Hydraulikzylinder-Kavitation verstehen und verhindern: Schützen Sie Ihr System

Hydraulikzylinder-Kavitation ist der Albtraum jedes Hydrauliksystems und führt zu einer Kaskade schädigender Probleme, die schließlich kritische (und kostspielige) Komponenten innerhalb Ihres Hydrauliksystems zerstören. Während die meisten Menschen Kavitationsprobleme mit Pumpen und Motoren assoziieren, kann Kavitation auch ein Problem für Hydraulikzylinder sein. Um Kavitationsschäden zu minimieren oder zu beseitigen, sind Kenntnisse darüber, wie sie funktioniert und welche Art von Schäden sie verursacht, gute Ausgangspunkte. Der weiseste Ansatz im Umgang mit Kavitationsproblemen besteht jedoch darin, vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen.

Definition von Kavitation

Die einfachste Erklärung für Kavitation ist das Vorhandensein von Gas, das in Blasen in einer Flüssigkeit eingeschlossen ist. Im Fall von Hydrauliksystemen und -komponenten wie Pumpen oder Zylindern ist die beteiligte Flüssigkeit das Hydraulikfluid, das den Druck überträgt. In Hydraulikzylindern wird der vom Fluid übertragene Druck für die lineare Betätigung verwendet, die Tausende von Kilogramm auf Knopfdruck bewegen kann. Offensichtlich sind sehr hohe Drücke im Spiel.

Mit gelösten Gasen oder Dampf gefüllte Blasen beginnen sich zu bilden und zu vergrößern, wenn der Druck nahe am Sättigungsdampfdruck für die Temperatur des Fluids liegt (z. B. lokales Sieden des Fluids). Für einen Zylinder muss der Druck lediglich unter den atmosphärischen Druck fallen, damit Blasen entstehen.

Wenn diese Blasen in sich zusammenfallen (oder implodieren), sind das Ergebnis Lärm, Wärme, schwerwiegende Oberflächenschäden und negative Auswirkungen auf Effizienz und Produktivität. Im Wesentlichen erzeugen die Blasen einen starken mechanischen Stoß, der zu Mikrostrahlen führt, die auf nahegelegenes Metall treffen. Diese Implosion tritt auf, wenn die Blasen einen Bereich niedrigen Drucks erreichen, der den Dampf in ihnen kondensieren lässt. Das Metall beginnt sich in einem Prozess abzutragen, der als Kavitationserosion, Kavitationsverschleiß oder Kavitationslochfraß bekannt ist.

Kavitation kann auch auftreten, wenn Luft im Hydraulikfluid eingeschlossen ist (ein Phänomen, das als Lufteinschluss bekannt ist). Wenn der Druck steigt (z. B. wenn sich der Kolbenstangen in einem Hydraulikzylinder dem Enddeckel nähert), platzen die Blasen gewaltsam. In einem Hydraulikzylinder tritt Kavitation am häufigsten auf der Deckelseite des Kolbens auf, wenn dieser schnell ausfährt, insbesondere wenn er versucht, eine überlaufende Last zu stoppen. Sie tritt auch auf, wenn die Stange nach unten zeigt und eine schwere Zuglast am Ende trägt. Einige Experten würden argumentieren, dass dies keine echte Kavitation ist, aber ihre Auswirkungen sind die gleichen.

Kavitation erkennen

Eine der einfachsten Möglichkeiten, Kavitation in einem Hydraulikzylinder zu erkennen, ist der Klang: Wenn Kavitationsblasen implodieren, können Sie sie in Form eines intensiven Rasselgeräuschs hören. Sie werden auch Lochfraß an der Oberfläche der von Kavitation betroffenen Teile bemerken; im Fall von Hydraulikzylindern kann er auf der Oberfläche der Stange und der inneren Oberfläche des Zylinders gefunden werden.

