oder sogar Wasser. Schwerlastbetriebene Akkumulatoren sind im Allgemeinen sehr groß und fassen manchmal Hunderte von Gallonen. Sie versorgen mehrere hydraulische Systeme gleichzeitig und werden in Walzwerken sowie zentralen hydraulischen Systemen eingesetzt.

Die wünschenswerte Eigenschaft eines schwerlastbetriebenen Akkumulators ist, dass er Öl bei einem relativ konstanten Druck speichert – unabhängig davon, ob der Behälter voll oder nahezu leer ist, bleibt der gespeicherte Druck im Wesentlichen unverändert. Dies liegt daran, dass die auf das Öl wirkende Kraft die Schwerkraft (das Gewicht) ist, die konstant ist – unabhängig davon, wie viel Öl sich im Akkumulator befindet, bleibt die aufgebrachte Kraft dieselbe.

Ein unerwünschtes Merkmal von schwerlastbetriebenen Speichern ist die Erzeugung von Druckstößen. Wenn ein schwerlastbetriebener Speicher während einer schnellen Förderleistung plötzlich gestoppt wird, erzeugt die Trägheit des schweren Gewichts erhebliche Druckspitzen im System. Dies kann zu Leckagen an Rohren und Armaturen führen und zu metallischer Ermüdung, die eine vorzeitige Komponentenfehlfunktion verursacht.

Abbildung 8-6: Schwerlastbetriebener Speicher. Das konstante Gewicht erzeugt einen konstanten Druck unabhängig vom Öl-Volumen. Wird in großen industriellen Anlagen eingesetzt, beispielsweise in der Hydraulik von Stahlwerken.

Federbelasteter Speicher

Ein federbelasteter Speicher nutzt eine Feder, die auf einen Kolben wirkt, um eine Kraft auf das gespeicherte Öl aufrechtzuerhalten. Federbelastete Speicher sind im Allgemeinen kleiner als Schwerkraftspeicher und fassen nur wenige Gallonen. Sie versorgen in der Regel ein einzelnes Hydrauliksystem und arbeiten meist bei niedrigem Druck. Wenn Drucköl in den federbelasteten Speicher eintritt, wird der gespeicherte Öldruck durch den Grad der Federkompression bestimmt. Wenn sich der Kolben nach oben bewegt und die Feder um 10 Zoll (25,4 cm) komprimiert, ist der gespeicherte Druck höher als bei einer Kompression der Feder um 4 Zoll (10,2 cm).

Um ein Ansammeln von austretendem Öl in der Federkammer zu verhindern, verfügt die Federkammer über einen Ablaufanschluss, durch den das austretende Öl abfließen kann. Federbelastete Speicher sollten nicht extern in den Vorratsbehälter entleert werden, da dies zur Schaumbildung des Öls führen würde. Unabhängig davon, ob das Ende des Ablaufrohrs oberhalb oder unterhalb des Flüssigkeitsstands im Vorratsbehälter liegt, führt der Betrieb des Speichers stets zur Schaumbildung – wenn der Speicher schnell Förderstrom abgibt, kann das Öl oberhalb des Kolbens nicht mit der Kolbenbewegung mithalten, wodurch in der Federkammer ein Partialvakuum entsteht und Luft aus dem Öl freigesetzt wird. Beim Wiederaufladen des Speichers bewegt sich der Kolben nach oben und drückt das luftgefüllte Öl zurück in den Vorratsbehälter. Luftblasen im Vorratsbehälter sind unerwünscht; daher entleeren federbelastete Speicher üblicherweise nicht extern.

Bei federbelasteten Speichern mit externem Ablauf der Federkammer ist bei Verschleiß der Kolbenabdichtung unverzügliche Aufmerksamkeit erforderlich. Ohne rechtzeitige Reparatur kann eine Reinigungsmaßnahme notwendig werden.

Abbildung 8-7 Federbelasteter Speicher. Die Federkraft – und damit der gespeicherte Druck – nimmt zu, wenn der Kolben nach oben bewegt wird. Wird in kleinen, niederdruckigen Systemen eingesetzt.

Flüssigkeits-/Gas-Speicher

Der Flüssigkeits-/Gas-Speicher ist der am häufigsten verwendete Typ in industriellen hydraulischen Systemen. Er nutzt komprimiertes Gas, um die Betriebskraft auf das gespeicherte Öl aufrechtzuerhalten.

Flüssigkeits-/Gas-Speicher werden je nach der Vorrichtung, die Gas und Öl voneinander trennt, in Kolbentyp, Membrantyp und Ballontyp unterteilt.

Kolben-Akkumulator

Ein Kolben-Akkumulator besteht aus einem Zylinderrohr und einem beweglichen Kolben mit elastischen Dichtungsringen. Der obere Raum des Kolbens ist mit komprimiertem Gas gefüllt. Wenn Öl in das Zylinderrohr eingefüllt wird, wird das Gas komprimiert. Bei der Entnahme von Öl aus dem Akkumulator sinkt der Gasdruck. Sobald das gesamte Öl entnommen wurde, erreicht der Kolben das Ende seines Hubes und verschließt den Auslassanschluss, wodurch das Gas im Akkumulator eingeschlossen bleibt.

Membran-Akkumulator

Ein Membran-Akkumulator ist eine Kugel, die durch das Verschrauben zweier metallischer Halbkugeln entsteht. Der innere Raum ist durch eine synthetische Gummimembran unterteilt – die obere Kammer ist mit Gas gefüllt. Wenn Drucköl in die andere Kammer eintritt, wird das Gas komprimiert. Sobald das gesamte Öl entnommen wurde, bedeckt die Membran den Auslassanschluss und hält das Gas im Akkumulator; die Membran wird nicht über ihre Dicke hinaus nach außen gedrückt.

