Entwicklung einer selbstgeschmierten Hochdruckpumpe für den Betrieb mit Klarwasser

  CAD Bild einer Axialkolbenpumpe

Der Druckbereich wasserhydraulischer Systeme ist begrenzt durch die Beanspruchung der tribologischen Kontakte in den Komponenten. Pumpen nach dem Stand der Technik erreichen 160 bis 210 bar. Das Forschungsziel ist daher die Kontakte einer wasserhydraulischen Pumpe für höhere Belastungen auszulegen.

 
Nutzen Vorgehen

Größerer Druckbereich wasserhydraulischer Systeme

Bewertung von Pumpenkonzepten für die Wasserhydraulik

Höheres Leistungsgewicht der Komponenten

Aufbau eines Simulationsmodells für den Druck im Schmierspalt von Kolbenschuhen

Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit wasserhydraulischer Antriebslösungen

Auslegung eines tribologischen Kontakts für die Schmierung mit dem Medium Wasser

Kontakt

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Hochdruck in Wasserhydraulikanwendungen

Wasserhydraulik findet heutzutage Anwendung sowohl in Pressen und dem Bergbau als auch in der Nahrungsmittelindustrie und der Pharmazie. Diese Anwendungen berufen sich auf die Vorteile, dass das Medium nicht entflammbar und nicht toxisch ist. Im Vergleich mit der Ölhydraulik ist das Druckniveau auf 160 bis 210 bar limitiert. Dies resultiert aus der Schmierung der tribologischen Kontakte mit Wasser.

Das Ziel ist die Entwicklung einer wasserhydraulischen Hochdruckpumpe, um somit den Druckbereich für Anwendungen mit dem Medium Klarwasser zu steigern. Weiterhin wird damit die Leistungsdichte wasserhydraulischer Antriebe vergrößert und die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber der klassischen Ölhydraulik gestärkt.

 
 

Schmierung mit Klarwasser

Deformation eines Kolbenschuhs (Ansys FEM) Deformation eines Kolbenschuhs (Ansys FEM)

Im Rahmen der Entwicklung wurde der Kontakt zwischen Kolbengleitschuh und Schrägscheibe von Axialkolbenmaschinen bei Wasserschmierung betrachtet. Für die Materialpaarungen werden häufig Kunststoffe verwendet, deren Deformation unter Druck eine Limitierung für das Druckniveau darstellt. Beispielhaft ist im Bild die Deformation eines Kolbenschuhs bei 100 bar dargestellt. Die Größe der Deformation ist in der gleichen Größenordnung wie die eigentliche Spalthöhe.

 
  Spalthöhe (links) und Leckage (rechts) eines Kolbenschuhs Spalthöhe (links) und Leckage (rechts) eines Kolbenschuhs

Weiterhin führt die Deformation bei höheren Drücken zu einer Vergrößerung der Spalthöhe, da die Lasttragfähigkeit steigt. Somit vergrößert sich auch die Leckage aus dem Gleitschuh-Kontakt, in dem gewählten Beispiel um den Faktor 5 zwischen 200 und 300 bar. Damit ist eine Limitierung des maximalen Drucks durch die Leckage gegeben.

 
 

Danksagung

Logo des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Das Forschungsvorhaben wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit dem Kennzeichen ZF4199603KO6 als Kooperationsprojekt zwischen dem Institut für fluidtechnische Antriebe und Systeme (ifas) der RWTH Aachen University und der Fa. Hauhinco Maschinenfabrik GmbH & Co.KG gefördert. Die Autoren bedanken sich für die Förderung.

 
 

Veröffentlichungen

Schoemacker, F., Schmitz, K.: Piston Slippers for Robust Water Hydraulic Pumps, 2018, 11th International Fluid Power Conference, Aachen