Krane und Himmel

Krane aus der Forschperspektive: Welches Öl das richtige für eine Anlage ist, hängt unter anderem von den Umgebungsbedingen, der Einsatztemperatur und dem Systemdruck ab. Bild: Winkler

Ölschlamm

Ein mit Ölschlamm zugesetzter Filter. Bild: Winkler

Eine lange, störungsfreie Betriebszeit ist bei Hydraulikanlagen nur zu erreichen, wenn die konstruktiven Anforderungen mit dem Leistungsvermögen des Hydrauliköles weitgehend übereinstimmen. Das Fluid muss also mit der technologischen Weiterentwicklung der Hydraulikkomponenten Schritt halten. Aber nicht nur das. Auch von den Maschinen- und Anlagenbetreibern kommen Forderungen, zum Beispiel eine deutliche Verbesserung der Ölstandszeit. Die Ölanbieter haben auf diese Forderungen reagiert – mit Konsequenzen für die Konstruktion.

Beim Stöbern in aktueller Literatur zum Thema kristallisieren sich eine ganze Reihe Zukunftsanforderungen an Hydrauliköle heraus. Ganz oben steht der Wunsch nach einer sehr guten Schmierfähigkeit. Shell hat schon vor einigen Jahren ein Produkt entwickelt, das im Vergleich zu den gängigen Hydraulikölen den Energieverbrauch der Hydraulikanlage um acht Prozent senkt. Das zeigten Laborversuche als auch Praxistests.

Leitungen

Die Systemreibung, etwa in Rohren und Schläuchen, ist eine der Faktoren, welche die Energieeffizienz eines Hydrauliköls beeinflussen. Bild: Winkler

Auch Exxonmobil brachte zwischenzeitlich ein Energiespar-Hydrauliköl auf den Markt, das Mobil DTE 10 Excel. Verminderte Reibung und ein hoher Viskositätsindex führen bei diesem Produkt zu einer Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades. In Laborversuchen wurde im Vergleich zu einem Standardprodukt eine Steigerung der Hydraulikpumpeneffizienz um bis zu sechs Prozent ermittelt.

Wie Hydrauliköl die Energieeffizienz beeinflusst

Energiekosten machen einen hohen Anteil der Betriebskosten eines Unternehmens aus. Es ist also wirtschaftlich sinnvoll, auf Produkte zurückzugreifen, die einen geringeren Energieverbrauch haben. Großen Einfluss auf die Energieeffizienz eines Hydrauliköles hat die konstruktions- und anwendungsnotwendige Viskosität, das Viskositäts/Temperaturverhalten und die Systemreibung, zum Beispiel in Rohren und Schläuchen.

Für den Konstrukteur stellt sich natürlich die Frage, wie belastbar die Aussagen in den Firmenunterlagen sind, beziehungsweise welche Prüfungen über das Reibungsverhalten eines geschmierten Tribosystems Aufschluss geben. Eine Systemanalyse kann da weiterhelfen. Als erstes muss die Belastung des Gesamtsystems ermittelt werden, zum Beispiel die realistische obere und untere Einsatztemperatur, der Systemdruck oder die Umgebungsbedingungen.

Rohre und Leitungen

Bild: Winkler

Gerade bei der Temperaturfestlegung darf nicht nach der „Hosenträger-und-Gürtel-Mentalität“ verfahren werden. Eine Übertreibung hat zwangsläufig negative Auswirkungen auf den Ölpreis.

Als zweites sind die kritischen Bauteile einer Anlage zu untersuchen. Wichtige Aspekte hierbei sind die Reibungsart, der Reibungszustand, der notwendige Schleppweg, aber auch die Belastungshöhe, Belastungsablauf und Oberflächenrauheit, um einige aufzuführen. Anhand der Zusammenstellung können dann Modell- oder Bauteilprüfungen festgelegt werden. Viele Normprüfungen werden bei Raumtemperatur durchgeführt.

Das Ergebnis ist also nur eine Momentaufnahme und nicht repräsentativ für die reale Welt der Hydraulikanlage. Hydrauliköle verändern ihre Viskosität mit der Temperatur. Ein Maß hierfür ist das Viskositäts/Temperatur-Verhalten. Dieses wird entweder als dimensionsloser Zahlenwert im Datenblatt angegeben oder grafisch dargestellt.

Bei der Wertangabe gilt: Je höher desto geringer der Temperatureinfluss und umso berechenbarer wird das Hydrauliköl.

