Grundlagen fluidtechnischer Antriebe und Steuerungen

\(Q=v*A\)

\(Q=n*V\)

\(M = {V \over 2\pi}*\Delta p\)

\(Re = {Trägheitskräfte in Strömung\over Reibungskräfte in Strömung}={v*d\over \nu}\)

• laminare Strömung, wenn Re<2300
• turbulente Strömung, wenn 2300<Re<10⁵

\(p={F\over A}\)

\(Druck={Belastungskraft\over Wirkfläche}\)

• Parallelschaltung: Z1 vor Z2 bzw. Z2 vor Z1, kommt auf den erforderlichen Druck an 
• Reihenschaltung: Z1 und Z2 gleichzeitig

\(p_1+\rho*{v_1^2\over 2}+\rho+g+h_1=p_2+\rho*{v_2^2\over 2}+\rho+g+h_2\)

\(Energiedichte={Energie\over Volumeneinheit}\)

Terme:

• statischer Druck p
• dynamischer Druck rho*v²/2
• geodäsischer Druck rho*g*h

Kompressionsmodul K:

• beschreibt welche allseitige Druckänderung nötig ist, um eine Volumenänderung hervorzurufen
• dabei darf kein Phasenübergang auftreten\(K_{Fl} = {V_0 \over \Delta V}* \Delta p\)

Ersatzkompressionsmodul K':

• berücksichtigt nicht nur die Kompressibilität des Druckmediums sondern auch die Elastizität der betroffenen Bauelemente des hydraulischen Systems und die Rohrleitungen

Kavitation: 

• Bildung kleiner Gasblasen in einem Fluid
• Ursache:
  • schnell bewegte Objekte in einem Fluid
  • sinkt statischer Druck unter Verdampfungsdruck einer Flüssigkeit bilden sich Dampf- und Gasblasen
  • kondensieren der Blasen in Zonen höheren Druckes mit sehr hohen Druck- und Temperaturspitzen
• Auswirkungen:
  • Microflüssigkeitsstrahl mit hoher Geschwindigkeit und Druck
  • beschädigt/zerstört umgebene Oberflächen von Bauteilen
  • Veränderung der Pumpenkennlinie -> anderer Betriebsdruck
  • starke Schwingungen/Geräusche

• Kavitationszahl \(\sigma\) so groß wie möglich wählen \(\sigma = {p-p_v \over {\rho\over 2} *v^2}\)
• niedrige Drücke vermeiden
• Temperaturen nahe des Siedepunktes der Flüssigkeit vermeiden
• dünne Schaufelprofile verwenden
• kleine Anstellwinkel der Schaufeln wählen
• abrupte Umlenkung der Strömung vermeiden
• Anströmkante abrunden

• Parallelschaltung nacheinander
• Reihenschaltung gleichzeitig

analog Bewegung von Arbeitszylindern

• Verluste hydraulisch-mechanischer Wirkungsgrad:
  • Reibungskräfte
  • Strömungsverluste
  • Verlustmomente durch
    • Montageungenauigkeiten
    • Druckdifferenzen
    • Flüssigkeitsreibung
    • Strömungsverluste
  • \(M_V=M_c+M_{\Delta p}+M_v+M\)
• Verluste volumetrischer Wirkungsgrad 
  • beschreibt Verhältnis von effektivem zu theoretischem Volumenstrom
  • Energieverluste durch Flüssigkeitsleckagen

Parallelschaltung:

• hohes Drehmoment bei halber Geschwindigkeit/Drehzahl

Reihenschaltung:

• halbes Drehmoment bei doppelter Geschwindigkeit/Drehzahl

 Volumenstrom beeinflussende Ventile:

• Wegeventile (Schieber-, Sitzventil)
• Sperrventile (Rückschlagventil)
• Stromventile (Drosselventil, 2-Wege-, 3-Wege-Stromregelventil)

Druck und Volumenstrom beeinflussende Ventile:

• Einbauventile (2-Wege-Einbauventil)
• Stetigventile (Proportional-, Regel-, Servoventil)

Druck beeinflussende Ventile:

• Druckventile (Druckbegrenzungs-, Druckreduzier-, Folgeventil)

2-Wege-Einbauventil:

• hydraulische Steuerung des Volumenstroms über Vorsteuerdruck, leckagefrei
• Anwendung:
  • Ein-und Zweirohr-Pumpenwarmwasseranlagen
  • Pressen

Proportionalventil:

• Steuerung per Proportionalmagnet
• diskrete Schaltstellungen mit stetigem Übergang

• Leckagekompensation
• Gewichtsausgleich
• Energiespeicherung
• Deckung kurzzeiten Volumenstrombedarfs
• Pulsationsdämpfung

• isotherme Zustandsänderung:
  • vollständiger Wärmeaustausch mit Umgebung d.h. Temp. im Zylinder konstant 
  • über lange Zeit
• adiabate/isentrope Zustandsänderung:
  • kein Wärmeaustausch mit der Umgebung 
  • in sehr kurzer Zeit
• polytrope Zustandsänderung:
  • kein vollständiger Wärmeaustausch mit Umgebung 
  • quasi 50% isotherm und 50% adiabat
• isobare Zustandsänderung
• isochore Zustandsänderung

Durch den unterschiedlichen Kompressionsmodul K'

\(b={p_2\over p_1}\)

b - kritisches Druckverhältnis

• damit lässt sich die Aussage treffen ob der Luftmassestrom über- oder unterkritisch ist 
• Aussage über günstige strömungstechnische Gestaltung

Typische b-Werte:

• Pneumatikventil   b = 0,2...0,5
• Schalldämpfer      b= 0,01...0,05
• ideale Düse         b= 0,528

Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise

1. Welle
2. Kolbentrommel
3. Gehäuse
4. Kolben
5. Kolbenschuh
6. Schrägscheibe
7. Niederhalter
8. Endplatte
9. Steuerspiegel

Schrägachsenmaschine

1. Kolbentrommel
2. Kolben
3. Triebflansch
4. Antriebswelle
5. Steuerspiegel
6. Feder
7. Niederhalter

• positive Überdeckung 
• Nullüberdeckung
• negative Überdeckung

Dampfkavitation

• klassische Kavitation infolge Verdampfens und Kondensierens der Druckflüssigkeit

Gaskavitation

• Ausgasen und Rücklosen von Luft
• Mineralöl enthält unter Normalbedingungen (atm. Druck 1,013 bar, Temp. 20°C) ca. 8 bis 9 Volumen-% gelöste Luft

Pseudo-Kavitation

• Anwachsen und Verkleinern bereits vorhandener Gasblasen