Vibrationen wirksam bekämpfen

Professor Klaus Goebbels ist Geschäftsbereichsleiter der Speichertechnik bei der Hydac Technology GmbH in Sulzbach/Saar

Speicher in fluidtechnischen Anlagen sorgen dafür, daß Energie rationell eingesetzt wird. Sie gleichen Druck-, Temperatur-, Volumen- und Massengefälle aus. Weitere Aufgaben sind Leckölreserve oder Medientrennung. Im Hydrospeicher ist das Medium durch eine Trennwand vom Gas getrennt. Steigt der Druck des Mediums, so wird das Gas zusammengedrückt und speichert dabei Energie, mit der es das Medium später wieder aus dem Speicher herausdrückt.

Sowohl Bedarf als auch Verfügbarkeit von Energie unterliegen in fluidtechnischen Anlagen sehr oft großen Schwankungen. Am einfachsten scheint es, zeitweise überflüssige Energie in Wärme zu verwandeln und an die Umwelt abzugeben. Die Auslegung einer hydraulischen Pumpe nach dem Spitzenbedarf wäre allerdings eine kostspielige Überdimensionierung. Viel wirtschaftlicher ist es, Energie zu speichern, um zum richtigen Zeitpunkt auf sie zugreifen zu können.

Ist der Speicher gasseitig zum Beispiel mit einem Druck von 10 bar gefüllt, muß auf der Seite des Mediums mehr als 10 bar aufgewendet werden, um Blase, Kolben oder Membran zu bewegen. Wesentliche Auslegungsparameter eines Speichers sind das Nutzvolumen, der minimale und der maximale Arbeitsdruck sowie die minimale und die maximale Temperatur. Weitere Kriterien sind Dauer und Geschwindigkeit des Fluidaustauschs in die beiden Richtungen. Ein Austausch in der Größenordnung einer Minute und mehr ist thermodynamisch quasi-isotherm. Diese Betriebsbedingung herrscht etwa beim langsamen Schließen von Pipelineventilen, wenn sich der Druck im Tagesverlauf durch Erwärmen aufbaut.

Ein Austausch in Sekunden und weniger ist quasi-adiabatisch: Das Gas wird stark erwärmt. Ein Beispiel dafür ist der Druckstoß durch ein plötzlich geschlossenes Ventil. Im umgekehrten Fall wird das Gas bei schlagartiger Entleerung des Speichers stark abgekühlt. Realität ist die polytrope Zustandsänderung, die zwischen den beiden Extremen liegt.

Die Auslegungsprogramme für Hydrospeicher nutzen bestehendes Expertenwissen, so daß sich der Benutzer damit nicht im Detail befassen muß. Ergebnis der Auslegung ist das effektive Gasvolumen des Speichers. Das Auslegungsprogramm schlägt auch den Vorfülldruck der Gasseite vor.

Hydrospeicher liegen in unterschiedlichen Bauformen vor:

Der Blasenspeicher dient in der Eisen- und Stahlindustrie, in Papiermaschinen, in der Kunststoffverarbeitung, in Werkzeugmaschinen und Hydraulikaggregaten als Energiespeicher, Leckölkompensator und Massenausgleich. Er besteht aus einem nahtlosen Rohr mit warm umgeformten Enden, in dem sich eine Elastomerblase mit integriertem Gasventilkörper und ein Ölventil befinden.

Diese Speicher gibt es für Volumina bis 450 l und für Drücke bis über 1000 bar. Die Geometrie der Blase erlaubt nur ein maximales Druckverhältnis von 1:4 und verlangt einen senkrechten Einbau mit der Ölseite unten. Ein 4-l-Blasenspeicher kann also nur mit einem Nutzvolumen des Fluids von 3 l arbeiten. Eine Schwäche des Blasenspeichers ist die Permeation, ein Gasübertritt durch die Blase hindurch auf die Fluidseite. Eine Vorfülldruckkontrolle ist unerläßlich. Der Fluidstrom liegt bei maximal 1000 l/min.

Beim Membranspeicher ist die Membran zwischen dem Ober- und Unterteil eingespannt. Kundenspezifische Gas- und Ölanschlüsse sind an die Ober- beziehungsweise Unterteile angeformt oder angeschweißt. Membranspeicher gibt es für Volumina von unter 0,1 bis etwa 10 l und für Drücke bis zu 1000 bar. Die Geometrie von Membran und Behälter erlaubt ein Druckverhältnis von 1 : 8, ein 4-l-Membranspeicher kann eine Fluidmenge von 3,5 l aufnehmen und/oder abgeben. Das sind immerhin 17 % mehr als bei einem Blasenspeicher gleichen Volumens. Die Einbaulage ist beliebig. Für die Permeation und Vorfülldruckkontrolle gilt dasselbe wie beim Blasenspeicher. Der Volumenstrom liegt aufgrund der Geometrie der fIuidseitigen Öffnungen bei maximal 150 l/min.

Der Kolbenspeicher hat als Trennelement einen Kolben mit Dichtungsringen, der sich in einem Zylinder bewegt. Die Permeation spielt bei dieser Bauart keine Rolle, allerdings die Standzeit der Dichtungen, weshalb auch hier eine Vorfülldruckkontrolle unerläßlich ist. Die Einbaulage ist beliebig und das Druckverhältnis fast unendlich, weil sich der Kolben theoretisch vom unteren bis zum oberen Deckel bewegt. Ein 4-l-Kolbenspeicher kann im Idealfall fluidseitig 4 l Arbeitsflüssigkeit aufnehmen und abgeben.

Kolbenspeicher gibt es für Volumina von unter 1 l bis zu mehr als 1000 l, bei Drücken bis zu 800 bar. Der hohe Entnahmequerschnitt ermöglicht einen Volumenstrom von maximal 18000 l/min. Aus der Kolbenposition lassen sich Signale für die Maschinenfunktion ableiten. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten:

Optische Positionsüberwachung,

Schaltstangen mit Nocken, die am Kolben befestigt sind und

Positionssignale aus Potentiometer- oder Ultraschallsensordaten.

Kolbenspeicher finden im Schwermaschinen- und Kraftwerksbau ihre Anwendung, werden aber auch zur Schaufeldämpfung von Radladern eingesetzt, als Energiespeicher in Druckgußmaschinen oder in Crash-Test-Anlagen.

Ein Beispiel für das weite Feld der Pulsationsdämpfung sind Umlenkblöcke, welche die Ausschläge eines unruhigen Fluidstromes um etwa eine Zehnerpotenz oder stärker beruhigen. Blase und Membran reagieren bis etwa 300 Hz Pulsationsfrequenz nahezu trägheitslos, ein Kolben kann aufgrund seines Gewichtes und des Reibungswiderstandes nicht so rasch folgen. Andererseits genügt bei optimierten Dichtungssystemen weniger als 0,1 bar Druckdifferenz, um den Kolben zu bewegen.

Für höhere Frequenzen sind Reflexionsschalldämpfer (Silencer) nötig, die nach dem Prinzip der Auslöschung von Wellenzügen in einem Helmholtz-Resonator arbeiten: Grund- und Oberwellen interferieren zwischen Leitung und Rohr und senken damit die Schwingungsamplituden. Die Geometrie der Anordnung ist genau definiert. Das Rohr hat eine bestimmte Länge, und am Übergang Leitung/Rohr tritt ein exakt vorgegebener Querschnittsprung auf. Silencer kommen in großer Zahl als Geräuschdämpfer zum Tragen.