Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen

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28 3 Druckflüssigkeiten

– erbgutändernd oder krebserregend sind,

– wassergefährdend (Wassergefährdungsklasse 2 oder 3) sind.

Das Gefährdungspotential für Grund- und Abwasser wird durch die Verwaltungs-

vorschrift wassergefährdender Stoffe (VwVwS) vom 17. Mai 1999 (letzte Novel-

lierung 1. August 2005) in drei Wassergefährdungsklassen (WGK) eingestuft,

welche aus einer Wassergefährdungszahl (WGZ) gebildet werden, s. Tabelle 3.7.

Tabelle 3.7 Wassergefährdungszahl (WGZ) und Wassergefährdungsklasse(WGK) von Druck-

flüssigkeiten

WGZ WGK Beurteilung Druckflüssigkeit

2 - 3,9 1 schwach wassergefährdend H, HFA, HFC, HFDR,

HEPG, HEES

4 - 5,9 2 wassergefährdend HL, HLP, HVLP

> 6 3 stark wassergefährdend HFAE, HFB, HFDT, HLPD

Die Wassergefährdungszahl (WGZ) ist der arithmetische Mittelwert aus Säugetier-

toxizität (ST), Bakterientoxizität (BT) und Fischtoxizität (FT):

WGZ = ( ST + BT + FT ) : 3. (3.16)

Projektanten und Nutzer von Hydraulikanlagen sollten niemals eine Selbstein-

stufung vornehmen, sondern die Hersteller der eingesetzten Druckflüssigkeit und

ggf. die zuständige Umweltbehörde einbeziehen.

Der wirksamste Beitrag zur ökologischen Akzeptanz der hydraulischen An-

triebstechnik liegt vor, wenn es gar nicht zum Flüssigkeitsaustritt kommt, das

heißt also, durch verbesserte Dichtungssysteme („trockene Hydraulik“) und Hava-

rieschutzmaßnahmen, s. Abschn. 10.2 .

Die Entsorgung von Druckflüssigkeiten ist durch das Abfallgesetz und die

nachgeordnete Altölverordnung (Altöl V vom 27. 10. 87, Neufassungen 2002 und

2006) geregelt. Altöle – dazu gehören neben Mineralöl auch native Öle und syn-

thetische Flüssigkeiten – werden in vier Sammelkategorien eingeteilt, die getrennt

gesammelt und gelagert werden müssen, s. Tabelle 3.8.

Tabelle 3.8 Sammelkategorien für Altöle nach dem Abfallgesetz

Kategorie 1 Kategorie 2 Kategorie 3 Kategorie 4

Hydrauliköle

Grenzwerte

PCB

< 20 mg/kg

Halogene < 0,2 %

Synthetische Hyd-

rauliköle

Chlorierte Hydraulik-

öle (Mineralölbasis)

mit PCB

< 50 mg/kg

Leicht abbaubare

Hydrauliköle

PCB Polychlorbiphenylen

3.3 Eigenschaften und Kennwerte von Druckflüssigkeiten 29

Der Aufbereitung von Altöl wird in allen aktuellen Bestimmungen der Vor-

rang vor sonstigen Entsorgungsverfahren eingeräumt, sofern keine technischen

und ökonomischen Sachzwänge entgegenstehen. Alle Flüssigkeiten der Kategorie

1 sollen grundsätzlich der Aufbereitung zugeführt werden. Weitere Entsorgungs-

varianten für die gebräuchlichen Druckflüssigkeiten zeigt die Tabelle 3.9. Weit

verbreitet ist die kontrollierte Verbrennung, z. B. in Zementwerken. Etwas kurios

ist die mögliche Einstufung von Rapsöl (nicht wassergefährdend) als Sonderabfall,

weil die Zweitraffination gegenwärtig noch nicht durchgängig gesichert ist.

Tabelle 3.9 Entsorgung ausgewählter Druckflüssigkeiten

Aufarbeitung Verbrennung Entsorgung als Sonder-

abfall

Mineralöle

HFC, HFD

HETG (Rapsöl)

HEES (synth. Ester)

HEPG (Polyglykole)

xx x

3.3.5 Technologische und ökonomische Anforderungen

Aus dem Trend zu immer höherer Leistungsdichte und dem Wettbewerbszwang

zu Kosten- und Qualitätsbewusstsein ergeben sich weitere Anforderungen und

daraus abgeleitete Eigenschaften der Druckflüssigkeiten, Tabelle 3.10.

Die meisten Druckflüssigkeiten stellen heute Legierungen dar, d. h., sie werden

durch Zusätze (Additive, Inhibitoren) gezielt in ihren Eigenschaften verändert. Die

Additive können die Grundflüssigkeit direkt beeinflussen oder an den Grenz-

flächen zwischen Flüssigkeit und Anlagenkomponenten wirken, s. Tabelle 3.11

>3.14@.

