Die meisten Leser dieser Kolumne wissen, dass die Viskosität einer Hydraulikflüssigkeit auf Kohlenwasserstoffbasis umgekehrt proportional zur Temperatur ist. Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität der Flüssigkeit ab und umgekehrt. Diese Situation ist aus mehreren Gründen nicht ideal. Die ideale Hydraulikflüssigkeit hätte einen Viskositätsindex (die Veränderung der Viskosität einer Flüssigkeit im Verhältnis zur Temperatur), der durch eine horizontale Linie dargestellt wird, die die Y-Achse bei 25 CentiStokes schneidet.

Diese Temperatur-Viskosität zeigt, dass eine ideale Hydraulikflüssigkeit unabhängig von der Temperatur keine Veränderung der Viskosität aufweisen würde.

Leider gibt es keine solche Flüssigkeit für die Effizienz und Langlebigkeit hydraulischer Maschinen. Und es ist unwahrscheinlich, dass eine solche Flüssigkeit noch zu meinen Lebzeiten entwickelt wird. Aber wenn eine solche Flüssigkeit entwickelt und patentiert würde, hätte ihr Erfinder den Schlüssel zu einer Goldmine in der Hand. Zurzeit gibt es Hydrauliköle verschiedener Güteklassen. Diese Flüssigkeiten haben einen hohen Viskositätsindex, so dass ihre Viskosität weniger empfindlich auf Temperaturschwankungen reagiert als ein Einbereichsöl.

Unbeabsichtigte Folgen

Die Flüssigkeitsviskosität ist einer der Faktoren, die bestimmen, ob eine Vollfilmschmierung erreicht und aufrechterhalten wird. Wenn Last und Oberflächengeschwindigkeit konstant bleiben, aber die Viskosität aufgrund der erhöhten Betriebstemperatur unter die für die Aufrechterhaltung eines hydrodynamischen Films erforderliche Viskosität sinkt, kommt es zu einer Grenzschmierung, die zu Reibung und adhäsivem Verschleiß führen kann.

Andererseits gibt es einen Viskositätsbereich, in dem Flüssigkeitsreibung, mechanische Reibung und volumetrische Verluste für die Leistung des Hydrauliksystems optimal sind. Dies ist der Viskositätsbereich, in dem das Hydrauliksystem am effizientesten arbeitet: das höchste Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung.

Um den obigen Punkt zu veranschaulichen, betrachten Sie folgendes Beispiel: Auf der Suche nach einem besseren Kraftstoffverbrauch ersetzte der Hersteller einer motorbetriebenen, mobilen Hydraulikmaschine seine Konstantpumpe, die das Anbaugerät der Maschine antreibt, durch ein Verstellaggregat. Der Bodenantrieb der Maschine war bereits mit einer verstellbaren Kolbenpumpe ausgestattet (hydrostatisches Getriebe), so dass es den Konstrukteuren der Maschine logisch erschien, den Hydraulikkreislauf des Anbaugeräts auf eine effizientere Konfiguration umzustellen.

Als diese Änderung getestet wurde, waren die Ingenieure schockiert, als sie feststellten, dass der Kraftstoffverbrauch tatsächlich um 12 bis 15 % gestiegen war! Die Analyse ergab, dass der Anstieg des Kraftstoffverbrauchs auf eine Erhöhung der Ölviskosität zurückzuführen war, die durch eine um 30 °C niedrigere Betriebsöltemperatur verursacht wurde. Mit anderen Worten, das „dickere“ Öl hatte zu einem zusätzlichen Widerstand des hydrostatischen Getriebes geführt, das den Bodenantrieb antreibt, wodurch die Maschine mehr Kraftstoff verbrauchte.

Die Maschine verwendete einen zweiteiligen, kombinierten Wärmetauscher für das Hydrauliköl und das Motorkühlmittel. Die Motorkühlung wurde durch einen thermostatisch gesteuerten hydraulischen Gebläseantrieb verbessert, der sich nach der Temperatur des Motorkühlmittels richtete. Der Ölkühler war für die Original-Hydraulikpumpe mit festem Hubraum ausgelegt.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Luftstrom durch den kombinierten Wärmetauscher vollständig von der Motortemperatur abhängt, da die Motorkühlung thermostatisch geregelt wird und das Hydrauliksystem nicht. Das bedeutet, dass die Verringerung der Wärmelast durch den Austausch der Konstantpumpe gegen eine Verstellpumpe zu einer erheblichen Verringerung der Hydrauliköltemperatur führte – was normalerweise eine gute Sache ist!

