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Hydraulik

Einfacher Aufbau von Hydraulikzylindern trotzt komplexer Beanspruchung

11.12.2006 | Autor / Redakteur: Carsten Kempfert / Josef-Martin Kraus

Bild 1: Falsche Kolbenbeanspruchung. Das Ergebnis ist ein Zylinder- und damit Maschinenausfall.
Bild 1: Falsche Kolbenbeanspruchung. Das Ergebnis ist ein Zylinder- und damit Maschinenausfall.

Trotz Dauerbelastung halten moderne Hydraulikzylinder ein Maschinenleben lang. Ein Grund dafür liegt im einfachen Zylinderaufbau, ein anderer in einer regelmäßigen Sichtprüfung, die vor jedem Versagen ein charakteristisches Schadensbild offenbart. Insbesondere in einem optimierten Dichtungssystem kann der Schlüssel für eine lange Lebensdauer liegen.

Der Hydraulikzylinder ist das wohl bekannteste Bauteil in der Fluidtechnik. Denn es ist eindeutig das Bindeglied zwischen dem hydraulischen Kreislauf und der Arbeitsmaschine. Zylinder sind praktisch überall dort zu finden, wo die menschliche Arbeitskraft hydraulisch unterstützt oder gänzlich ersetzt wird – sei es im klassischen Maschinenbaubereich, in der Windenergietechnik, der Luft- und Seefahrt oder auf dem Rummelplatz.

So sind die Aufgabenbereiche von Hydraulikzylindern zum Teil hoch komplex. Im Vergleich dazu wird der Zylinderaufbau vom konstruktiven Prinzip her sehr einfach gehalten. Auch der technisch-physikalische Aspekt des Arbeitsablaufs ist weitestgehend der Gleiche: Es wirkt ein bestimmter Druck p über ein Medium so auf eine Kolbenfläche A (F = p 3A), dass eine mechanische Kraft F von wenigen Newton bis weit über 250 000 kN entlang einer sehr kurzen bis meterlangen Hublänge wirkt, wobei die Antriebsbewegung meist geradlinig ist.

Das alles ist bekannt und leicht verständlich. Im Vergleich dazu komplizierter sind die Ausfallursachen eines Zylinders, zum Beispiel in einer Stanzmaschine, die „rund um die Uhr“ laufen muss. Potenzielle Ausfallursachen gibt es viele. Das können technisch nicht vertretbare mechanische Beanspruchungen, mangelhafte Auslegung, ungünstige Beaufschlagung physikalischer Eigenschaften und natürlich das Zusammenwirken mehrerer dieser Komponenten sein (Bild 1).

Die tägliche Praxis zeigt, dass sich durch regelmäßige Sichtprüfung ein solcher Schaden, der immer wieder zu immensem Zeitverzug und sehr hohen Folgekosten führt, frühzeitig erkennen und dementsprechend beseitigen lässt. Denn für die meisten problembedingten Maschinen- und Anlagenstillstände ist ein schon länger zurückliegendes Schadensbild charakteristisch – obgleich es oftmals einfach nur der durch den täglichen Einsatz bedingte Verschleiß ist, der schließlich die Funktionalität des Hydraulikzylinders mindert.

So kann es bei Zylindern mit gro-ßen Ausfahrlängen (Hub größer als Kolbenstangendurchmesser) unter Belastung zu Stabilitätsproblemen kommen, wobei diese Problematik präventiv auf rechnerischem Wege gelöst werden kann. Sowohl die Knicklast als auch die Betriebslast werden nach Euler berechnet. Den Wert für die jeweilige freie Knicklänge zeigt die Tabelle.

Für Standardzylinder, deren Betriebslagen vorab selten bekannt sind, bietet dieses Berechnungssystem für die Praxis einen ausreichenden Sicherheitsfaktor bezüglich Aufnahme sich überlagernder Biegespannungen. Manchmal ist es aber doch zu spät.

Kleine Dichtelemente mit großer Wirkung

Das weitaus größte Schadenspotenzial ist aber den unterschiedlichen Abdichtmechanismen – also den Dichtungen – zuzuschreiben. Obwohl Dichtungen nur einen geringen Teil der Gesamtkosten eines Zylinders ausmachen, sind die in einem Hydraulikzylinder vorhandenen unterschiedlichen Dichtsysteme nicht nur hinsichtlich der Funktion, sondern auch in Bezug auf die Sicherheit gegenüber Mensch und Umwelt entscheidend.