Bagger

Komponenten- und Maschinenhersteller legen heute Wert auf einen hohen Viskositätsindex. Bild: Winkler

Mineralöle haben einen Viskositätsindex von etwa 100. Hydrauliköle mit synthetischer Grundflüssigkeit können Werte bis 300 erreichen. Komponenten- und Maschinenhersteller fordern heute Hydrauliköle mit einem hohen Viskositätsindex. Synthetische Basisflüssigkeiten erfüllen diese Forderung. Bei mineralölbasierten

Hydraulikfluiden kann durch Zugabe eines Additives der Temperatureinfluss abgefedert werden: VI-Verbesserer sind sehr lange, fadenförmige Kohlenwasserstoffmoleküle, die im kalten Zustand zusammengeknäult sind und sich mit zunehmender Temperatur entknäulen. Dadurch wird die gewünschte Veränderung der Viskosität erreicht. Die VI-Verbesserer sind aber scherinstabil, das heißt, dass der positive Einfluss mit zunehmender Einsatzdauer verloren geht.

Moderne Hydraulikkomponenten zeichnen sich durch immer geringere Spaltentoleranzen und bessere Oberflächengüte aus. Zugleich werden die Betriebsdrücke immer höher, und die Ölvolumen immer geringer. Nur effektive Filter bringen die notwendige Zuverlässigkeit einer Anlage. Inzwischen wurde die mittlere Porenweite eines Filters auf drei bis 12 Mikrometer reduziert, und gleichzeitig die Rückhalterate (β-Wert) erhöht. Feinere Filter können in relativ kurzen Zeitabständen zusetzen, was dann wiederum die Instandhaltungskosten hochtreibt. Konstrukteure sollten also vom Schmierstofflieferanten den für die Filterstandszeit aussagekräftigen F-Wert einholen. Dieser gilt für ein Frischöl und kann als Vergleichswert verschiedener Ölanbieter genutzt werden.

Die Norm ISO 13357, sie ist auch Bestandteil der überarbeiteten DIN 51524, bezeichnet ein Öl als filtrierbar, wenn es einen Wert F größer als 50 erreicht. Je näher sich dieser der 100 annähert, desto besser ist die Filtrierbarkeit des Hydraulikfluids.

Mineralöl ist nicht gleich Mineralöl

Die Globalisierung hat auch zu neuen Hydraulikölen geführt. Bis vor wenigen Jahren wurde als Basisöl fast ausschließlich das ASTM-Öl I verwendet, ein paraffinbasisches Grundöl.

Die wesentlichen Eigenschaften von Hydraulikölen auf ASTM-I-Basis sind ein gutes Alterungsverhalten, ein gutes elektrisches Leitvermögen und ein guter Verschleißschutz.

Heute kommen verstärkt ASTM-Basisöle der Gruppe II und III zum Einsatz. Diese haben den Vorteil, dass sie weltweit produziert werden können, weniger giftig und zink- beziehungsweise aschefrei sind. Was nun den Vergleich zum ASTM-I-Öl betrifft, so sind deutliche Abweichungen erkennbar.

  • Die neuen Basisöle haben ein schlechtes Alterungsverhalten. Polymere Alterungsmoleküle setzen die Filter früher zu und erhöhen somit die Instandhaltungskosten.
  • Die neuen Basisöle haben auch ein wesentlich schlechteres elektrisches Leitvermögen. Der Konstrukteur muss die elektrische Ableitung der Hydraulikanlage anpassen.
  • ASTM-Öl I ist mit ASTM-Ölen II und III voll mischbar, aber nicht immer verträglich. Es kann zu unliebsamen Reaktionen kommen. Der Konstrukteur sollte also bei der Erstellung der Wartungsanweisung präzise Angaben hierzu machen.

Der immerwährende Zweikampf

Schmierstoff und Dichtungen müssen harmonieren, tun es aber leider manchmal nicht. Die Dichtungsverträglichkeit wird nicht nur vom eingesetzten Grundöl der Hydraulikflüssigkeit oder von der Elastomerbasis der Dichtung bestimmt. Ganz wesentlich sind die Additive beider Werkstoffgruppen daran beteiligt. Dichtungsschäden sind eine nicht zu unterschätzende Schadensursache im Hydrauliksystem. Häufig sind es Wechselwirkungen, die sich erst nach Monaten oder Jahren zeigen. Eine klassische Aussage, wie zum Beispiel „beständig gegenüber Mineralölen“, ist aus heutiger Sicht nicht mehr ausreichend.

Vor allem bei dynamisch beanspruchten Dichtungen muss der Konstrukteur mehr Informationen einholen und sich daraus ein aussagekräftiges Bild der Situation erarbeiten.

Die Wechselwirkung zwischen einer Dichtung und einem Schmierstoff ist temperatur-, zeit-, und belastungsabhängig. Das Ergebnis einer statischen Prüfung bei RT ist für einen thermisch höher beanspruchten Anwendungsfall nicht zielführend.

Für die Beurteilung der Verträglichkeit sind Prüfungen unter realistischen, möglichst anwendungsbezogenen Bedingungen notwendig. Mechanische Kennwerte wie Volumen- und Härteänderung, die Veränderung der Zugfestigkeit und der Reißdehnung können Aufschluss geben.

Öl auf das System abstimmen

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Hydraulikkomponenten fordert auch angepasste Öle. Nicht immer darf, wie das Beispiel ASTM-Öle zeigt, eine Produktanpassung unbesehen übernommen werden. Konstrukteure müssen die verschiedenen Anforderungen eines Hydrauliksystems analysieren und auf Basis der Daten das beste Produkt auswählen.