Ballon-Akkumulator

Ein Blasentyp-Akkumulator besteht aus einer metallischen Hülle und einer inneren synthetischen Gummiblase. Die Blase ist mit Gas gefüllt. Wenn Öl in die Hülle eintritt, wird das Gas in der Blase komprimiert und Öl fließt aus der Hülle ab. Sobald das gesamte Öl abgegeben wurde, versucht der Gasdruck, die Blase durch die Austrittsöffnung zu drücken – doch sobald die Blase am Auslassventilsitz anliegt, wird das Öl innerhalb der Hülle automatisch abgedichtet.

Abbildung 8-8: Drei Arten von Fluid-/Gas-Akkumulatoren. Alle nutzen komprimiertes Stickstoffgas zur Speicherung hydraulischer Energie. Der Kolbentyp (oben), der Membrantyp (Mitte) und der Blasentyp (unten) unterscheiden sich hinsichtlich der Art und Weise, wie Gas und Öl voneinander getrennt werden.

Anwendungen von Akkumulator-Schaltungen

Akkumulatoren können in hydraulischen Systemen mehrere Funktionen erfüllen: Bereitstellung von Volumenstrom, Aufrechterhaltung des Drucks sowie Stoßdämpfung.

Bereitstellung von Volumenstrom

Die Bereitstellung eines Durchflusses ist eine Anwendung für einen Speicherbehälter. Ein geladener Speicherbehälter stellt eine hydraulische potenzielle Energiequelle dar. Wenn das System mehr Durchfluss benötigt, als die Pumpe liefern kann, kann die im Speicherbehälter gespeicherte Energie genutzt werden, um den Systemdurchfluss zu erzeugen. Beispielsweise kann bei einer Maschine, deren eigentliche Arbeitszeit während ihres Betriebszyklus sehr kurz ist, eine Pumpe mit kleinem Hubvolumen den Speicherbehälter über einen gewissen Zeitraum aufladen. Sobald die Maschine in Betrieb geht, wechselt das Wegeventil in die Arbeitsstellung, und der Speicherbehälter gibt sofort druckbeaufschlagtes Öl an den Aktuator ab, wie erforderlich. Diese Methode der Verwendung des Speicherbehälters zusammen mit einer kleinen Pumpe speichert Spitzenleistung – mit anderen Worten: Sie ersetzt die hohe Durchflussleistung bzw. Leistung einer großen Pumpe bzw. eines großen Motors innerhalb kurzer Zeit durch eine kleinere Pumpe bzw. einen kleineren Motor, deren bzw. dessen Leistung über einen längeren Zeitraum gemittelt wird.

Druckhaltung

Speicherbehälter können zur Druckhaltung eingesetzt werden. Wenn die Pumpe bzw. der Motor Durchfluss an andere Teile des Systems abgibt, kann ein Speicherbehälter den Druck in einem Zweig der Schaltung aufrechterhalten.

Wenn das System erfordert, dass die Spannzylinder A zurückfährt, muss der Spannzylinder B den Druck aufrechterhalten. Während das Richtungsventil A schaltet, sinkt der Druck in der Hydraulikpumpe und in der Leitung des Zylinders A schnell ab, während der Zylinder B durch den Speicher behalten wird, der bereits ausreichend Drucköl gespeichert hat, um die Leckage in der Leitung des Zylinders B auszugleichen.

In einer anderen Anwendung erfährt ein Arbeitszylinder in der Nähe eines Ofens eine hohe Umgebungstemperatur, die zu einer thermischen Ausdehnung des Öls führt. Der Speicher nimmt das erhöhte Volumen auf und hält den Druck auf einem relativ konstanten Niveau. Ohne den Speicher wäre der Druckanstieg in den Leitungen unkontrolliert und könnte zum Bersten von Komponentengehäusen, Rohren oder Armaturen führen.

Abbildung 8-10: Speicher zur Druckhaltung. (Oben) Hält den Druck in einem Zweig des Kreislaufs aufrecht, während die Pumpe einen anderen Zweig versorgt. (Unten) Nimmt Volumenänderungen infolge der thermischen Öl-Ausdehnung in der Nähe von Wärmequellen auf.

Stoßabsorption

Flüssigkeits-/Gas-Akkumulatoren können auch zur Dämpfung von Systemstößen eingesetzt werden. Stöße in einem Hydrauliksystem können durch die Trägheit einer Last verursacht werden, die mit einem Zylinder oder Motor verbunden ist, oder durch eine plötzliche Unterbrechung des Durchflusses bzw. ein schnelles Umschalten der Richtungsventile, wodurch durch die Trägheit der Flüssigkeit Stöße entstehen. Ein im Kreislauf eingebauter Akkumulator kann einen Teil dieses Stoßes absorbieren und verhindern, dass er sich im gesamten System ausbreitet.

Auch externe mechanische Kräfte können hydraulische Stöße erzeugen. Eine mit einem hydraulischen Zylinder verbundene Last, die eine Rückstoßneigung aufweist, drückt den Kolben zurück und erzeugt dadurch einen hydraulischen Stoß. Ein im Zylinderstromkreis eingebauter Akkumulator trägt bei korrekter Vorspannung zur Reduzierung des Stoßeffekts bei. Bei falscher Vorspannung kann er jedoch auch zu Überdruck führen.

Isotherme und adiabatische Aufladung

Da Flüssigkeits-/Gas-Akkumulatoren komprimiertes Gas zur Speicherung des Öldrucks nutzen, beeinflussen die Eigenschaften des Gases die Leistung des Akkumulators. Wenn ein Flüssigkeits-/Gas-Akkumulator aufgeladen wird, wird das Gas komprimiert und seine Temperatur steigt. Bei konstantem Druck nimmt heißes Gas mehr Raum ein als kühleres Gas.

