Anforderungen an Hydraulikflüssigkeiten

In Hydraulik- und Schmieranlagen werden überwiegend mineralische Öle eingesetzt, da deren Eigenschaften in Bezug auf Alterung, Korrosionsschutz, Temperatureinfluss auf ihre Viskosität, Schmierverhalten und Wassertragfähigkeit durch die Zugabe von Additiven zu einem Grundöl verbessert werden.

Die mineralischen Hydrauliköle werden je nach Anforderungen in verschiedene Qualitätsgruppen nach DIN 51524 eingestuft.

Im Untertagebau, bei Druckgussmaschinen, Gießereien und anderen Anwendungen, bei denen wegen der starken Hitzeentwicklung eine Brandgefährdung durch Mineralöle droht, werden schwer entflammbare Flüssigkeiten eingesetzt.

Bereichen, wie z.B.im Bergbau oder an Schweißautomaten, eingesetzt. Verwendbar in einem Temperaturbereich von +5°C bis +55°C, ähneln diese Öl-in-Wasser-Emulsionen den für die Metallbearbeitung verwendeten Bohrölemulsionen. Durch Mischen eines HFA-Konzentrates mit der notwendigen Wassermenge werden sie vom Verbraucher selbst hergestellt. Im Allgemeinen beträgt der Ölanteil dabei maximal nur 20 %. Man unterscheidet die mineralölhaltigen Emulsionen HFA E von den mineralölfreien Emulsionen HFA S.

HFB-Flüssigkeiten mit einer Nennviskosität ähnlich der von Hydraulikölen haben in Deutschland keine Verbreitung gefunden, da sie nicht als schwerentflammbar anerkannt sind. HFB-Flüssigkeiten werden in Großbritannien und den Commonwealth-Ländern eingesetzt. Sie sind verwendbar von +5°C bis +60°C, der Mineralölanteil ist < 60 %.

Die häufigsten Vertreter dieser wässrigen Polymer-Lösungen sind Polyglykol-Wasserlösungen. Sie werden gebrauchsfertig angeliefert und lassen sich – je nach Viskositätsanforderung – für Flüssigkeitstemperaturen von -20°C bis +60 °C verwenden. Um die Reduzierung des Wassergehaltes durch Verdunstung so gering wie möglich zu halten, sollte die Betriebstemperatur nicht mehr als +50°C betragen. In jedem Fall müssen der Wassergehalt (< 35 %) und die Rostschutzreserve der HFC-Flüssigkeit während des Betriebs überwacht und bei Bedarf durch Zugabe von entsalztem Wasser bzw. Rostschutzmittel auf dem Sollwert gehalten werden.

Bei wasserfreien synthetischen HFD-Flüssigkeiten unterscheidet man zwischen Flüssigkeiten auf Basis von Phosphorsäureester (HFDR) und anderen wasserfreien synthetischen Flüssigkeiten wie Polyolester oder organischem Ester (HFDU). Ihr Temperatureinsatzbereich (max. von -20°C bis +150°C) wird vom jeweiligen Viskositätstemperaturverhalten und den Viskositätsanforderungen des Antriebs bestimmt. Er ist allgemein kleiner als bei Mineralölen und im Einzelfall zu überprüfen.

Diese umweltschonenden Flüssigkeiten auf pflanzlicher, tierischer oder synthetischer Basis mit geringer Biotoxizität werden als Alternative zu mineralischen Hydraulikflüssigkeiten in der Land- und Forstwirtschaft sowie in der Mobilhydraulik eingesetzt.

• HETG: natürliche Ester auf Basis pflanzlicher Öle (Rapsöl, Sonnenblumenöle usw.), wasserunlöslich
• HEES: synthetische Ester, wasserunlöslich
• HEPG: Polyalkylenglykole, Polyglykole oder Polyehtylenglykole, wasserlöslich

Die Anforderungen und der Einsatz sind in den VDMA-Einheitsblättern 24568 und 24569 festgehalten.

Mit sterngefalteten Filterelementen können auch Schmieröle auf Mineralölbasis filtriert werden. Die am häufigsten verwendeten Newtonschen Flüssigkeiten sind Schmieröle für Umlaufschmierungen, Turbinen- und Luftverdichteröle. In der Regel werden – abhängig von den zu schmierenden Komponenten – Filterfeinheiten von 10 bis 25 µm eingesetzt. Dabei ist die mögliche Durchflussleistung von der Viskosität des Schmieröls abhängig.

