Wie hydraulische Systeme funktionieren: Komponenten, Schaltkreise, Berechnungen und Fehlerbehebung

Ein Hydrauliksystem wandelt mechanische Eingaben in Fluidkraft um und wandelt diese Fluidkraft dann wieder in Kraft oder Bewegung um. Diese Kombination aus kompakten Komponenten und hoher Kraftabgabe macht die Hydraulik weit verbreitetIndustriepressen, Werkzeugmaschinen, Bau- und Landmaschinen, Hebesysteme und mobile Maschinen.

Um das System zu verstehen, braucht man mehr als nur zu wissen, dass eine Pumpe Öl fördert. Der Druck entwickelt sich als Reaktion auf den Widerstand, der Durchfluss steuert die Aktuatorgeschwindigkeit, Ventile leiten und regulieren Energie und der Flüssigkeitszustand beeinflusst die Zuverlässigkeit. In diesem Handbuch werden diese Beziehungen erläutert und das System vom Pascalschen Gesetz über den Schaltkreisbetrieb, die Dimensionierung, die Wartung und die Fehlerbehebung verfolgt.

Pascalsches Gesetz und Kraftübertragung

Die hydraulische Kraft basiert auf dem Pascalschen Gesetz: Der auf eine eingeschlossene Flüssigkeit ausgeübte Druck wird in alle Richtungen gleichmäßig übertragen.

Der hydraulische Druck beträgt:

Druck=Kraft ÷ Fläche

oder:

P = F ÷ A

In US-üblichen Einheiten:

P= Druck in Pfund pro Quadratzoll (psi)

F=Kraft in Pfund-Kraft (lbf)

A= Fläche in Quadratzoll (in²)

Das Umstellen der Formel ergibt:

F = P × A

Dieser Zusammenhang erklärt die hydraulische Kraftvervielfachung. Betrachten Sie zwei verbundene Zylinder. Der kleine Kolben hat eine Fläche von 1 Zoll² und der größere Kolben hat eine Fläche von 10 Zoll². Wenn ein Bediener 10 lbf auf den kleinen Kolben ausübt:

P=10 lbf ÷ 1 in²=10 psi

Ungefähr 10 psi wirken auch auf den größeren Kolben und erzeugen eine theoretische Kraft von:

F=10 psi × 10 in²=100 lbf

Der Output ist zehnmal so groß wie der Input, da die Kolbenfläche zehnmal größer ist.

Tatsächliche Systeme sind nicht zu 100 Prozent effizient. Dichtungsreibung, interne Leckage, Verluste durch Ventile und Schläuche sowie mechanische Reibung reduzieren die verfügbare Kraft. Bei einem kombinierten hydraulischen und mechanischen Wirkungsgrad von 90 Prozent:

Tatsächliche Kraft=100 lbf × 0.90=90 lbf

Die gleiche Methode gilt für industrielle und mobile Geräte. Ein Zylinder mit einer effektiven Fläche von 20 Zoll² erzeugt bei einem gemessenen Druck von 2.500 psi:

Theoretische Kraft=2,500 × 20=50,000 lbf

Bei einem geschätzten Wirkungsgrad von 92 Prozent:

Nutzbare Kraft ≈ 46.000 lbf

Wenn die effektive Kolbenfläche bekannt ist, kann ein Manometerwert daher eine ungefähre Zylinderkraft liefern.

Druck und Durchfluss hängen zusammen, sind aber nicht austauschbar. Der Druck bestimmt die verfügbare Kraft oder das verfügbare Drehmoment, während der Durchfluss hauptsächlich die Aktuatorgeschwindigkeit bestimmt.

Haupthydraulikkomponenten

Jede Komponente spielt eine spezifische Rolle bei der Erzeugung, Steuerung oder Nutzung hydraulischer Energie.

Hydraulikpumpen

Die Pumpe erzeugt Durchfluss. Druck entsteht, wenn diese Strömung auf Widerstand stößt.