Der isotherme Prozess beschreibt den Betriebszustand des Akkumulators, bei dem die Gastemperatur konstant gehalten wird. Während des Aufladens bedeutet isothermer Betrieb, dass das Gas langsam genug komprimiert wird, sodass die gesamte durch die Kompression erzeugte Wärme vollständig abgeführt wird. Der adiabatische Prozess beschreibt den Betriebszustand des Akkumulators, bei dem sich die Gastemperatur ändert. Während des Aufladens bedeutet adiabatisch, dass das Gas so schnell komprimiert wird, dass die gesamte Wärme erhalten bleibt.

Für einen Flüssigkeits-/Gas-Akkumulator, der auf denselben Druck aufgeladen wird, speichert der isotherme Prozess mehr Öl als der adiabatische Prozess.

Numerisches Beispiel: Ein Kolbenakku weist zunächst einen Gasdruck von 500 psi (34,48 bar) und eine Temperatur von 70 °F (21 °C) auf. Wird er durch einen adiabatischen Prozess (schnell) auf 1.000 psi (68,97 bar) aufgeladen, steigen Temperatur und Druck gemeinsam an. Bei 1.000 psi (68,97 bar) hört das Öl auf einzutreten; die Temperatur beträgt 150 °F (65,6 °C) und der Akku speichert 135 in³ (2.215,65 cm³) Öl. Wird der Akku isotherm (langsam) aufgeladen, bleibt die Temperatur während des gesamten Vorgangs bei 70 °F (21 °C); bei 1.000 psi (68,97 bar) hört das Öl auf einzutreten und der Akku speichert 150 in³ (2.458,5 cm³) Öl.

Abbildung 8-12: Isotherme vs. adiabatische Aufladung. Bei langsamer (isothermer) Aufladung wird mehr Öl gespeichert als bei schneller (adiabatischer) Aufladung bei gleichem Enddruck, da die Temperatur niedriger bleibt und das Gas weniger Raum einnimmt.

Isotherme und adiabatische Entladung

Während der Ölabscheidung expandiert das Gas und kühlt ab. Bei konstantem Druck nimmt kühlere Gas weniger Raum ein als wärmeres Gas. In der Praxis erfolgt der Betrieb eines Speichers im Allgemeinen adiabatisch – nicht isotherm. In den folgenden Abschnitten steht nicht im Vordergrund, wie viel Öl der Speicher speichern kann, sondern vielmehr, wie viel Öl er abgibt, bevor der Druck auf einen niedrigeren Wert absinkt; dieser Wert wird maßgeblich durch den Vorladedruck beeinflusst.

Vorladedruck

Wenn ein Speicher vollständig leer von Öl ist, entspricht der Gasdruck, der in den Fluid-/Gas-Speicher eingefüllt wird, dem Vorladedruck. Dieser Druck wirkt sich erheblich auf das effektive Volumen und die stoßdämpfende Leistung des Speichers aus.

Auswirkung des Vorladedrucks auf das effektive Volumen

Flüssigkeits-/Gas-Akkumulatoren, die zur Erzeugung des Systemflusses oder zur Aufrechterhaltung des Drucks eingesetzt werden, arbeiten typischerweise zwischen dem maximalen und dem minimalen Betriebsdruck. Wenn der Akkumulator vollständig mit Öl gefüllt ist, erreicht er den maximalen Betriebsdruck. Bei Bedarf sinkt der Betriebsdruck, wodurch der Akkumulator Öl abgibt, bis ein niedrigerer Minimaldruck erreicht ist. Das Ölvolumen, das der Akkumulator zwischen maximalem und minimalem Betriebsdruck abgibt, wird als wirksames Volumen bezeichnet.

Der Vorladedruck beeinflusst das wirksame Volumen. Beispiel: Ein Flüssigkeits-/Gas-Akkumulator mit einem Volumen von 231 in³ (3.786 cm³) in einem System nutzt eine kleine Pumpe, um Öl bis zum Systemdruck von 2.000 psi (137,9 bar) aufzuladen. Um den Fluss bereitzustellen, darf der Druck auf 1.500 psi (103,4 bar) absinken. Der gewählte Vorladedruck bestimmt, wie viel Öl der Akkumulator dem System zur Verfügung stellt.

Aus der Leistungstabelle ergibt sich, dass ein Speicher mit einem Volumen von 231 in³ (3.786 cm³) und einer Vorladung von 100 psi (6,89 bar) bei einer isothermen Aufladung auf 1.000 psi 210 in³ (3.441,9 cm³) Öl speichern kann (obere Grenze = isotherme Werte). Bei 1.500 psi (103,4 bar) speichert er 202 in³ (3.310,8 cm³) und liefert somit 8 in³ (131 cm³) zwischen diesen beiden Druckstufen. Dieser Speicher mit niedriger Vorladung speichert viel Öl, liefert aber nur sehr wenig.

Bei Erhöhung der Vorladung auf 1.000 psi (68,96 bar) speichert der Speicher bei 2.000 psi (137,9 bar) 93 in³ (1.524,3 cm³) und bei 1.500 psi (103,4 bar) 59,5 in³ (975 cm³), wodurch 33,5 in³ (594,1 cm³) bereitgestellt werden. Die höhere Vorladung führt zu einer geringeren Gesamtölmenge im Speicher, ermöglicht jedoch eine deutlich größere Fördermenge. Bei einer Vorladung von 1.400 psi (96,6 bar) ist die gespeicherte Ölmenge minimal, während die geförderte Ölmenge maximal ist.

Abbildung 8-13: Leistungstabelle für Speicher (Kapazität: 231 in³). Eine höhere Vorladung ermöglicht eine größere Ölfördermenge pro Zyklus innerhalb vorgegebener Druckgrenzen, speichert jedoch insgesamt weniger Öl. Die Vorladung ist anhand des erforderlichen effektiven Volumens und nicht anhand der Gesamtkapazität auszuwählen.

