Wie man zyklisch belastete Hydraulikzylinder optimiert

Montanhydraulik arbeitet bereits seit vielen Jahren daran, wie Hydraulikzylinder mit hohen Zyklenzahlen effizienter ausgelegt werden können. Hierbei erforscht das Unternehmen, wie ein angepasstes Design in Kombination mit entsprechenden Aufwendungen in der Fertigung zur effizienteren Auslegung von zeitfesten Hydraulikzylindern führt.

So werden Verfahren entwickelt, wie die Montanhydraulik Boost Technology, die nachweislich zur Steigerung der Lebensdauer bei gleichem oder sogar reduziertem Materialeinsatz führen. Dies ist ein innovativer Beitrag zur nachhaltigen und ressourcenschonenden Auslegung und Herstellung von mit hohen Zyklenzahlen belasteten Hydraulikzylindern.

Nachweisliche Steigerung der Lebensdauer

Zur Vorhersage der erwartbaren Produktlebensdauer existieren verschiedene Berechnungsansätze, von denen die DIN EN 13001-3-6 und die FKM-Richtlinie gängig sind. Die Berechnung der Zeitfestigkeit ein und desselben Zylinders, beispielsweise des Klappenzylinders eines Miningbaggers, der auf dem Bauma-Messestand der Montanhydraulik ausgestellt war, führt abhängig vom verwendeten Ansatz zu unterschiedlichen Ergebnissen. Die mit der neuen Montanhydraulik Boost Technology im Versuch erreichten Lebensdauern liegen deutlich über beiden Ansätzen, sodass diese nachgeschärft und kalibriert werden mussten. Zusammen mit den voran beschriebenen Optimierungen ist dies der Kern der Montanhydraulik Boost Technology.

Entwicklung der Boost Technology

Die Montanhydraulik Boost Technology beinhaltet neben den Anpassungen im Design, verbesserten Berechnungsansätzen, zusätzlichen Aufwendungen in der Fertigung auch die Optimierung der Fertigungsqualität, indem durch gezielte Maßnahmen wie beispielsweise der Vorbereitung der Schweißnaht oder eine verbesserte Prozessführung die Streuung in der Fertigungsqualität erheblich reduziert wird. Hierdurch lässt sich die Versagenswahrscheinlichkeit von zyklisch belasteten Bauteilen mindern, was entsprechend in den neuen Berechnungsmethoden berücksichtigt wird. Zudem werden bereits bei der Auslegung mithilfe der weiterentwickelten Simulationsmodelle in Ansys Schwachstellen in unseren Hydraulikzylindern identifiziert und gezielt mit zusätzlichen Fertigungsverfahren verstärkt.

Hierzu entwickelt das Unternehmen in Zusammenarbeit mit externen Partnern für die jeweilige Kundenanwendung maßgeschneiderte Verfahren und Werkzeuge. Auf diese Weise lässt sich der Kundennutzen und auch die Zufriedenheit steigern, da sich der Kunde sicher sein kann, dass sein zyklisch belasteter Hydraulikzylinder nicht nur optimal ausgelegt ist, sondern auch potenzielle Schwachstellen durch die Montanhydraulik Boost Technology nachhaltig verstärkt sind.

Im Titelbild sind Querschliffe eines zyklisch getesteten Versuchsbauteils nach 437.000 Zyklen dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die konventionell konstruierte und gefertigte Schweißnaht auf der linken Seite trotz einer zweifach höheren Schweißnahtdicke vollständig durchgerissen ist. Die rechte, nach der Montanhydraulik Boost Technology gefertigte Schweißnaht weist trotz der deutlich geringeren Schweißnahtdicke keine Beschädigungen auf.

Validierung

Um die Wirksamkeit der beschriebenen Maßnahmen der Montanhydraulik Boost Technology zu verdeutlichen, führt Montanhydraulik umfangreiche Zeitfestigkeitsversuche durch. Hierzu wurde zunächst ein Versuchsbauteil konstruiert und gefertigt. Mit dem Versuchsbauteil wird ein Hydraulikzylinder mit einem Innendurchmesser von 250 Millimeter und einem nicht abgestützten Zylinderboden simuliert, wie er beispielsweise bei Pressenzylindern zum Einsatz kommt.

Das Versuchsbauteil wurde in Zusammenarbeit mit einem Prüfinstitut einer Druckimpulsprüfung in Anlehnung an DIN EN ISO 6803 unterzogen. Das Ziel dieser Untersuchung war der Abgleich zwischen den Berechnungsergebnissen nach DIN EN 13001-3-6 und der FKM-Richtlinie mit den real erreichten Druckimpulszyklen ohne und mit Boost Technology. Zur statistischen Absicherung musste eine Vielzahl dieser Versuchsbauteile gefertigt und der Druckimpulsprüfung unterzogen werden.

Die Versuche zeigen nicht nur, wie gut die Übereinstimmung zwischen (kalibriertem) Berechnungsansatz und Realität ist, sondern auch, an welcher Stelle die Bauteile tatsächlich am ehesten versagen.

Durch die Steigerung der Lebensdauer an den ‚typischen‘ Schwachstellen rücken nun neue Stellen in den Fokus, dessen Lebensdauer vorher nie erreicht werden konnte. Die Abbildung unten zeigt einen Anriss am Ölanschluss, dessen Lebensdauer bei Probestücken ohne Boost Technology bisher nicht maßgebend war. Durch weitere Optimierungen dieser Details konnte auch hier die Lebensdauer weiter gesteigert werden. Auf diese Weise wird nicht nur das Budget der Montanhydraulik-Kundinnen und Kunden, sondern auch die Umwelt durch eine nachhaltige Materialnutzung geschont.

Der erforderliche Materialeinsatz beim Zylinderrohr des auf der Bauma ausgestellten Klappenzylinders eines Miningbaggers konnte mithilfe der neuen Boost Technology der Montanhydraulik um 24,7 Prozent reduziert werden. Sie führt also entweder zu einem reduzierten Materialeinsatz und Kosten bei gleicher Lebensdauer oder zu einer erhöhten Lebensdauer bei gleichem Materialeinsatz und Kosten.