Führende Hersteller machen Pumpen zukunftsfähig

Energieeffizienz, Geräuschreduktion, Industrie 4.0- Fähigkeit, sind wichtige Auswahlkriterien geworden. Viele davon bieten Pumpenhersteller schon heute und arbeiten noch an mehr.

In der Industrie ist noch erhebliches Energieeinsparungspotenzial vorhanden. Experten gehen von einer Größenordnung von bis zu 20 Prozent aus. Mehr als zwei Drittel des Stromverbrauches in der Industrie entfallen auf Elektromotoren, davon mehr als die Hälfte auf Pumpen, Ventilatoren und Kompressoren. Auch der Wirkungsgrad einer Standard-Hydraulikpumpe ist noch steigerungsfähig. Im Durchschnitt liegt dieser bei 80 bis 90 Prozent. Da ist also noch viel Potenzial für Entwicklungen vorhanden.

Die Parker Hannifin PV Plus Serie ist eine modulare Hochdruck-Axialkolbenpumpe mit hohem Wirkungsgrad und geringer Geräuschemission. Bild: Parker Hannifin

Pumpenhersteller arbeiten daran, den Wirkungsgrad ihrer Produkte weiter zu steigern. Es gibt, wie eine Umfrage zeigt, viele Ansatzpunkte und Wege, der Energieverschwendung Einhalt zu gebieten. Parker Hannifin etwa konzentriert sich darauf, die Planschverluste insbesondere bei schnelldrehenden Motoren zu reduzieren.

Dr. Mark Krieg, Leiter Forschung und Entwicklung Pumpen und Motoren: „Hier konnten wir mit der Entwicklung von Strömungskörpern bei den schnelldrehenden Motoren der F11/F12 Serie, sogenannte Power Boost, die Verlustleistung erheblich reduzieren.

Darüber hinaus verfolgen wir den Ansatz, durch vollständiges Auskuppeln – wie bei der F3-LkW-Pumpe – oder einer Drehzahlabsenkung der Pumpen in den Zeiten des Betriebszyklus, in dem keine hydraulische Leistung abgefordert ist, auch keine oder nur geringe Verlustleistung zu generieren. Dies erfordert eine enge Kooperation mit dem System beziehungsweise dem Betreiber der Anlage.“

Ventilverstärker und Ventile mit On-board-Elektronik erfassen Betriebsdaten, die für Industrie-4.0-Konzepte genutzt werden. Axel Grigoleit, Hawe Hydraulik. Bild: Hawe Hydraulik

Auch Hawe Hydraulik arbeitet intensiv daran, die Pumpeneffizienz noch weiter zu steigern und verfolgt zwei Schwerpunkte. In leckagefreien Systemen, in denen nur intermittierender Ölbedarf besteht, werden vorzugsweise Aggregate eingesetzt, die mit einem Speicherladesystem im Abschaltbetrieb arbeiten. Das Unternehmen kann diese Systeme gut realisieren, da ein umfangreiches Programm leckagefreier Sitzventile sicherstellt, dass auch im Ventilverband keine Verluste auftreten.

Hawe Kompaktaggregat KA in Unterölbauweise. Bild: Hawe Hydraulik

„Für Systeme, die einen kontinuierlichen Volumenstrombedarf haben, nutzen wir Aggregate mit einem drehzahlgeregelten Antrieb“, sagt Axel Grigoleit, Key Market Manager Machine Tools bei Hawe Hydraulik. „Die Drehzahlregelung passt in diesen Aggregaten die Motorgeschwindigkeit so an, dass genau der tatsächliche, aktuelle Volumenstrombedarf gedeckt wird. Diese bedarfsgerechte Versorgung stellt sicher, dass keine hydraulische Verlustenergie entsteht und der Motor in einem guten Wirkungsgradbereich arbeitet.“

Bosch Rexroth erreicht bei den Axialkolbenpumpen der neuesten Generation einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Steffen Haack, Mitglied des Vorstands mit Zuständigkeit für die Business Unit Industrial Applications und Koordination Vertrieb: „Wir kombinieren in unserer Sytronix-Familie die Pumpe mit einem drehzahlvariablen Antrieb. Damit senken wir die Drehzahlen des Elektromotors im Teillastbetrieb bedarfsgerecht ab und erreichen Energieeinsparungen von bis zu 80 Prozent im Vergleich zu Konstantsystemen.“

Auch Eaton arbeitet an der Energieeffizienz seiner Pumpen. Manfred Kühne, Chief Engineer Hydrokraft bei Eaton, definiert die Primärziele für die „Hydrokraft“, eine Axialkolbenpumpe für Stahlwerke, chemischen Verarbeitungsprozesse und die Metallbearbeitung, um einige Einsatzbereiche aufzuführen, wie folgt:

• Minimierung von Strömungsverlusten in Einlass und Auslass
• anwendungsbezogene Optimierung der Steuerscheiben-Geometrie
• Einführung neuer Gleitlagermaterialien für Schwenkrahmenlagerung
• hydrostatische Entlastung zur Minimierung von Festkörperreibung
• neue Wellen-Lagerungstechnologien
• Optimierung von Regel- und Kontrolleinrichtungen
• Verringerung des ungenutzten Kompressions-(Tot-)Volumens.

