Kraftübertragung durch Hydraulik

Hydraulische Fluide sind aufgrund ihres flüssigen Aggregatzustandes in der Lage, sich jeder geometrisch vorgegebenen Form anzupassen. Durch diese Eigenschaft können sie, wenn sie mit Druck beaufschlagt werden, jeden Rohrquerschnitt und innerhalb eines hydraulischen Kreislaufs dazwischen geschaltete Elemente wie beispielsweise Ventile durchströmen.
Der Grundgedanke bei der hydraulischen Kraftübertragung ist in den weitaus überwiegenden Fällen eine Druckbeaufschlagung eines hydraulischen Mediums, in der Regel Mineralöl mit der Konsequenz einer durch den Druck hervorgerufenen Bewegung.

Hydrostatik, Physik der ruhenden Flüssigkeit, hydrostatische Gesetze

Auf ein ruhendes flüssiges Medium, beispielsweise einen See, wirkt der atmosphärische Luftdruck. Auf die Wasseroberfläche des Sees wirkt, wenn der wetterbedingte Luftdruck 1


mbar (1
5 Pa = 1
5N/m2 = 1


hPa) beträgt, auf jeden Quadratzentimeter Fläche eine Kraft von 1
N. In 1 m Wassertiefe des Sees kommt zum atmosphärischen Luftdruck Pa von 1
5N/m2 noch der statische Druck der 1 m hohen Wassersäule, nämlich

Pa + V*ρ*g = 1
5 N / m2 + 1 m3 * 1


kg/m3 * 9,81 m/sec2 = 1
981
N/m2 =1
98,1 hPa = 1,
981 bar.

Die hydrostatischen Gesetze gelten nicht nur für inkompressible Fluide wie Wasser oder Hydrauliköl, sondern auch für gasförmige Medien wie beispielsweise Luft. So gehört es zu den hydrostatischen Erscheinungen, dass der Luftdruck mit zunehmender Entfernung von der Erdoberfläche immer geringer wird, aufgrund der geringer werdenden Erdbeschleunigung. Diese hydrostatischen Erscheinungen des veränderlichen Luftdrucks haben einen maßgeblichen Einfluss auf das Wetter.

Hydrodynamik, Physik der bewegten Flüssigkeit als Strömung

Fließt ein Fluid durch einen geschlossenen Querschnitt, so ist an jeder Stelle dieses Querschnitts die Summe aus Druckhöhe, Geschwindigkeitshöhe und Ortshöhe eine konstante Größe, die man auch noch Gesamthöhe nennt. Diese Erkenntnis wird formelmäßig durch die Bernoulligleichung charakterisiert, die auch noch unter dem Namen Energiegleichung bekannt ist.

 p / ρ*g ...   Druckhöhe in m
W2 / 2*g ... Geschwindigkeitshöhe in m
h ...           Ortshöhe in m
K ...           Gesamthöhe in m

p1 / ρ*g + W12 / 2*g + h1 = p2 / ρ*g + W22 / 2*g + h2 = K

Wendet man die Energiegleichung für Flüssigkeiten an, so kann man aufgrund ihrer Inkompressibilität die Dichte ρ als konstant annehmen.

In abgewandelter Form ist die Energiegleichung auch für Gase anwendbar, jedoch ist dann die Dichte ρ vom Druck abhängig und damit veränderlich. Zugleich verändert sich bei Gasen mit dem Druck und der Dichte auch noch die Temperatur, was bei hydrodynamischen Berechnungen von Strömungen mit Gasen auch noch zu berücksichtigen ist.

In Verbindung mit der Kontinuitätsgleichung, welche im Prinzip aussagt, dass an verschiedenen Stellen eines strömenden Mediums auch immer gleiche Massenströme herrschen, ist die Energiegleichung eine wesentliche Grundlage für die Auslegung und Dimensionierung von hydraulischen Anlagen.

