Wie Sie Mikrojets mit hohen Druckspitzen verhindern

Die Drossel in hydraulischen Anlagen ist ein Bauteil, das die Bewegungsgeschwindigkeiten von Verbrauchern wie Zylindern oder Hydromotoren verändert. Die Drossel, auch Drosselventil genannt, wird in eine der vier Untergruppen der Stromventile kategorisiert.

Das Drosselventil beeinflusst den Flüssigkeitsstrom im Ventil, in dem es den Durchflussquerschnitt verändert. Verringert das Ventil den Durchfluss, behindert dies den Flüssigkeitsstrom am Durchfluss, wodurch sich der Widerstand gegen den Durchfluss erhöht. Dies wiederum lässt den Druck vor der Drosselstelle steigen. Ziehen Sie das Kontinuitätsgesetz (Durchflussgesetz) heran: Durchströmt ein Medium eine Rohrleitung mit unterschiedlichen Querschnitten, fließen in gleicher Zeit identische Volumina. Der Eingangsvolumenstrom Qein ist gleich dem Ausgangsvolumenstrom Qaus.

Kontinuitätsgesetz:

Qein = Qaus

A1 ∙ v1 = A2 ∙ v2

Gemäß diesen Gesetzmäßigkeiten muss die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Drosselstelle ansteigen. Denken Sie an das Beispiel eines Gartenschlauchs. Die Strömungslehre besagt, dass Strömungsgeschwindigkeiten die Art der Strömung (laminar oder turbulent) beeinflussen. Der Volumenstrom ändert in Drosselstellen oft seine Strömungsart und wird turbulent. Ist die Strömung turbulent, bedeutet dies aber, dass sich der Strömungswiderstand erhöht. Die Verlustenergie wandelt sich in Wärme um. Folglich wird es an den Drosselstellen warm. Strömungsgeräusche sind an diesen Stellen meist hörbar. Diese Erkenntnis hilft bei der Fehlersuche in Hydrauliksystemen. Zum Beispiel dann, wenn die Öltemperatur in einer Anlage plötzlich ansteigt.

Für die Strömungsgeräusche können ein nachträglicher Einbau von Drosselventilen, innere Undichtigkeiten in Ventilblöcken, zu hohe Leckagen in Hydraulikzylindern oder Hydromotoren verantwortlich sein.

Ungewollte Drosselstellen sind beispielsweise zu klein dimensionierte Hydraulikventile, gequetschte oder geknickte Rohr- und Schlauchleitungen, Biegeradien oder Verbindungsteilen wie Winkel und Bögen. Fließt das Fluid durch starke Querschnittsverringerungen erhöht sich die Durchflussgeschwindigkeit und es kommt im Bereich der Verengung zum Druckabfall – erweitert sich der Querschnitt, steigt wiederum der Druck. Fällt der Druck infolge der Geschwindigkeitserhöhung des Volumenstroms im Bereich des Dampfdrucks der Flüssigkeit, beginnt der Prozess der Kavitation (von lateinisch cavitare „aushöhlen“): Das Medium gast aus. Es entstehen kleine und große Dampfblasen, die beim nachfolgenden Druckanstieg (Querschnittsvergrößerung und Geschwindigkeitsabfall) implodieren und sich wieder verflüssigen. Die umgebende Hülle der Dampfblase beschleunigt in Sekundenbruchteilen nach innen und es bilden sich sogenannte Mikrojets mit Druckspitzen bis zu 10.000 bar. Einige von ihnen treffen mit hoher Geschwindigkeit kurz nach der Drosselstrecke auf die Gehäuse- oder Schlauchinnenwand und meißeln dabei regelrecht Material heraus. Die ausgeschlagenen metallischen oder elastomeren Partikel kontaminieren dann den Hydraulikkreislauf und führen zum Verschleiß oder zu Funktionsstörungen der Anlage oder einzelner Anlagenteile.

Bislang haben sich bei einer Querschnittsverengung nur die Randbedingungen wie Strömungsgeschwindigkeit und Druck geändert. Die Menge, also der Volumenstrom Q, angegeben in l/min, ist nach dem Kontinuitätsgesetz am Eingang einer Leitung genauso groß wie am Ausgang. Damit ein Verbraucher nun seine Bewegungsintensität ändert, muss sich dazu der Volumenstrom am Anfang der Leitung ändern: Entweder der Volumenstromerzeuger (Pumpe) liefert regelbar angepasste Volumenströme oder der Pumpenvolumenstrom wird in genutzten und abgeführten Volumenstrom geteilt.

Wenn am Verbraucher also nur eine Teilmenge des von der Pumpe geförderten konstanten Volumenstromes Q ankommen soll, muss der Durchgangsquerschnitt im Drosselventil so weit verringert werden, bis der Staudruck vor der Drossel den Öffnungsquerschnitt des Druckbegrenzungsventils für die abzuleitende Menge erreicht.

Energieerhaltungssatz:

„Energie geht nicht verloren, sie wird nur umgewandelt“

Unter den statischen Bedingungen gilt allgemein: Ein Raum, ein Druck. Befindet sich die Drosselstelle in der gleichen Leitung mit dem Druckbegrenzungsventil (Zulaufdrossel), ist der maximale Druckanstieg gleich dem Einstellwert des DBVs. Wird die Drossel als Ablaufdrossel, also im Rücklauf der Verbraucher, wirksam, kann es zur gefährlichen Druckübersetzung im Stangenraum eines Differenzialzylinders kommen und damit zur Komponentenzerstörung. Man teilt in diesem Fall die durch die Pumpe erzeugte hydraulische Leistung aus dem Produkt von Druck mal Volumenstrom (P = p ∙ Q) in PNutz und PVerlust. Das heißt, dass sich die Menge, die über das Druckbegrenzungsventil zum Tank zurückgeführt wird, zu 100 Prozent in Wärmeenergie umwandelt.