Druckflüssigkeiten

Einleitung

Die Druckflüssigkeit hat in einer hydraulischen Anlage als Hauptaufgaben Kräfte und Bewegungen zu übertragen.

Durch die vielfältigen Abwendungs- und Einsatzmöglichkeiten der hydraulischen Antriebe, werden von den Druckflüssigkeiten weitere Aufgaben und Eigenschaften gefordert.

Da es keine Druckflüssigkeit gibt die für alle Anwendungsbereiche gleichermaßen gut geeignet ist, müssen bei der Auswahl der Druckflüssigkeit die Besonderheiten der Anwendung berücksichtigt werden. Nur so ist weitestgehend ein störungsfreier und wirtschaftlicher Betrieb möglich.

  Anforderungen an die Druckflüssigkeit

 Schmier- und Verschleißschutzeigenschaften

Die Druckflüssigkeit muss in der Lage sein, alle sich bewegenden Teile mit einem nichtabreißenden Schmierfilm zu benetzen. Der Schmierfilm kann infolge hoher Drücke, unzureichender Ölzufuhr, niedriger Viskosität und langsamen oder sehr schnellen Gleitbewegungen abreißen. Fressverschleiß ist dann die Folge (Standard-Passungsspiel z.b. bei Wegeventilen 8 bis 10 (um).

Neben dem Freßverschleiß wird noch zwischen Abrieb-, Ermüdungs- und Korrosionsverschleißunterschieden.

   ►  Der Abriebverschleiß tritt bei verschmutzten, nicht oder unzureichend gefilterten Druckflüssigkeiten durch Verunreinigungen  mit Feststoffen (z.B. Metallabrieb, Schlacke, Sand usw.) zwischen aufeinander gleitenden Teilen auf. Ebenso können die mitgeschleppten Fremdstoffe bei hohen Druckflüssigkeitsgeschwindigkeiten in den Geräten Abrieb verursachen.

   ►  Durch Kavitation kann sich in den Geräten das Gefüge verändern und zum Ermüdungsverschleiß führen.

 Verstärkter Verschleiß kann bei Verunreinigungen der Druckflüssigkeiten mit Wasser an den Pumpenlagem auftreten.

   ►  Durch längere Stillstandszeiten der Hydroanlage und die Verwendung nicht geeigneter Druckflüssigkeiten kann es zu    Korrosionsverschleiß kommen. Es kommt zur Rostbildung durch Feuchtigkeitseinwirkungen auf Gleitflächen, das führt zu verstärktem Verschleiß der Geräte.

 

Viskosität

Unter Viskosität versteht man die Eigenschaft einer Druckflüssigkeit, der gegenseitigen laminaren Verschiebung zweier benachbarter Druckflüssigkeitsschichten einen Widerstand entgegenzusetzen (siehe auch DIN 51550).

Die wichtigste Kenngröße bei der Auswahl einer Druckflüssigkeit ist die Viskosität. Sie kennzeichnet nicht die Qualität der Druckflüssigkeit, sondern gibt Aufschluss über das Verhalten der Druckflüssigkeit bei einer bestimmten Bezugstemperatur. Für die Auswahl von Hydrokomponenten ist es wichtig, die in den Unterlagen der Hydrokomponenten-Hersteller angegebenen zulässigen minimalen und maximalen Viskositätswerte zu berücksichtigen um die Einsatzgrenzen zu kennen.

Viskositätsindex

Die Druckflüssigkeit soll bei Temperaturschwankungen auch über einen weiten Bereich nicht "dick - oder dünnflüssiger" werden, da sich sonst die Volumenströme an Drosselstellen verändern (Geschwindigkeitsänderung der Verbraucher).

Die Ermittlung des Viskositätsindex erfolgt nach DIN ISO 2909. Im Viskositäts-Temperatur-Diagramm erkennt man den günstigen Viskositätsindex der Druckflüssigkeit an seiner flachen Kennlinie. Druckflüssigkeiten mit einem hohen Viskositätsindex werden vor allem bei Anwendungen die hohen Temperaturschwankungen unterliegen, wie mobilen Arbeitsmaschinen Fahr- und Flugzeugen, benötigt.