Eine Pumpe mit fester-Verdrängung liefert bei jeder Umdrehung ungefähr das gleiche Volumen und eignet sich für Systeme mit relativ konstantem Bedarf.

Eine Pumpe mit variabler-Verdrängung ändert ihre Leistung, wenn sich der Bedarf ändert. Es wird häufig dort eingesetzt, wo es auf Energieeffizienz, präzise Steuerung oder unterschiedliche Aktoranforderungen ankommt.

Bei der Pumpenauswahl sollten Verdrängung, Nenndruck, Höchstgeschwindigkeit, erforderlicher Durchfluss in GPM, volumetrischer Wirkungsgrad, Flüssigkeitsverträglichkeit und Montageanordnung berücksichtigt werden.

Reservoir

Das Reservoir speichert Flüssigkeit und gibt Luftblasen Zeit, sich zu trennen, Verunreinigungen Zeit, sich abzusetzen und einen Weg zu erwärmen, um sich zu zerstreuen. Ein gut-entworfenes Reservoir kann Folgendes umfassen:

Füll- und Entlüftungsfilter

Diffusoren mit Rückführung-

Gegebenenfalls Saugsiebe

Füllstands- und Temperaturanzeigen

Interne Leitbleche

Zugang zum Abfluss und zur Reinigung

Mobile Geräte benötigen möglicherweise einen kompakten Druckbehälter oder eine spezielle Abschirmung, da sie an Hängen und unter Vibrationen eingesetzt werden.

Hydraulikventile

Ventile steuern, wohin die hydraulische Energie fließt und wie der Aktuator reagiert.

Das Überdruckventil schützt Pumpen, Schläuche, Zylinder und andere Komponenten vor übermäßigem Druck.

Aktuatoren

Hydraulische Aktuatoren wandeln Fluidkraft in mechanische Leistung um. AHydraulikzylindererzeugt eine lineare Bewegung, wenn der Druck auf die Kolbenfläche wirkt. Ein Hydraulikmotor erzeugt eine Drehbewegung: Der Durchfluss beeinflusst die Drehzahl, während die Druckdifferenz das verfügbare Drehmoment bestimmt.

Dichtungen müssen zur Flüssigkeitschemie, zum Druck, zur Geschwindigkeit und zur Temperatur passen. Nitrilkautschuk kommt häufig in Mineralölsystemen vor. FKM wird häufig bei höheren Temperaturen oder in chemisch anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, während Elemente auf PTFE--Basis für Anwendungen geeignet sein können, die eine geringe Reibung oder eine umfassendere chemische Kompatibilität erfordern. Überprüfen Sie das endgültige Material anhand der tatsächlichen Flüssigkeits- und Betriebsbedingungen.

Ein typischer hydraulischer Kreislauf

Eine grundlegende Industrieschaltung kann wie folgt dargestellt werden:

Behälter → Pumpe → Manometer → Überdruckventil → Wegeventil → Zylinder → Rücklauffilter → Behälter

1. Start

Ein Elektromotor oder Motor startet die Pumpe. Die Pumpe saugt Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter an und fördert sie in die Druckleitung.

Wenn sich das Richtungsventil in einer offenen Mittelstellung oder Entlastungsposition befindet, kann der Fluss mit relativ niedrigem Druck zum Behälter zurückkehren. Zu den nützlichen Überwachungspunkten gehören der Pumpenauslassdruck, der Hauptleitungsdurchfluss, die Behältertemperatur und der Differenzdruck des Rücklauffilters.

2. Druckentwicklung

Wenn das Wegeventil Durchfluss zum Aktuator sendet, erhöht sich der Widerstand. Der Druck steigt nur so weit an, dass die äußere Last und die inneren Verluste überwunden werden.

Wenn ein Zylinder beispielsweise 1.800 psi benötigt, um seine Last zu bewegen, kann der Druck von einem niedrigen Standby-Wert auf etwa 1.800 psi zuzüglich der Kreislaufverluste ansteigen.