Hohe Lärmbelastung ist ein Gesundheitsrisiko

Die Lärmbelastung an Arbeitsplätzen hängt ganz wesentlich von der Geräuschemission der eingesetzten Maschinen ab. Die Lärm- und Vibrations-Arbeitsschutzverordnung verlangt in § 7, dass der Maschinenbetreiber neue Maschinen „unter dem vorrangigen Gesichtspunkt der Lärmminderung“ auszuwählen hat. Die Lärmemission muss am Entstehungsort verhindert oder so weit wie möglich verringert werden. Technische Maßnahmen haben Vorrang vor organisatorischen Maßnahmen.

Das größte Einsparungspotenzial kann aber mit einem bedarfsgerechten Einsatz der Energie erzielt werden. Manfred Kühne, Eaton Bild: Eaton

Welchen Beitrag kann nun die Hydraulikpumpe leisten? Volumenstrompulsation ist bei hydrostatischen Verdrän-gereinheiten prinzipbedingt. Diese führt zu Flüssigkeitsschall, der sich auf das Gehäuse und schließlich die Luft überträgt. Das Thema Geräuschreduktion ist also gesamtheilich anzugehen.

Parker versucht als Primärmaßnahme den Umsteuervorgang zu verbessern. „Bereits vor einigen Jahren konnte durch die Einführung des Vorkompressionsvolumens eine deutliche Pulsations- und damit verbunden auch eine Geräuschreduzierung erzielt werden. Simulationswerkzeuge haben sich hier zu einem sehr nützlichen Hilfsmittel entwickelt, die Vorgänge bei der Umsteuerung besser zu verstehen und zu verbessern“, sagt Mark Krieg.

Energieeinsparung und Reduzierung der Lärmreduktion gehen oft Hand in Hand. So arbeiten Aggregate im Abschaltbetrieb meist nur wenige Sekunden im Zyklus, emittieren also über lange Zeiträume kein Geräusch. Aggregate mit Drehzahlregelung sind so ausgelegt, dass sie primär im niedrigen Drehzahlbereich arbeiten. Auch das trägt zur Geräuschminimierung bei.

Die Hawe-Kompaktaggregatgeräte werden in Unterölbauweise ausgeführt. Pumpe und Motor befinden sich unter Öl in dem Gehäuse, das gleichzeitig der Tank ist. Durch diese Konstruktionsart wird eine deutliche Lärmreduzierung erreicht. Axel Grigoleit schätzt, dass sich durch das Zusammenspiel der vorweg genannten Maßnahmen die mittlere Geräuschemission auf unter 65 dB(A) reduzieren lässt. Auch Manfred Kühne, Eaton, geht davon aus, dass durch das Zusammenspiel von Pumpensteuerung und durch geeignete passive Schallschutzmaßnahmen die Lärmwerte bis zu 70 Prozent reduziert werden können.

Erstaunlich leise können auch Zahnradpumpen werden. So arbeitet die Bosch Rexroth Außenzahnradpumpe Silence Plus um 15 db(A) leiser als herkömmliche Pumpen. Einen noch größeren Effekt erreichen die Sytronix-Systeme. „Denn durch die intelligente Drehzahlregelung senken sie die mittlere Geräuschemission um bis zu 20 db(A). Damit unterschreiten Maschinenhersteller oft die Grenzwerte und können auf die Kapselung der Aggregate verzichten“, sagt Steffen Haack.