Energieübertragung mittels fluidtechnischer Getriebe mit Mineralöl

Kraftfahrzeuge mit Automatikgetriebe, auch bekannt unter dem Namen hydrodynamischer Drehmomentwandler, nutzen sowohl die geschmeidigen Eigenschaften des Mineralöls als auch deren Inkompressibilität. Pumpenrad, Turbinenrad und Leitrad bilden eine perfekt aufeinander abgestimmte Einheit, durch welche der Motor immer in einem optimalen Drehzahlbereich arbeiten kann. Das Pumpenrad ist direkt mit dem Antriebsmotor verbunden und hat daher auch immer dessen gleiche Drehzahl. Das Turbinenrad ist mit dem nachgeschalteten Getriebe verbunden. Zwischen Pumpenrad und Turbinenrad befindet sich das Leitrad, welches ein ganz wesentliche Aufgabe zu erfüllen hat. Es leitet das Öl von Pumpenrad zum Turbinenrad und von da wieder zurück zur Pumpe. Aufgrund des zu übertragenden Drehmomentes ist die Turbinendrehzahl immer etwas geringer als die Pumpendrehzahl. Das Öl im Drehmomentwandler wirkt wie ein elastisches Element und sorgt so für eine sanfte Verbindung zwischen Motor und Getriebe. Die Funktion des Drehmomentwandlers ist jedoch immer mit einem gewissen Schlupf und damit auch mit Reibungsverlusten verbunden. Trotzdem ist der Drehmomentwandler in der Lage gerade beim Anfahren ein hohes Drehmoment zu erzeugen und so eine zügige Beschleunigung zu ermöglichen.

Kraftmaschine vs. Arbeitsmaschine

Eine Kraftmaschine erzeugt beispielsweise durch Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie ein Drehmoment bei einer bestimmten Drehzahl und stellt diese beiden vektoriellen Größen als mechanische Leistung einer nachgeschalteten Einheit zur Verfügung. Eine solche antreibende Maschine ist auch unter dem Namen Verbrennungsmotor bekannt.
Eine Arbeitsmaschine benötigt zur Funktion eine antreibende Einheit, um die ihr zugedachten Abläufe erfüllen zu können. So ist beispielsweise eine Ständerbohrmaschine eine Arbeitsmaschine, der sie antreibende Elektromotor jedoch eine Kraftmaschine.

Es ist jedoch nicht immer eine eindeutige Trennung dieser beiden Maschinenarten möglich.

So sind beispielsweise Wasserkraftwerke oft mit einem Pumpspeicherwerk ausgerüstet. Wenn nachts mehr Strom zur Verfügung steht, als momentan benötigt wird, treibt man mit dem überschüssigen Strom einen Universalmotor mit angeschlossener Pumpturbine an und pumpt damit Wasser in ein höher gelegenes Pumpspeicherwerk. Der Universalmotor ist umschaltbar und kann sowohl als Elektromotor als auch als Generator eingesetzt werden. Die angeschlossene Pumpturbine ist ebenfalls umschaltbar und kann sowohl als Pumpe als auch als Turbine arbeiten. In Spitzenzeiten des Strombedarfs wird das Wasser im Pumpspeicherwerk zur zusätzlichen Stromerzeugung eingesetzt. Dieses Wasser strömt dann durch die Pumpturbine, welche dann unter Drehrichtungsumkehr als Turbine arbeitet und treibt den angeschlossenen Universalmotor, der dann als Generator geschaltet ist, an.

Als vereinfachtes Beispiel für ein Maschinenelement, welches ebenso beide Maschinenarten verkörpern kann, ist auch das Schwungrad anzusehen.

Fazit

Hydraulische Kraftübertragung ist eine in der heutigen Technik häufig angewandte Methode zur Übertragung von Kräften und Bewegungen. Dabei wirkt sich die Eigenschaft der Inkompressibilität von flüssigen Medien besonders vorteilhaft aus, weil dadurch zusätzliche Volumenänderungsarbeiten, verbunden mit schlechteren Wirkungsgraden vermieden werden. Markante Beispiele für hydraulische Kraftübertragungen sind Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen, Hydraulikbagger, hydraulische Pressen, hydrodynamische Drehmomentwandler oder ganz allgemein Hydraulikzylinder für Bewegungsübertragungen jeglicher Art. Bei der Energieübertragung mittels Strömung von Fluiden muss jedoch, wenn mit höheren Drücken gearbeitet wird, das Dichtheitsproblem mit geeigneten Dichtelementen gelöst werden.

