Impulsdruckprüfung: Neue Lösung spart Energie

Die Impulsdruckprüfung ist ein etabliertes Verfahren zur Bewertung und Prüfung der Dauerfestigkeit hydraulischer Komponenten. In Entwicklung und Qualitätssicherung werden Bauteile dabei mit zyklischen Druckprofilen beaufschlagt, häufig auf Grundlage von ISO 6605. Typischerweise erfolgen diese Prüfungen mit Druckniveaus oberhalb des späteren Betriebsdrucks (meist dem 1,33 bis 1,5 fachen Betriebsdruck), mit Zyklusfrequenzen zwischen 0,5 und 1,3Hz über mehrere Millionen Lastwechsel.

In der Praxis galt der hohe Energiebedarf solcher Prüfstände lange als gegeben. Bei vielen konventionellen Systemen wird permanent Druck erzeugt und das gewünschte Druckprofil über einen ventilgesteuerten Druckübersetzer eingestellt. Das funktioniert, hat aber einen klaren Nachteil: Ein großer Teil der eingesetzten Energie wird dabei durch die Drosselverluste an den Ventilen in Wärme umgewandelt und muss anschließend aufwendig über Kühlkreisläufe abgeführt werden. Entsprechend hoch sind Anschlussleistung, Kühlbedarf und die Gesamtbetriebskosten. Gerade vor dem Hintergrund steigender Energiekosten und dem Nachhaltigkeitsgedanken muss man sich die Frage stellen, ob dieses Prinzip noch zeitgemäß ist.

Ein neuer Ansatz: Bereitgestellte Energie besser nutzen

Der von IgH Ingenieuren entwickelte Impulsdruckprüfstand setzt genau an diesem Punkt an. Statt die hydraulische Energie im System über Drosselverluste zu vernichten, arbeitet die Anlage mit einer verdrängergesteuerten Architektur in einem geschlossenen hydraulischen Kreislauf. Der wesentliche Unterschied liegt im Umgang mit der im Prüfvolumen gespeicherten Energie. Wird ein kompressibles Volumen unter Druck gesetzt, wird potenzielle Energie im System gespeichert. In klassischen Prüfständen wird diese Energie beim Druckabbau im Wesentlichen in Wärme umgewandelt. Beim verdrängergesteuerten Konzept wird sie dagegen kontrolliert zurückgeführt und für den nächsten Kompressionszyklus mit genutzt.

Hier liegt der entscheidende Vorteil: Die Energie muss nicht in jedem Takt vollständig neu aufgebracht werden, sondern bleibt weitgehend im Kreislauf. Technisch realisiert wird das unter anderem über eine hochdynamische Axialkolbenpumpe mit verstellbarer Schrägscheibe, einem Druckübersetzer mit Gegenzylinder und ein Schwungrad als temporärer Energiespeicher. Dieser geschlossene Aufbau reduziert Verluste und senkt den Leistungsbedarf deutlich. 

Messbarer Effizienzgewinn in der Praxis

Dass dieser Ansatz nicht nur theoretisch interessant ist, zeigt sich beim Blick auf typische Prüfbedingungen. Bei einem Druckpuls von 100 MPa und einem Prüfvolumen von 1 Liter liegt die benötigte installierte Leistung eines konventionellen, ventilgesteuerten Prüfstands im Bereich von rund 30 kW. Das verdrängergesteuerte System kommt unter vergleichbaren Bedingungen mit deutlich weniger Leistung aus. Nach Angaben von IgH sind Einsparungen von bis zu 70 Prozent möglich. Gleichzeitig sinkt auch der Kühlbedarf erheblich, was die Gesamtbilanz zusätzlich verbessert. Für Betreiber ist das aus mehreren Gründen relevant. Zum einen reduzieren sich die direkten Energiekosten. Zum anderen fallen auch die Anforderungen an Kühlung und Infrastruktur geringer aus. Über die Lebensdauer einer Anlage kann das einen spürbaren Unterschied bei den Gesamtkosten machen.

