Das Entwerfen eines hydraulischen Systems für den Hochtemperaturbetrieb ist nicht einfach eine Frage des Einbaus eines größeren Ölkühlers oder des Austauschs von Standarddichtungen gegen hitzebeständige Materialien. Ein System kann weiterhin überhitzen, wenn es Energie über Druckventile, Drosselventile, einschränkende Leitungen oder abgenutzte Komponenten verschwendet.
Das Ziel ist es, ein stabiles thermisches Gleichgewicht unter dem realen Betriebszyklus zu erreichen. Die von der Pumpe, den Ventilen, den Rohren, den Aktuatoren und internen Undichtigkeiten erzeugte Wärme muss gleich oder niedriger sein als die über den Reservoir, den Kühler, die Rohrleitungen und die umgebende Luft abgegebene Wärme. Das Öl muss zudem in einem Viskositätsbereich bleiben, der den effizienten Betrieb des Systems ermöglicht.
Diese Elemente sollten daher als ein thermisches System entworfen werden.
Beginnen Sie mit dem tatsächlichen Betriebszyklus
Der erste Schritt ist, zu definieren, was “hohe Temperatur” für die Maschine bedeutet. Umgebungstemperatur, Reservoiröltemperatur und lokale Komponenten Temperaturen sind nicht dasselbe.
Eine Leistungseinheit, die bei 40 °C im Freien betrieben wird, kann innerhalb eines geschlossenen Gehäuses oder in der Nähe eines Motors oder Abgasrohres viel höhere Temperaturen erfahren. Schläuche und Magnetventile in der Nähe einer lokalen Wärmequelle können ebenfalls deutlich über der Reservoirtemperatur arbeiten.
Der komplette Betriebszyklus ist bedeutender als nur der maximale Druck und die Durchflussmenge. Ein Niederdrucksystem, das kontinuierlich ein großes Volumen Öl drosselt, kann mehr Wärme erzeugen als eines, das nur für einige Sekunden hohen Druck erreicht.
Bevor das Design beginnt, bestätigen Sie den Bereich der Umgebungstemperatur, die erwartete Öltemperatur, die kontinuierliche Laufzeit, die Druckhaltedauer, den durchschnittlichen und maximalen Durchfluss, die Zyklusfrequenz, die Leerlaufzeiten, externe Wärmequellen und die verfügbare Belüftung oder Kühlwasser.
Identifizieren und Reduzieren der Hauptwärmequellen
Hydraulische Wärme ist hauptsächlich Eingangsleistung, die nicht in nützliche mechanische Arbeit umgewandelt wird. Während der ersten Entwurfsphase kann die Wärmelast geschätzt werden, indem die Pumpeneingangsleistung mit der nützlichen Leistung verglichen wird, die von den Aktuatoren geliefert wird. Der Unterschied wird durch Druckverluste, Leckagen, Reibung und Fluidanregung freigesetzt.
An einer vorhandenen Maschine können Druck- und Temperaturmessungen helfen, Verluste zu lokalisieren. Ein großer Druckabfall über einem Ventil, Filter, Kühler, Schlauch oder Schnellkupplung weist auf kontinuierliche Energieverluste hin. Ein heißer Pumpengehäuseablauf oder Rücklauf kann auf abnehmende Effizienz, Drosselung oder Bypassströmung hinweisen.
Der kontinuierliche Durchfluss des Überdruckventils ist eine der häufigsten Ursachen für Überhitzung. Wenn eine Pumpe mit fester Verdrängung weiterhin vollen Durchfluss liefert, nachdem ein Aktuator gestoppt hat, oder wenn der Pumpenausgang die Maschinenanforderung übersteigt, kehrt das überschüssige Öl über einen Druckabfall zum Tank zurück. Fast die gesamte nicht genutzte Leistung wird zu Wärme.
Für variable Nachfrage kann eine variabel verstellbare, druckkompensierte oder lastsensorgesteuerte Pumpe unnötigen Durchfluss reduzieren. In einem System mit fester Verdrängung kann ein Entlastungsstromkreis die Pumpe während der Leerlaufzeiten mit niedrigem Druck halten.
Das Halten einer Last, indem die Pumpe kontinuierlich mit hohem Druck betrieben wird, ist ebenfalls ineffizient. Je nach Anwendung kann die Last stattdessen mit einem Rückschlagventil, Ausgleichsventil, Akkumulator, Niedrigdurchfluss-Haltekreis oder mechanischem Schloss gehalten werden.
Diese Verluste sollten reduziert werden, bevor der Kühler ausgewählt wird. Andernfalls könnte das Kühlsystem so dimensioniert werden, dass es Wärme abführt, die ein besserer Kreislauf hätte verhindern können.
Entwerfen Sie die Rohrleitungen und den Behälter als thermische Komponenten
Der Rohrdurchmesser sollte anhand des tatsächlichen Durchflusses, der akzeptablen Ölgeschwindigkeit und des zulässigen Druckverlusts gewählt werden, nicht nur nach der Größe der Komponentenanschlüsse. Ansaugleitungen sollten kurz, direkt und groß genug sein, um die Pumpe vor Eingangsbehinderung zu schützen. Druck- und Rücklaufleitungen sollten bei maximalem Durchfluss, einschließlich temporären Peaks, die durch Zylinderflächenverhältnisse oder den Abfluss von Akkumulatoren verursacht werden, überprüft werden.