Kein Zylinder ist besser als seine Dichtungen, heißt es. Wenn entsprechende Abdichtungen am Kolben oder an der Stange versagen, können unverhältnismäßig hohe Folgekosten auftreten, wobei die Reparaturkosten meist den Wert des ausgefallenen Dichtelementes um ein Vielfaches übersteigen (Bild 2).

Von Anfang an muss daher bei der Zylinderkonstruktion mit größter Sorgfalt an die jeweilige technische Herausforderung herangegangen werden. Denn das Gestalten, Fertigen sowie Betreiben unterschiedlicher Dichtsysteme erfordert Kenntnisse und Fähigkeiten in vielerlei Grundlagenfächern, wobei beispielhaft die Konstruktions- und Produktionstechnik, die Festigkeits- und Wärmelehre und vor allen Dingen die Werkstoffkunde erwähnt werden müssen.

Werkstoffinvestment zahlt sich aus

Die Komplexität von Maschinen und Anlagen hinsichtlich der Arbeitsbewegungen steigt – und damit auch die Betriebsdrücke. Somit müssen auch die eingesetzten Werkstoffe entsprechend höheren Ansprüchen genügen. Bei Dichtungswerkstoffen spielen nach wie vor die klassischen Anwendungsparameter Druck, Temperatur, Medium und Einsatzgeschwindigkeit die maßgebende Rolle.

Von Anwenderseite werden den Bauteilen aber auch seit geraumer Zeit betriebswirtschaftliche Aspekte wie längere Wartungsintervalle, höhere Betriebssicherheit und niedrigere Beschaffungskosten abverlangt.

Dabei zeigt die Erfahrung, dass sich in der Praxis letztendlich die preislich auch meist nicht viel teureren Werkstoffe als fachgerechtere Lösung durchsetzen. Denn durch den Einsatz vermeintlich „billiger“ Werkstoffe steigen bei den heute an eine Maschine oder Anlage gestellten Anforderungen die Folgekosten in Form von Ausfallzeiten sowie erhöhtem Reparaturaufwand nachher unverhältnismäßig an.

Eine steigende Komplexität ist aber nicht nur allein im Bereich der unterschiedlichen Formen von Kolben- und Stangendichtungen, Abstreifern und statischen Dichtungen zu sehen. So wird auch auf immer mehr Werkstoffe und Werkstoffkombinationen zurückgegriffen. Wo vor einigen Jahren noch die geflochtene Packungsschnur genügte, muss man sich heutzutage mit sehr vielen High-Tech-Mischungen auseinandersetzen – aus vielen Bereichen der Werkstofftechnik: zum Beispiel mit jeweils für den geforderten Einsatz ausgelegten Kunststoffen, Metallen, aber auch Verbundwerkstoffen.

Dazu gehören PTFE-Werkstoffe mit unterschiedlichsten Compounds, spezielle Polyurethane für die Dichtungsherstellung, hoch ozonbeständige NBR-Mischungen oder Fluorelastomere wie FFKM.

Bei dieser Vielfalt verbirgt sich natürlich eine hohe Fehlerquote. Ein immer wieder anzutreffender Klassiker ist dabei das „verbindliche“ Bestimmen von Dichtungen nach der Farbe. Rein theoretisch ist jeder Dichtungswerkstoff in jeder gewünschten Farbe erhältlich. Somit muss ein FKM-O-Ring nicht zwangsläufig braun oder grün sein, und NBR ist auch nicht immer schwarz.

Es sind also sehr viele Faktoren wichtig, um ein funktionierendes System zu erstellen und dies auch auf lange Sicht hin vernünftig abzudichten. Doch Ausfälle werden immer wieder auftreten, ob aus konstruktiven, rein physikalischen oder anwendungsbedingten Gründen. Wichtig ist dabei, einen guten Partner an seiner Seite zu wissen, der sich diesen Problemen stellt und auf jeden Fall eine Lösung parat hat.

Carsten Kempfert ist im Bereich Weiterbildung bei der Hansa-Flex Hydraulik GmbH, Bremen, tätig, Tel. (04221) 398684, Fax (04221) 398685, c.kempfert@hansa-flex.com

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