Grundlagen der Fluidtechnik Teil 1: Hydraulik

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1 Umdruck zur Vorlesung Grundlagen der Fluidtechnik Teil 1: Hydraulik Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Murrenhoff 7. korrigierte Auflage 2012 Nachdruck - auch auszugsweise - nur mit Zustimmung des Verfassers Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen Steinbachstr. 53, D Aachen

2 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Titelfoto: M. van Rienen Copyright Shaker Verlag 2012 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

3 3 Inhalt Formelzeichen und Abkürzungen Einleitung Definition des Sachgebietes Historische Entwicklung Hydraulische Antriebe und Systeme in der Gegenwart Hydraulische Kraft- und Energieübertragung im Vergleich Literatur zu Kapitel Grundlagen Hydrostatik Die ideale Flüssigkeit Translatorische Bewegungen Rotatorische Bewegungen Hydrodynamik Gesetz von der Erhaltung der Masse Anwendung der Kontinuitätsgleichung Gesetz von der Erhaltung der Energie Anwendung der Bernoullischen Gleichung Hydraulische Widerstände Die Viskosität Widerstand von Rohrleitungen bei laminarer Strömung Widerstand von Spalten und Drosseln Die Reynolds-Zahl Widerstand von Blenden Druckverluste in Hydraulikkreisläufen Hydraulische Netzwerke... 59

4 Hydraulische Kapazitäten Hydraulische Induktivität einer kurzen Rohrleitung Hydraulische Induktivität von Motoren Berechnungsbeispiel für ein hydraulisches Netzwerk Gesetz von der Erhaltung des Impulses Anwendung des Impulssatzes auf eine stationäre Strömung Anwendung des Impulssatzes auf eine instationäre Strömung Druckverluste an Querschnittsänderungen Die Flüssigkeitssäule als homogener Schwinger Lösung der Wellengleichung Eingangswiderstand einer Rohrleitung Der Druckstoß Reflexion einer Druckwelle Rohrschalldämpfer Literatur zu Kapitel Druckflüssigkeiten Aufgaben der Druckflüssigkeiten Arten der Druckflüssigkeiten Allgemeine Flüssigkeiten Schwerentflammbare Flüssigkeiten Umweltverträgliche Flüssigkeiten Spezielle Flüssigkeiten Eigenschaften der Druckflüssigkeiten Viskosität Stockpunkt und Pourpoint Dichte Kompressionsmodul Gaslösevermögen Luftabscheidevermögen und Schaumneigung Detergieren und Dispergieren Wärmekapazität und Wärmeleitung...121

5 Entflammbarkeit Lasttragevermögen und Verschleißschutz Werkstoffverhalten Alterungsverhalten Biologische Abbaubarkeit und Toxizität Additivierung von Druckflüssigkeiten Oxidationsinhibitoren Metalldesaktivatoren Verschleißschutz Reibwertminderer VI-Verbesserer Stockpunkterniedriger Schaumverhinderer Detergentien und Dispergentien Korrosionsinhibitoren Kennwerte von Druckflüssigkeiten Literatur zu Kapitel Verschmutzung und Filtration Verschmutzung hydraulischer Systeme Molekulare Verunreinigungen Flüssige Verunreinigungen Feste Verunreinigungen Klassifizierung von Fluidreinheiten Filtrationstechnik Wirkprinzipien der Filtration Aufbau eines Tiefenfilters Filterkenngrößen Funktion und Anordnung von Filtern Partikelmesstechnik Literatur zu Kapitel

6 6 5 Pumpen und Motoren Definition Hydropumpen Hydromotoren Bauarten hydraulischer Verdrängereinheiten Axialkolbenmaschinen Radialkolbenmaschinen Zahnradmaschinen Schraubenspindelpumpen Flügelzellenmaschinen Hydraulische Linearmotoren Einfachwirkender Zylinder Doppeltwirkender Zylinder Teleskopzylinder Endlagendämpfung Druckübersetzer Schwenkantriebe Strömungsmaschinen Eigenschaften und Betrieb von Verdrängereinheiten Kompressionsverluste von Pumpen Förderverhalten und Pulsation Wirkungsgrade Literatur zu Kapitel Ventile Bauarten Längsschieberventile Drehschieberventile Sitzventile Verstellung...236

