Hydraulik Pumpen

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Vertiefung der Theorie und was im Video schon gebracht wurde:

Hydraulikpumpe Animation

Hydraulikpumpe Animation

Die Hydropumpen haben die Aufgabe, Flüssigkeit (zumeist Öl) in den Arbeitskreis zu drücken. Kriterien zur Auswahl einer Pumpe sind hierbei vor allem:

-        Notwendiger Betriebsdruck
-        Förderstrom bei Nenndrehzahl
-        Konstant oder regelbar, evtl. mit zwei Förderrichtungen
-        Geräuschpegel
Die Hydraulikpumpe – ein zentrales Element in der Hydraulik-Anlage. Ihre Aufgabe, eine Auswahl zu treffen!Hydraulikpumpen kann man grob klassifiziert werden in:
Klassifizierung Hydraulikpumpen

Klassifizierung Hydraulikpumpen

Leistungsbetrachtung

Pumpen wandeln in der Regel elektrische Energie in hydraulische Energie um. Man kann drei verschiedene Wirkungsgrade, welche die hydraulische Pumpe beschreiben, unterscheiden: Der volumetrische Wirkungsgrad, den mechanisch/hydrauischen Wirkungsgrad und den Gesamtwirkungsgrad.

Theoretischer Volumenstrom Qth

Der volumetrische Wirkungsgrad kann bestimmt werden, indem man den tatsächlichen, sprich effektiven Volumenstrom der Pumpe bei einem bestimmten Druck, durch den theoretischen Volumenstrom dividiert.
Die Konstruktionsmerkmale Kolbendurchmesser, Kolbenhub und Kolbenzahl legen das theoretische Fördervolumen Vth bei einer Umdrehung fest. Durch die Drehfrequenz des Antriebsmotors wird der berechnete Volumenstrom Qth einer Pumpe als Kenngröße bestimmt.
Qth = n   *   Vth

Volumetrischen Wirkungsgrad

Hydraulikpumpe - Berechnung volumetrischer Wirkungsgrad

Hydraulikpumpe - Berechnung volumetrischer Wirkungsgrad

Ein Teil des Volumenstromes Qth strömt innerhalb der Pumpe durch das vorhandene Kolbenspiel, als Quetschöl durch die Zahnlücken einer Zahnradpumpe in den Saugraum zurück.

Dieser Verlust bezeichnet als Leckölstrom QL ist abhängig vom Spiel der Pumpe und nimmt mit zunehmenden Druck im System zu. Ein großes Passungsspiel bewirkt zwar eine geringe Reibung aber die Leckverluste sind hierbei größer.

Der tatsächliche Volumenstrom der Pumpe sollte mit einem Volumenstrommesser erfasst werden. Damit kann man den volumetrischen Wirkungsgrad definieren:

ηVol =   Qe      mit  Qe = Qth   -   QL
             Qth
Vth = theoretisches Fördervolumen bei einer Pumpenumdrehung
Qe = effektiver Volumenstrom
QL = interner Leckölstrom der Pumpe
Qth = berechneter (theoretischer) Volumenstrom
η Vol = volumetrischer Wirkungsgrad
Der volumetrische Wirkungsgrad kann auch zur Bestimmung des Zustands einer Hydraulikpumpe verwendet werden, basierend auf ihrer Zunahme der internen Leckage durch Verschleiß oder Beschädigung! Ohne den theoretischen Volumenstrom wäre der vom Durchflussmesser gemessene tatsächliche Volumenstrom jedoch bedeutungslos.
Hydraulikpumpe - Berechnung mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad

Hydraulikpumpe - Berechnung mechanisch-hydraulischen Wirkungsgrad

Mechanischer Wirkungsgrad

Da eine Pumpe ein mechanisches Bauteil ist, treten auch mechanische Reibungsverluste auf. Daher muss  das tatsächlich notwendige Drehmoment entsprechend grösser sein als das theoretisch berechnete Drehmoment, um die Hydraulikpumpe anzutreiben:
M zu =   M th   +  M V
M zu = Drehmoment des Antriebsmoment in Nm
M th  = berechnetes Drehmoment in Nm
M V  = Verlustmoment durch Reibung in Nm

Man definiert einen mechanisch-hydraulischer Wirkungsgrad:

ηmh =   M th   
              M zu                       

Leistung der Pumpe

Hydraulikpumpe - Berechnung Wirkungsgrad

Hydraulikpumpe - Berechnung Wirkungsgrad

Der Gesamtwirkungsgrad wird verwendet, um die Antriebsleistung zu berechnen, die eine Pumpe benötigt, um den benötigten Volumenstrom bei einem bestimmten Druck liefern zu können. In der Regel wird die Pumpe  angetrieben durch einen elektrischen Motor. Durch die Leckverluste und die mechanischen Verluste der Pumpe muss die an das System abgegebene Leistung (Nutzleistung) Pe geringer sein.

Pzu =   (M zu   *  n)
                  9550
sowie   Pe =   Q e  * pe
.                       600
Pzu   = vom Antriebsmotor zugeführte Leistung in kW
Pe    = an das System abgeführte Nutzleistung in kW  (Index `e`für `effective`)
PV    =   Verlustleistung der Pumpe in kW
M     =  Drehmoment in Nm
n      = Drehzahl in min -1
Qe    = effektiver Förderstrom in l/min
pe    = Förderdruck in bar

Daraus resultiert der Gesamtwirkungsgrad ηt der Pumpe, was nichts anderes ist wie das Verhältnis abgegebene Leistung zu zugeführter Leistung

η t =   P e 
           P zu

oder als Produkt der Einzelwirkungsgrade:

η t =   η mh  *   η vol  (Index t steht für `total`)

Die verschiedenen Wirkungsgrade einer Pumpe lassen sich in einem Wirkungsgradkennlinienfeld darstellen. Aufgezeigt wird der volumetrische Wirkungsgrad ηVol, der mechanisch-hydraulischer Wirkungsgrad ηmh und der Gesamtwirkungsgrad ηt in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsdrücken:

Aufzeichnung der Wirkungsgrade Hydraulikpumpe

Aufzeichnung der Wirkungsgrade Hydraulikpumpe

Das Leistungsflussbild (Sankeydiagramm) verdeutlicht die Verluste einer Hydraulikanlage folgenderweise:

Hydraulikanlage - Leistungsverluste

Hydraulikanlage - Leistungsverluste, Berechnung

Arbeitsauftrag: Bestimmung Wirkungsgrade Hydraulikpumpe

Ergänzen Sie die fehlenden Angaben der Tabelle und zeichnen Sie die Kennlinien mechanischen, volumetrischen und Gesamtwirkungsgrad dieser Zahnradpumpe auf.

Aufgabe - Ermittlung Wirkungsgrade Zahnradpumpe

Aufgabe - Ermittlung Wirkungsgrade Zahnradpumpe

Über folgenden Link können Sie ein Excel-Arbeitsblatt zur Berechnung der verschiedenen Wirkungsgrade downloaden:
Hydraulikpumpe Wirkungsgrade