Hydrauliköl-Kompressibilität: Was ist das und was sind die Risiken?

Joris van der List 1 August 2018 Allgemeine Industrie, Hydrauliköle
Q8Oils Hydraulic Oils

Hydrauliköle lassen sich etwas komprimieren, was zu Problemen in Hydrauliksystemen führen kann. Aspekte wie Temperaturänderungen und das Vorhandensein von Luftblasen im Hydrauliköl beeinflussen die Kompressibilität, was zu einer unkontrollierten Dekompression und anderen Problemen im Zusammenhang mit der Kompressibilität führen kann.

Hydrauliköle sind relativ inkompressibel, aber Volumenreduktionen können je nach Druck, Temperatur, Flüssigkeitstyp und Systemdesign signifikant sein.

Kompressibilität und Kompressionsmodul von Hydraulikölen

Die Kompressibilität (k) ist ein Maß für die Volumenreduzierung – allein durch Druck. Sie wird normalerweise durch das Kompressionsmodul (β) ausgedrückt, den reziproken Wert der Kompressibilität (k=1/β).

Das Kompressionsmodul drückt den Widerstand einer Flüssigkeit gegenüber einer Volumenverringerung durch Kompression aus. Das Kompressionsmodul variiert je nach Druck, Temperatur, Molekülstruktur, Gasgehalt und Elastizität des Hydrauliksystems.

Thermische Ausdehnung von Hydraulikölen

Das Volumen eines bestimmten Hydrauliköls ändert sich nicht nur aufgrund von Druckänderungen, sondern auch aufgrund von Temperaturänderungen. Wenn die Temperatur ansteigt, nimmt die Dichte des Öls ab, was zu einer Zunahme des Volumens führt. Dieser Grad der Ausdehnung wird als der Wärmeausdehnungskoeffizient (α) dargestellt. Dieser Koeffizient ist das Verhältnis der relativen Änderung des Volumens zur Temperaturänderung.

Wie sich Luftblasen auf die Kompressibilität auswirken

Wenn Luftblasen in der Hydraulikflüssigkeit vorhanden sind, erhöht dies die Kompressibilität. Mit anderen Worten – verringert die gelöste Luft das Kompressionsmodul von Mineralölen – verringert sich daher die Beständigkeit gegenüber Kompression. Dieser Effekt zeigt sich besonders bei niedrigen Betriebsdrücken, da eine Flüssigkeit unter Druck gesetzt wird, die Luftporen komprimiert werden und somit weniger Einfluss auf die Kompressibilität haben.

Die Auswirkung der Luftporen auf das Kompressionsmodul ist in Abbildung 1 dargestellt.

Bulk Modulus
Abbildung 1: Berichtigungskoeffizient des Kompressionsmoduls bei einer Hydraulikflüssigkeit mit ungelöster Luft

Beispielsweise halbiert sich das Kompressionsmodul bei einem niedrigen Druck (50 Bar) (1 Bar = 1·10-1 MPa) und 0,5 %-Vol. ungelöster Luft. Die Volumenreduktion bei einem Mineralöl (ISO VG 46) bei 20 °C mit ungelöster Luft im System ist in Abbildung 2 dargestellt.

undissolved air
Abbildung 2: Die isotherme Volumenreduktion bei einem Mineralöl (ISO VG 46) bei 20 °C mit ungelöster Luft im System

Wie sich das Systemdesign auf die Kompressibilität auswirkt

In einem Hydrauliksystem addiert sich die Elastizität des Systems zur gesamten Kompressibilität für jede einzelne Komponente (das Kompressionsmodul wird reduziert). Auch wenn die Hydraulikflüssigkeit den überwiegenden Beitrag zum effektiven Kompressionsmodul liefert, können auch die Beiträge anderer Systemelemente (Rohre, Dichtungen, Ventile, flexible Schläuche usw.) von Bedeutung sein. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn anstelle von Rohren beispielsweise (flexible) Schläuche verwendet werden.

Die negativen Auswirkungen der Kompressibilität

Im Allgemeinen gelten Hydraulikflüssigkeiten als inkompressibel. Mineralöle sind jedoch etwas kompressibel, was zu Problemen in Hydrauliksystemen führen kann, wie beispielsweise Effizienzverlust (Leistungsverlust), Kavitation (die Metallbruch verursachen kann), Spannungskorrosion und Ermüdung. Die Kompression von Hydraulikflüssigkeiten führt zur Speicherung von Energie; eine komprimierte Flüssigkeit hat die Fähigkeit zu arbeiten. Wenn die Dekompression nicht kontrolliert wird, wird die gespeicherte Energie plötzlich freigesetzt. Diese plötzliche Freisetzung von Energie erzeugt Spannungen, Lärm und kann Schäden an den Hydraulikkomponenten verursachen. Dieser Effekt kann durch ein gutes Systemdesign beherrscht werden.

Wie vermeidet man eine hohe Kompressibilität in Hydraulikflüssigkeitssystemen?

In der Praxis wird die Hauptanforderung für eine akzeptable niedrige Kompressibilität erfüllt, wenn sichergestellt ist, dass in der Hydraulikflüssigkeit keine Luftporen enthalten sind. Gute Entlüftungseigenschaften reduzieren die Kompressibilität der Flüssigkeit erheblich. So werden die Volumenreduktion und damit die einhergehenden Probleme verringert.

Joris van der List

Von unserem Experten Joris van der List

Nach 8-jähriger Tätigkeit im Q8Research-Institut in Rotterdam wechselte Joris van der List 2011 zu Q8Oils. Er ist nicht nur technischer Verkaufsleiter, sondern auch ein Experte im Energiesektor und kommt aus dem Maschinenbau.

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