Hydraulische Antriebe Dichtungen in Tandembauweise verbessern die Energieeffizienz

Heute gehört zu den Aufgaben hydraulischer Gleitringdichtungen nicht nur das Abdichten des Arbeitsraums von Zylindern, sie tragen auch zur Steigerung der Energieeffizienz bei. Ein Ansatz dazu ist die Tandembauweise, die unnötige Reibung zur Kolbenstange vermeidet. In Kolbenspeichern sorgt sie für eine sichere Umwandlung von potenzieller in kinetische Energie und umgekehrt. Dieses Prinzip der Energierückgewinnung hat sich in Aufzügen bewährt.

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OSWALD Elektromotoren GmbH

AGTOS Gesellschaft für technische Oberflächensysteme mbH GmbH

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Hunger DFE GmbH

Aufgrund der enorm gestiegenen Energiekosten und des Bestrebens, das Klima nachhaltig zu schützen, ist der ökonomische und ökologische Einsatz von Energie im heutigen Industriezeitalter wichtiger denn je. Daraus folgt für die Hersteller und Anwender hydraulischer Antriebssysteme, dass sie den Energiebedarf der einzelnen Komponenten auf das Nötigste reduzieren müssen. Als Hersteller von Dichtungs- und Führungselementen setzt die Hunger DFE GmbH dabei auf den Einsatz moderner Werkstoffe sowie die Entwicklung reibungsarmer Profile und Materialien.

Bereits während der Herstellung von Dichtungselementen kann durch entsprechende Werkstoffauswahl – sofern das der Anwendungsfall zulässt – der Energieverbrauch deutlich gesenkt werden, wie sich unter anderem anhand der Produktion eines Nutrings zeigen lässt:

• Der Nutring hat je nach Größe einen Ringdurchmesser von 250 oder 270 mm und einen Schnurdurchmesser von 20 mm. Wird er aus dem Kautschuk NBR gefertigt, ist für die Herstellung des Formteils ein Energiebedarf von 3,0 kWh erforderlich, der aus der Multiplikation der Leistungsaufnahme der Vulkanisierpresse von 30 kW mit der Vulkanisierdauer von 6 min resultiert.
• Im Vergleich dazu benötigt die Herstellung eines Nutrings aus thermoplastischem Polyurethan (TPU) mit den gleichen Abmessungen viel weniger Energie. Statt mit einer Presse wird der Nutring auf einer Spritzgießmaschine gefertigt, deren Leistungsaufnahme bei 20 kW liegt. Die Zyklusdauer beträgt 1,8 min. Daraus ergibt sich ein Energiebedarf von 0,6 kWh. Die Energiedifferenz zwischen der Herstellung eines TPU- und eines NBR-Nutrings beläuft sich somit auf 500%.

Nutringe aus TPU oder Kautschuk dichten den Arbeitsraum in Hydraulikzylindern ab, was im Allgemeinen von hoher Reibung begleitet wird. Das gilt vor allem im Vergleich mit leichtgängigen PTFE-Gleitring-O-Ring-Dichtungen. Besonders Dachmanschetten-Dichtsätze erzeugen aufgrund ihrer Vielzahl von elastomeren Dichtlippen hohe Reibwerte. Dieser Verlust an Wirkungsgrad konnte in der Vergangenheit häufig toleriert werden, weil Arbeitsmaschinen über entsprechende Reserven – überdimensionierte Antriebe mit hoher Leitungsaufnahme – verfügten. Das ist heutzutage nicht mehr möglich.

Die Antwort darauf lautet Tandembauweise. Sie vereint die Eigenschaften von Nutring- und Gleitringdichtung zu einem Element (Bild 1). Die linienförmig aufliegende Elastomerdichtkante stellt die Primärdichtung dar. Der im nachfolgenden Dichtungsrücken zur bewegten Kontaktfläche angeordnete Gleitring aus PTFE-Compound verhindert unnötige Reibung des komprimierten Dichtungskörpers mit der bereits trocken laufenden Stange. Eine zweite Dichtkante am Gleitring hält auftretendes Schleppöl im Nanometerbereich zurück und gewährleistet die Rückführung ins System beim Rückhub.

Hydraulische Kolbenspeicher zur Energierückgewinnung

Auch bei gutem Wirkungsgrad einer hydraulischen Anlage ist der Energieverbrauch oft beträchtlich. Zieht man nun in Erwägung, dass während des Arbeitszyklus die hohe Förderleistung oft nur kurzzeitig benötigt wird, kann durch den Einsatz eines Akkumulators in Form eines hydraulischen Kolbenspeichers im Bedarfsfall auf ein größeres Fördervolumen zurückgegriffen werden. Hydraulikspeicher werden so als Ersatz des konventionellen physikalischen Gegengewichts genutzt und gewinnen bei der Abwärtsfahrt des Plungerzylinders die frei werdende potenzielle Energie in hohem Wirkungsgrad zurück. Bei niedrigen Drücken und statischer Druckladung ist dazu auch die Verwendung von Blasenspeichern mit Membranen möglich.