SCHMIERSTOFFE UND DEREN EINSATZBEREICHE

Synthetische Druckflüssigkeiten werden meist für Spezialanwendungen (z.B. Luftfahrt und Militär) konzipiert. Sie ähneln im Filtrationsverhalten den Mineralölen, besitzen ihnen gegenüber aber spezifische Vorteile. Allerdings verhalten sie sich häufig aggressiv gegenüber Metallen und Dichtungswerkstoffen.

Eine sichere Gewährleistung aller notwendigen Eigenschaften von Hydraulik- und Schmierflüssigkeiten ist nur durch die Beimischung von Additiven möglich. Diese sind partikelförmig und im Größenbereich weit unter 1 µm. Damit ergibt sich für die Filtration der Hydraulikflüssigkeit folgende Grenze: Schmutzpartikel sind herauszufiltern, während Additive mit absoluter Sicherheit in der Hydraulikflüssigkeit verbleiben müssen. Der Hersteller der Hydraulikflüssigkeit hat in diesem Sinne die Filtrierbarkeit zu gewährleisten.

Die Filtrierbarkeit und damit die Fähigkeit der Druckflüssigkeit, kontinuierlich durch einen Feinfilter zu fließen, hängt nicht allein von der Viskosität, sondern in hohem Maße von den Bestandteilen des Öls im kollodialen Bereich ab, in dem die Additive liegen. Verunreinigungen können zu erheblichen Veränderungen der kollodialen Struktur der Flüssigkeit und damit zu einem Verstopfen des Filters führen.

Da es wirtschaftlich nicht vertretbar ist, sämtlichen Schmutz durch feinste Filter aus Hydrauliksystemen zu entfernen, werden für Hydraulikflüssigkeiten sogenannte Reinheitsklassen definiert. Sie legen die zulässige Anzahl an Partikeln fest – gestaffelt nach den Betriebsanforderungen und der Empfindlichkeit der eingesetzten Bauteile.

Die wichtigsten Reinheitsklassen-Einteilungen für Partikelzahlen sind die ISO 4406:1999 und die Nachfolgenorm der NAS 1638 – die SAE AS 4059. Die Klassifizierungssysteme orientieren sich an der Tatsache, dass heute Tiefenfilter mit einem ausgewogenen Verhältnis von Filtrationsqualität und Lebensdauer am gebräuchlichsten sind. Deren Filtermedien besitzen keine einheitlichen Porengrößen, sondern weisen ein Porenspektrum auf. So ist z.B. bei einem Filterelement, das 99 % aller Partikel > 10 µm abscheidet, zu beachten: Nicht alle Partikel > 10 µm werden zurückgehalten, und unter Umständen passieren sogar einige deutlich größere Partikel.

In der Industriehydraulik werden die Partikelzahlen nach ISO 4406:1999 codiert. Mit der Ablösung des Teststaubs ACFTD durch ISO MTD sind auch die Partikelgrößen neu definiert worden.

Nach ISO 11171:199 ist jetzt der Durchmesser des projektionsflächengleichen Kreises für die Partikelgrößen ausschlaggebend. Mit der Neudefinition des Teststaubs und der Partikelgröße wurde auch die Norm ISO 4406:1999 aktualisiert. Diese Neuausgabe ISO 4406:1999 verwendet jetzt einen dreistelligen Code für Partikel > 4µm(c), > 6µm(c) und > 14 µm(c). Die Zahl der Partikel in jeder Klasse ist kumuliert.

Die Größen >6 µm(c) und >14 µm(c) entsprechen weitgehend den bisher verwendeten Partikelgrößen >5 und >15 µm nach der ACFTD-Kalibrierung. Der in die Klassifizierung neu aufgenommene Bereich für Partikel >4 µm(c) entspricht dabei etwa 0,9 µm der alten Norm.

Um die neue von der alten Norm unterscheiden zu können, werden die Angaben der Filterfeinheit nach der neuen Norm durch ein „c“ ergänzt.

Die SAE AS 4059 definiert 6 Reinheitsklassen:

>4, >6, >14, >21, >38 µm und >70 µm(c). Die Werte werden wie bei der ISO in kumulierter Form gezählt. Die Zahlen lassen sich deshalb nicht direkt mit den alten Werten der NAS 1638 vergleichen! Es wurden neue maximal zulässige Partikelzahlen festgelegt. Eine neue Klasse „000“ ist für extrem hohe Anforderungen vorgesehen.

