Design von Hydraulikschlauchleitungen:Ein vollständiger Leitfaden für Ingenieure

Von Josh Cosford, Mitherausgeber

Hydraulikschlauchleitungen sind wie ihre Artgenossen mit Armaturen und Adaptern oft ein nachträglicher Einfall des Hydraulikkonstrukteurs. Ich würde lieber auch an der Entwicklung eines einzigartigen Hydraulikkreislaufs arbeiten, aber wir sollten die Bedeutung eines ganzheitlichen Ansatzes bei der Maschinenkonstruktion nicht vergessen. Ihre Fluidtechniker sind ein wesentlicher Teil des Puzzles, um sicherzustellen, dass Schläuche fachmännisch gefertigt und installiert werden, aber Ihre Voraussicht trägt wesentlich dazu bei, Kosten zu sparen, die Installation zu vereinfachen und die Zuverlässigkeit zu verbessern.

Vorausgesetzt, Sie sind der Hydraulikkonstrukteur und nicht der für die Maschine selbst verantwortliche Ingenieur, gibt es bei der Planung der Schlauchleitungen viele Überlegungen. Im Allgemeinen müssen Sie bei der Auswahl und Planung der Schlauchleitung Ihrer Maschine drei Dinge berücksichtigen:Schlauchkonstruktion, Auswahl des Schlauchendes und Verlegungsoptionen.

Das Wichtigste zuerst:Schlauchkonstruktion

Die Auswahl des richtigen Schlauchkonstruktionsstils spielt die wichtigste Rolle, um Kunden eine effektive und sichere hydraulische Maschine zu bieten. Die Druckkompatibilität ist der Hauptfaktor, den Sie bei der Auswahl Ihres Schlauchs berücksichtigen müssen. Ihr Ausgangspunkt sollte die folgende Tabelle mit SAE J517-Hydraulikschlauchnormen sein.

Hydraulikschlauch-Konstruktionsstandard SAE J517

Sie sollten Ihren Hydraulikschlauch basierend auf dem maximalen Arbeitsdruckbereich auswählen, dem Ihre Maschine ausgesetzt ist. Der Bereich berücksichtigt den größten Durchmesser (niedrigster Druck) und den kleinsten Durchmesser (höchster Druck), die das Herzstück der Hydraulik sind. Aufgrund ihrer Beschaffenheit halten kleine Schläuche hohen Drücken besser stand als Schläuche mit großem Durchmesser. Erkundigen Sie sich daher bei Ihrem Schlauchanbieter nach der Druckstufe des Durchmessers, den Sie für die Durchflussrate Ihrer Maschine benötigen.

Alle Hydraulikschläuche sind für ihren Arbeitsdruck ausgelegt, der halb so hoch ist wie der Prüfdruck und noch einmal halb so hoch wie der Berstdruck. Wenn Ihr System anfällig für Druckspitzen ist, müssen Sie möglicherweise einen Schlauch auswählen, der für einen etwas höheren Nennbetriebsdruck ausgelegt ist. Der Prüfdruck beschreibt den Punkt, an dem ein Hydraulikschlauch einer dauerhaften Beschädigung ausgesetzt ist. Vermeiden Sie daher am besten, diese Markierung auf dem Manometer zu berühren.

In vielen Fällen möchten Sie möglicherweise die ehrwürdigen Standards 100R1 und 100R2 vermeiden, wenn Ihre Maschine über verschiedene Schlauchgrößen verfügt und einen Druck von mindestens 3.000 psi aufweist. Viele Maschinenhersteller standardisieren eine der isobaren Schlauchbezeichnungen, beispielsweise 100R17, wobei jeder Schlauch von 3/16 bis 1 Zoll für 3.000 psi ausgelegt ist. Ihre zunehmende Beliebtheit hat die Produktionskosten gesenkt, da viele Schlauchhersteller auf dieses Design umgestiegen sind.

