PUB - Forschung in der Wasserhydraulik
In der O+P Fluidtechnik ist eine Veröffentlichung zum Thema „Forschung in der Wasserhydraulik“ erschienen.
Die Anwendungsfelder der Wasserhydraulik ergeben sich aus den Vorteilen gegenüber der Ölhydraulik, dass das Medium weder entflammbar noch toxisch ist. Herausforderungen der Wasserhydraulik sind insbesondere in der reduzierten Viskosität gegenüber Mineralöl zu finden. Dies führt zu einer Drucklimitierung bei Wasserschmierung der Komponenten. Die Veröffentlichung befasst sich mit dem Aufzeigen der Einsatzgrenzen und aktuellen Forschungsvorhaben am ifas.
Die genannten Vorteile führen zu den verbreiteten Anwendungsbereichen der Wasserhydraulik wie Nahrungsmittel und Pharmaindustrie, sowie Entzunderungsanlagen und dem Bergbau. Wasserhydraulische Komponenten sind je nach Druckniveau mit dem Medium Wasser selbst oder mit einem zusätzlichen Schmieröl geschmiert. Typische Druckniveaus sind in Bild 1 gezeigt. Aus der Schmierung der tribologischen Kontakte mit Wasser resultiert ein Druckniveau von 160 bis 210 bar.
Ausgehend von der Problematik, dass das Druckniveau einer wasserhydraulischen Anwendung mit selbstgeschmierten Komponenten auf 160 bis 210 bar limitiert ist, beschäftigt sich ein Forschungsvorhaben am ifas mit der Entwicklung einer selbstgeschmierten Kolbenpumpe für hohe Drücke, um den Anwendungsbereich wasserhydraulischer Systeme zu erweitern. Weiterhin wird damit die Leistungsdichte wasserhydraulischer Antriebe vergrößert und die Wettbewerbs-fähigkeit gegenüber der klassischen Ölhydraulik gestärkt. Im Rahmen der Entwicklung wurde der Kontakt zwischen Kolbengleitschuh und Schrägscheibe von Axialkolbenmaschinen bei Wasserschmierung betrachtet. Für die Materialpaarungen werden häufig Kunststoffe verwendet, die unter Druck höhere Deformationen als metallische Werkstoffe aufweisen. Daher wurde innerhalb des Forschungsprojekts untersucht inwiefern Kunststoffe (hier anhand des Werkstoffs PEEK) für Materialpaarungen in wasserhydraulischen Kontakten unter Hochdruck geeignet sind und welche Einsatzgrenzen sich ergeben. Bild 2 zeigt beispielhaft die Deformation eines Gleitschuhs aus PEEK.
Die Berechnung für verschiedene Betriebspunkte führt zu den Resultaten von Spalthöhe und Leckage in Bild 3. Materialpaarungen aus Kunststoff und Edelstahl zeigen eine deutliche Deformation unter Belastung aufgrund der Nachgiebigkeit der Kunststoffe. Aus den Zusammenhängen kann eine Limitierung des Drucks auf ungefähr 200 bar abgeleitet werden. Die Limitierung kann auch durch geschickte Wahl der Konstruktion des Triebwerks nicht umgangen werden, da die Problematik der Schmierung mit Wasser grundsätzlich gilt. Die Idee die größeren Belastungen durch große Flächen zu kompensieren führt zu unzulässig großen Bauräumen, vergrößerten Reibflächen und wiederum schlechteren Wirkungsgraden. Zur weiteren Verbreitung der Wasserhydraulik ist eine Medientrennung in kompakten Kolbenmaschinen unumgänglich.