Gut vorbereitet auf Industrie 4.0

Industrie 4.0 ist auch im Maschinenbau in aller Munde. International steht der Begriff für die Digitalisierung der Industrie. In der Industrie 4.0 verzahnt sich die Produktion mit modernster Informations- und Kommunikationstechnik. Die Hydraulik, so ist immer wieder zu hören, passe nicht zu modernen Maschinenkonzepten – sie sei nicht intelligent genug. Heißt das, dass bei der Hydraulik kein Platz für Industrie 4.0 vorhanden ist? Den Entwicklungsstand bei Hawe erläutert Axel Grigoleit: „Wir realisieren heute schon Industrie 4.0-nahe Lösungen, bei denen Proportionalventile die Prüfstandsergebnisse maschinenlesbar übermitteln. Die Übernahme dieser Werte beschleunigt die Inbetriebnahme der Produkte beim Kunden deutlich. Darüber hinaus arbeiten wir an weitergehenden Modellen, um die lokale Intelligenz von Produkten für Industrie 4.0-Konzepte zu nutzen.“

Die drehzahlvariable Sytronix von Bosch Rexroth mit einer Energieeinsparung von bis zu 80 Prozent. Bild: Bosch Rexroth

Die eigentliche Herausforderung der vierten industriellen Revolution besteht darin, universell verwendbare Software für die Auswertung der Zustandssignale für die Vielfältigkeit der Einsatzfelder hydraulischer Antriebstechnik bereitzustellen. Die hierzu erforderlichen Smart Products sind verfügbar. Bei Parker sind es Produkte wie die Parker Ventiltechnik mit Digital-Onboardelektronik, die Drive-Controlled-Pump-Systemlösungen und die Steuerungsplattform PAC. Diese multifunktionale Steuerungsplattform stellt etwa die gesammelten Antriebsdaten per Ethernet oder über integriertes Web-Publishing zur Verfügung und ermöglicht Änderungen oder Prozesseingriffe in Echtzeit.

Mark Krieg, führt einen weiteren wichtigen Aspekt zu Industrie 4.0 an: „Sammeln, auswerten, vernetzen von Information während des Betriebs einer Anlage eröffnet hier die Möglichkeit von Predictive Maintenance beziehungsweise vorbeugender Instandhaltung und der Fernwartung der Anlagen. Während andere Bereiche der Hydraulik, wie Fluid Condition Monitoring, hier schon sehr weit sind, steckt dies bei hydraulischen Pumpen und Motoren noch in den Kinderschuhen.“

Mit eigener Regelelektronik und Multi-Ethernet-Schnittstellen ist die Hydraulik von Rexroth intelligent und vernetzbar, kurz fit für Industrie 4.0. Dr. Steffen Haack, Bosch Rexroth. Bild: Bosch Rexroth

Bei Bosch Rexroth lautet der Grundsatz: Industrie 4.0 in kleinen Schritten einzuführen. Steffen Haack erläutert die Vorgehensweise. „Wir haben zum Beispiel in einem unserer Werke eine vernetzte Multiproduktlinie errichtet, in der neun Mitarbeiter 200 verschiedene Produktvarianten auf einer einzigen Linie montieren. Die Produktivität ist um zehn Prozent gestiegen, gleichzeitig benötigen wir 30 Prozent weniger Bestände. Wir lernen durch solche Projekte, welche Anforderungen die Hydraulik in einem vernetzten Umfeld erfüllen muss. Das Ergebnis ist eine umfassende Elek-tronifizierung beziehungsweise Digitalisierung der Hydraulik.“

Eaton kann seine Pumpen standardmäßig mit Sensoren für verschiedene Messaufgaben ausrüsten. „Die Anbindung dieser Sensoren an eine Systemsteuerung mit unserem intelligenten Verdrahtungs- und Kommunikationssystem SmartWire-DT erlaubt eine effiziente Vernetzung und Kontrolle vieler Maschinen-Parameter. Die elektrische Verbindung und Kontrolle sowie die Digitalisierung unserer Komponenten macht uns insgesamt Industrie 4.0-fähig“, sagt Chief Engineer Manfred Kühne.

Fazit

Hydraulikpumpen werden immer intelligenter, energieeffizienter und leiser. Das zeigen einige Entwicklungen führender Pumpenhersteller. Sowohl bei der Energieeffizienz als auch bei der Lärmreduzierung ist aber ein gesamtheitlicher Ansatz notwendig. Hier sind vor allem auch Konstrukteure gefordert.

Hydraulikpumpen sind heute schon Industrie 4.0 fähig. Mit Sensoren ausgerüstet, kann eines Tages eine Pumpe zum Diagnosezentrum für die gesamte Hydraulikanlage werden. Vor zu viel Euphorie muss aber gewarnt werden. Die Achillesferse ist die betriebliche Instandhaltung. Solange diese noch um einen Computer oder ein Tablet kämpfen muss, ist ein moderner Kommunikationsfluss im Produktionsbereich nicht machbar. Wenn eine kranke Maschine mit einer anderen kranken Maschine kommuniziert, wird daraus kein Gutteil entstehen. hei

Autor: Helmut Winkler, freier Autor für fluid