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Hydraulische Steuer- und Regeleinrichtungen

01. Wie ist das Funktionsprinzip hydraulischer Anlagen?

In hydraulischen Anlagen werden durch ruhende und strömende Flüssigkeiten Kräfte und Energien übertragen. Es können lineare oder rotierende Bewegungen erzeugt werden. Die übertragenen Energien werden gesteuert oder geregelt und vorrangig im Leistungsteil der Anlage eingesetzt. Im Steuerungsteil verwendet man mechanische oder elektrische Elemente. Merkmale für die Leistungsfähigkeit von Hydraulikanlagen sind Druck (Kolbendruck = F/A) und Volumenstrom (Q = A • v) (vgl. A 5.1.5).

02. Welche Vorteile bieten hydraulische Anlagen?

  • Sie können feinfühlig und stufenlos Arbeitszylinder und Motorgeschwindigkeiten steuern (Positioniermöglichkeit ± 1 µm).

  • Sie haben einen großen Regelbereich und sind einfach im Aufbau.

  • Die Überlastsicherung ist unkompliziert durch Druckbegrenzung möglich.

  • Kleine, kompakte und platzsparende Bauteile übertragen große Kräfte.

03. Welche Nachteile sind mit dem Einsatz hydraulischer Anlagen verbunden?

  • Druckverluste bei großen Leitungslängen

  • Schwingungsneigung

  • Schmutzempfindlichkeit

  • Leckagemöglichkeit mit negativen Auswirkungen auf die Umwelt

  • Speicherung von hydraulischer Energie nur über Umwege möglich

  • relativ hohe Bauteilkosten

  • Unfallgefahr wegen hoher Anlagendrücke

  • bei hoher Eigenerwärmung aufwändige Kühlsysteme notwendig

  • Hydraulikflüssigkeiten verändern ihre Viskosität bei Veränderung ihrer Temperatur.

04. In welchen Druckbereichen werden hydraulische Anlagen bevorzugt eingesetzt?

  1. Im Niederdruckbereich:

    30 bis 50 barWerkzeugmaschinen: Vorschubantriebe, Spannen, Transport
  2. Im Mitteldruckbereich:

    bis 250 barMobilhydraulik, Hub- und Transportanlagen, Spritzgießmaschinen, Flugzeughydraulik, Spritzgießmaschinen
  3. Im Hochdruckbereich:

    bis 500 barFahrantriebe, Pressen
    über 500 barWerkzeugantriebe, Vorrichtungen, Labor- und Prüfgeräte

05. Wie ist die grundsätzliche Wirkungsweise einer Hydraulikanlage?

Die Energieerzeugung in einer Hydraulikanlage erfolgt über eine Hydraulikpumpe. Die elektrische bzw. mechanische Energie wird auf die Druckflüssigkeit übertragen und anschließend mithilfe von Druck-, Wege- und Stromventilen zu den Aktoren (Zylinder und Motoren) übertragen. Diese wandeln die Druckenergie wieder in mechanische Energie um. Der Energietransport wird mithilfe mechanischer, pneumatischer, elektrischer und hydraulischen Steuersignalen beeinflusst. Im Gegensatz zur Pneumatik muss sich bei einer Hydraulikanlage die Flüssigkeit in einem Kreislauf bewegen.

Prinzipskizze einer Hydraulikanlage:

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06. Welche hydraulischen Antriebselemente werden eingesetzt?

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07. Welche Besonderheiten weisen Hydraulikpumpen

Vgl. zu den unterschiedlichen Pumpenbauarten ausführlich unter >> 1.1.3.2.auf?

Pumpen verdrängen Hydraulikflüssigkeit von der Saugseite zur Druckseite und übertragen auf diese Weise mechanische Energie in Flüssigkeiten. Während Konstantpumpen einen gleichbleibenden Förderstrom liefern, können mit Verstellpumpen Förderströme energiesparend, stufenlos und richtungsändernd beeinflusst werden.

Wichtige Auswahlkriterium für den zweckgerichteten Einsatz von Pumpen sind:

  • Förderstrom

  • maximal zulässiger Höchstdruck

  • Wirkungsgrad

  • Geräuscheigenschaften.

Entsprechend der Bauart unterscheidet man vor allem Kolben-, Zahnrad- und Flügelzellenpumpen.