3. Zylinderverlängerung

Das Wegeventil leitet den Pumpenstrom in das Deckelende des Zylinders. Das am Stangenende austretende Öl kehrt durch das Ventil zum Behälter zurück und der Zylinder fährt aus. Ein Durchflussregelventil kann den Durchfluss beschränken, um die Ausfahrgeschwindigkeit festzulegen.

4. Endanschlag und Druckbegrenzung

Wenn der Zylinder das Ende seines Hubs erreicht, stoppt er seine Bewegung. Wenn die Pumpe weiterhin Förderstrom liefert, steigt der Druck schnell an.

Bei seinem voreingestellten Druck öffnet sich das Überdruckventil und leitet überschüssigen Durchfluss zum Behälter um. Dadurch wird verhindert, dass das System seine sichere Druckgrenze überschreitet. Der kontinuierliche Betrieb am Überdruckventil verschwendet Energie und erzeugt erhebliche Wärme.

5. Rückzug

Das Wegeventil kehrt um und leitet Öl unter Druck zur Stangenseite, während Öl von der Kappenseite zum Tank zurückfließt.

Die Stange verringert die wirksame Kolbenfläche beim Einfahren, sodass ein herkömmlicher Zylinder mit einer -Stange bei gleichem Druck weniger Einzugskraft erzeugt. Bei gleicher Einlassströmung kann es auch zu einem schnelleren Einfahren kommen.

6. Entladen und Herunterfahren

Nach dem Vorgang kehrt der Stromkreis in den Neutralzustand zurück. Abhängig von ihrer Konstruktion kann es sein, dass die Pumpe entlädt, den Hub verringert oder stoppt.

Lassen Sie vor der Wartung den gespeicherten Druck gemäß den Sperr-/Kennzeichnungs- und Druckentlastungsverfahren des Maschinenherstellers ab.

Elektrohydraulische Systeme ermöglichen es Technikern, den elektrischen Befehl mit der hydraulischen Reaktion zu vergleichen. Ein Oszilloskop oder eine Diagnoseschnittstelle kann den an ein Magnet- oder Proportionalventil gesendeten Befehl bestätigen, während Messgeräte und Durchflussmesser anzeigen, was im Stromkreis passiert ist.

Wenn die SPS einen Ventilbefehl sendet, sich der Druck jedoch nicht ändert, überprüfen Sie das Magnetventil, die Spulenbewegung, den Steuerkreis und die Hydraulikversorgung. Wenn kein Befehl vorliegt, beginnen Sie mit der Steuerung, dem Sensor, der Verkabelung oder der Verriegelung.

Hydraulikflüssigkeit, Druckverlust und Wartung

Hydraulikflüssigkeit überträgt Kraft, schmiert Komponenten, leitet Wärme ab, transportiert Verunreinigungen zu Filtern und schützt Oberflächen vor Verschleiß und Korrosion.

Mineralhydrauliköle werden üblicherweise durch ISO-Viskositätsklassen wie ISO VG 32, 46 und 68 identifiziert. Die richtige Klasse hängt von den Pumpenanforderungen und der Betriebstemperatur ab.

Kaltes Öl wird zähflüssiger. Wenn es zu dick ist, kann es beim Systemstart zu Schwierigkeiten, hohem Saugverlust, langsamer Reaktion des Stellantriebs, Kavitation oder Filterbypass kommen.

Hohe Temperaturen verringern die Viskosität und können die innere Leckage erhöhen, den Schmierfilm schwächen, die Oxidation beschleunigen und Dichtungen beschädigen.

Geräte in kalten Klimazonen im Norden der USA benötigen möglicherweise eine Flüssigkeit mit niedrigerer-Viskosität oder mit einem hohen Viskositätsindex. Maschinen, die in heißen südlichen Klimazonen kontinuierlich laufen, benötigen möglicherweise eine höhere thermische Stabilität oder eine höhere Betriebsviskosität. Überprüfen Sie vor dem Ölwechsel den zulässigen Viskositätsbereich des Pumpenherstellers.