Steuerung der wirksamen Volumenabgabe

Die wirksame Volumenabgabe eines Speichers sollte durch den Durchfluss gesteuert werden. Zur Druckhaltung wird der gesteuerte Durchfluss durch die Leckage bestimmt, die ausgeglichen werden muss. Bei Speichern, die Drucköl bereitstellen, ist die wirksame Volumenabgabe beim Umschalten des stromabwärts liegenden Wegeventils zu schnell. Aus diesem Grund verfügen diese Speicher häufig über Durchflussregelventile und Bypass-Rückschlagventile an ihren Ein- bzw. Auslassanschlüssen.

Wenn ein Flüssigkeits-/Gas-Speicher als Stoßdämpfer eingesetzt wird, wird seine Vorladung im Allgemeinen leicht oberhalb des maximalen Betriebsdrucks im Kreislauf eingestellt (etwa 100 psi / 6,896 bar über der Einstellung des Sicherheitsventils). Falls der maximale Betriebsdruck durch das Sicherheitsventil festgelegt wird, kann die Vorladung etwa 100 psi über der Einstellung des Sicherheitsventils liegen.

Auswirkung der Vorladung auf die Stoßdämpfung

Der Vorladedruck eines Fluid-/Gas-Akkumulators beeinflusst dessen Stoßdämpfungsfähigkeit. In einem hydraulischen System entsteht ein Stoß durch externe mechanische Kräfte auf einen Zylinder oder Motor, die zu einem schnellen Druckanstieg führen, oder durch die Trägheit der Flüssigkeit, wenn ein hydraulisches Ventil plötzlich schließt.

Der Akkumulator kann den Teil der stoßbedingten Druckölmenge absorbieren, den er komprimieren und umleiten kann. Eine Leitung mit einem Akkumulator wird oberhalb eines bestimmten Drucks kompressibel. Falls der Vorladedruck des Akkumulators zu niedrig ist, speichert er bereits vor Eintreffen des Stoßes etwas Öl und kann daher nur 4 in³ (65,6 cm³) absorbieren. Liegt der Vorladedruck bei 2.500 psi (172,4 bar) – also zu hoch – steigt der Druck bereits auf nahezu 2.800 psi (193 bar), bevor 4 in³ absorbiert werden. Bei Stoßdämpfern ist der Vorladedruck äußerst wichtig.

Verlust des Vorladedrucks

Ein Flüssigkeits-/Gas-Akkumulator wird einmal mit Gas auf den geeigneten Vorladedruck aufgeladen. Das bedeutet, dass derselbe Vorladedruck nicht unbegrenzt aufrechterhalten werden kann. Während des Betriebs des Akkumulators tritt komprimiertes Gas durch das Gasventil aus – möglicherweise aufgrund eines Ausfalls des Gasventils oder einer schlechten Dichtung bzw. eines Problems mit der kegelförmigen Ventilspitze, die nicht ordnungsgemäß in dem Ventilsitz aufliegt. Bei Blasen- und Membranakkumulatoren nimmt der Gasdruck auch allmählich während der Ölausgabe ab – dies geschieht typischerweise katastrophal und führt zum Bruch des synthetischen Kautschuk-Membranmaterials. Bei Kolbenakkumulatoren kann während des Entladevorgangs das geladene Gas an abgenutzten Dichtungen vorbei aus dem Kolbenraum entweichen. Ein allmählicher Verlust des Vorladedrucks kann auf einen Kolbenakkumulator mit einem gewissen Verschleißgrad hindeuten.

Vorladedruck prüfen

Der korrekte Vorladedruck ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit von Flüssigkeits-/Gas-Akkumulatoren und sollte daher regelmäßig überprüft werden. Zur Überprüfung des Vorladedrucks ist ein Ladegerät mit Manometer erforderlich. Das Gerät besteht hauptsächlich aus einem Ladekopf, einem Entlüftungsventil und einem Manometer.

Vorgehensweise zur Überprüfung: Entleeren Sie den Akkumulator vollständig vom Öl, entfernen Sie die Schutzkappe (üblicherweise am Gasventil an der Oberseite). Stellen Sie sicher, dass das Entlüftungsventil geschlossen ist, während sich der Griff des Ladekopfs in vollständig herausgezogener Position befindet. Verbinden Sie den Ladekopf mit dem Gasventil des Akkumulators, ziehen Sie die Flügelmutter des Ladekopfs fest und stellen Sie eine zuverlässige Verbindung zum Gasventil sicher. Schrauben Sie die Ladespindel des Kopfs ein, um den Ventilkern des Akkumulator-Gasventils vollständig einzudrücken; lesen Sie den Manometerdruck ab – dies ist der Vorladedruck des Akkumulators.

Falls die Vorladespannung korrekt ist, drehen Sie den Spannkopfgriff heraus, um das Gasventil des Akkumulators zu schließen, öffnen Sie das Entlüftungsventil, um die Ladegerätvorrichtung zu entlasten, lösen Sie die Flügelmutter des Spannkopfs, entfernen Sie die Vorrichtung vom Akkumulator und setzen Sie die Schutzkappe des Gasventils wieder auf.