Wartung von Hydraulikschläuchen

Soll eine Hydraulikanlage einwandfrei funktionieren und sollen Ausfallzeiten durch eine Leckage vermieden werden, so müssen die Verschleißteile der Anlage regelmäßig gewartet werden. Vor allem die Hydraulikschläuche sollten alle sechs Jahre gewartet werden. Diese Frist von sechs Jahren schließt eine Lagerzeit von maximal zwei Jahren ein. Natürlich kann es sein, dass auch nach zehnjähriger Betriebszeit noch keine Leckage vorliegt, das Risiko für einen Totalausfall der Anlage ist aber zu hoch. Ein regelmäßiger Austausch der Schlauchanlagen ist daher zu empfehlen.

Voraussetzungen für den Austausch

Neben der regelmäßigen Wartung ist es nötig, die Hydraulikschläuche spätestens dann zu tauschen, wenn es Probleme gibt. Ein Abfall des Drucks kann zum Beispiel auf eine Leckage hinweisen. Absolut notwendig sind ausreichende Kenntnisse über die gesamte Anlage und speziell über die Ventile, denn Fehler beim Austausch der Schlauchanlagen können schwere Folgen nach sich ziehen. Derjenige, dem die Wartung obliegt, muss die gesamten Zusammenhänge erkennen und auch wissen, wie hoch die Belastung der Anlage sein darf. Eine sachgemäße Instandhaltung ist daher nur von einem Fachmann vorzunehmen. Die Kontrolldaten der einzelnen Inspektionen sollten in einer Datenbank gespeichert werden, so können durch einen einfachen Vergleich dieser Daten Fehler rasch erkannt werden. Durch die Auswertung der Datenbank ist es sogar möglich, die Lebensdauer der Anlage deutlich zu erhöhen, einfach aus dem Grund, weil sich Fehler häufig schon vor dem Ausfall anhand der Daten feststellen lassen.

Wann muss die Wartung erfolgen?

Nach der Montage der Schlauchleitungen müssen diese überprüft werden, ehe sie mit der vollen Belastung mit den möglichen Kilonewton in Betrieb genommen werden. Auch nach Umbauten an der Hydraulikanlage sollten die Schläuche einer Prüfung unterzogen werden. Des Weiteren ist die Wartung anzuraten, wenn es längere Zeiträume der Nichtbenutzung der Anlage gab. Immer gilt es zu bedenken, dass die Anlage mit mehreren Tonnen belastet wird – ein Fehler kann böse Folgen haben. Eine außerordentliche Überprüfung steht überdies an, wenn es zum Beispiel zu Kollisionen kam oder wenn Naturereignisse mögliche Schäden verursacht haben können.
Natürlich gibt es auch die vorgeschriebenen Wartungsintervalle, die für den sicheren Betrieb der Anlage wichtig sind. Empfohlen werden Auswechselintervalle von sechs Jahren, wobei diese Betriebsdauer die maximal zweijährige Lagerdauer der Schläuche einbezieht. Liegen zum Beispiel durch einen Mehrschichtbetrieb erhöhte Einsatzzeiten vor oder unterliegt die Anlage kurzen Taktzeiten bzw. kurzen Impulsen des Drucks, so betragen die Auswechselintervalle nur zwei Jahre. Das gilt auch dann, wenn starke innere und äußere Einflüsse vorliegen, denn damit reduziert sich die Verwendungsdauer der Hydraulikschlauchleitung. Hydraulisch geführte Werkzeuge (zum Beispiel mobile Scheren) müssen ebenfalls alle zwei Jahre gewartet werden.
Die genannten Auswechselintervalle können verlängert werden, wenn seitens des Herstellers der Maschine entsprechende Erfahrungs- und/oder Prüfwerte vorliegen und eine gefahrlose längere Verwendung der Schläuche möglich ist. Auch dann, wenn die Beurteilung des Risikos durch den Betreiber der Anlage schriftlich dokumentiert wurde und Schutzmaßnahmen für den Fall des Ausfalls der Anlage ergriffen wurden, können die Wartungsintervalle verlängert werden. Die Prüfung auf Arbeitssicherheit hat jedoch regelmäßig zu erfolgen und muss durch eine befähigte Person ausgeführt werden.
Tritt der Fall ein, dass Hydraulikschläuche während des Betriebs versagen, oder werden Mängel daran festgestellt, so sollten die Wartungsintervalle verkürzt werden.
Hydraulikschlauchleitungen aus Metall oder aus Thermoplaste können mit anderen Wartungsintervallen versehen sein. Dabei gilt es insbesondere die herstellerspezifischen Vorschriften zu berücksichtigen.