Es ist sehr wichtig, einen Schlauch mit dem richtigen Innendurchmesser zu verwenden, da eine Änderung des Schlauch-Innendurchmessers zu Problemen führt. kann den Systemdruck verändern. Wenn der Ersatzschlauch für den Durchfluss zu klein ist, haben Sie eine neue Drosselung eingeführt. Der Systemdruck wird steigen.
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Wenn Sie einen Schlauch mit großem Durchmesser und einem Druck von mehr als 3.000 psi benötigen, müssen Sie Optionen wie 100R12, 100R13 und 100R15 in Betracht ziehen, die spiralförmig gewickelte Verstärkungsdrähte mit vier oder sechs Lagen verwenden. Manche Leute schlagen vor, dass Sie einen Schlauch wählen, der für 25–50 % über Ihrem Arbeitsdruck ausgelegt ist, aber in Wirklichkeit berücksichtigen die strengen Schlauchrichtlinien bereits Druckspitzen, und die Hersteller bauen entsprechend.

Überlegungen zum Ablauf

Nachdem Sie sich für einen Schlauchkonstruktionstyp entschieden haben, benötigen Sie den Durchmesser, der am besten zum Durchfluss passt. Denken Sie daran, besondere Situationen zu berücksichtigen, z. B. Differentialzylinder und den beim Zurückziehen aus der Kappenöffnung erzeugten Additivfluss. In Fällen, in denen das Flächenverhältnis hoch ist, kann die Durchflussrate mehr als doppelt so hoch sein. Stellen Sie daher sicher, dass der Schlauch die richtige Größe hat.

Es gibt keine absolute Beschreibung der Durchflusskapazität eines Hydraulikschlauchs, da vier Szenarien die maximale Flüssigkeitsgeschwindigkeit bestimmen, die normalerweise unser begrenzender Faktor ist und nicht etwas, das schwerer zu berechnen ist, wie z. B. der Druckabfall. Beginnen Sie am unteren Ende und verhindern Sie eine übermäßige Geschwindigkeit durch die Saugleitungen, da dort das Vakuum zu einer spontanen Gasblasenbildung führen könnte, die wir Kavitation nennen. Als Faustregel gilt:Lassen Sie die Saugleitungen niemals schneller als 3–4 Fuß/Sek. laufen; Niedriger ist immer besser, es schadet also nicht, auf 1 Fuß/Sek. zu zielen, wenn der Platz es zulässt.

Auf der linken Seite ist der minimal zulässige Biegeradius für diesen Schlauch angegeben. Auf der rechten Seite ist die Schlauchbiegung (rot markiert) weitaus enger als der vom Hersteller zulässige Mindestbiegeradius (grün dargestellt).
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Stellen Sie außerdem sicher, dass die Geschwindigkeit der Gehäuseablass- und Pilotleitungen auf 1 Fuß/Sek. oder weniger begrenzt ist. Unter keinen Umständen möchten Sie das Risiko eingehen, dass das Innere oder die Steuerung der Pumpe beschädigt wird. Mit den Geschwindigkeiten der Druck- und Rücklaufleitungen können Sie größtenteils großzügiger umgehen. Druckleitungen, wie z. B. Pumpendruck- und Arbeitsleitungen, können zwischen 20 und 30 Fuß/Sek. liegen und hängen vom Druck ab. Systeme mit höherem Druck eignen sich besser für höhere Geschwindigkeiten, da im Verhältnis zum Maximaldruck weniger Flüssigkeit als Druckabfall verloren geht. Beispielsweise ist das Laufen mit 30 Fuß/Sek. in einem 4.000 psi-System weniger problematisch als das Laufen mit 30 Fuß/Sek. in einem 1.000 psi-System.

Beachten Sie, dass Rücklaufleitungen ebenfalls so dimensioniert sein sollten, dass sie die Geschwindigkeit begrenzen, allerdings nicht so stark wie Saugleitungen. In diesem Fall ist es sinnvoll, mit etwa 6–10 Fuß/Sek. zu arbeiten, und das Hauptziel besteht darin, den Gegendruck in den Tankleitungen der Ventile und Gehäuseabläufe zu begrenzen, aber auch einen übermäßigen Druck an den Rücklauffiltergehäusen zu verhindern. Trotz der idealen Flüssigkeitsgeschwindigkeit sollte die Leitungsgröße berücksichtigt werden. Kleine Leitungen sind von Natur aus anfälliger für Druckverluste. Vermeiden Sie daher unbedingt sehr kleine Saug-, Druck- und Rücklaufleitungen, auch wenn diese in den idealen Geschwindigkeitsbereich passen.

