Leise und energieeffiziente Hydrauliksysteme konstruieren

Die Hydraulik ist ein faszinierendes Gebiet, fast alles kann man technisch realisieren. Doch es liegt an den Technikern, hierbei bereits während der Projektierungsphase dafür zu sorgen, dass die Anlagen energieeffizient arbeiten. Denn die Maschinen laufen meistens viele Jahre.

Es ist möglich, dass sparsame Anlagen geringfügig höhere Anschaffungskosten verursachen, doch für den Endkunden zahlt sich die zusätzliche Investition meist innerhalb kurzer Zeit aus. Denn er spart Betriebskosten aufgrund des geringeren Energiebedarfs. So können der Maschinenbetreiber, der Hersteller sowie der Hydraulikprojekteur einen wichtigen Beitrag für unsere Zukunft leisten. Die Kombination mit leisen Hydraulikantrieben ist dann die perfekte Lösung für eine gesunde Umwelt.

Doch wie passt die Proportionaltechnik in diesen Gedankengang? Im Widerspruch scheint hierzu das Druckgefälle von mindestens zehn bar, bei Servohydraulik sogar 70 bar zu stehen. Aber auch, dass eine Drossel nur dann funktioniert, wenn sie ein Druckgefälle vom tatsächlichen Verbraucherdruck bis hin zum Systemdruck aufbaut, spricht nicht gerade für eine gute Energiebilanz. Jedes Proportionalwegeventil beziehungsweise Proportionaldrosselventil arbeitet jedoch nach diesem Prinzip. Diese Art von Ventilen scheint deshalb kaum in Frage zu kommen, Energie zu sparen.

Scheinbarer Widerspruch

Richtig eingesetzt kann man die Vorzüge der Proportionaltechnik zum Glück nutzen, ohne viel Wärme zu erzeugen. Dies zeigen die Erfahrungen des Unternehmens Grieger, zu dessen Kernkompetenzen die Proportionalhydraulik gehört, teils in Verbindung mit geregelten Kolbenpumpen, teils mit leisen Innenzahnradpumpen. Das Unternehmen wurde als „One Man Show“ 2002 im Hemmingen (Baden-Württemberg) ins Leben gerufen.

Seitdem vertreibt die Firma Komponenten der Industriehydraulik weltweit. „Eine gute Hydraulikanlage erkennt man daran, dass sie keinen Kühler benötigt!“, ist dabei einer der Leitsätze. Genau dieses Prinzip hat das Unternehmen auch bei permanent laufenden Maschinen schon oft umgesetzt. An dieser Stelle muss darauf hingewiesen werden, dass dies leider nicht bei jeder Anwendung gelingen kann. Ein Beispiel hierfür sind hochdynamische Servoprüfmaschinen.

Folgende Auflistung zeigt verschiedene Proportionalhydrauliksysteme, mit abnehmender Energieintensität, wobei die Reihenfolge je nach den konkreten Verhältnissen von dieser Anordnung abweichen kann:

• Konstantdrucksystem mit Konstantpumpe und Proportionalwegeventilen: Es wird sowohl mehr Fördermenge als auch mehr Druck erzeugt, als der Verbraucher benötigt.
• Konstantdrucksystem mit druckgeregelter Pumpe und Proportionalwegeventilen: Die Fördermenge ist hierbei entsprechend dem Verbraucher, der Druck jedoch höher.
• Konstantpumpe mit variablem Druck mittels Proportionaldruckbegrenzungsventil sowie Proportionalwegeventilen: Der Druck ist etwas höher als benötigt, die Fördermenge liegt über der des Verbrauchers.
• Druck-/Förderstrom-geregelte Pumpe, die über Proportionalventile gesteuert wird: Es wird nur die Menge gefördert, die benötigt wird. Der Druck liegt bei guten Pumpen nur knapp über dem Verbraucherdruck.
• Konstantpumpe, welche drehzahlgeregelt wird in Kombination mit Proportionaldruckventilen: Es werden nur die Fördermenge sowie der Druck erzeugt, die der Verbraucher tatsächlich braucht.

Die richtige Projektierung ist also sehr wichtig. Grieger berät seine Kunden gerne in Richtung der letzten beiden Punkte: Druck-/Förderstrom-geregelte Pumpe mit Proportionalventilen und drehzahlgeregelte Konstantpumpe mit Proportionaldruckventilen. Jede Anlage, die daraufhin weniger Energie verbraucht und/oder weniger Lärm erzeugt, erfüllt das Unternehmen mit Stolz. Über den Aufbau seiner Maschine entscheide der Anwender letztendlich selbst; Grieger versuche nur entsprechend zu beraten.

Druck- beziehungsweise Förderstrom-geregelte Pumpen, die ein geringes Regeldruckgefälle von zehn bis zwölf bar aufweisen, erzeugen relativ geringe Verlustwärme zuzüglich der Wirkungsgradverluste. Diese Technik ist seit mehr als 30 Jahren erprobt und leicht zu beherrschen. Zum Einsatz kommen Pumpen der Marktführer in Kombination mit p/Q-Steuerblöcken, die direkt auf den Druckflansch der Pumpen montiert werden können. Die Proportionaldruckventile sowie die Proportionaldrosselventile dieser Steuerblöcke regeln den geförderten Ölstrom der Pumpe nach dem Bedarf des Verbrauchers.

Der Systemdruck entspricht lediglich dem am Verbraucher erforderlichen und wird dabei durch das Proportionaldruckventil nach oben begrenzt. Solche Systeme bieten sich bei Anlagen mit hohen Lastwechselraten an, um eine gute Lebensdauer zu gewährleisten.

Leise und kühlerlos

Grieger lieferte die ersten Aggregate mit einer drehzahlgeregelten Innenzahnradpumpe bereits im Jahr 2003. Diese Anlagen laufen bis heute mit 300 bar, leise und ohne Kühler. Der Anwender, ein Pressenhersteller, baut seine Maschinen bis heute derart. Die Endkunden, Presswerke, können nun in derart ausgestatteten Bereichen auf Gehörschutz verzichten.

Der Lärmunterschied dieser Pumpen gegenüber den Kolbenpumpen war so gewaltig, dass der Lüfter des E-Motors überraschend zum lautesten Antriebselement wurde. Grieger tauschte diesen dann aus Prinzip gegen einen geräuschoptimierten aus. Nun kann man beim Bedienen dieser Pressen normal miteinander reden. Hiervon profitiert nicht nur die Fachkraft an der Maschinen, sondern auch der Betreiber.

Systeme gemäß den Punkten vier und fünf regeln hervorragend den zulaufenden Ölstrom, jedoch nicht den aus dem Zylinder beziehungsweise dem Motor ablaufenden Ölstrom. Für hochdynamische Bremsvorgänge empfiehlt sich hier der zusätzliche Einsatz von Proportionaldrossel- oder Proportionalwegeventilen.

Neben der Beratung des Kunden ist es genauso wichtig, auf die Qualität und die Lebensdauer der verwendeten Komponenten zu achten, denn über allem steht die Zuverlässigkeit der Anlagen. Denn es gilt: Hydraulik ist unglaublich leistungsstark und kann dabei trotzdem sparsam sein. do

Autor: Manfred Grieger, Grieger