Falls der Vorladedruck zu hoch ist, öffnen Sie das Entlüftungsventil, um den Überschussdruck abzulassen. Falls der Vorladedruck erhöht werden muss, ziehen Sie zunächst den Spannhebel zurück, um das Gasventil des Akkumulators zu schließen, öffnen Sie das Entlüftungsventil, um das Ladegerät zu entlasten, schließen Sie dann das Entlüftungsventil, verbinden Sie das Ladegerät mit einer Stickstoffflasche. Drehen Sie den Spannhebel hinein, um den Ventilkern des Akkumulator-Gasventils vollständig zu betätigen, und öffnen Sie das Ventil der Stickstoffflasche, damit das Gas langsam in den Akkumulator einströmt. Sobald die Anzeige des Manometers den gewünschten Druck anzeigt, schließen Sie das Gasventil. Sobald das Manometer den korrekten Vorladedruck anzeigt, schließen Sie das Ventil der Stickstoffflasche, ziehen Sie den Spannhebel zurück, um das Gasventil des Akkumulators zu schließen, öffnen Sie das Entlüftungsventil und trennen Sie anschließend das flexible Ladeschlauchsystem sowie das Ladegerät.

Abbildung 8-15: Überprüfen und Einstellen des Vorladedrucks des Akkumulators. (Oben) Abgenutzte Kolbenringe führen zu einem schleichenden Verlust des Vorladedrucks. (Unten) Standard-Stickstoff-Ladegerät – verwenden Sie stets trockenen Stickstoff, niemals Druckluft.

Entlastung der Hydraulikpumpe in einem Akkumulatorschaltkreis

In einem typischen hydraulischen Schaltkreis mit Akkumulator sollte, sobald der Akkumulator voll geladen ist und kein Teil des Systems arbeitet, der Pumpen-/Motorstrom bei möglichst niedrigem Druck in das Reservoir entlastet werden. In der dargestellten Schaltung wird zum Entlasten ein Entsorgungsventil verwendet. Sobald der Akkumulator den Einstellwert des Entsorgungsventils erreicht hat, öffnet dieses Ventil und leitet den Pumpenstrom in das Reservoir.

Diese Art der Entlastung dauert typischerweise nur einige Sekunden, da stets eine gewisse Leckage stromabwärts des Rückschlagventils auftritt. Der Akkumulator muss diese Leckage ausgleichen – der Druck sinkt allmählich – das Entsorgungsventil schließt sich allmählich, und die Öffnung zum Reservoir wird immer kleiner, bis der Akkumulatordruck unter den Öffnungsdruck des Ventils fällt. Während das Ventil sich schließt, muss die Pumpe/der Motor mehr Leistung aufbringen, um den Akkumulator erneut auf den Einstellwert des Entsorgungsventils aufzuladen.

Um sicherzustellen, dass die Pumpe/der Motor vollständig entlastet ist, bevor der Speicher wieder aufgeladen wird, kann ein Druckschalter verwendet werden. In der Schaltung erfasst der Druckschalter den Druck im Speicher und sendet bei einem eingestellten Druckwert ein elektrisches Schaltsignal. Das elektrische Signal gelangt zu einem normalerweise geschlossenen zweifach wirkenden Magnetventil – dieses Magnetventil kann ein druckgesteuertes Sicherheitsventil zur Entlastung steuern. Sobald der Speicher den am Druckschalter eingestellten Druck erreicht hat, sendet das Relais ein Signal an das Magnetventil, um das Sicherheitsventil zu entlasten und den Förderstrom der Pumpe/des Motors über das Sicherheitsventil in den Tank umzuleiten.

Abbildung 8-16: Entlastungsschaltungen für Speicher. (Oben) Einfaches Ablassventil – entlastet in den Tank, sobald der Speicher den eingestellten Druck erreicht, neigt jedoch zum Schwingbetrieb. (Unten) Druckschalter mit druckgesteuertem Sicherheitsventil – gewährleistet eine vollständige Entlastung und präzise Steuerung des Druckbereichs.

Differenzdruck-Entlastungsventil

Nachdem der Akkumulator aufgeladen wurde, kann ein Differenzdruck-Entlastungsventil den Druckschalter und das Magnetventil ersetzen, um das Überdruckventil zu öffnen und die Pumpe/den Motor zu entlasten. Das Differenzdruck-Entlastungsventil ist ein hydraulisches Ventil, das speziell für Akkumulatoranwendungen konzipiert wurde. Wie der Name bereits andeutet, nutzt dieses Ventil einen Druckunterschied, um die Pumpe/den Motor zu entlasten.

Bauwesen

Das Differenzdruck-Entlastungsventil besteht aus einem pilzgesteuerten Überdruckventil, einem Rückschlagventil und einem Differenzkolben in einem gemeinsamen Ventilgehäuse. Das Ventilgehäuse verfügt über drei Anschlüsse: Druckanschluss, Rücklaufanschluss und Akkumulatoranschluss.

Wie es funktioniert

Im Differenzdruck-Entlastungsventil arbeiten das Rückschlagventil und das pilotgesteuerte Sicherheitsventil normal. Das Pumpenausgangsöl kann den Speicher über das Rückschlagventil aufladen. Der Differenzkolben befindet sich gegenüber dem Pilotsicherheitsventilspulen und kann sich frei in seiner Bohrung bewegen. Die beiden Enden des Kolbens sind Flächen gleicher Größe ausgesetzt. Während der Speicher aufgeladen wird, ist der Druck auf beiden Seiten des Kolbens nahezu gleich (abgesehen vom Druckabfall über das Rückschlagventil), sodass der Kolben nicht bewegt wird. Sobald der Druck auf die Pilotspule des Sicherheitsventils groß genug ist, wird die Pilotspule von ihrem Sitz abgedrückt – wie bereits bekannt, kann diese Pilotbewegung den Druck im Federhohlraum des Hauptventils begrenzen. Da der Federhohlraum des Hauptventils und ein Ende des Differenzkolbens druckbegrenzt sind, bewegt sich der Kolben in Richtung der Pilotspule des Sicherheitsventils und drückt die Pilotspule vollständig von ihrem Sitz ab; dadurch wird effektiv der Steuerdruck im Federhohlraum der Hauptspule aufgehoben, das Sicherheitsventil entlastet, die Pumpe/Motor entlastet. Gleichzeitig schließt das Rückschlagventil, sodass Öl aus dem Speicher nicht über das Sicherheitsventil abgeleitet werden kann.