Die Ingenieure sperrten den größten Teil des Hydraulikölbereichs des Kühlers ab und führten den Test erneut durch. Dadurch wurde der Kraftstoffverbrauch wieder auf das ursprüngliche Niveau gebracht, aber es wurde keine signifikante Verbesserung festgestellt.

Man kam zu dem Schluss, dass die getestete Änderung zu einer kleinen Kosteneinsparung in Bezug auf eine Verkleinerung des Ölkühlers führen könnte. Da aber der Kraftstoffverbrauch wichtiger war als eine geringfügige Einsparung bei der Kühlleistung, war die Idee, mehr für eine Pumpe zu bezahlen, die das Öl auf einer niedrigeren Betriebstemperatur hielt, aber den Kraftstoffverbrauch erhöhte, für die Ingenieure der Maschine nicht vertretbar.

Lesson Learned

Diese Geschichte veranschaulicht die Auswirkungen, die die Temperatur des Hydrauliköls (und damit die Viskosität) auf den Kraftstoffverbrauch haben kann. Um die wichtigsten Punkte zusammenzufassen:

• Die Wärmebelastung des Hydrauliksystems wurde reduziert (der Wirkungsgrad erhöht), indem eine Konstantpumpe durch ein Aggregat mit variablem Hubraum ersetzt wurde;
• Das führte zu einem erheblichen Rückgang der Temperatur des Hydrauliköls im Betrieb;
• Der daraus resultierende Anstieg der Viskosität des Hydrauliköls erhöhte den Kraftstoffverbrauch um einen erheblichen Betrag.

Mit anderen Worten: Wenn Ihr Hydrauliköl zu dick ist, zahlen Sie dafür an der Kraftstoffpumpe oder am Stromzähler. Wenn Ihr Öl zu dünn ist, zahlen Sie dafür in der Werkstatt.

Wenn man davon ausgeht, dass dieser Versuch bei gleicher Umgebungstemperatur für beide Pumpenoptionen durchgeführt wurde, ist ein Rückgang der Temperatur des Hydrauliköls um 30 °C (54 °F) recht bemerkenswert. Dies kann zum Teil durch den an der Maschine installierten kombinierten Wärmetauscher erklärt werden. Wenn die Viskosität des Hydrauliköls zunimmt, arbeitet der Motor härter (verbrennt mehr Kraftstoff), so dass das Kühlgebläse (das von der Motortemperatur gesteuert wird) härter läuft. Das bedeutet, dass mehr Wärme aus dem Hydrauliköl abgeleitet wird, wodurch die Viskosität des Hydrauliköls weiter ansteigt. Es ist ein viskoser Kreislauf.

Eine weitere Erkenntnis aus dieser Geschichte – die für Maschinenkonstrukteure und die Käufer ihrer Maschinen relevant ist – ist, dass die meisten Konstrukteure das Öl nicht als die Schlüsselkomponente des Hydrauliksystems betrachten, die es ist. Die Viskosität des Hydrauliköls, der Viskositätsindex oder die optimale Viskositätszahl für die Hydraulikkomponenten im System wurden bei der Prüfung offenbar nicht berücksichtigt. Dies deutet darauf hin, dass der normale Kraftstoffverbrauch der Maschine nur ein glücklicher Zufall war.

Auch nachdem man herausgefunden hatte, dass der Kraftstoffverbrauch mit der Ölviskosität ansteigt, und obwohl die Möglichkeit einer Verringerung der installierten Kühlleistung anerkannt und in Betracht gezogen wurde, wurde offenbar nicht in Erwägung gezogen, die Viskosität des Öls zu ändern, um den höheren Wirkungsgrad (und damit die niedrigere Betriebstemperatur) des Systems zu erreichen. Hätte man die effizientere Pumpe mit der vorhandenen Kühlleistung mit einer Flüssigkeit geeigneter Viskosität kombiniert, wäre der Kraftstoffverbrauch der Maschine wahrscheinlich besser gewesen als beim ursprünglichen System.

Mit anderen Worten, die Maschinenkonstrukteure haben es versäumt, alle vier Seiten dessen, was ich den Leistungseffizienz-Diamanten einer hydraulischen Maschine nenne, angemessen zu berücksichtigen.

Der Leistungseffizienz-Diamant

Leistungseffizienz bedeutet das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Leistung. Neunzig kW Leistung von 100 kW Leistung ist ein Wirkungsgrad von 90%. Neunzig kW Ausgang von 110 kW Eingang ist ein Wirkungsgrad von 82 %. Und 90 kW Ausgangsleistung bei 120 kW Eingangsleistung entspricht einem Wirkungsgrad von 75 %. Beachten Sie, dass in allen drei Fällen die Ausgangsleistung gleich bleibt: 90 kW. Es ist nur so, dass die Eingangsleistung – und damit der Kraftstoff- oder Stromverbrauch des Antriebsmotors, der dafür erforderlich ist – immer weiter steigt!

