Volumetrische Maschinen und Hydraulikspeicher: Aufbau, Verluste und Funktion

Volumetrische Maschinen: Grundlagen und Klassifizierung

Volumetrische Maschinen (auch Verdrängermaschinen genannt) sind mechanische Vorrichtungen, die einen zeitweisen Energieaustausch zwischen einer Flüssigkeit und einer Drehachse ermöglichen. Sie können wie folgt eingestuft werden:

• Generierende Maschinen (Pumpen): Sie erhöhen die Energie der Flüssigkeit (Pumpen).
• Rezeptive Maschinen (Motoren): Sie extrahieren Energie aus der Flüssigkeit (Motoren).

Die Betriebskennlinien gelten sowohl für Motoren als auch für Pumpen.

Verluste in Verdrängermaschinen

Volumetrische Geräte bestehen aus festen und beweglichen Teilen, die in Kontakt mit der Flüssigkeit stehen. Dies führt zu einer Reihe von Verlusten:

Volumetrische Verluste (Leckverluste)

Diese Verluste entstehen durch das Vorhandensein von Zwischenräumen (Spalten) zwischen den festen und beweglichen Teilen sowie durch mangelnde Abdichtung von Fugen. Sie beeinflussen den volumetrischen Wirkungsgrad.

Hydraulische Verluste

Diese Verluste werden durch den direkten Kontakt mit der Flüssigkeit verursacht (Strömungswiderstände). Die Formel zur Berechnung ist ähnlich den Verlusten in Rohrleitungen. Sie beeinflussen den hydraulischen Wirkungsgrad.

Mechanische Verluste

Diese Verluste entstehen durch die Reibung der verschiedenen festen und beweglichen Teile der Maschinen. Sie beeinflussen den mechanischen Wirkungsgrad.

Wichtige Betriebsausdrücke

Innerhalb der volumetrischen Maschinen können folgende Ausdrücke definiert werden:

• Strömungsausdrücke (Flow Expressions):
  • In generierenden Maschinen (Pumpen): Eingangsströmung, Leckstrom und Abfluss.
  • In rezeptiven Maschinen (Motoren): Ebenfalls relevant.
• Leistungsausdrücke (Power Expressions): Relevant für generierende und rezeptive Maschinen.
• Drehmomentausdrücke (Torque Expressions): Relevant für rezeptive Maschinen (Motoren) und Generatoren (Pumpen).

Hydraulikspeicher (Akkumulatoren) und ihre Funktionen

Akkumulatoren (Hydraulikspeicher) werden in Ölhydraulikkreisen als zusätzlicher Flüssigkeitsspeicher verwendet, um Energie während des gesamten Arbeitszyklus der Schaltung bereitzustellen. In der Ölhydraulik erfüllen sie folgende Funktionen:

• Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsdrucks: Sie halten den Druck in der Schaltung konstant.
• Dämpfung: Sie dämpfen plötzliche Veränderungen der Strömung in der Schaltung.
• Spitzenabsorption: Sie absorbieren Druckspitzen und schützen die Schaltung so vor Beschädigungen.
• Flexibilität: Sie erhöhen die Flexibilität im Betrieb eines bestehenden Stromkreises.
• Energierückgewinnung: Sie sind eine kostengünstige Möglichkeit, Energie in Bremskreisen zurückzugewinnen.
• Weitere Merkmale: Zusätzliche Stromquelle, Kompensator für Wärmeausdehnung, Leckagekompensator, etc.

Arten von Hydraulikspeichern

Es gibt drei Haupttypen von Speichern:

1. Gewichtsspeicher (Kolbenspeicher): Ein Gewicht oder ein Kolben erzeugt einen Widerstand gegen die Befüllung des Speichers. Der Flüssigkeitsdruck bleibt konstant, während das Behältervolumen zunimmt.
2. Federspeicher: Eine Feder erzeugt einen Widerstand gegen die Befüllung des Tanks. Der Speicherdruck steigt linear mit der Zunahme der Flüssigkeit.
3. Gasspeicher: Der Widerstand wird durch die Kompression eines bestimmten Gases erreicht. Der Flüssigkeitsdruck steigt mit dem Ölvolumen, hängt aber auch von der Art des Gases ab.

Unterteilung der Gasspeicher

Gasspeicher können in zwei Gruppen unterteilt werden:

• Nicht-getrennte Gasspeicher: Das Gas steht in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit.
• Getrennte Gasspeicher: Das Gas ist durch eine Membran oder einen Kolben von der Flüssigkeit getrennt.

Berechnungsgrundlagen (Isotherme vs. Adiabate Prozesse)

Für die Berechnung eines Speichers sollte beachtet werden, dass, wenn die Kompression in mehr als 3 Minuten erfolgt, der Prozess als isotherm betrachtet wird, da genügend Zeit für den Temperaturausgleich mit der Umgebung besteht. Bei schnelleren Prozessen spricht man von adiabater Kompression.