Pumpen unterscheiden sich je nach Konstruktion und Anforderung in folgenden Eigenschaften:

  • Volumenstrom und erzeugte Drücke

  • Ansaugverhalten

  • Schmutzempfindlichkeit

  • Druckbelastung

  • Einbauvolumen

  • Schwingungsverhalten und Geräuschentwicklung

  • Verstellbarkeit und Verstellverhalten

  • Schwenkwinkel

  • Wirkungsgrad.

08. Welche Verschleißerscheinungen treten bei Pumpen auf?

Der Verschleiß ist bei Pumpen an der Minderleistung erkennbar: Erzeugter Druck und Volumenstromförderung sind stark vermindert. Ein vorzeitiger Verschleiß entsteht z. B. durch verschmutztes Öl bei Überschreiten der Filter- und Ölwechselfristen.

Auch beim Auftreten von Kavitation wird der Verschleiß von Pumpen beschleunigt. Deshalb ist unbedingt ein Trockenlaufen von Pumpen zu vermeiden. Auf einen ruhigen Lauf der Pumpe und des Antriebsmotors ist ebenfalls zu achten. Kupplungsunrundlauf und Kupplungsspiel können zu unzulässigen Schwingungen führen, die einen vorzeitigen Verschleiß zur Folge haben.

09. Welche Besonderheit weisen Hydraulikmotoren auf?

Hydraulikmotoren wandeln hydraulische Energie in mechanische um. Bei dieser Umwandlung nimmt der Hydraulikmotor ein Schluckvolumen auf und erzeugt so das Drehmoment. Axialkolbenpumpen können in vielen Anwendungsfällen auch als Hydraulikmotor betrieben werden.

Hydraulikmotoren besitzen einen Leckölanschluss. Die Menge des auftretenden Lecköls ist deshalb ein zuverlässiger Hinweis auf den Verschleißzustand.

10. Welche Besonderheiten sind bei Hydraulikzylindern zu beachten?

Hydraulikzylinder ermöglichen es auf einfache Weise, Linearbewegungen zu realisieren. Ein- und Ausfahrgeschwindigkeiten sind stark vom Volumenstrom abhängig. Der Flüssigkeitsdruck bestimmt dagegen die Kraft, mit der der Kolben bewegt werden kann. Fehler in einer Hydraulikanlage beruhen in erster Linie auf einer Veränderung dieser beiden Größen. Weitere Störungsursachen können sein:

  • Verschlissene Abdichtungen sowie innere und äußere Leckagen vermindern die Leistung von Arbeitszylindern.

  • Vorzeitiger Verschleiß tritt durch verschmutztes Öl und schlechte Wartung ein.

  • Beschädigungen der Kolbenstange (Riefen, Knickung und Rost) führen ebenfalls zum vorzeitigen Ausfall.

11. Welche Aufgabe hat ein Druckflüssigkeitsspeicher?

Druckflüssigkeitsspeicher haben die Aufgabe,

  • Förderstromschwankungen auszugleichen und Schwingungen zu dämpfen

  • Ölreserven bei Leckverlusten zu ermöglichen

  • Energiereserven zu speichern (bei Notbetätigungen).

Der Gasdruck des Druckflüssigkeitsspeicher muss dem Schaltplan entsprechen. Druckgefäße unterliegen besonderen Vorschriften hinsichtlich der Herstellung und Überwachung. Auf Dichtheit und eine ölseitige, freie Verbindung zum Tank beim Befüllen des Druckbehälters mit Stickstoff ist besonders zu achten.

12. Welche Funktion haben Ventile in einer Hydraulikanlage?

Hydraulikventile steuern bzw. regeln den Druck, den Volumenstrom und die Strömungsrichtung des Fluids. Hinsichtlich ihrer Funktion in der Anlage unterscheidet man folgende Ventilarten:

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  • Druckventile

    Ihre Aufgabe ist die Druckbegrenzung, Konstanthaltung des Arbeitsdruckes und das Schalten der Aktoren. Mit ihnen lassen sich auch große Volumenströme steuern.

  • Wegeventile

    steuern die Volumenstromrichtung (z. B. Aus- und Einfahren von Arbeitszylindern). Ein 4/2-Wegeventil wird so bezeichnet, weil es 4 Anschlüsse und 2 mögliche Schaltstellungen besitzt.

  • Stromregelventile (Drosselventile)

    steuern den Volumenstrom und halten damit die Ein- und Ausfahrgeschwindigkeit der Arbeitszylinder bei Belastung konstant.