Die SAE AS 4059 bezieht sich wie die ISO 4406:1999 auf die Kalibrierung mit MTD-Staub nach ISO 11171:1999.

Die von der SAE AS 4059 abgelöste NAS 1638 definierte 5 Reinheitsklassen in den Größen 5-15, 15-25, 25-50, 50-100 µm und >100 µm. Angegeben wurden nur die Partikelzahlen, die tatsächlich in einer Klasse gezählt wurden (differentielle Darstellung). Jedem Größenbereich wurde eine Reinheitsklasse (00,0, 1 bis 12) zugeordnet.

Eine vollständige Angabe nach NAS 1638 bestand also aus 5 Zahlen. Häufig wurden jedoch nur 2 Werte eines gewählten Bereiches oder als Gesamtbeurteilung die schlechteste aller 5 NAS Zahlen angegeben. Die NAS 1638 ist nicht mehr zeitgemäß, da die feinen Partikel < 5 µm nicht erfasst werden.

Die NAS 1638 ist durch die SAE AS 4059 abgelöst.

Bei Untersuchung der Verschmutzung in 100 ml Hydrauliköl werden folgende Partikelgrößen gemessen:

• 210.000 Partikel > 4 µm (Ordnungszahl 18)
• 42.000 Partikel > 6 µm (Ordnungszahl 16)
• 1.800 Partikel > 14 µm (Ordnungszahl 11)

Der Schlüssel für die Kennzeichnung der Feststoffverschmutzung nach ISO 4406:1999 lautet dann wie folgt: 18/16/11.

Anhaltswerte zur Bestimmung der Filterfeinheit x (µm) und der im Hydrauliköl vorgefundenen Reinheitsklasse

Voraussetzung für Filterelemente mit besten Filtrationseigenschaften: den Qualitätsanforderungen entsprechende Werkstoffe und hohe Fertigungsqualität. Genormte Tests für die Prüfung leisten dazu wertvolle Anhaltspunkte. Und nur Hersteller, wie Filtration Group Industrial, die sie regelmäßig durchführen, können dauerhaft gleichbleibende Standards garantieren und die Forderung ßx >= 200 in jedem Fall realisieren. Zusammen mit anderen wichtigen internationalen Prüfnormen, wie dem Multipass-Test, garantiert dies die notwendige Sicherheit, die Sie für einen reibungslosen Betrieb in der Praxis benötigen.

Da jedem Elementtyp ein Mindestdruckwert zugeordnet werden kann, lässt sich mit dem Blasenpunkt- oder Bubble-Point-Test die Gleichmäßigkeit der Produktionsqualität von Filterelementen ausgezeichnet überwachen.

Das Filterelement wird mit der Hauptachse parallel zur Hauptachse der Prüfflüssigkeit (Isopropanol) eingetaucht und nach fünf Minuten bei einer Drehung um 360°C dem angegebenen Mindestdruck ausgesetzt. Entsteht dabei kein dauerhafter Blasenstrom, erfüllt das Element den Test. Zur Messung der Filterleistung bzw. des Abscheidegrades besitzt der Test allerdings keine Aussagekraft.

Unter dem zulässigen Kollapsdruck versteht die vom Filterelement zu bestehende Druckdifferenz in Durchflussrichtung.

Dazu gibt man dem Testkreislauf in definierter Menge einen beliebigen, chemisch neutralen, teilchenförmigen Schmutzstoff bei, bis die Druckdifferenz über dem Filterelement dem zulässigen Kollaps- bzw. Berstdruck entspricht. Der Druckdifferenz-Verlauf wird aufgezeichnet, und nur wenn kein Anzeichen für Versagen, kein Abfallen der Steigung der Differenzdruckkurve zu registrieren sind, erhält das Filterelement die Freigabe.

Ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung von Hydraulikfiltern ist der Differenzdruck (auch Durchflusswidersand genannt). Er ergibt sich aus dem gesamten Druckabfall von Gehäuseeintritt bis -austritt und setzt sich aus Gehäuse- und Filtereinsatz-Verlusten zusammen.

Faktoren, die den Durchflusswiderstand eines sauberen Filters beeinflussen, sind Viskosität der Flüssigkeit, spezifisches Gewicht der Flüssigkeit, Volumenstrom, Medium des Filtereinsatzes und Strömungswege.