Der Widerstand in der Rücklaufleitung wird oft unterschätzt. Wenn Öl durch einen kleinen Schlauch, eine einschränkende Armatur, einen Filter, einen Kühler und mehrere Biegungen in Serie fließt, muss die Pumpe zusätzlichen Druck erzeugen, um das Öl einfach zum Tank zurückzuführen. Dieser Druckverlust wird zu Wärme und kann den Rückdruck an Zylindern, Motoren und Ventilabflüssen erhöhen.
Das Reservoir unterstützt die Wärmeabgabe und Lufttrennung sowie die Öllagerung. Für einen kontinuierlichen Betrieb bei hohen Temperaturen benötigt es ein ausreichendes effektives Volumen, guten Luftstrom, kontrollierte Rücklaufgeschwindigkeit und einen klaren Betriebsbereich für den Pegel.
Die Rücklauf- und Ansauganschlüsse sollten durch eine Trennwand getrennt werden, damit heißes, belüftetes Öl nicht direkt zur Pumpe zurückkehrt. Das Reservoir sollte auch möglichst weit entfernt von Motoren, Abgasanlagen, Öfen und anderen Wärmequellen positioniert werden.
Wählen Sie den Kühler aus der erforderlichen Wärmeabfuhr aus
Ein Kühler sollte entsprechend der Wärme ausgewählt werden, die nach der Reduzierung vermeidbarer Kreislaufverluste verbleibt. Pumpenfluss und Anschlussgröße allein definieren nicht die Kühlkapazität.
Der erforderliche Wärmeabtrag hängt von der thermischen Belastung, der Zielöltemperatur, der maximalen Umgebungstemperatur, dem Arbeitszyklus, dem Ölfluss durch den Kühler und dem verfügbaren Kühlmedium ab. Ein praktischer Puffer ist notwendig für Verunreinigungen, höhere Sommertemperaturen, erhöhte Zyklen und allmählichen Effizienzverlust.
Luftgekühlte Kühler sind gängig in mobilen Geräten und Systemen ohne zuverlässige Wasserversorgung. Ihre Leistung hängt von der Temperatur der einströmenden Luft, dem Luftstrom des Ventilators, der Sauberkeit der Lamellen und der Installationsposition ab. Heiße Abluft muss das Gehäuse verlassen und darf nicht zurück durch den Kühler zirkulieren.
Wassergekühlte Wärmetauscher sind oft geeignet für stationäre, kontinuierlich betriebene Systeme mit höheren thermischen Lasten. Die Kühlwassertemperatur, der Durchfluss, die Wasserqualität, Ablagerungen und der Zugang zur Wartung müssen ebenfalls berücksichtigt werden.
Der Kühlerkreis muss auf Kaltstart-Viskosität, Druckbewertung, Bypass-Schutz, Ventilator- oder Wasserreglersteuerung und Druckverlust bei maximalem Durchfluss überprüft werden. Ein überdimensionierter Kühler kann nicht kontinuierliche Entlastungsströme, übermäßige Drosselung oder schwere interne Undichtigkeiten korrigieren.
Passen Sie das Fluid und die Komponenten an die kontinuierliche Temperatur an
Hydrauliköl muss eine geeignete Viskosität von der niedrigsten启动-Temperatur bis zur höchsten stabilisierten Betriebstemperatur aufrechterhalten. Öl, das zu viskos ist, erhöht den Saugwiderstand und den Druckverlust. Öl, das zu dünn wird, erhöht die innere Leckage und schwächt die Schmierung in Pumpen, Ventilen, Zylindern und Motoren.
Die Auswahl des Öls sollte Viskositätsgrad, Viskositätsindex, Oxidationsstabilität, Luftfreisetzung, Schaumbeständigkeit, Entmischbarkeit und Dichtungsverträglichkeit berücksichtigen. Hochtemperaturöl kann die Viskositätsbeibehaltung und Lebensdauer verbessern, kann jedoch einen ineffizienten Kreislauf oder unzureichende Kühlung nicht kompensieren.
Dichtungen, Schläuche, Akkumulatoren, Magnetspulen, Sensoren, Stecker und elektronische Module sollten unter Verwendung kontinuierlicher Temperaturbewertungen ausgewählt werden, anstatt kurzfristiger Spitzenwerte. Die Flüssigkeitskompatibilität, die Bewegungsgeschwindigkeit, der Druckstoß und die Strahlungswärme sollten ebenfalls berücksichtigt werden.
Wo Komponenten nicht umplatziert werden können, können lokale Wärmeschutzschild, isolierende Hüllen, verbesserte Belüftung oder überarbeitete Schlauchführungen effektiver sein als die Spezifizierung höherer Temperaturkomponenten im gesamten System.