Weitere Aspekte für die Wartung der Hydraulikschläuche

Nach der Montage und vor dem ersten Betrieb der Hydraulikanlage müssen die Schlauchanlagen überprüft werden, wobei die Kriterien zu berücksichtigen sind, die direkt mit der Montage in Zusammenhang stehen. Meist sind diese nur an der vollständig montierten Anlage zu beurteilen und können daher nicht vorab geprüft werden. Einige Punkte können bei ausgeschalteter Anlage geprüft werden, für andere wiederum ist der Betrieb der Maschine oder Anlage nötig. Für die gesamte Überprüfung sind Checklisten erhältlich, die die nötigen Punkte berücksichtigen.
Mit wiederkehrenden Prüfungen in festen Intervallen soll sichergestellt werden, dass es nicht zu Schäden an der Anlage kommen kann. Dabei werden unter anderem folgende Punkte abgefragt:

  • Ist die Betriebsanleitung des Herstellers noch vorhanden?
  • Wird die Maschine wie vorgegeben verwendet und entsprechen die Umweltbedingungen den Vorschriften?
  • Gibt es Wechselwirkungen mit anderen Maschinen?
  • Haben sich die Bedingungen für die vorgesehene Verwendungsdauer der Schläuche verändert?
  • Sind alle wichtigen Kennzeichnungen an den Schlauchleitungen vorhanden?
  • Weisen die Schlauchleitungen Mängel auf?
  • Sind die erforderlichen Schutzmaßnahmen vorhanden?
  • Werden festgelegte Wartungsintervalle eingehalten und dokumentiert?
  • Sind verkürzte Wartungsintervalle nötig?

Diese Liste muss speziell auf die jeweilige Anlage und den Betrieb derselben angepasst werden.

Was tun bei fehlerhaften Schlauchleitungen?

Wurden bei der Prüfung der Hydraulikschläuche Mängel festgestellt, so müssen diese umgehend beseitigt werden. Nur so ist der arbeitssichere Zustand der Anlage sicherzustellen. Ist die Beseitigung der Mängel nicht umgehend möglich, muss die Anlage außer Betrieb genommen werden und es ist sicherzustellen, dass sie nicht versehentlich genutzt wird. Fehlerhafte Schlauchleitungen werden ausgetauscht, was durch erfahrenes Fachpersonal vorzunehmen ist. Eine Reparatur der Schlauchleitungen ist nicht erlaubt. Auch dürfen die Schläuche nicht aus bereits verwendeten Teilen neu zusammengefügt werden. Hier gilt, dass entsprechend der Vorschrift nur neue Schläuche eingesetzt werden dürfen.
Wenn mehrere Schlauchleitungen gleichzeitig ausgetauscht werden müssen, so ist sicherzustellen, dass eine Verwechslung der jeweiligen Anschlüsse und der Stellen, in die die Schläuche eingebaut werden, nicht möglich ist.

Wer darf die Wartung vornehmen?

Die Wartung der Hydraulikschlauchanlagen ist von besonders befähigten Personen durchzuführen. Das heißt, diese Person muss eine Berufsausbildung nachweisen und sollte über eine entsprechende berufliche Erfahrung verfügen. Mindestens muss die momentane berufliche Tätigkeit die erforderlichen Fachkenntnisse für die Wartung von Hydraulikanlagen ermöglichen. Damit soll sichergestellt werden, dass die Wartungen ordnungsgemäß und technisch richtig durchgeführt werden.

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