Ein kleiner Schlauchinnendurchmesser unterliegt höheren Reibungskräften durch die Flüssigkeit, die überproportional durch die Grenzschicht fließt. Umgekehrt ermöglicht ein größerer Schlauch den Durchfluss durch die Mitte und weg von den inneren Rohrwänden. Außerdem kommt es in Rücklauf- und Druckleitungen eher zu turbulenten Strömungen und Energieverlusten, was zu einem Druckabfall führt. Sparen Sie im Zweifelsfall nicht beim Durchmesser und riskieren Sie die Probleme, die durch zu kleine Schlauchleitungen entstehen. In der Praxis sieht man bei der Herstellung eines Schlauchsatzes für eine Hydraulikmaschine häufig einen 2-Zoll-Saugschlauch, einen 3/4-Zoll-Druckschlauch, einen 1-Zoll-Rücklaufschlauch und einen 1/2-Zoll-Gehäuseablassschlauch vor.

Schlauchenden nicht übersehen

Wir haben nun den Konstruktionstyp festgelegt, der am besten zum Hydraulikdruck unserer Maschine passt, und unseren Innendurchmesser verfeinert, um ihn an den Systemfluss anzupassen. Jetzt müssen wir unsere Schlauchenden auswählen. Sie sind im Jahr 2025 ein Hydraulikkonstrukteur, also lassen Sie uns das Sagen haben. Wir werden nur leckagefreie Verbindungen mit synthetischen Gummidichtungen auswählen. Tut mir leid, NPT und JIC – ihr wart großartig und ich schätze all unsere Erinnerungen, aber das liegt an euch und nicht an mir. O-Ring-Oberfläche, O-Ring-Ansatz und Flansche bieten in dieser Beziehung noch viel mehr.

ORFS hat sich schnell zur bevorzugten Verbindung entwickelt und bietet alle Vorteile des JIC-Stils mit einer leckagefreien Verbindung. Er ist in verschiedenen Größen erhältlich, mit 45°- und 90°-Schlauchendenbögen, und die weiblichen Enden sind für eine einfache Installation mit Drehgelenken ausgestattet. Der leicht austauschbare O-Ring befindet sich auf der Vorderseite des männlichen Endes und ermöglicht so eine schnelle Wartung bei Undichtigkeiten.

Flanschverschraubungen wie die gängigen SAE-Code 61- und Code 62-Typen werden üblicherweise für Hochdruck- und/oder Hochdurchflussverbindungen verwendet. Die geteilten Flanschverbindungen ermöglichen es dem Techniker, das Schlauchende entsprechend auszurichten, um ein Festklemmen oder Verdrehen zu vermeiden, und wie beim ORFS-Anschluss befindet sich der O-Ring am männlichen Ende (es gibt keinen „weiblichen“ Flansch, da die männlichen Teile an der flachen Verbindungsfläche befestigt werden, an der sich der Anschluss befindet).

Typischerweise wird die O-Ring-Nabe-Verbindung als Zwischenverbindung zum Schlauchende verwendet. Ähnlich wie bei BSPP oder Metrisch verwenden diese eine Polymerdichtung, die sich oben am Anschlussgewinde befindet und durch einen Hohlraum im Anschlussgewinde (ORB) oder durch eine geklebte Unterlegscheibe (BSPP und Metrisch) abgedichtet wird. ORB wird jedoch selten als Schlauchende verwendet, da für die männliche Verschraubung ein teures Drehgelenk erforderlich ist. Es gibt sie in gerader oder 90°-Ausrichtung, aber viele Designer bevorzugen Schlauchanschlüsse mit Innengewinde.