Hohe Dynamik bleibt trotzdem möglich

Ein häufiger Einwand bei energieoptimierten hydraulischen Systemen lautet, dass sie bei der Dynamik Kompromisse machen müssen. Gerade bei der Impulsdruckprüfung ist das jedoch ein zentraler Punkt. Die Druckanstiege und Druckabfälle müssen innerhalb definierter Toleranzen ablaufen, da die Anforderungen der ISO 6605 an Rampenzeit und Toleranzgrenzen nur wenig Spielraum lassen.

Nach Angaben von IgH wird die erforderliche Dynamik durch das Zusammenspiel aus schnell reagierendem Stellsystem und digitaler Regelung erreicht. Die Axialkolbenpumpe kann in wenigen Millisekunden auf Sollwertänderungen reagieren, gleichzeitig sorgt eine adaptive Regelung für die automatische Anpassung an die jeweilige Systemsteifigkeit. Dadurch lassen sich unterschiedliche Prüflingsvolumina und Bauteilcharakteristiken testen, ohne dass manuelle Reglereinstellungen erforderlich sind.

Auch die Sollwertvorgabe erfolgt nicht starr, sondern wird innerhalb der zulässigen Toleranzgrenzen optimiert. Das hilft dabei, den Prüfstand mechanisch schonend zu betreiben und trotzdem reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. In der Praxis zeigt sich, dass sowohl die Genauigkeit des Druckprofils als auch die Reproduzierbarkeit vergleichbar zu konventionellen Systemen sind, aber bei deutlich geringerem Energieeinsatz. 

Technische Daten und typische Anwendungen

Der aktuelle Impulsdruckprüfstand ist für Drücke bis 1.200 bar ausgelegt. Prüfvolumina bis 1 Liter und Zyklusfrequenzen bis 1 Hz sind möglich. Die Anlage ist für mehrere Millionen Lastwechsel konzipiert und erfüllt die Anforderungen der ISO 6605. Eingesetzt werden kann ein solches System überall dort, wo hydraulische Komponenten unter zyklischer Hochdruckbelastung geprüft werden müssen. Dazu gehören beispielsweise Hydraulikschläuche, Rohr- und Verschraubungssysteme, Ventile oder andere Komponenten im Maschinen- und Anlagenbau. Auch in zukünftigen Anwendungen, etwa im Wasserstoffumfeld, nimmt der Bedarf an zuverlässigen Hochdruck-Dauerfestigkeitsprüfungen weiter zu. 

Modulares Konzept

Ein weiterer Aspekt der Entwicklung ist der modulare Aufbau des Systems, bestehend aus der hochdynamischen Versorgung, dem symmetrischen Druckübersetzer und der digitalen Regelung. Das erleichtert nicht nur Wartung und Anpassung, sondern schafft auch eine gute Grundlage dafür, das Konzept auf andere Anwendungsbereiche zu übertragen, ohne die zugrunde liegende Regelungs- und Energierückgewinnungslogik zu verändern. Damit wird aus einem Einzelprüfstand ein reproduzierbares Produktkonzept, das vielfältig einsetzbar ist. 

Fazit

Die Entwicklung zeigt, dass sich hohe Dynamik und ein deutlich geringerer Energieeinsatz nicht ausschließen müssen. Der entscheidende Unterschied liegt in der Systemarchitektur: Wird die im Prüfprozess bereitgestellte Energie möglichst im Kreislauf genutzt, sinkt der Bedarf an Antriebsleistung und Kühlung erheblich. Für Betreiber bedeutet das vor allem eines: geringere laufende Kosten bei gleichzeitig hoher technischer Leistungsfähigkeit. Genau das macht verdrängergesteuerte Prüfstände zu einem interessanten Ansatz für zukünftige Hochdruck-Prüfanwendungen.

Quelle: Axxeron