7 7 6.3 Betätigung Mechanisch Elektrisch Hydraulisch Sperrventile Wegeventile Schaltventile Wege-Einbauventile Proportional-, Regel- und Servoventile Druckventile Druckbegrenzungsventile Druckschaltventile Druckminderventile Stromventile Stromregelventile Stromteilerventile Kräfte am Längsschieberventil Strömungskraft Radial- und Axialkräfte Baugrößen, Einbau und Verkettung Literatur zu Kapitel Dichtungen Einteilung der Dichtungen Statische Dichtungen Dynamische Dichtungen Translatorische Dichtungen Rotationsdichtungen Dichtsysteme Reibung und Verschleiß

8 8 7.6 Dichtungsmaterialien Literatur zu Kapitel Weitere Komponenten Behälter Behältergröße Konstruktive Gestaltung Wärmetauscher Verbindungselemente Rohr- und Schlauchleitungen Anschlussarmaturen Anschlussplatten, Anschlussblöcke und Verkettungen Hydrospeicher Bauarten Sicherheitsbestimmungen Kenngrößen für die Speicherauslegung Zustandsänderungen des Speichergases Nutzungsgrad Dynamik von Hydrospeichern Anwendungen von Hydrospeichern Sensoren und Messgeräte Füllstandsensoren Drucksensoren Volumenstromsensoren Wegsensoren Temperatursensoren Ölzustandssensoren Literatur zu Kapitel Schaltungen Steuerungen...341

9 Widerstandssteuerung Verdrängersteuerung Hydrostatische Getriebe Verschaltung Räumliche Anordnung Verstellung Leistungsverzweigung Leistungsfluss Wirkungsgrade und Kennlinienfelder Regelung Lageregelung Druckregelung Stromregelungen Drehzahlregelung Leistungsregelung Schaltungsbeispiele Schaltungen zur Geschwindigkeitssteuerung Schaltungen mit Stromventilen Pressensteuerung Gleichlaufsteuerung Speicherladeschaltung Literatur zu Kapitel Anhang Umrechnungsfaktoren Abkürzungen von US-Maßeinheiten Schaltsymbole nach DIN ISO Stichwortverzeichnis

10 10 Formelzeichen und Abkürzungen Abk. Bezeichnung Einheit a Beschleunigung m s -2 a Hebelarm mm A Erster Arbeitsanschluss A Fläche, Kolbenfläche, Strömungsquerschnitt cm² A i Wärmeabgebende Fläche m² A K Kolbenfläche cm 2 b Anteil der Druckverluste - b Hebelarm mm b Viskositäts-Druck-Verhalten bar -1 b Zahnbreite, Spaltbreite, Flügelbreite mm B Wärmeabgabevermögen J s -1 K -1 B Zweiter Arbeitsanschluss c Zahnhöhe mm c Druckausbreitungsgeschwindigkeit, Schallgeschwindigkeit m/s c, c F Federkonstante N m -1 c FL Steifigkeit des Fluids N m -1 c i Spezifische Wärme der Masse m i J kg -1 K -1 C Wärmespeichervermögen J K -1 C H hydr. Kapazität, Speicherkapazität dm³ bar -1 d Beiwert Newton'sche Reibung N s m -1 D, d Durchmesser mm D Dämpfung - D H hydraulischer Durchmesser mm e Exzentrizität mm E Kompressionsmodul N m - ²; bar E 0 Ausgangskompressionsmodul bar E Fl Kompressionsmodul der Flüssigkeit bar E G Ersatzkompressionsmodul bar E R E-Modul des Rohrwerkstoffes bar f Frequenz s -1 ; Hz F Kraft N F a Beschleunigungskraft N F A Auftriebskraft N F ax Axiale äußere Reaktionskraft auf den Ventilschieber N F eff Effektive Kraft N F F Federkraft N F p Druckkraft auf den Ventilschieber N F RC Reibkraft der Coulomb schen Reibung N

11 F RN Reibkraft der Newton schen Reibung N F Str Strömungskraft auf den Ventilschieber N F th theoretische Kraft N F verl Verlustkraft N F W Strömungswiderstandskraft N g Erdbeschleunigung m s -2 G Gewichtskraft N h Hubweg mm h Spalthöhe mm I Massenträgheitsmoment kg m² I Spulenstrom der Elektromagneten A I A austretender Impuls kg m s -1 I E eintretender Impuls kg m s -1 k Wandrauheit mm l Länge m L H hydraulische Induktivität, Speicherinduktivität kg m -4 m Druckabhängigkeits-Koeffizient - m Masse kg m Modul der Verzahnung mm m i Wärme speichernde Masse kg M Moment Nm n Drehzahl s -1 n Polytropenexponent - N x Partikelanzahl > x μm - NZ Neutralisationszahl - OT Oberer Totpunkt p Druck N m -2 ; bar p Druckdifferenz bar p MB Druckabfall über der Messblende bar p 0 atmosphärischer Druck, Bezugsdruck, Vorfülldruck bar p 0 Gesamtdruck bar p 0 System-Versorgungsdruck bar p 1 Unterer Arbeitsdruck bar p 2 Oberer Arbeitsdruck bar p 3 Maximaldruck bar p A Druck im Arbeitsanschluss A bar p B Druck im Arbeitsanschluss B bar p DBV Einstelldruck eines Druckventils bar p L Lastdruck bar p m mittlerer Druck bar p R Druck im Rücklauf bar 11

