Effizienzsteigerung von Verdrängereinheiten durch optimales Einlaufen

 

Nach der Fertigung von Verdrängereinheiten müssen sich die tribologieschen Kontakte aufeinander abstimmen, was leichte Form- und Oberflächenveränderungen zur Folge hat. Bisher gibt es lediglich eine kurze Funktionsüberprüfung beim Hersteller, der Einlaufprozess findet danach unkontrolliert beim Kunden statt. Ziel ist es, eine Einlaufstrategie zu ermitteln welche möglichst hohe Wirkungsgrade bei niedrigen Verschleißraten erlaubt.

 
Nutzen Vorgehen

Analyse des tribologischen Systems

Systematische Untersuchungen am Rotationstribometer

Prüfstandversuche an ausgewählten tribologischen Kontakten

Optimierung der Einzelkontakte

Skalierung der Ergebnisse auf markttypische Verdrängereinheiten

Bestimmung des Referenzzustands

Ableitung einer optimalen Einlaufprozedur

Untersuchung gezielter Einlaufstrategien

Kontakt

Fotografie von Herr Holzer

Telefon

work
+49 241 80 47731

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Verschleiß reduzieren durch optimale Einlaufparameter

Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise sind die in der hydraulischen Antriebstechnik am weitesten verbreitete Pumpenbauform im Druckbereich 250 bis 400 bar. Vor der Auslieferung neuer Einheiten findet üblicherweise eine Funktionsprüfung der Einheiten beim Hersteller statt, welche mit einer kurzen Einlaufprozedur verbunden sein kann. Der Aufbau und die Ausbildung der tribologischen Kontakte, insbesondere Kolbentrommel – Steuerspiegel, Kolben – Buchse und Kolbengleitschuh – Schrägscheibe wird durch den Einlaufvorgang maßgeblich beeinflusst. Dies führt zunächst zu einer erhöhten Partikelbelastung des Systems und zu Änderungen des Systemverhaltens (z.B. Wirkungsgrad, Regelverhalten, …) während der Inbetriebnahme. Durch die optimale Wahl der Einlaufparameter soll das Systemverhalten gezielt verändert werden.

 

Zielsetzung beim Einlaufvorgang neuer Einheiten

Verschleißgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Einlaufbelastung bei Dieselmotoren Verschleißgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Einlaufbelastung bei Dieselmotoren

Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer Einlaufstrategie im Hinblick auf eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrades und eine Verschleißreduktion für Axialkolbenpumpen. Dabei sind systematische Untersuchung der tribologischen Effekte anhand verschiedener Abstraktionsstufen vorgesehen. Begonnen wird mit Untersuchungen am Scheibe-Scheibe-Tribometer, mittels dessen eine optimale Einlaufprozedur erarbeitet wird. Im Anschluss werden marktübliche Verdrängereinheiten mit solchen, die gemäß zuvor erarbeiteter Prozedur eingelaufen wurden, verglichen. Die gewonnenen Grundlagenkenntnisse sind dabei auch für andere Verdrängerbauarten und weitere Zweige des Maschinenbaus nutzbar.

Beim ifas wurde im Rahmen eines vorausgehenden Projekts gezeigt, dass deutliche Wirkungsgradsteigerung von bis zu 3% je nach Einlaufprozedur möglich sind. Es zeigte sich ebenfalls, dass der kurze Einlaufvorgang nach der Funktionsprüfung bei weitem nicht abgeschlossen ist und die Einheiten im Betrieb beim Anwender weiter einlaufen.

Das Einlaufverhalten ist unter anderem aus dem Bereich der Automobiltechnik bekannt. So zeigen Messungen aus der Dieselmotorenentwicklung, dass die Einlaufstrategie einen maßgeblichen Einfluss auf die Verschleißgeschwindigkeit hat.

 

Tribologische Grundlagen

Ein tribologisches System besteht grundsätzlich aus einem Grundkörper, einem Gegenkörper und einem Zwischenstoff sowie einem Umgebungsmedium. Reibung und Verschleiß hängen vor allem vom Beanspruchungskollektiv sowie der Systemstruktur ab.

Da sich die Systemstruktur bedingt durch die komplexe Geometrie nur schwer ändern lässt soll dieser Ansatz hauptsächlich beim Beanspruchungskollektiv ansetzen. Dieses Kollektiv ist während der Nutzungszeit von der zu verrichteten Aufgabe abhängig. Während einer anfänglichen, kurzen Einlaufphase kann das Beanspruchungskollektiv aber frei gewählt werden, was es ermöglicht, das tribologische System in einer bestimmten Weise zu beeinflussen.

  Oberfläche eines tribologisch aktiven Werkstücks Oberfläche eines tribologisch aktiven Werkstücks

Aktivierung der Oberflächen

Um die tribologisch aktiven Oberflächen zu verändern ist ein Energieeintrag nötig. Dieser kann thermisch, chemisch oder durch mechanische Belastung erfolgen. Dabei wird die Metalloberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 400 nm verändert. Der Aufbau einer typischen Metalloberfläche gliedert sich in Adsorptionsschicht, Reaktionsschicht, Oxidschicht und Tribomutationsschicht. Darunter befindet sich das ursprüngliche Substrat.

 

Scheibe-Scheibe Tribometer

Schnitt durch das Scheibe-Scheibe Tribometer Schnitt durch das Scheibe-Scheibe Tribometer

Für Versuche steht am ifas ein Scheibe-Scheibe Tribometer bereit, welches im Rahmen eines vorherigen Projekts aufgebaut wurde. Dieses Tribometer wird an die neuen Randbedingungen angepasst und mit zusätzlicher Messtechnik ergänzt. Der Prinzipielle Aufbau besteht aus einem ruhenden Grundkörper (blau dargestellt) und einem beweglichen Gegenkörper (rot dargestellt). Beide Körper befinden sich in einer temperierbaren Kammer, wodurch es möglich ist, verschiedene Hydraulikfluide zu verwenden. Über die Temperierbarkeit ist es möglich die realen Umgebungsbedingungen innerhalb einer Verdrängereinheit abzubilden. Oberhalb des gezeigten Ausschnitts befindet sich die Kraftmesseinrichtung sowie ein hydraulischer Stempel um die Flächenpressung einstellen zu können. Unterhalb des Ausschnitts befindet sich ein Antriebsmotor welcher die untere Scheibe antreibt.

 

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 20083 N / 1 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. – FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.