Druckverlust im Kreislauf

Flüssigkeit verliert an Druck, wenn sie durch Schläuche, Rohre, Armaturen, Filter, Kühler und Ventile fließt. Der Verlust steigt mit der Durchflussrate, der Leitungslänge, der Flüssigkeitsviskosität, Einschränkungen und einem unzureichenden Schlauchdurchmesser.

Der Druckabfall steigt mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit schnell an. Saug-, Druck- und Rücklaufleitungen sollten daher für eine angemessene Geschwindigkeit ausgelegt sein, wobei die Verluste anhand von Herstellerdaten oder Berechnungen des hydraulischen Druckabfalls überprüft werden sollten.

Zu den häufigsten externen Leckstellen gehören Schlauchverbindungen, Stangendichtungen, Ventilverteiler, Pumpenwellendichtungen, Armaturen und beschädigte Schläuche.

Wartungspraktiken

Ein praktisches Wartungsprogramm sollte folgende Arbeiten umfassen:

Überprüfen Sie bei Routineinspektionen den Flüssigkeitsstand, die Temperatur, ungewöhnliche Geräusche und sichtbare Lecks.

Verwenden Sie Filtereinschränkungsindikatoren, anstatt sich nur auf die kalenderbasierte-Ersetzung zu verlassen.

Nehmen Sie Ölproben an gleichbleibenden Stellen und unter gleichbleibenden Betriebsbedingungen.

Testen Sie gegebenenfalls Partikelverunreinigung, Viskosität, Wassergehalt, Oxidation und Verschleißmetalle.

Untersuchen Sie signifikante Veränderungen der Partikelanzahl, anstatt einfach Komponenten auszutauschen.

Überprüfen Sie die Schläuche auf Abrieb, Risse, Blasenbildung und Bewegungen an den Anschlüssen.

Bestätigen Sie beim Ersetzen von Flüssigkeiten oder Dichtungen die chemische Kompatibilität.

Beim Öl- und Filterwechsel sollten die Empfehlungen des Geräteherstellers, die Überwachung der Verschmutzung, der Schweregrad des Betriebs und die Ergebnisse der Ölanalyse berücksichtigt werden und nicht ein einheitliches Betriebsstundenintervall.{1}

Hydraulische Dimensionierung und Steuerung

Die Dimensionierung beginnt normalerweise mit der Lastkraft und der erforderlichen Aktuatorgeschwindigkeit.

Angenommen, eine Maschine benötigt 30.000 lbf aus einem Zylinder bei einem maximalen Arbeitsdruck von 2.500 psi. Die erforderliche Kolbenfläche beträgt:

A = F ÷ P

A=30.000 ÷ 2,500=12 in²

Berechnen Sie die Bohrung aus:

A = πD² ÷ 4

Daher:

D = √(4A ÷ π)

Für eine Fläche von 12 Zoll²:

D ≈ 3,91 Zoll

Eine standardmäßige 4{1}}-Zoll-Bohrung ist ein sinnvoller Ausgangspunkt, vorbehaltlich des Sicherheitsfaktors, der Reibung, der Druckstufe, der Montagelasten und der Anforderungen an die Knickung der Stange.

Eine 4-Zoll-Bohrung hat eine Fläche von ungefähr:

Ein=12.57 in²

Bei 2.500 psi beträgt seine theoretische Ausdehnungskraft:

F=2,500 × 12,57 ≈ 31.425 lbf

Wenn die erforderliche Ausfahrgeschwindigkeit 4 Zoll/s beträgt, beträgt der erforderliche Durchfluss:

Q=Fläche × Geschwindigkeit

Q=12.57 × 4=50.28 in³/s

Eine US-Gallone enthält etwa 231 in³, also:

GPM=50.28 × 60 ÷ 231 ≈ 13,1 GPM

Die Pumpe muss etwa 13,1 GPM bei dem erforderlichen Druck liefern, bevor Effizienz und gleichzeitiger Durchflussbedarf berücksichtigt werden.

Überdruckventil einstellen

Das Überdruckventil muss die kritische Komponente mit der niedrigsten Bewertung-schützen und gleichzeitig der Maschine ermöglichen, ihre erforderliche Arbeitskraft zu entwickeln.