Viskositäts-Druck- Verhalten

Die Viskosität von Druckflüssigkeiten ändert sich mit steigendem Druck. Bei Drücken über 200 bar muss diese Eigenschaft bei der Planung von Hydroanlagen beachtet werden. Bei ca. 400 bar wird bereits eine Verdoppelung der Viskosität erreicht.

 Verträglichkeit mit Werkstoffen

Die Druckflüssigkeit soll eine hohe Verträglichkeit mit anderen in Hydroanlagen eingesetzten Werkstoffen, wie sie für Lager, Dichtungen, Anstriche usw. verwendet werden, aufweisen. Dies gilt auch für den Fall, da Druckflüssigkeit aus der Hydroanlage austritt und so mit anderen Anlagenteilen wie elektrischen Leitungen, mechanische Bauteilen usw. in Berührung kommt.

Scherstabilität

Die Druckflüssigkeit wird an Steuerkanten und Ventilsitzen, beim Offnen und Schließen, mechanisch belastet; der Druckflüssigkeitsstrom wird "abgeschert". Dieser Vorgang beeinflusst die Lebensdauer der Druckflüssigkeit. Sind Viskositätsindex-Verbesserer in der Druckflüssigkeit enthalten, nimmt die Scherempfindlichkeit zu. Bei normaler Belastung auf Scherung durch Ventile und Pumpen kommt es zu einem vorübergehenden Viskositätsabfall, der sich jedoch wieder normalisiert. Wird die Scherbeanspruchung jedoch über die Scherfestigkeit der enthaltenen Viskositätsindex-Verbesserer hinaus beansprucht, dann werden diese zum Teil zerstört und der ursprüngliche Viskositätswert wird nicht mehr erreicht. Es kommt zu einem bleibenden Viskositätsabfall. )

Beständigkeit gegen thermische Belastung

       Die Druckflüssigkeit kann sich während des Betriebes der Anlage aufheizen

        (nach Möglichkeit nicht über 80 C). In der Stillstandszeit kühlt die

   Druckflüssigkeit wieder ab. Diese sich wiederholenden Vorgänge haben einen

         Einfluss auf die Lebensdauer der Druckflüssigkeit. Bei vielen Anlagen wird

         deshalb mit Wärmetauschern (Heizung und Kühlung) die Betriebstemperatur der

Druckflüssigkeit konstant gehalten.

Der Vorteil ist eine stabile Viskositäts-Kennlinie und eine längere Lebensdauer

der Druckflüssigkeit.

Als Nachteile sind höhere Anschaffungs- und Betriebskosten (Strom für

Heizung und Wasser/Luft für Kühlung) zu nennen.

Beständigkeit gegen oxydative Beanspruchung

Der Alterungsvorgang bei Mineralölen wird durch Sauerstoff, Wärme, Licht und Katalyse beeinflusst. Ein Mineralöl mit hoher Alterungsbeständigkeit hat Oxitations-Inhibitoren, die eine schnelle Aufnahme von Sauerstoff verhindern. Erhöhte Sauerstoffaufnahme würde zusätzlich die Korrosion von Bauteilen begünstigen.

Kupfer, Blei, Bronze, Messing und Stahl haben einen besonders hohen katalytischen Effekt und beeinflussen die Lebensdauer der Druckflüssigkeit. Diese Werkstoffe oder Werkstoffpaarungen finden sich in den hydraulischen Bauelementen.

Geringe Kompressibilität

Die in der Druckflüssigkeit mitgeführte gelöste Luft bedingt das

Zusammendrücken der Druckflüssigkeitssäule. Diese Eigenschaft beeinflusst die

Genauigkeit hydraulischer Antriebe. Bei Steuerungs- und Regelungsvorgängen

beeinflusst die Kompressibilität die Ansprechzeiten.