  • Sperrventile

    sind Rückschlagventile. Sie benötigen keine Steuersignale und haben die Aufgabe den Durchfluss in eine Richtung zu sperren.

  • Ventile mit Proportionaltechnik (beim Wegeventil: richtungsabhängiger Volumenstrom; beim Druckventil: variabler Druck; beim Stromventil: variabler Volumenstrom).

13. Welche Besonderheiten sind bei der Wartung und Instandsetzung von Hydraulikventilen zu beachten?

Ventile verschleißen durch ständige Beanspruchung und Ölverschmutzung, werden undicht und müssen rechtzeitig ersetzt werden.

  • Fehlerursachen bei Wegeventile, z. B.:

    • Fehlende Dichtungen

    • falsche Montage

    • vertauschte Anschlüsse

    • falsche Spannung

    • falsche Grundstellung.

  • Fehlerursachen bei Druckventilen, z. B.:

    • falsche Druckeinstellung

  • Fehlerursachen bei Stromregelventilen, z. B.:

    • falsche Anordnung des Rückschlagventils.

14. Welche Aufgaben erfüllt die Hydraulikflüssigkeit?

Die Lebensdauer einer Hydraulikanlage und ihr wirtschaftlicher Betrieb ist in hohem Maße von der Wahl der verwendeten Hydraulikflüssigkeit abhängig. Meist werden Druckflüssigkeiten auf der Basis von Mineralölen eingesetzt. Daneben gibt es schwer entflammbare sowie biologisch abbaubare Druckflüssigkeiten (vgl. dazu auch: >> 1.4.3.2); Hinweise enthalten die DIN 51524 sowie die Tabellenwerke; vgl. z. B. Friedrich Tabellenbuch, a. a. O., S. 7 – 25.

Die Hydraulikflüssigkeit erfüllt folgende Aufgaben:

  • Übertragung der Energie zum Verbraucher

  • Weiterleitung von Signalen durch Druckwellen

  • Schmierung beweglicher Innenteile von Hydraulikelementen (Kolben, Lager) und Schutz vor Korrosion

  • Transport von Wärme und Verunreinigungen.

15. Welche Besonderheiten sind bei der Wartung und Reparatur von Hydraulikanlagen zu beachten?

  • Inspektionsmaßnahmen, z. B.:

    • Der Austritt von Hydraulikflüssigkeit an Ventilen, Dichtungen, Verschraubungen und Zylindern weist auf Verschleiß oder mangelhafte Wartung hin.

    • Druck- und Temperaturmessgeräte zeigen die aktuellen Werte an und sind zu kontrollieren.

    • Oft sind noch zusätzliche Messstellen an der Anlage installiert, damit Fehlfunktionen schnell eingrenzt werden können.

    • Die Füllstandsanzeige ist regelmäßig zu kontrollieren und unter Beachtung der Betriebsanleitung bei Bedarf zu ergänzen.

    • Der Zustand der Hydraulikflüssigkeit (Farbe, Wasser, Schaumbildung) ist regelmäßig zu kontrollieren.

    • Sicherstellen, dass alle Sicherheitseinrichtungen voll funktionsfähig sind.

  • Zu den Wartungsmaßnahmen,

    die unter Beachtung der Sicherheits- und Brandschutzvorschriften sowie den Vorgaben des Herstellers durchzuführen sind, gehören vor allem:

    • Wechsel der Hydraulikflüssigkeit

    • Reinigen und Spülen des Flüssigkeitsbehälters

    • Wechseln der Filter in der gesamten Anlage

    • Auswechseln stark beanspruchter Dichtungen

    • Bei Bedarf: Neueinstellung der Betriebsdrücke

    • Festdrehen von Verschraubungen

    • Vorschriftsmäßige Auswechslung der Schläuche bei Beschädigung (das Schlauchmaterial muss säure-/laugenbeständig, flexibel und versprödungssicher sein).

  • Bei Reparaturen

    ist darauf zu achten, dass die vom Hersteller geforderten Ersatzteile mit gleichen technischen Daten, Anschlussquerschnitten usw. verwendet werden.

Es wird empfohlen ein Betriebs- und Wartungsbuch über alle Inspektionen, Wartungen und Reparaturen zu führen. Schaltplan, Funktionsdiagramme und Stromlaufplan sollten selbstverständlich zur Verfügung stehen (vgl. >> 1.6.3).