Die Innovationen auf dem Gebiet der Hydraulikflüssigkeiten gehen immer

weiter. Über die Beeinflussung der Viskosität und Schmiereigenschaften werden

Strömungswiderstände und Reibungsverluste verringert, wodurch Senkungen des

Energiebedarfs in Größenordnungen bis 14% nachweislich erzielbar sind, wohl-

gemerkt nur durch den Einsatz optimierter Flüssigkeiten >3.15@, >3.16@. Vor dem

Hintergrund, dass bei Einsatz der Hydraulik in Kraftfahrzeugen Kraftstoffein-

sparungen gefordert werden, wurden hydraulische Komponenten in die Unter-

suchungen einbezogen. So hat die Viskosität einen nachweisbaren Einfluss auf

den volumetrischen Wirkungsgrad von Hydraulikpumpen. In [3.27, 3.28] wurden

Ergebnisse von Untersuchungen mit Ganzjahreshydrauliköl MEHF (Maxium Ef-

ficiency Hydraulic Fluid) vorgestellt. Vergleichsuntersuchungen zwischen HVLP

VI = 142 und MEHF VI = 200 an Frontladern und Minibaggern ergaben eine Effi-

zienzsteigerung von 13–15%, wobei die geleistete Arbeit, die Arbeitszeit und der

Kraftstoffverbrauch verglichen wurden. Der Ausgangspunkt der Betrachtungen

ergibt sich aus Abb 3.8, wo die Wirkungsgrade für Hydraulikpumpen in Ab-

hängigkeit von der kinematischen Viskosität bzw. der Fluidtemperatur dargestellt

30 3 Druckflüssigkeiten

sind. Ein Maximum des Gesamtwirkungsgrades ergibt sich im schraffierten Be-

reich, der sich für eine konkrete Ölsorte aus der Öltemperatur ergibt. Der Einsatz

von MEHF gestattet die Optimierung der Viskositäts-Temperatur-Kennlinien und

ermöglicht so einen Einsatz des Fahrzeuges im optimalen Bereich.

Abb. 3.8 Abhängigkeit der Wirkungsgrade von der Fluidtemperatur für Hydraulik-

pumpen >3.29@

Als Alterung bezeichnet man chemische Reaktionen der Druckflüssigkeit, die

sich in den Alterungsmechanismen Oxidation, Polymerisation, Cracken und Hyd-

rolyse zeigen >3.17@. Ursachen sind hohe Temperatur, hoher Druck, Anwesenheit

von Wasser sowie der Kontakt mit Stoffen, die katalytisch wirken (darunter Fe

und Cu). Die Oxidation stellt die stärkste Einflussgröße dar, weshalb die Oxidati-

onsstabilität zu den wesentlichen Kenngrößen gehört. Verbesserungen werden

durch Additive erreicht, s. Tabelle 3.11. Als Folge der Alterung entstehen unlös-

liche, teilweise auch saure Polymerisations- und Zersetzungsprodukte (Harze,

Hartasphalte, Ölkohle), die Verschleiß und Fressgefahr erhöhen sowie enge Spalte

oder auch Filter zusetzen können. Außerdem kann die Viskosität ansteigen.

Zukunftweisend sind bereits existierende Konzepte zur Standzeitvorhersage

von Druckflüssigkeiten in Hydrauliksystemen unter Nutzung der Alterungs-

simulation mit neuronalen Netzen >3.18@.

Für moderne Druckflüssigkeiten gewinnen die Eigenschaften thermische Stabi-

lität und Filtrierbarkeit (vgl. Tabelle 3.10) an Bedeutung. Höhere Betriebstempe-

raturen der Flüssigkeit beschleunigen den Alterungsprozess und die Bildung von

Abbauprodukten (Verschlammung der Anlage).

Die Filtrierbarkeit als „Fähigkeit einer Flüssigkeit, kontinuierlich durch einen

Feinfilter (Test-Filterfeinheit 1,2 Pm) zu fließen“ ist auf Grund sehr komplexer

Einflüsse schwer zu definieren und messtechnisch zu erfassen. Es gibt noch keine

standardisierte Testmethode.

3.3 Eigenschaften und Kennwerte von Druckflüssigkeiten 31

Tabelle 3.10 Betriebswirtschaftliche Forderungen an Hydrauliksysteme und Eigenschaften der

Druckflüssigkeit

Forderung Kennzeichen Eigenschaft

hohe Zuverlässigkeit und Ver-

fügbarkeit

x hohe Lebensdauer, geringer

Verschleiß

x reduzierte Instandhaltungs-

kosten

x höhere Ölreinheit

x Verschleißschutzverhalten

x Verträglichkeit mit Dich-

tungswerkstoffen

x Filtrierbarkeit

ökonomische Betriebsweise,

geringe Wartungskosten

x kleinere Spiele, Spaltverluste

x höhere Ölreinheit

x längere Ölstandzeiten/

Ölwechselintervalle

x Filtrierbarkeit

x Alterungsbeständigkeit

x Oxidationsstabilität, thermi-

sche und hydrolytische Sta-

bilität

kleinere Füllvolumina (Masse-

und Kostenreduzierung)

x höhere Betriebstemperatur

der Druckflüssigkeit

x thermische Stabilität

breiter Einsatzbereich ohne

Flüssigkeitswechsel

x Mehrbereichsflüssigkeit x hoher Viskositätsindex

x Kälteverhalten

Tabelle 3.11 Additivierung von Druckflüssigkeiten [3.14]