Integrieren Sie Sauberkeit, Überwachung und Schutz
Hohe Temperaturen beschleunigen die Oxidation des Öls und den durch Kontamination bedingten Verschleiß. Die Filtration sollte nach dem tatsächlichen Heißölfluss dimensioniert und gemäß den Sauberkeitsanforderungen der empfindlichsten Komponente ausgewählt werden. Unterdimensionierte Filter können während des Kaltstarts oder des Spitzen-Rückflusses übermäßigen Druckabfall verursachen.
Das Design sollte auch einen geeigneten Reservoir-Entlüfter, gefiltertes Ölfilling, Wasser- und Kondensationskontrolle, Ablass- und Reinigungsstellen, Ölprobenanschlüsse und Differenzdruckanzeigen umfassen.
Die Temperaturüberwachung sollte von Anfang an inkludiert werden. Das Reservoir ist der normale Bezugspunkt, aber Messungen am Eingang und Ausgang des Kühlers, am Abfluss des Pumpengehäuses, an der Haupt-Rücklaufleitung oder im geschlossenen Energiemodulraum können bessere Diagnosedaten liefern.
Das Steuerungssystem sollte reagieren, bevor das Öl seine maximal zulässige Temperatur erreicht. Es kann den Ventilator starten, den Kühlwasserfluss öffnen, einen Alarm auslösen, die Zyklusfrequenz reduzieren, die Bewegung bei hoher Belastung begrenzen oder das System stoppen. Alarm- und Abschaltungseinstellungen sollten die tatsächlichen Grenzen des Öls und der installierten Komponenten widerspiegeln.
Überprüfen Sie das Design unter dem realen Betriebszyklus
Ein Hochtemperaturdesign ist erst vollständig, wenn es unter Bedingungen getestet wurde, die den tatsächlichen Betriebsbedingungen nahekommen.
Das System sollte seinen normalen Druck, Fluss, Geschwindigkeit, Haltezeit und Zyklusfrequenz durchlaufen, während die Temperaturen in definierten Intervallen aufgezeichnet werden. Das entscheidende Ergebnis ist, ob sich die Öltemperatur stabilisiert. Eine Temperatur, die nach mehreren Stunden weiter steigt, zeigt an, dass die Wärmeentwicklung weiterhin die Wärmeabfuhr übersteigt.
Während des Tests sollen der Motorstrom, der Systemdruck, die Aktuatorgeschwindigkeit, die Temperaturen am Einlass und Auslass des Kühlers, die Temperatur des Pumpen-Gehäusedurchflusses, der Rücklaufleitungsgegendruck sowie Änderungen in der Leckage oder der Regelstabilität aufgezeichnet werden. Der Betrieb des Kühlgebläses, Alarme, Herunterstufungslogik und Schutzmaßnahmen zum Herunterfahren sollten überprüft werden.
Nachdem das System abgekühlt ist, überprüfen Sie erneut den Ölstand, die Filter, Schläuche, Fittings und äußere Leckagen. Der Vergleich der heißen und kalten Leistung kann lecksichere Viskositätsprobleme, thermische Ausdehnung und Einschränkungen aufdecken, die während kurzer Inbetriebnahmeprüfungen möglicherweise nicht auftreten.
Informationen, die vor dem endgültigen Design benötigt werden
Ein vollständiger Vorschlag sollte auf dem Temperaturspektrum, den Druck- und Durchflussanforderungen, den Lasten und Geschwindigkeiten der Aktuatoren, der Bewegungssequenz, der Zyklusfrequenz, der kontinuierlichen Laufzeit, den Halteanforderungen, dem Fluidtyp, dem Installationsraum, externen Wärmequellen, der Belüftung, der Kontaminationsaussetzung und den verfügbaren Kühlbedingungen beruhen.
Die Bereitstellung des vollständigen Arbeitszyklus ist nützlicher als nur maximale Drücke, Pumpenströmungen und Motorleistungen anzubieten. Die Temperaturzuverlässigkeit hängt davon ab, wie die Maschine über einen längeren Zeitraum hydraulische Energie nutzt.
Schlussfolgerung
Ein zuverlässiges Design von Hochtemperatur-Hydrauliksystemen beginnt mit Energieeffizienz und thermischem Gleichgewicht. Der Designer muss den tatsächlichen Betriebszyklus verstehen, unnötige Druck- und Durchflussverluste reduzieren und dann den Reservoir- und Kühlerbedarf für die verbleibende Wärmebelastung dimensionieren.
Die Pumpe, Ventile, Verteiler, Rohre, Filter, Tank, Kühler, Öl, Dichtungen, Schläuche, Sensoren und das Steuerungssystem sollten gemeinsam bewertet werden. Wenn das vollständige System unter dem tatsächlichen Arbeitszyklus getestet wird und die Öltemperatur ein stabiles Niveau mit ausreichendem Spiel erreicht, ist es weitaus wahrscheinlicher, während des Sommers und anderen Hochtemperaturbedingungen einen konstanten Druck, Geschwindigkeit, Effizienz und Lebensdauer aufrechtzuerhalten.