Alterungs- und Verschleißverhalten von Druckübertragungsmedien und hydraulischen Ventilen

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1 Alterungs- und Verschleißverhalten von Druckübertragungsmedien und hydraulischen Ventilen Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Jan Thomas Schumacher Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Murrenhoff Univ.-Prof. Dr. rer. nat. M. Liauw Tag der mündlichen Prüfung:

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3 WICHTIG: D 82 überprüfen!!! Reihe Fluidtechnik Band 74 Jan Thomas Schumacher Alterungs- und Verschleißverhalten von Druckübertragungsmedien und hydraulischen Ventilen Shaker Verlag Aachen 2014

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2013) Copyright Shaker Verlag 2014 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Über eine Studienarbeit kam ich ans IFAS und sollte über zehn Jahre nicht mehr davon los kommen. Ich erlebte die Höhen und Tiefen des Institutsalltags und konnte mein Assistentendasein mit dem Verfassen der vorliegenden Dissertation erfolgreich abschließen. Bei meinem Doktorvater Herrn Professor Murrenhoff möchte ich mich für das entgegengebrachte Vertrauen und die Betreuung der Arbeit bedanken. Ebenso danke ich Herrn Professor Liauw für die Übernahme des Koreferats und die allzeit gute Zusammenarbeit im Überschneidungsgebiet der Fluidtechnik und der Chemie. Herrn Professor Loosen danke ich für die Führung des Prüfungsvorsitzes. Dem gesamten Team des IFAS danke ich für die gemeinsame Zeit. Sei es in den Werkstätten, der Halle, dem Sekretariat und der Buchhaltung, der IT- Abteilung, den Büros oder in der Kaffeeküche, stets habt ihr mir geholfen, mich unterstützt und wenn nötig aufgemuntert. Ein besonderer Dank gilt Niko Robens und Heino Theissen für die kritische Durchsicht meiner Dissertationsschrift sowie Claus Enekes für die produktive Zusammenarbeit im gemeinsamen Büro. Ohne die tatkräftige Hilfe, die konstruktive Kritik und die aufmunternde Zusammenarbeit mit meinen Hiwis, Studien-, Projekt- und Diplomarbeiter wäre diese Arbeit vermutlich nicht fertig geworden. Stellvertretend möchte ich hier Anastasia Piechowska, Fabian Guse, Sebastian Johl, Michael van Rienen und Tobias von Mäßenhausen danken. Der größte Dank gilt dir liebe Tina. Ohne deine Unterstützung, dein Vertrauen und dein Dasein wäre ich längst nicht so glücklich, wie ich es heute bin! Euch, liebe Marie, lieber Nikolai und lieber Lino, danke ich dafür, dass ihr mir immer wieder klar gemacht habt, dass es im Leben mehr als Öl und Arbeit gibt. Köln im Januar 2014 Jan Schumacher

6 Kurzfassung Die Kenntnis über irreversible Veränderungen in hydraulischen Systemen ist von essenzieller Bedeutung für deren Auslegung. Eine effiziente Auslegung ist nur dann möglich, wenn Verschleiß- und Alterungsprozesse von Beginn an mit berücksichtigt werden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden neue Verfahren aufgezeigt, um Ölalterung zu untersuchen. Der Tribo-Oxidationstest ermöglicht, das Oxidationsverhalten einer Schmierstoffprobe in Abhängigkeit von aufgeprägter Scherung zu untersuchen. Hierzu wurde ein Scheibe-Scheibe-Tribometer in den Druckbehälter eines Rotating Pressure Vessel Oxidation Test integriert. Mit dem opt i- mierten Testverfahren kann unter anderem die Oxidationsgeschwindigkeit in Form des Stoffmengenabbaus beschrieben werden. Der zweite Teil behandelt erstmals Verschleißmechanismen, die in hydraulischen Ventilen vorkommen. Die Untersuchungen wurden an Proportional- Schieberventilen und an Druckbegrenzungsventilen durchgeführt. Es wird bestätigt, dass die Partikelkonzentration einen erheblichen Einfluss auf die Verschleißgeschwindigkeit hat. Des Weiteren zeigt sich, dass die anliegende Druckdifferenz sowie der Öffnungsgrad einen Einfluss auf die Verschleißgeschwindigkeit haben, während der Einfluss der Temperatur zu vernachlässigen ist. Die Ergebnisse der Testreihen werden genutzt, um mathematische Beschreibungen des Verschleißfortschritts abzuleiten.

7 Abstract Information about irreversible changes in hydraulic systems is of essential interest for their design. A design can only be made efficient if wear and ageing progresses are considered. In the first part of this work new methods will be shown to investigate oil ageing. The tribo-oxidation-test enables the analysis of oxidation behavior as a function of impressed shear. Therefore a disc-on-disc tribometer has been integrated into the vessel of a Rotating Pressure Vessel Oxidation Test. With this optimized test the course of amount of substance can be described. The second part handles with wear mechanisms of hydraulic valves. Investigations have been done with proportional directional control valves and pressure relief valves. It will be confirmed that concentration of particles has got an extensive influence on the speed of wear. Furthermore it will be shown that the pressure difference and the degree of opening have got an influence, while temperature can be neglected. The results of test series will be used for a mathematical description of progress of wear.

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9 Inhaltsverzeichnis I Formelzeichen... i II Abkürzungen... iii 1 Einleitung Alterungsverhalten von Ölen Hydrauliköle und deren Eigenschaften Mineralöle Bio-Schmierstoffe Ölalterung Stand der Technik Oxidation Autoxidation Zersetzung durch Cracken Hydrolytische Zersetzung Kenngrößen zur Erkennung des Alterungszustands Viskosität Neutralisationszahl Möglichkeiten der Alterungsuntersuchung Hydrolysetest Turbine Oil Stability Test (TOST) Baader Test Oxidationstest Methodenentwicklung für Untersuchungen mit dem Tribo-Oxidationstest Ausgangssituation Aufbau des Tribo-Oxidationstests Versuche mit dem Tribo-Oxidationstest Kompatibilität eines Öls mit metallischen Werkstoffen Versuchsaufbau Ergebnisse der Versuche mit einzelnen Metallen Ergebnisse der Versuche mit Materialpaarung Verschleißverhalten hydraulischer Ventile Motivation für die Untersuchungen Ventilverschleiß - Stand der Technik Kurzzeitalterungsprüfstand für Hydraulikventile Druckversorgung... 62

10 3.3.2 Partikelbeladung Verschleißverhalten von Proportional-Schieberventilen Verschleißmechanismen an Schieberventilen Verschaltung der Ventile im Prüfstand Beschreibung des Verschleißes Veränderung der Druckverstärkung in Abhängigkeit von Druck, Lasthub, Temperatur und Partikelklasse Veränderung des hydraulischen Nullpunkts in Abhängigkeit von Druck, Lasthub, Temperatur und Partikelklasse Verschleißbilder Verschleißverhalten von Druckbegrenzungsventilen Verschleißmechanismen an Druckbegrenzungsventilen Verschaltung der Ventile im Prüfstand und Versuchsablauf Veränderung der Druckstabilität in Abhängigkeit von Druck, Volumenstrom, Temperatur und Partikelklasse Veränderung der pq-kennlinie in Abhängigkeit von Druck, Volumenstrom, Temperatur und Partikelklasse Dichtheit der Ventile Zusammenfassung und Ausblick III Literaturverzeichnis IV Abbildungsverzeichnis V Tabellenverzeichnis