Werden große unter Druck stehende Räume schnell geöffnet, kommt es zu

Entlastungsschlägen in der Anlage. Die Kompressibilität der Druckflüssigkeit

wird durch einen Faktor definiert, der von der Druckflüssigkeit abhängig ist und

mit steigender Temperatur zu - und mit steigendem Druck abnimmt.

Als Richtwert für Mineralöl kann man für theoretische Überlegungen mit einem

Kompressibilitäts-Faktor von 0,7 bis 0,8% pro 100 bar rechnen. Für das Medium

"Wasser" kann mit einem Faktor von 0,45 % pro 100 bar gerechnet werden.

Die Kompressibilität steigt beachtlich, wenn ungelöste Luft (Luftblasen) mittransportiert wird. Durch falsche Behältergröße und Behälterkonstruktion, sowie unsachgemäße Verrohrung kann sich die ungelöste Luft von der Druckflüssigkeit nicht mehr trennen und verschlechtert dadurch den Kompressibilitätsfaktor erheblich. Als weitere Folgen treten Geräusche, ruckartige Bewegungen und starke Erwärmung in der Hydroanlage auf (siehe auch Dieseleffekt).

Unter dem Dieseleffekt versteht man die Selbstentzündung eines Luft-Gas-Gemisches. Mineralöl enthält viele kleine Luftbläschen. Wird Mineralöl schnell unter hohen Druck gesetzt, also verdichtet, so werden die Luftbläschen so stark erhitzt, dass eine Selbstentzündung eintreten kann. Dadurch entsteht örtlich ein hoher Druck- und Temperaturanstieg, der die Dichtungen der Hydrokomponenten beschädigen kann. Die Lebensdauer der Druckflüssigkeit wird dadurch ebenfalls beeinträchtigt.

Geringe Temperaturausdehnung

Wird die Druckflüssigkeit unter atmosphärischem Druck erwärmt, vergrößert sich das Volumen. Bei Anlagen mit großem Füllvolumen muss die spätere Betriebstemperatur der Anlage berücksichtigt werden.

Beispiel:

Das Volumen von Mineralöl wächst um 0,7% pro IOC Temperaturerhöhung.

Geringe Schaumbildung

Aufsteigende Luftbläschen können im Behälter Oberflächenschaum bilden. Durch richtige Anordnung der Rücklaufleitungen in den Behälter und durch eine sachgemäße Behälterkonstruktion, z. B. mit Beruhigungsblechen, kann die Schaumbildung minimiert werden. Mineralöle enthalten chemische Zusätze die das Schäumen mindern. Die Neigung der Druckflüssigkeit zur Schaumbildung nimmt durch Alterung, Verunreinigung und Kondenswasser zu. Saugt die Pumpe schaumiges l an, kann es zu schweren Störungen im System und zum schnellen Ausfall der Pumpe fuhren

Geringe Luftaufnahme und gute Luftabgabe

          Die Druckflüssigkeit soll möglichst wenig Luft aufnehmen und

mittransportieren, eventuell mitgerissene Luft jedoch schnell wieder abgeben können. Chemische Zusatzstoffe beeinflussen diese Forderungen positiv. Die Luftabgabe oder das Luftabscheidevermögen (LA V) wird nach DIN 51 381 bestimmt. Gemessen wird die Zeit in Minuten, die zum Abscheiden im Mineralöl enthaltener Luftblasen bis auf 0,2 Vol % benötigt wird. Das Luftabscheidevermögen verschlechtert sich mit steigender Temperatur der Druckflüssigkeit.

Hoher Siedepunkt und niedriger Dampfdruck

Je höher der Siedepunkt der eingesetzten Druckflüssigkeit liegt, umso höher darf die maximale Betriebstemperatur der Anlage sein.

          Hohe Dichte

         Unter der Dichte einer Druckflüssigkeit versteht man das Verhältnis ihrer Masse

zum Volumen. Sie sollte möglichst hoch sein, um mit gleichem

         Druckflüssigkeitsvolumen eine größere Leistung übertragen zu können. Bei

     hydrostatischen Antrieben ist diese Betrachtung von geringerer Bedeutung als

      bei hydrodynamischen Antrieben. Die Dichte von Mineralölen liegt zwischen

0,86 und 0,9 g/cm³

Die Dichte wird zur Umrechnung des Viskositäts-Dichte- Verhältnisses

          (kinematische Viskosität) in die Viskosität (dynamische Viskosität) oder

umgekehrt benötigt.