Die Quadranten des Leistungswirkungsgrad-Diamanten einer hydraulischen Maschine sind alle miteinander verbunden. Die vier Seiten des Leistungseffizienz-Diamanten einer hydraulischen Maschine sind alle miteinander verbunden; wird eine Seite verändert, wirkt sich das auf die Symmetrie des Diamanten aus.

Die konstruierte Effizienz spiegelt die „native“ Effizienz der für das System gewählten Hardware wider. Zu dieser Hardware gehört die Anzahl der vorhandenen stromfressenden Geräte wie Proportionalventile, Durchflussregler und Druckminderungsventile. Dazu gehören auch die Verluste, die durch die Abmessungen und die Konfiguration aller erforderlichen Leitungen (Rohre, Schläuche, Armaturen und Verteiler) „eingeplant“ sind.

Auf der anderen Seite der Raute sollte die installierte Kühlleistung als Prozentsatz der kontinuierlichen Eingangsleistung den geplanten oder ursprünglichen Wirkungsgrad des Hydrauliksystems widerspiegeln. Mit anderen Worten: Je geringer der ursprüngliche Wirkungsgrad, desto größer die installierte Kühlleistung.

Neben der installierten Kühlleistung steht die Umgebungstemperatur, bei der die Hydraulikmaschine arbeitet. Diese hat einen direkten Einfluss auf die Betriebsöltemperatur des Hydrauliksystems, die wiederum die Ölviskosität bestimmt und den Wirkungsgraddiamanten vervollständigt.

Eine Maschinenkonstrukteurin hat keinen Einfluss auf die Umgebungslufttemperatur – obwohl sie wissen muss, in welchem Bereich diese liegt. Aber sie kann (oder sollte zumindest) die anderen drei Variablen bestimmen: den Auslegungswirkungsgrad, die installierte Kühlleistung und die Ölviskosität. Wie die bildliche Darstellung des Leistungseffizienz-Diamanten zeigt (und die obige Fallstudie verdeutlicht), kann keine dieser Variablen isoliert betrachtet werden.

Betrachtet man den Leistungseffizienz-Diamanten aus der Perspektive des Maschinenbesitzers, so ist es hilfreich zu verstehen, dass selbst nachdem die Maschine konstruiert, gebaut und mit Öl befüllt wurde, der Auslegungswirkungsgrad, die installierte Kühlleistung und die Umgebungslufttemperatur bewegliche Ziele sind – bewegliche Ziele, die die Betriebsölviskosität und damit den Energieverbrauch beeinflussen.

Die Möglichkeit von Schwankungen der Umgebungstemperatur, insbesondere wenn die Maschine zwischen verschiedenen Standorten mit unterschiedlichen klimatischen Bedingungen transportiert wird, ist ziemlich offensichtlich. Und obwohl der konstruktive Wirkungsgrad nicht schwankt, verschlechtert sich die tatsächliche Betriebseffizienz im Laufe der Zeit aufgrund von Verschleiß und Abnutzung. Auch wenn sich die installierte Kühlleistung als Prozentsatz der Eingangsleistung im Laufe der Zeit nicht ändert, kann die Effektivität durch Verschleiß der Kühlkreislaufkomponenten und – im Falle von Druckluft-Wärmetauschern – durch Schwankungen der Umgebungstemperatur und der Höhe verringert werden.

Um eine hydraulische Maschine in den „Sweet Spot“ ihrer Leistungseffizienz zu bringen, ist also eine sachkundige Konstruktion erforderlich. Um sie dort zu halten, muss die Veränderung der abhängigen Variablen auf ein Minimum beschränkt werden. In beiden Fällen kann der Leistungseffizienz-Diamant sowohl für Maschinenkonstrukteure als auch für Besitzer hydraulischer Geräte hilfreich sein, um die anstehende Aufgabe zu verstehen.

Brendan Casey hat mehr als 26 Jahre Erfahrung in der Wartung, Reparatur und Überholung mobiler und industrieller Hydraulikgeräte. Weitere Informationen über die Senkung der Betriebskosten und die Erhöhung der Betriebszeit Ihrer hydraulischen Ausrüstung finden Sie auf seiner Website unter www.HydraulicSupermarket.com.