Kolbenspeicher bestehen aus einem Mantelrohr und einem so genannten Trennkolben (Bild 2). Dieser Kol-ben ist schwimmend gelagert und dichtet das Fördermedium – meist Hydrauliköl – gegen das kompressible Druckmedium – in der Regel Stickstoff (N2) – ab. Die potenzielle Energie der sich abwärts bewegenden Kabine fördert das Medium in den Kolbenspeicher und komprimiert das Gas. Im Bedarfsfall steht dadurch ein gespeichertes Volumen beziehungsweise in kurzer Zeit ein entsprechender Druck zur Verfügung, woraus der Vorteil einer – hinsichtlich Abmessungen und Leistungsaufnahme – kleineren Pumpe resultiert. Des Weiteren ermöglicht der Gasdruck einen höheren Betriebsdruck im Hydrauliksystem.

Besonders bei den in der Aufzughydraulik immer häufiger geforderten „maschinenraumlosen“ Ausführungen (MRL-Varianten) erweisen sich Kolbenspeicher als mehrfache Problemlöser. Sie verbessern die Energieeffizienz von Pumpen, verringern deren Lärmbelastung und Raumbedarf im Aufzugsschacht und ermöglichen ein bis zu 80% reduziertes Ölvolumen (Umweltschutz). Das Wegfallen des Maschinenraums sowie die minimalen Schachtkopf- und Schachtgrubenabmessungen schaffen Freiräume für die Planung. Ferner werden keine aufwändigen Tragekonstruktionen im Schachtkopf benötigt, weil MRL-Systeme sämtliche Kräfte über die Schienen auf die Schachtgrube ableiten (Bild 3).

Zusätzlich zur energetischen Rückgewinnung resultiert als Nebenef-fekt eine deutlich geringere Erwärmung des Ölvolumens und somit eine konstantere Viskosität, die ein einfacheres Steuern des Aufzugs sowie eine komfortable Beförderung der Aufzugskabine ermöglicht. Ein Kühlsystem für das Hydraulikmedium ist somit nicht notwendig. Dadurch kann Energie eingespart werden.

Auch aus sicherheitstechnischer Sicht haben hydraulische Antriebe in der Aufzugstechnik Vorteile: Bei Auftreten eines Stromausfalls lässt sich der Lift über den Handnotablass immer auf die Puffer absenken, weil dieses Ventil das System in jedem Fall vom Druck entspannt und das Medium in den Tank abfließen lässt. Ein Anheben ist mit der Handpumpe ebenfalls immer möglich.

Speichern von Energie bei minimalen Platzbedarf

Das Speichern der kinetischen Energie ist vor allem deshalb interessant, weil das steigende Eigengewicht des Aufzugkorbs speziell bei Beschleunigungen hohe Kräfte erfordert. Das Eigengewicht einer Aufzugskabine ist in der Regel gleich seiner Nutzlast, wobei durch die steigende Verwendung von Glas als Konstruktionswerkstoff dieser Faktor aber auch leicht verdoppelt werden kann. Für den Antrieb bedeutet dies eine stärkere Leistung und/oder mehr Hydraulikvolumen, was sich jedoch nicht mit dem Wunsch nach kleinen oder gar keinen Maschinenräumen vereinbaren lässt.

Der Kolbenspeicher mit 250 bar Maximaldruck stellt auch im Bezug auf die Baugröße die kleinste Bauart dar. Eine doppelt wirkende Tandemdichtung zwischen zwei Führungsringen bietet bei einem Reibung-Dichtheits-Vergleich die optimale Lösung (Bild 4). Höhere Systemdrücke können durch konstruktive Maßnahmen realisiert werden. Beide Medien im Kolbenspeicher werden von jeweils einer Elastomerlippe abgedichtet, der Zwischenraum – als PTFE-Compoundring ausgeführt – reduziert die Reibwerte des Kolbens und bietet zusätzliche Dichtkanten und eine Schleppölkammer.

Weil bei Kolbenspeichern durch die „schwimmende“ Lagerung des Kolbens meist im mittleren Hubbereich auch die resultierende Rohratmung entsprechend kritisch wird, muss bei einer weiteren Erhöhung des Speicherdrucks auch der möglichen Spaltextrusion Rechnung getragen werden. Die Dichtelemente werden durch Stützringe geschützt, die darauf folgenden Führungsringe zur sicheren Ableitung der Kräfte weiter metallisch gekammert.

Anhand dieser Beispiele wurde auszugsweise gezeigt, welche Möglichkeiten dem Anwender zur Verfügung stehen, um den Energiehaushalt hydraulischer Anlagen sicher und mit höchstmöglicher Effizienz nutzen zu können.

Dipl.-Ing. Frank Dorbath ist zuständig für Anwendungs- und Prozesstechnik bei der Hunger DFE GmbH in 97080 Würzburg, Tel. (09 31) 9 00 97-0, Fax (09 31) 9 00 97-30, f.dorbath@hunger-dichtungen.de

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