Drehen Sie die Einstellschraube erst, wenn die Maschine stärker zu arbeiten scheint. Identifizieren Sie den Auslegungsdruck, überprüfen Sie die Nennwerte der Komponenten, schließen Sie ein geeignetes kalibriertes Manometer an, belasten Sie den Kreislauf gemäß dem genehmigten Serviceverfahren und stellen Sie das Ventil gemäß den Herstellerspezifikationen ein.

Elektrohydraulische Steuerung

Moderne Systeme verwenden möglicherweise Proportional- oder Servoventile, die von einer SPS, einem Motion Controller oder einem elektronischen Verstärker gesteuert werden.

Proportionalventile sorgen für eine variable Durchfluss- oder Druckregelung. Servoventile werden im Allgemeinen verwendet, wenn eine sehr schnelle und präzise Reaktion erforderlich ist, obwohl sie sauberere Flüssigkeiten und ausgefeiltere Steuerungen erfordern.

Hydraulik bietet im Allgemeinen eine höhere Kraftdichte und eine bessere Lasthaltung als Pneumatik. Pneumatiksysteme können für die Hochgeschwindigkeitsautomatisierung mit geringerem Kraftbedarf sauberer, einfacher und wirtschaftlicher sein, aber Druckluft ist weitaus komprimierbarer als Hydrauliköl.

Checkliste zur hydraulischen Fehlerbehebung

Nehmen Sie Messungen vor, bevor Sie Komponenten austauschen.

Geringe Kraft oder Druckverlust

Überprüfen Sie den Flüssigkeitsstand.

Messen Sie den Ausgangsdruck der Pumpe.

Bestätigen Sie die Einstellung des Überdruckventils-.

Prüfen Sie, ob das Entlastungsventil offen klemmt.

Führen Sie einen Pumpendurchflusstest durch.

Überprüfen Sie den Zylinder oder Motor auf interne Leckagen.

Wegeventile auf internen Bypass prüfen.

Langsame Bewegung des Aktuators

Messen Sie den tatsächlichen Systemdurchfluss.

Filtereinschränkung prüfen.

Überprüfen Sie die Pumpengeschwindigkeit.

Überprüfen Sie die Flusskontrolleinstellungen-.

Auf interne Undichtigkeiten prüfen.

Messen Sie den Druckabfall an Schläuchen und Ventilen.

Überhitzung

Prüfen Sie, ob der Durchfluss kontinuierlich über das Überdruckventil fließt.

Überprüfen Sie den Ölstand und die Viskosität.

Überprüfen Sie die Leistung des Kühlers.

Interne Leckage messen.

Auf unterdimensionierte Leitungen oder drosselnde Ventile prüfen.

Überprüfen Sie die Effizienz von Pumpe und Ventil.

Lärm oder Kavitation

Überprüfen Sie den Füllstand des Behälters.

Überprüfen Sie die Saugschläuche auf Verstopfungen und Luftlecks.

Bestätigen Sie die Ölviskosität beim Start.

Überprüfen Sie das Saugsieb.

Überprüfen Sie den Pumpeneinlassdruck.

Suchen Sie nach schäumendem oder kohlensäurehaltigem Öl.

Durch den Einsatz von Druckmessgeräten, Temperatursensoren und Durchflussmessern in einer logischen Reihenfolge lässt sich ein Fehler in der Regel schneller eingrenzen als durch den Austausch einer Pumpe oder eines Ventils nur anhand der Symptome.

Engineering und Systemunterstützung

Ein Pumpen- und Zylinderdimensionierungsrechner mit ausgearbeiteten Beispielen, ein komplettes CAD-Paket für Hydraulikkreise und eine strukturierte Leistungsbewertung können einem Ingenieur- oder Wartungsteam bei der Bewertung einer bestehenden oder geplanten Installation helfen.