Die Bezugstemperatur in der Praxis für die Dichte ist 15C.

Gutes Wärmeleitvermögen

Die in den Pumpen, Ventilen, Motoren, Zylindern und Rohren entstehende Wärme soll von der Druckflüssigkeit zum Behälter transportiert werden. Der Behälter gibt die zurückgeführte Wärme teilweise über seine Wände nach außen ab. Reichen die Abstrahlflächen nicht aus, müssen zusätzliche Wärmetauscher (Kühler) in die Anlage mit eingeplant werden, damit keine Überhitzung der Anlage und der Druckflüssigkeit auftritt.

Gute dielektrische (nicht leitende) Eigenschaften

Die Druckflüssigkeit soll nach Möglichkeit keine elektrische Energie übertragen können (z.b. bei Kurzschluss, Kabelbruch usw.; Magnete sind meist von der Druckflüssigkeit benetzt, um die entstehende Wärme abzuführen und einen gedämpften Ankerschlag zu erzielen.

Nicht hygroskopisch

Bei Anlagen, die mit Mineralölen betrieben werden, muss darauf geachtet werden, dass das Mineralölen wasserfrei bleibt, da sonst Störungen auftreten und zum Ausfall der Anlage führen können. Wasser kann durch Zylinder und Wellendichtungen, durch undichte Wasserkühler und kondensierende Luftfeuchtigkeit an den Behälterwänden eindringen. Auch beim Befüllen des Behälters kann bereits in der neuen Druckflüssigkeit Wasser (Kondenswasser) enthalten sein. Ist der Wassergehalt größer als 0,2 % des Gesamtvolumens, muss ein Druckflüssigkeitswechsel vorgenommen werden. Eine Trennung vor Wasser und Druckflüssigkeit mit Hilfe von Separatoren oder Zentrifugen kann während der laufenden Anlage durchgeführt werden (hauptsächlich bei Großanlagen). Bei Anlagen die im Freien (höhere Luftfeuchtigkeit und Regen) arbeiten, wird dem Luftfilter ein Lufttrockner nachgeschaltet, der die benötigte Luft (bedingt durch das Pendelvolumen) trocknet.

Da Wasser das höhere spezifische Gewicht hat, kann sich das in der Druckflüssigkeit befindliche Wasser in Anlagenstillstandszeiten am Behälterboden sammeln (Mineralöl und Wasser gehen keine chemische Verbindung ein und können sich daher wieder trennen). Befindet sich am Behälter eine durchgehende Istandsanzeige, kann man das Wasser deutlich erkennen. Wird der Ölablasshahn am Behälter vorsichtig geöffnet, tritt zuerst das Wasser aus. Bei Großanlagen werden oft Wasserwarner am tiefsten Punkt des Behälters montiert, die bei einem einstellbaren Wasserpegelstand ein elektrisches Warnsignal auslösen. Eine Bestimmung des Wasserabscheidevermögens in einer bestimmten Zeiteinheit hat sich für die Praxis nicht durchsetzen können.

Schwer entflammbar - nicht brennbar

Hydraulische Anlagen werden auch in Warm- oder Heißbetrieben, mit Produktionsstätten die mit offenem Feuer oder sehr hohen Temperaturen arbeiten müssen, eingesetzt. Um das Risiko von berstenden Rohrleitungen und/oder Schläuchen kalkulieren zu können, werden in derartigen Einsatzfällen Druckflüssigkeiten mit hohem Flammpunkt, schwerer Entflammbarkeit oder nicht brennbare Druckflüssigkeiten angewendet.

Ungiftig als Flüssigkeit, als Dampf und nach einer Zersetzung

Um eine Gefährdung der Gesundheit und der Umwelt durch Druckflüssigkeiten zu vermeiden, sind die einschlägigen Hinweise in den Unterlagen der Druckflüssigkeitshersteller zu beachten.