Wie der Anwendungsfall Häfner & Krullmann zeigt, ist auch bei bestehenden Produkten viel Luft für Verbesserungen vorhanden. Das kann nur funktionieren, wenn in Instandhaltung und Konstruktionsbüros eine hohe Hydrauliköl-

Kompetenz vorhanden ist. Die Entscheidung, welches Hydrauliköl eingesetzt wird, ist essenziell für die Lebenszykluskostenrechnung einer Maschine und darf nicht auf Zuruf getroffen werden. do

Das berichten Anwender

Ölumstellung verbessert die Lebensdauer der eingesetzten Filter

Der in Leupoldshöhe beheimatete Kunststoffverarbeiter Häfner & Krullmann setzt in mehreren Spritzmaschinen das mineralölbasierte zink- und aschefreie Hochleistungshydrauliköl Mobil DTE 10 Excel ein. Federführend bei der Umstellung war Betriebsingenieur Klaus Lange. Seine Bilanz fällt positiv aus: „Mit der Ölumstellung haben wir einen großen Schritt in Richtung ölwechselfreiem Betrieb gemacht.

Einmal befüllen und dann lebenslang in der Maschine, ist unsere Vision. Wichtige Grundvoraussetzung hierfür ist ein exzellenter Verschleißschutz des Hydrauliköls, gute Filtrierbarkeit und eine hohe Standzeit. In Zusammenarbeit mit Komponentenherstellern haben wir schon beim Vorgänger, dem Mobil DTE Excel, bei Pumpen, Hydromotoren und Proportionalventilen Laufzeiten von 60.000 Betriebsstunden erreicht. Im Vergleich zu einem Standard-Hydrauliköl ist das eine Verdoppelung der Lebensdauer der Komponenten und des Hydrauliköls.“

Wichtige Grundvoraussetzung für einen langen, störungsfreien Betrieb ist eine hohe Reinheitsklasse des Hydrauliköls. Um diese dauerhaft und kostengünstig zu halten, ist eine gute Filtrierbarkeit des Hydrauliköls, auch mit Feinstfilter, ein wesentlicher Faktor. Hier verlässt sich der Ingenieur nicht auf komplizierte Normprüfungen. Er testet den Wareneingang des Hydrauliköls mit dem sogenannten Besch-Test: Ein Liter Öl wird über eine Membrane von 0,2 Mikrometer Maschenweite mit Unterdruck gezogen.

Gut filtrierbar ist das Hydrauliköl, wenn es bei Raumtemperatur hierfür nicht länger als 45 Minuten braucht. „Schon mancher Container eines Wettbewerberöls bestand in der Vergangenheit diesen Wareneingangstest nicht und wurde erfolgreich reklamiert. Seit der Umstellung auf DTE 10 Excel hatten wir dieses Problem nicht mehr, das Hydrauliköl war immer gut filtrierbar“, berichtet er.

Auch was die Instandhaltungskosten für die Filter beim Betreiben der Maschinen betrifft, brachte der Wechsel des Öls beachtliche Kostenvorteile. Der Anwender berichtet, die spezifischen Filterkosten bei den umgestellten Maschinen seien teilweise auf 50 Prozent gesunken.

Durch das bessere Viskositäts/Temperatur-Verhalten des Öls hat Klaus Lange mit Unterstützung des Maschinenbauers Krauss Maffei und labortechnischer Begleitung durch Mobil die Ölviskosität von ISO VG 46 auf ISO VG 32 gesenkt.

Mit diesem Schritt erzielte er auch eine messbare Energieeinsparung von zwei bis drei Prozent, eine Erhöhung der Filterstandzeiten sowie ein besseres Luftabscheidevermögen bei den ersten Spritzgussmaschinen. Zwischenzeitlich empfehlen weitere Maschinenhersteller den Einsatz dieses Hydrauliköls, vor allem bei energieoptimierten Maschinen.

Technik im Detail

Hydraulikanwendungen

In Hydraulikanwendungen werden die Betriebsdrücke höher, gleichzeitig sinken oft die Ölvolumen. Um zuverlässig zu bleiben, brauchen sie effektive Filter und entsprechendes Öl. Bild: Winkler

Zukunftsanforderungen an Hydrauliköl

Eine Auswertung aktueller Literatur hat folgende Wunschliste ergeben:

  • Sehr gute Schmierfähigkeit
  • hohe Scherstabilität
  • möglichst geringe Rohr- und Schlauchreibung
  • sehr hohe thermische Beständigkeit
  • flache Viskositäts/Temperatur-Kennlinie
  • sehr gute Filtrierbarkeit
  • geringe Kavitationsneigung
  • sehr gute Dichtungsverträglichkeit
  • weltweite Verfügbarkeit mit gleicher Performance
  • sehr gute Ökobilanz.