12 12 PS max. zulässiger Druck nach Druckgeräterichtlinie bar p Soll Solldruck bar p St Steuerdruck bar P Druckanschluss P Leistung W Q Volumenstrom m³ s -1 ; l min -1 Q DBV Volumenstrom über das DBV l min -1 Q K Kompressionsvolumenstrom l min -1 Q L Lastvolumenstrom l min -1 Q P Pumpenvolumenstrom l min -1 Q V Volumenstrom des Verbrauchers, Verlustvolumenstrom l min -1 r Beiwert bei der F RC N r Radius mm r Reflexionsfaktor - R Gaskonstante N m kg -1 K -1 R H hydraulischer Widerstand bar min dm -3 Re Reynolds-Zahl - s Hub mm s Wandstärke mm t Zeit s t krit kritische Schließzeit s t Verweilzeit min T Umwälzdauer min T Tankanschluss U Umfang mm U e Spannungseingangssignal V UT Unterer Totpunkt v (Strömungs-)Geschwindigkeit m s -1 v 1 Eintrittsgeschwindigkeit des Öls in die Ventilkammer m s -1 v 2 Austrittsgeschwindigkeit des Öls aus der Ventilkammer m s -1 v Str Strömungsgeschwindigkeit m s -1 V Volumen cm 3, dm 3 V 0 Ausgangsvolumen, Totvolumen cm 3, dm 3 V 1 Fördervolumen cm 3 /U V 2 Schluckvolumen cm³/u V Volumenänderung, Entnahmemenge, Nutzvolumen cm 3, dm 3 V Fl Flüssigkeitsvolumen cm 3, dm 3 V Fl,0 Ausgangsvolumen der Flüssigkeit cm 3, dm 3 V G gelöstes Gasvolumen beim Bezugsdruck cm 3 V L Luftvolumen cm 3 V L,0 Ausgangsvolumen der Luft cm 3

13 V m mittleres Gasvolumen cm 3 VI Viskositätsindex - VT Viskositäts-Temperatur-Verhalten - W Arbeit N m; J W 12 Voumenänderungsarbeit N m; J x Koordinate m x Kolbenposition, Schieberposition mm X Steuerölanschluss 1 y Ventilschieberweg mm Y Steuerölanschluss 2 / Druckentlastung zum Tank y 0 Ventilschieberüberdeckung mm z Anzahl der Zähne/ Flügel/ Kolben - z Höhe, Koordinate m Z A Abschlusswiderstand bar min/dm 3 Z E Eingangswiderstand bar min/dm 3 Z L Leitungsimpedanz bar min/dm 3 Winkel, Pumpenschwenkwinkel Luftgehalt - D Durchflussbeiwert - V Bunsen-Koeffizient - Filterkenngröße - Kompressibilitäts-Koeffizient - Winkel Druckstoßfaktor - thermischer Ausdehnungskoeffizient 1/K Ungleichförmigkeitsgrad - Abscheidegrad - A, 2 Ausströmwinkel aus der Ventilkammer E, 1 Einströmwinkel in die Ventilkammer dynamische Viskosität Pa s 0 dynamische Viskosität bei Atmosphärendruck Pa s ges Gesamtwirkungsgrad - hm hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad - vol volumetrischer Wirkungsgrad - Temperatur K, C A Umgebungstemperatur K, C Temperaturänderung K, C Isentropenexponent - Wellenlänge m Widerstandszahl - kinematische Viskosität mm 2 s -1, cst 13

14 14 Widerstandsbeiwert - Dichte kg m - ³ 0 Dichte bei Atmosphärendruck kg m - ³ Schubspannung bar Leistungsverhältnis - Winkelgeschwindigkeit s -1 Kreisfrequenz s -1 0 Eigenkreisfrequenz s -1