Zur Bestimmung des Durchflusswiderstandes wird ein Prüfstand, bestehend aus Pumpe, Behälter, Wärmetauscher und Messgeräten für Druck, Temperatur und Volumenstrom verwendet. p1 ist der Druck am Filtereintritt, p2 der Druck am Filteraustritt und ∆p der Durchflusswiderstand des Filters. Bei der Durchführung von ∆p-Volumenstrom-Messungen an einem Filter besteht keine Notwendigkeit für einen Prüfstand mit hohem Systemdruck. Es reicht aus p2 auf einem positiven Druckwert zu halten.

Der Test wird angewandt, um die Fähigkeiten eines Filterelements zu bestimmen, durch wechselnde Differenzdrücke (Durchflussmengen) bewirkte Verformungen ohne Änderung der Berstfestigkeit standzuhalten. Zur Durchführung des Tests wird ein Prüfstand, wie er unten schematisch dargestellt ist, verwendet.

Der Multipass-Test ist der wichtigste Test zur Bewertung der Abscheideleistung, der Schmutzaufnahmekapazität und der Standzeit eines Filterelements und wird auch als Filterleistungstest, Mehrfachdurchgangsprüfung oder ßx-Test bezeichnet. Zur Durchführung eines Multipass-Tests ist ein äußerst aufwendiger und in drei Hauptgruppen gegliederter Teststand nötig:

• In System 1 wird die Testflüssigkeit (MIL-H-5606) definiert mit Teststaub (ISO MTD) verschmutzt.
• In System 2 ist der Prüffilter installiert und die gereinigte Testflüssigkeit wird umgewälzt.
• In System 3 werden die aus System 2 entnommenen Flüssigkeitsproben in hochgenauen Partikelzählern kontinuierlich ausgezählt und die Informationen werden mittels eines speziellen PC-Programms visualisiert dargestellt.

Der Multipass-Test kommt dem Verschmutzungsablauf in der Praxis sehr nahe. Unterschiede sind allenfalls das größere Schmutzangebot und die dadurch mögliche, stark verkürzte Testdauer im Vergleich zur Filterstandzeit.

Eventuelle Veränderungen am Filterelement bei zunehmendem ∆p , wie sie etwa auch durch Kaltstarts oder andere Betriebseinflüsse auftreten können, lassen sich mit Rückschlüssen auf die Wirksamkeit und Lebensdauer des Filters jedoch eindeutig nachweisen.

Die Testeinrichtungen und der Testablauf sind sehr aufwendig und können vom Anwender selbst nicht durchgeführt werden. Deshalb ist der Kunde umso mehr auf die Richtigkeit der Herstellerangaben angewiesen.

Aus System 1 wird verschmutzte Flüssigkeit in den Kreislauf des Systems 2 dauernd eingespritzt. Durch die ständige Umwälzung wird dem Testfilter so lange Schmutz zugeführt, bis der maximal zulässige Differenzdruck des Elements oder des Testsystems erreicht ist. Während dieser Zeit werden in System dauernd Proben automatisch ausgewertet und der Temperatur- und Druckverlauf aufgezeichnet. So lässt sich bei ansteigenden Differenzdrücken feststellen, wie die Abscheideleistung des Elements verläuft. Das Testergebnis wird in Form des ß-Wertes ausgedrückt, der folgendes Verhältnis widerspiegelt:

Folgende Werte sollten immer vorgelegt werden:

• ß _x(c)-Wert bezogen auf das ∆p, bei dem der Wert gemessen wurde
• ß _x(c)-Werte beim Schaltpunkt der Wartungsanzeige und beim End-∆p des Prüfstandes oder des zulässigen ∆p für das betreffende Element
• die scheinbare Schmutzaufnahme beim Schaltpunkt des Wartungsanzeigers und beim End-∆p
• Ist Bubble-Point des Testelements vor Testbeginn

Nur diese Angaben zusammen lassen wirklich eine vergleichende Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Filtern zu. Um die Bedeutung des ß-Wertes besser beurteilen zu können, muss man sich den Vergleich mit dem Abscheidegrad in % vor Augen führen. Der Abscheidegrad errechnet sich wie folgt:

Ein ß-Wert von 200 entspricht also einem Abscheidegrad von 99,5 %.