Probleme, die durch Kavitation verursacht werden

Kavitation kann zu multiplen Problemen innerhalb eines Hydrauliksystems als Ganzes sowie bei Hydraulikzylindern führen. Dazu gehören beschleunigter Verschleiß kritischer Oberflächen, Dichtungsversagen, Erzeugung unerwünschter Wärme, Verringerung der Hydraulikölqualität und Schmierungsprobleme.

Beschleunigter Oberflächenverschleiß

Eines der schwerwiegendsten durch Kavitation verursachten Probleme ist Oberflächenverschleiß, manchmal auch als Lochfraß bezeichnet. Bedenken Sie, dass die Dampfblasen auf einer fast molekularen Ebene implodieren und eine enorme Kraft über einen unglaublich kleinen Bereich freisetzen. Das führt zu hohen Spannungen – Spannungen, die hoch genug sind, um Metall von den den Blasen angrenzenden Oberflächen zu entfernen. Das Ergebnis ist hochbeschleunigter Verschleiß in Form von Oberflächenlochfraß und intern erzeugter Verunreinigung. Die vom Oberflächen entfernten Metallpartikel bleiben im System und können die Bildung noch mehr Kavitationsblasen verursachen.

Vorzeitiges Dichtungsversagen

Beachten Sie auch, dass die Oberflächenbeschaffenheit in vielen Anwendungen ein wichtiger Faktor sein kann, und insbesondere bei Hydraulikzylindern. Bei der Auswahl einer geeigneten Dichtung für einen Hydraulikzylinder ist die Oberflächenbeschaffenheit der Stange entscheidend. Wenn die Stange aufgrund von Kavitation Lochfraß aufweist, verursacht dies vorzeitigen Verschleiß der Dichtung. Wenn die Dichtung beginnt sich abzunutzen, kann Hydraulikfluid austreten (was die Leistung verringert) und Umgebungsverunreinigungen wie Staub und Feuchtigkeit können ins Innere gelangen.

Übermäßige Wärmeerzeugung

Die Blasenimplosionen führen auch zu hohen Temperaturen, manchmal bis zu 5.000 °F (ca. 2.760 °C). Zusätzlich führt die Beschädigung der Oberfläche zu erhöhter Reibung, wenn das Fluid darüber strömt. Diese Reibung resultiert nicht nur in Systemverlusten und geringerer Effizienz, sondern auch in unerwünschter Wärmeerzeugung. Dies ist einer der Gründe, warum übermäßige Hitze auch ein starker Indikator für Kavitation sein kann.

Verringerung der Fluidqualität

Wegen der hohen Temperaturen, die durch Kavitation entstehen können, ist das Hydraulikfluid sehr wahrscheinlich einer Degradation (einer allgemeinen Verringerung der Fluidqualität) ausgesetzt. Übermäßige Hitze und hohe Temperaturen führen dazu, dass das Fluid schneller altert als normal, die vorhandenen Additive ernsthaft beeinträchtigt werden und die Viskosität des Fluids verringert wird.

Mangelnde Schmierung

Das Vorhandensein von Blasen im Hydraulikfluid kann auch zu mangelnder Schmierung führen, was zu Metall-auf-Metall-Kontakt und vorzeitigem Verschleiß führt. Diese Art von Verschleiß nimmt eine andere Form an als die, die direkt durch Kavitationsimplosion und -explosion resultiert: Sie sieht aus wie Abrieb in einem Muster, das mit der Bewegung der Metallteile konsistent ist, anstatt wie Lochfraß.

Kavitation verhindern

Eines der Mittel zur Verhinderung von Kavitation liegt in der Temperaturkontrolle. Wenn das Hydraulikfluid zu viskos ist, werden Druckabfälle zu einem größeren Problem; diese Viskositätserhöhung kann das Ergebnis von Hydraulikfluid bei einer weniger als idealen Temperatur sein. Darüber hinaus können hohe Temperaturen in Kombination mit niedrigen Drücken ebenfalls Kavitation verursachen, daher muss darauf geachtet werden, dass das Hydraulikfluid so nah wie möglich an einer idealen Betriebstemperatur gehalten wird. In einigen Fällen kann dies so einfach sein wie die Isolierung von Hydraulikrohren gegen direkte Sonneneinstrahlung.