Zu den typischen technischen Leistungen gehören Last- und Drucktests, Ölprobenahmen, Kontaminationsanalysen, eine Prüfung der Komponentengröße-, Schaltungsoptimierung und Systemprüfungen auf der Grundlage der geltenden ISO 4413- und SAE-Richtlinien.

Geben Sie Ingenieuren auf einer kommerziellen Website drei direkte Wege: Laden Sie den Größenrechner herunter, fordern Sie Schaltpläne an oder vereinbaren Sie eine Gerätebewertung über ein Formular, einen Telefonkontakt oder einen Händler vor Ort. Geben Sie die voraussichtliche Reaktionszeit an und legen Sie fest, welche Dateien oder Testberichte der Kunde erhält.

Häufig gestellte Fragen

Wie multipliziert das Gesetz von Pascal die Kraft und wie wird sie in psi und in² berechnet?

Der auf die eingeschlossene Hydraulikflüssigkeit ausgeübte Druck wird auf die gesamte Flüssigkeit übertragen. VerwendenP = F ÷ ADruck berechnen undF = P × Aum die Ausgangskraft zu berechnen. Die Anwendung von 10 lbf auf einen 1-Zoll²-Kolben erzeugt 10 psi. Der auf einen 10 Zoll² großen Kolben wirkende Druck erzeugt theoretisch 100 lbf.

Was ist der Unterschied zwischen Zahnrad-, Flügelzellen- und Kolbenpumpen?

Zahnradpumpen sind robust, wirtschaftlich und werden häufig in Anwendungen mit fester Verdrängung eingesetzt. Flügelzellenpumpen laufen in Industrieanlagen im Allgemeinen ruhiger und leiser. Kolbenpumpen bieten hohen Druck und Effizienz und werden häufig dort eingesetzt, wo eine variable Verdrängung oder eine erweiterte Steuerung erforderlich ist.

Wie funktioniert ein typischer Hydraulikkreislauf?

Die Pumpe saugt Öl aus dem Vorratsbehälter an und das Wegeventil leitet Öl zum Aktuator. Der Druck steigt als Reaktion auf die Last, wenn der Zylinder aus- oder einfährt. Das Überdruckventil begrenzt übermäßigen Druck. Nach dem Vorgang kehrt das Ventil in die Neutralstellung zurück und die Pumpe entlädt, entlastet oder stoppt je nach Schaltungsdesign.

Wie wähle ich Hydraulikflüssigkeit aus?

Beginnen Sie mit den Viskositätsanforderungen des Geräteherstellers. Berücksichtigen Sie dann die minimale Starttemperatur, die normale Betriebstemperatur, den Viskositätsindex, die Verschleißschutzanforderungen, die Oxidationsbeständigkeit, die Wassereinwirkung, die Dichtungskompatibilität und die Umgebungsbedingungen. Die ISO-Viskositätsklasse allein reicht nicht aus.

Was sind die häufigsten Ausfälle von Hydrauliksystemen?

Zu den häufigsten Problemen gehören Überhitzung, Kavitation, übermäßige Geräusche, langsame Aktuatorbewegung, Unfähigkeit, Druck aufzubauen, interne oder externe Leckagen, verunreinigtes Öl und Ventilfehler. Beginnen Sie mit der Fehlerbehebung mit Messungen des Flüssigkeitszustands, des Drucks, des Durchflusses und der Temperatur.

Wie dimensioniere ich eine Pumpe und einen Zylinder hinsichtlich Kraft und Geschwindigkeit?

Berechnen Sie die Zylinderfläche mitA = F ÷ P, dann konvertieren Sie diese Fläche mit in den BohrungsdurchmesserD = √(4A ÷ π). Berechnen Sie nach Auswahl des Zylinders den für die Zielgeschwindigkeit erforderlichen Durchfluss:

GPM=Fläche (in²) × Geschwindigkeit (in/s) × 60 ÷ 231

Berücksichtigen Sie vor der Auswahl der Pumpe und des Zylinders Effizienz, Arbeitszyklus, gleichzeitigen Aktuatorbedarf, Druckverlust, Komponentennennwerte und einen angemessenen Sicherheitsspielraum.