Die dem Druck ausgesetzte differenzielle Kolbenfläche ist um 15 % größer als die Fläche des Pilotventilspools. Da Kraft = Druck × Fläche, ist die Kraft, die den Pilotventilspool von seinem Sitz fernhält, um 15 % größer als die Kraft, die den Pilotventilspool anhebt. Das bedeutet, dass die Feder eine um mehr als 15 % größere Kraft aus einer anderen Quelle erhalten muss, um den Pilotventilspool wieder auf seinen Sitz zu drücken – oder der Systemdruck muss um 15 % absinken, bevor der Pilotventilspool wieder auf seinen Sitz zurückkehren kann.

Dies stellt sicher, dass das Differenzdruck-Entlastungsventil die Pumpe/den Motor nach der Akkumulatoraufladung im entlasteten Zustand hält, bis der Druck um einen festen Prozentsatz – in der Regel etwa 15 % der Einstellung des Pilotventils – abfällt. Beispielsweise erfolgt die Entlastung bei einer Pilotventileinstellung von 1.000 psi (69 bar) im Bereich von 1.000 psi (69 bar) bis 850 psi (59 bar); bei einer Pilotventileinstellung von 2.000 psi (138 bar) liegt der Entlastungsbereich zwischen 2.000 psi (138 bar) und 1.700 psi (117 bar).

Hydraulikzylinder — Detaillierter Aufbau und Funktionsweise

In jeder Anwendung muss hydraulische Arbeitenergie, um nützliche Arbeit zu leisten, in mechanische Energie umgewandelt werden. Hydraulikzylinder wandeln hydraulische Energie in lineare mechanische Bewegung um.

Aufbau eines Zylinders

Ein Hydraulikzylinder besteht aus einem Zylinderrohr, einem beweglichen Kolben mit flexiblen Dichtungsringen, der mit einer Kolbenstange verbunden ist, sowie zwei Endkappen. Die Endkappen können eingeschraubt, geflanscht, überzogen oder am Zylinderrohr angeschweißt sein. Industrielle Hydraulikzylinder verwenden üblicherweise verschraubte Verbindungen am Stangenende. Wenn sich die Kolbenstange bewegt, spricht man von einem Kolbenstangendichtsatz oder einem abnehmbaren Führungsringsatz, der die Kolbenstange führt und stützt.

Das Ende mit der Kolbenstange wird als „Stangenende“ bezeichnet; das andere Ende ohne Stange wird als „Blindende“ bezeichnet. Die Einlass- und Auslassanschlüsse befinden sich an den Endkappen des Stangenendes und des Blindendes.

Dichtungen

Für einen ordnungsgemäßen Betrieb müssen der Kolben und die Kolbenstangendichtung des Hydraulikzylinders zuverlässige Dichtungen aufweisen. Häufig verwendete Dichtungen für Hydraulikzylinderkolben sind Lippen-Dichtungen, Kolbenringe aus Gusseisen oder ein- bzw. zweirichtige Einheitsdichtungen. Die Verträglichkeit der Dichtungswerkstoffe und -komponenten mit der Betriebsflüssigkeit und den Betriebsbedingungen ist zu bestätigen.

Die mehrschichtige Kolbenstangendichtung ist eine effektive Ausführung der Kolbenstangendichtung und besteht aus einer Hauptdichtung mit einer lippenförmigen inneren Dichtfläche, einem Abstreifer, der während des Betriebs ständig mit der Kolbenstangenoberfläche in Kontakt steht und das Betriebsöl von dieser Oberfläche abstreift, sowie einer sekundären Staubdichtung, die das vom Hauptdichtelement verbleibende Öl auffängt und beim Zurückziehen der Kolbenstange Fremdstoffe von der Kolbenstange abwischt.

Dichtungsraum-Entwässerung

Wie oben beschrieben kann Öl, das sich in der Kammer zwischen Hauptdichtung und Staubdichtung ansammelt, während des Rückzugstrokes in die Zylinderbohrung zurückfließen – dies ist normal. Wenn jedoch der Zylinderhub besonders lang ist (10 ft / 3,05 m oder länger), kann sich so viel Öl in der Dichtungskammer ansammeln, dass die Kapazität der Kolbenstangendichtung überschritten wird. In diesem Fall und bei Überschuss an Öl in der Dichtungskammer sollte die Dichtungskammer der Kolbenstange über eine externe Entwässerungsanschlussleitung verfügen.

Abbildung 8-18: Konstruktionsdetails des Zylinders. Die Stangenendeabdeckung enthält die Kolbenstangendichtungsanordnung. Bei Langhubzylindern wird ein Entwässerungsanschluss hinzugefügt, um zu verhindern, dass Öl die Dichtung überlastet.

Hydraulischer Stoß

Wenn hydraulische Energie den Zylinderkolben bis zum Hubende (Ende der Zylinderfahrt) antreibt, führt die Trägheit des Öls zu einem Stoß – dem sogenannten „hydraulischen Stoß“. Ist die Energie groß genug, kann dieser Stoß hydraulische Zylinder beschädigen.

Dämpfungseinrichtung

Um Hydraulikzylinder vor übermäßigen Stößen zu schützen, können Dämpfungseinrichtungen installiert werden. Dämpfungseinrichtungen verlangsamen den Zylinderkolben nahe dem Hubende. Dämpfungseinrichtungen können an einem oder beiden Enden eines Hydraulikzylinders installiert werden.