Guter Rostschutz

Hersteller von Pumpen, Ventilen, Motoren, und Zylindern prüfen diese mit Mineralölen, die in den Geräten einen Rostschutz bewirken. Das Rostschutzvermögen von Mineralölen wird durch chemische Zusätze erreicht, die auf den metallischen Oberflächen einen wasserabweisenden Film bilden und bei der Alterung des Mineralöles die korrosiven Zersetzungsprodukte neutralisieren.

 Nachdem die hydraulischen Komponenten geprüft sind, wird das in den   Komponenten verbliebene Mineralöl wieder in den Behälter geleitet. Der Mineralölfilm auf den Komponenten    schützt sie vor Korrosion bis zur Inbetriebnahme. Bei längerer Lagerung der Komponenten sind  besondere Maßnahmen zum Korrosionsschutz (z. B. durch Konservierungsöl)   durchzuführen.

Keine Bildung klebriger Substanzen

Die Druckflüssigkeit soll während längerer Stillstandszeiten der Hydroanlage, während des Betriebes, bei Erwärmung und Abkühlung und durch ihre Alterung keine Stoffe bilden, die zum "Kleben" von beweglichen Teilen der hydraulischen Komponenten führen.

Gute Filtrierbarkeit

Die Druckflüssigkeit einer Hydroanlage wird permanent während des Betriebes im Vor- oder Rücklauf oder in bei den Richtungen gefiltert, um den Abrieb aus der Druckflüssigkeit zu filtern. Die Druckflüssigkeit und ihre Viskosität beeinflussen die Filtergröße und den Werkstoff des Filtergewebes.

Mit steigender Viskosität nimmt der Staudruck (das Ap) zu. Dadurch muss ein größeres Filter eingeplant werden. Bei aggressiven Druckflüssigkeiten benötigt man besondere Werkstoffe für das Filtergewebe. Die in den Druckflüssigkeiten enthaltenen Wirkstoffe dürfen sich nicht in den Filtern ablagern. Werden in Anlagen Feinstfilter von 5 um Maschenweite und kleiner eingesetzt, muss die Druckflüssigkeit auf ihre Eignung für diese Einsatzbedingungen untersucht werden.

Verträglichkeit und Austauschbarkeit mit anderen Druckflüssigkeiten (Druckflüssigkeitswechsel)

Durch Umbau oder Umstellung von Produktionslinien, geänderten Umweltbedingungen oder durch neue Gesetze, kann ein Druckflüssigkeitswechsel erforderlich sein. In diesen Fällen sind die Druckflüssigkeits- und Komponentenhersteller auf die Eignung der Druckflüssigkeit und der in der Hydroanlage eingebauten Komponenten für die neuen Einsatzbedingungen anzusprechen.

Mitunter müssen alle hydraulischen Geräte, Dichtungen und Schläuche komplett ausgebaut und vollständig von der alten Druckflüssigkeit gereinigt werden. Eine nicht sachgemäße Vorgehensweise kann in solchen Fällen zum Totalausfall der Hydroanlage führen.

Schlammbildung

Die Druckflüssigkeit und die beigemengten Zusatzstoffe sollen sich während der gesamten Einsatzzeit nicht zersetzen und zur Schlammbildung rühren (Klebeeffekte).

Wartungsfreundlichkeit

Hohen Wartungsaufwand benötigen Druckflüssigkeiten, die z.B. nach längeren Stillstandszeiten erst wieder umgewälzt und gemischt werden müssen. Druckflüssigkeiten bei denen die Zusatzstoffe schnell ihre Eigenschaften verlieren oder sich verflüchtigen, müssen häufiger einer chemischen und/oder physikalischen Kontrolle unterzogen werden. Die Kontrolle der Druckflüssigkeit soll durch einfache Verfahren möglich sein. In Grenzsituationen können die Druckflüssigkeits- und Filterhersteller Proben analysieren und über Verbleib oder Austausch entscheiden.