Rohrleitungsverluste können zur Kavitation beitragen und resultieren aus Problemen wie der Verwendung zu vieler Armaturen, einem eingestürzten Rohrleitungsliner oder Saugrohr, einer in die Rohre ragenden Dichtung, einer Ersatzpumpe, die zu viel Kapazität für das System hat, oder der Ansammlung von Feststoffen auf der inneren Oberfläche der Rohre.

Eine weitere Möglichkeit, Kavitation zu verhindern, die besonders auf Hydraulikzylinder anwendbar ist, besteht darin, das Eindringen von Luft in das Hydrauliksystem zu verhindern. Zum Beispiel sollten Hydrauliksysteme und einige Komponenten nach dem Befüllen (oder Nachfüllen) ordnungsgemäß entlüftet werden, um die im System eingeschlossene Luft freizusetzen. Wenn zusätzliches Fluid zum System hinzugefügt wird, sollte es vorsichtig eingeführt werden, um Spritzer und Aufwirbelung zu vermeiden – beides kann dazu führen, dass Luft mit dem Fluid mitgerissen wird. Darüber hinaus können schlecht konstruierte Hydrauliktanks unbeabsichtigt die Einschließung von Luft im Hydraulikfluid begünstigen.

Das Vorhandensein von Verunreinigungspartikeln im Hydraulikfluid kann als Ausgangspunkt für die Bildung von Kavitationsblasen dienen, daher kann die Sauberhaltung des Hydraulikfluids und des Systems frei von Verunreinigungen ein hervorragender Ausgangspunkt sein. Dazu gehört das Wechseln von Hydraulikfiltern bei Bedarf, das Filtern jedes in das System eintretenden Hydraulikfluids und das Beheben von Lecks, sobald sie entdeckt werden.

Reparatur der durch Kavitation verursachten Schäden

Wenn Teile Oberflächenschäden durch Kavitation erlitten haben, sind Reparaturen oft aussichtslos. Bei Teilen mit kreisförmiger Geometrie, wie Stangen und Zylindern, ist der Lochfraßschaden oft zum Zeitpunkt der Entdeckung zu tief, um durch Polieren behoben zu werden, da Stangen und Zylinder sehr strenge Oberflächenbedingungen und geometrische Toleranzen erfüllen müssen. Es sei denn, der Schaden wurde schnell entdeckt, wäre es ratsamer, die beschädigten Komponenten zu ersetzen. Bei Dichtungen, die als Nebeneffekt der Kavitation beschädigt wurden, kann der Austausch der Dichtlippe ausreichen.

Fazit

Kavitation verursacht so viel Schaden: beschleunigten Oberflächenverschleiß in Form von Lochfraß, vorzeitiges Dichtungsversagen, Erzeugung unerwünschter Wärme, beeinträchtigte Hydraulikfluidqualität und mangelnde Schmierung, die zu zusätzlichem Verschleiß führt. Der beste Weg, mit Kavitation umzugehen, besteht darin, Maßnahmen zu ihrer Verhinderung zu ergreifen, denn einmal, wenn sie auf den Oberflächen der Ausrüstung (einschließlich Hydraulikzylindern) wütet, kann es extrem schwierig, wenn nicht unmöglich, sein, sie zu reparieren. Vorbeugende Maßnahmen gegen Kavitation sind der weiseste Handlungsweg und können oft grundlegende Wartungsprinzipien umfassen (z. B. Entlüften der Luft aus dem System, Filtern des Hydraulikfluids). Sobald Hydraulikzylinder anfangen, Rasselgeräusche zu machen oder heißer als normal zu werden, ist es an der Zeit, sie überprüfen zu lassen.

MAC Hydraulics

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