Aufbau der Dämpfungseinrichtung

Eine Dämpfungseinrichtung besteht aus einer stromregelnden Nadelventil und einem Dämpfungspflock, die am Kolbenboden (blinden Ende) des Kolbens angebracht sind, sowie einer Dämpfungshülse auf der Kolbenstange. Diese Komponenten wirken als Stopfen an jedem Ende.

Funktionsweise der Dämpfung

Wenn der Kolben des Hydraulikzylinders sich dem Hubende nähert, blockiert die Dämpfspitze oder die Dämpfmanschette den normalen Ölauslass. Dadurch wird das Öl gezwungen, ausschließlich durch das Nadelventil zu fließen. Ein Teil des Drucköls fließt bei der Einstellung des Sicherheitsventils durch das Nadelventil ab. Der verbleibende Durchfluss durch das Nadelventil bestimmt die Verzögerungsrate des Zylinders. Die Einstellung des Nadelventils bestimmt die Verzögerungsrate des Kolbens. Bei der Rückhubbewegung strömt das Öl über ein einzelnes Rückschlagventil (nicht dargestellt) in den Zylinder ein, wodurch das Nadelventil umgangen wird; die Rücklaufgeschwindigkeit bleibt daher unbeeinflusst.

Hubeinstellung

Manchmal muss die Hublänge eines Hydraulikzylinders durch externe Steuerung begrenzt werden. Durch Montage einer Anschlagsschraube, die in den Zylinderrohrkörper hinein- und herausgedreht werden kann, lässt sich der Hub vorab einstellen. Jede Art von Hubversteller muss hinsichtlich der Anforderungen an Haltekraft, Kollision, Aufprall und baumäßige Auswirkungen verifiziert werden.

Abbildung 8-19: Zylinder-Dämpfungseinrichtungen, Hubversteller, Montagearten und Lasttypen. Dämpfungseinrichtungen schützen den Zylinder am Hubende; die Montageart bestimmt, wie gut der Zylinder seine Last aufnehmen kann.

Montagearten für Hydraulikzylinder

Hydraulikzylinder weisen zahlreiche Montagearten auf, darunter: Flanschmontagen, Trunnion-Montagen, Seitenlaschenmontagen, mittige Schraubmontagen, Doppellaschenringe, Zugstangen und Schweißmontagen. Mittige Laschenmontagen oder Schweißmontagen stellen eine sehr gute Konstruktion dar, da sie eine minimale Fehlausrichtung beim Zylinderbetrieb bewirken.

Mechanische Bewegung

Hydraulikzylinder können hydraulische Energie in geradlinige oder lineare mechanische Bewegung umwandeln. Aufgrund der Wahl mechanischer Gelenkverbindungen können Zylinder jedoch auch zahlreiche andere Arten mechanischer Bewegung erzeugen.

Lasttypen

Hydraulikzylinder können in zahlreichen Anwendungen viele verschiedene Lasttypen bewegen. Generell werden Lasten, die von der Kolbenstange geschoben werden, als Drucklasten bezeichnet; Lasten, die von der Kolbenstange gezogen werden, heißen Zuglasten.

Anschlagrohr

Ein Anschlagrohr ist eine massive Metallhülse, die auf der Kolbenstange montiert ist. Bei einem Langhubzylinder trennt das Anschlagrohr beim vollständigen Ausfahren der Kolbenstange den Kolben von der Führungshülse um einen bestimmten Abstand. Die Kolbenstangenaufführungshülse ist ein Lager, das die Kolbenstange während des Zylinderbetriebs stützt und für eine bestimmte Last ausgelegt ist. Neben ihrer Funktion als Welle dient die Kolbenstangenaufführungshülse zudem als Lastaufnahmepunkt für die Kolbenstange. Bei Langhubzylindern, die mit einer Last verbunden sind, neigt die Kolbenstange ohne starre Führung beim vollständigen Ausfahren zum Durchhängen oder es tritt eine Verformung an der Führungshülse auf, wodurch eine seitliche Belastung entsteht, die die Kolbenstangenaufführungshülse beschädigt.

Die Funktion des Anschlagrohrs besteht darin, beim vollständigen Ausfahren der Kolbenstange den Kolben von der Führungshülse um einen bestimmten Abstand zu trennen, wodurch die Belastung der Kolbenstangenaufführungshülse verringert wird.

Zylindertypen

Hydraulikzylinder sind in vielen verschiedenen Ausführungen erhältlich. Im Folgenden werden einige gängige Zylindertypen aufgeführt; sie treten zudem in bestimmten Anwendungsschaltungen in späteren Lektionen auf.

• Einstufiger Zylinder: Der Zylinder besitzt eine Kolbenstange, die nur an einem Ende herausragt.
• Zweistufiger Zylinder: Der Zylinder verfügt über einen Kolben und eine Kolbenstange, die an beiden Enden herausragt.
• Doppeltwirkender Zylinder: Bei dieser Bauart wirkt der hydraulische Druck abwechselnd auf beide Seiten des Zylinderkolbens, wodurch sich die Kolbenstange aus- und einfahren lässt.
• Teleskopzylinder: Das Zylinderrohr besteht aus mehreren ineinander verschiebbaren Abschnitten und ermöglicht so einen langen Hub bei kurzer eingefahrener Länge.
• Tandemzylinder: Der Zylinder besteht aus zwei oder mehr Zylindern in Reihe. Die Kolbenstangen sind miteinander verbunden und bilden eine gemeinsame Kolbenstange. Kolbenstangendichtungen sind zwischen den Zylindern angebracht, sodass jeder Zylinder doppeltwirkend arbeiten kann.
• Duplexzylinder: Der Zylinder besteht aus mindestens zwei Zylinderrohren, wodurch jeder Zylinder doppeltwirkend betrieben werden kann.