Um die Hassmails abzumildern, sollte ich erwähnen, dass einige Maschinen gerne JIC- und NPT-Anschlüsse verwenden, und das ist völlig in Ordnung. Dieser Leitfaden für Konstrukteure ist jedoch auf überlegene Technologie ausgerichtet, und ich würde es versäumen, nichts anderes als Schlauchenden mit austauschbaren Dichtungen zu schieben. ORFS- und Flanschanschlüsse sind einfach besser, also gehen Sie mit der Zeit und nutzen Sie sie. Trotz der Tatsache, dass JIC problemlos mit Rohrbördelsystemen verwendet werden kann, bieten viele Hersteller zweiteilige Rohrverbindungen für ORFS an, und Flanschanschlüsse können auch an Rohre geschweißt werden. Außerdem geht es in diesem Artikel eigentlich um Schlauchleitungen, nicht um Rohrleitungen.

Da sich der Schlauch bei einem hohen Druckstoß in seiner Länge ändern kann, ist es wichtig, für ausreichend Spielraum für die Ausdehnung zu sorgen.
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Layout und Routing

Die letzte Überlegung für Hydraulikkonstrukteure betrifft die physische Anordnung der Schlauchleitungen an der Maschine selbst. Schläuche verdienen mehr als nur die Verbindung von Punkt A mit Punkt B. Ihre Ausrichtung, Anordnung und Passform müssen Reibungsverschleiß, übermäßigen Verbindungsdruck und Verdrehungs-/Drehmomentkräfte verhindern. Abgebildet sind verschiedene falsche und korrekte Methoden zur Montage von Hydraulikschlauchleitungen, um ein Verbiegen an der Crimpverbindung zu verhindern. Das Gewicht des Schlauchs sollte niemals zu einer Biegung an der Stelle führen, an der das Stahlschlauchende die Schlauchhülle einklemmt. Wenn das Gewicht eines Schlauchs zum Durchhängen führt, verwenden Sie 90°-Schlauchenden, um die Biegung zu stützen und den Schlauch natürlich hängen zu lassen.

Die Länge des Schlauchs sollte ausreichend sein, um Spannungen beim Anschließen und Festziehen zu vermeiden, aber nicht so lang, dass er am Schlauch oder an einer anderen Oberfläche reibt oder vibriert. Lange Schlauchlängen müssen mithilfe einer von vielen Technologien an der Maschine festgeklemmt werden. Hersteller bieten Blöcke, Sättel, Klemmen und verschiedene Technologien an, die an die Maschine geschweißt oder geschraubt werden, um den Schlauch sauber festzuklemmen.

Zur ordnungsgemäßen Abstützung des Schlauchs sollten Klemmen verwendet werden. Dadurch wird verhindert, dass sie unter Druck schlagen, und die Armaturen werden nicht unnötig belastet. Bild mit freundlicher Genehmigung von LunchBox Sessions

Achten Sie bei der Installation von Schlauchlängen in solchen Systemen darauf, dass weder die Klemme noch der Schlauch zwischen den Anschlüssen zu fest angezogen wird. Um die Druck- und Temperaturzyklen zu bewältigen, sollte zwischen den einzelnen Verbindungspunkten ein leichtes Spiel vorhanden sein und gleichzeitig eine übermäßige Klemmung vermieden werden, die die Abdeckung oder die Verstärkungsschicht beschädigen könnte. Wenn nicht verhindert werden kann, dass Schläuche an harten Oberflächen oder anderen Schläuchen reiben, installieren Sie jeden Schlauch mit einer Schutzhülle, die Verschleiß und Reibung verringert. Diese können auch vor Umgebungs- oder Umweltschäden wie Industrieniederschlägen oder UV-Strahlen schützen und sollten auch verwendet werden, wenn Schläuche in Kanälen oder Balken verlegt werden.

Wenn der Hydraulikkonstrukteur seine Rolle als umfassend betrachtet, sollte jede Ebene des Maschinendesigns – vom ursprünglichen Schaltplan bis zum fertigen Produkt – intelligent geplant und organisiert werden, um ein möglichst effizientes, wirtschaftliches und effektives Design zu gewährleisten. Schlauchleitungen scheinen einfach zu sein, aber der Rest der Maschine spielt keine Rolle, wenn geplatzte oder beschädigte Schläuche Ihr Hydrauliksystem belasten.

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