Abbildung 8-20 Hydraulikzylindertypen. Jeder Typ ist für eine spezifische Anwendung geeignet: Teleskopzylinder für lange Hublängen bei begrenztem Bauraum, Tandemzylinder für hohe Kräfte bei begrenztem Kolbenbohrungsdurchmesser, Doppelstangenzylinder für gleiche Kraft/Geschwindigkeit in beiden Richtungen.

Betrieb eines doppeltwirkenden Zylinders mit einfacher Kolbenstange

Der am häufigsten verwendete Typ in der industriellen Hydraulik ist der doppeltwirkende Zylinder mit einfacher Kolbenstange. Bei diesem Typ stehen die zulässigen Flussmenge (gpm) und der Druck (psi) sowie die umgerechnete mechanische Kraft und die Bewegung der Kolbenstange im Vordergrund.

Kolbenfläche und wirksame Kolbenfläche

Kolbenfläche und wirksame Kolbenfläche werden in der Regel für doppeltwirkende Zylinder mit einfacher Kolbenstange behandelt. Die große Kolbenfläche entspricht der gesamten Kolbenquerschnittsfläche, die dem Druck am Kolbenboden (seitengewandte, stangenfreie Seite) ausgesetzt ist. Die wirksame kleine Fläche (ringförmige Fläche) ist die Kolbenfläche, die dem Druck auf der Stangenseite ausgesetzt ist, da die Kolbenstange einen Teil der Kolbenfläche einnimmt. Daher ist die wirksame kleine Fläche im Allgemeinen kleiner als die große Fläche.

Ausfahrgeschwindigkeit der Kolbenstange

Die Ausfahrgeschwindigkeit der Kolbenstange des Hydraulikzylinders wird durch die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Flüssigkeit den Blindraum des Zylinders füllt. Die Kolbenstangengeschwindigkeit wird üblicherweise in ft/min oder m/min angegeben:

Beispiel: Ein Zylinder mit einer Kolbenfläche von 10 in² (64,5 cm²) erhält einen Durchfluss von 5 gpm (18,95 L/min). Stangengeschwindigkeit = (5 × 19,25) / 10 = 9,63 ft/min (49 mm/s). Bei doppeltem Durchfluss (10 gpm / 37,9 L/min) verdoppelt sich die Stangengeschwindigkeit auf 19,25 ft/min (97,33 mm/s).

Einfahrgeschwindigkeit der Kolbenstange

Während der Einfahrt der Kolbenstange tritt der Durchfluss in den Stangenraum ein. Bei gleicher Eingangs-Durchflussrate ist die Einfahrgeschwindigkeit höher als die Ausfahrgeschwindigkeit – verwenden Sie hierfür im Berechnungsformel die kleinere (ringförmige) Kolbenfläche.

Beispiel: Ein Volumenstrom von 10 gpm (38 l/min) tritt in das Stangenende eines Zylinders mit einer großen Fläche von 10 in² (65 cm²) und einer kleinen Fläche von 8 in² (52 cm²) ein. Rückzugsgeschwindigkeit = (10 × 19,25) / 8 = 24,06 ft/min (0,12 m/s).

Bei gleichem Eingangsvolumenstrom zieht sich ein doppeltwirkender Einfachstangen-Zylinder schneller zurück, als er sich ausfährt.

Austrittsstrom während des Rückzugs

Während des Rückzugs tritt der Strom in das Stangenende ein und verlässt das Blindende. Der Austrittsstrom ist größer als der Eingangsstrom – er kann mit derselben Formel wie für gpm (l/min) berechnet werden, jedoch unter Verwendung der großen Kolbenfläche. Beispiel: 10 gpm treten mit einer Geschwindigkeit von 24,06 ft/min in das Stangenende ein: Austrittsstrom = (24,06 × 10) / 19,25 = 12,5 gpm (46 L/min).

Faktoren, die die Ausgangskraft des Zylinders beeinflussen

Wie dargestellt, ist die von einem Hydraulikzylinder erzeugte Kraft eine Funktion des hydraulischen Drucks, der auf die Kolbenfläche des Zylinders wirkt. Wenn ein bestimmter Zylinder mehr als die derzeitige maximale Ausgangskraft erzeugen muss, besteht die Lösung oft darin, den Druck proportional zu erhöhen. In einigen Fällen lassen der Systemdruck und die Zylindergröße keinen größeren Zylinder zu – hier kann ein Tandemzylinder Abhilfe schaffen.

Tandemzylinder-Schaltkreis

Ein Tandemzylinder besteht aus zwei oder mehr Zylindern in Reihe. Die Kolbenstangen sind miteinander verbunden und bilden eine gemeinsame Kolbenstange. Zwischen den Zylindern angeordnete Kolbenstangen-Dichtungen ermöglichen einen doppeltwirkenden Betrieb jedes Zylinders. Wenn die Zylindergröße durch verfügbaren Platz und Maschinengröße begrenzt ist, lässt sich trotz eines relativ niedrigen vom Pumpen-/Motor-System erzeugten Drucks die gleiche mechanische Ausgangskraft erreichen.

Beispiel: Die größte Maschineninstallation ermöglicht eine Kolbenfläche von 10 in² (64,5 cm²). Der maximale Druck zur Überwindung des Lastwiderstands beträgt lediglich 500 psi (34,48 bar). Durch Hinzufügen eines Drucks von 500 psi (34,48 bar) auf die Seite mit der effektiven Fläche von 8 in² (51,6 cm²) unter Berücksichtigung des Gegendrucks ergibt sich eine Kraft von 781 psi (53,86 bar). In einer Tandemschaltung mit zwei Zylindern, jeweils bei 500 psi (34,48 bar) mit einer Fläche von 10 in² und einer effektiven Fläche von 8 in², ist die kombinierte Ausgangskraft deutlich größer.