Option/Wirkung auf Additivtyp Wirkstelle

Oxidationsstabilität (Ver-

zögerung der Alterung infolge

Oxi-dation), thermische Stabi-

lität

Antioxidantien (Phenole, A-

mine, Schwefel- und S-

Phosphorverbindungen)

Grundflüssigkeit

Erweiterung des Tempera-

tureinsatzbereiches, hoher

Viskositätsindex

Viskositätsindex-Verbesserer Grundflüssigkeit

Verbesserung des Kältever-

haltens

Pourpoint-Depressant Grundflüssigkeit

Verminderung der Verschäu-

mungsneigung

Antischaumzusätze Grundflüssigkeit

Verschleißschutz, Fressschutz Verschleißschutz- und EP-

Zusätze

Grenzflächen

Korrosionsschutz, Buntme-

tallpassivierung

Korrosionsschutzinhibitoren,

Metallpassivatoren

Grenzflächen

Verminderung des Reibwertes Friction modifier Grenzflächen

Verbesserung des Schmutz-

tragevermögens, Verhinderung

der Schlammbildung

Dispersants und Detergents Grundflüssigkeit und

Grenzflächen

Zu den in die Flüssigkeitsstandards aufgenommenen Kennwerten gehören die

Neutralisationszahl NZ und Verseifungszahl VZ. Die Neutralisationszahl ist ein

Maß für den Gehalt an Säuren, der wegen der Aggressivität gegenüber Metallen

unerwünscht ist. Die Maßangabe der Neutralisationszahl erfolgt als die zur Neu-

tralisation erforderliche Menge Kalilauge, bezogen auf 1 g der untersuchten Flüs-

sigkeit, in mg KOH/g.

Die Verseifungszahl VZ bezieht sich auf die in der Flüssigkeit enthaltenen oder

während der Einsatzzeit entstandenen verseifbaren Stoffe, die zur Verschlammung

führen können.

32 3 Druckflüssigkeiten

Die Verträglichkeit von Dichtungswerkstoffen – vor allem Elastomere – mit

den Druckflüssigkeiten ist ein entscheidendes Kriterium für die Zuverlässigkeit

und Sicherheit hydraulischer Systeme. Im Standard ISO 6072 wird ein Elastomer-

verträglichkeitsindex (EVI) definiert und dessen Bestimmung beschrieben. Getes-

tet wird die Eigenschaftsveränderung eines repräsentativen Standardreferenz-

elastomers (SRE) in einer Hydraulikflüssigkeit unter festgelegten

Prüfbedingungen, insbesondere der Temperatur. Bestandteile des EVI sind die

Volumenänderung des Elastomerwerkstoffes als wesentliches Eignungskriterium

sowie die Einflüsse auf Härte, Reißfestigkeit und Reißdehnung für Aussagen über

den chemischen Angriff der Flüssigkeit auf die Dichtung >3.19@.

3.4 Charakteristik der marktüblichen Druckflüssigkeiten

3.4.1 Mineralölbasische Flüssigkeiten (Mineralöle, Hydrauliköle)

Mineralöle sind Raffinations- bzw. Destillationsprodukte des Erdöls und bestehen

aus Grundölen auf Paraffin- oder Naphtenbasis. Reine Öle sind praktisch nicht

mehr im Einsatz. Die modernen Druckflüssigkeiten stellen Legierungen dar, bei

denen durch Zugabe von Additiven Eigenschaftsverbesserungen erzielt werden (s.

Abschn. 3.3.5).

Tabelle 3.12 Einteilung und Normung der Mineralöle

Bezeich-

nung

Norm/

Richtlinie

Zusammensetzung,

Eigenschaften

DIN 51517/T.1

ISO 6743-4

Mineralöl ohne Wirkstoffe (Additive)

in der Praxis nicht mehr verwendet p < 100 bar

HL DIN 51524/T.1 Additive (Zusätze) zur Verminderung von Korrosion und

Erhöhung der Alterungsbeständigkeit p < 250 bar

HLP

DIN 51524/T.2

ISO 6743-4

zusätzlich zu HL-Ölen weitere Wirkstoffe zur Verschleiß-

minderung und Erhöhung der Belastbarkeit im Mischrei-

bungsgebiet; breite Anwendung in der Praxis p < 400 bar

HVLP

DIN 51524/T.3

ISO 6743-4

wie HLP, aber mit zusätzlichen Wirkstoffen zur Verbesse-

rung des Viskositäts-Temperatur-Verhaltens, d. h., kleiner

Anstieg der V-T-Geraden und damit hoher Viskositätsindex

VI, breiter Temperatureinsatzbereich

HLPD wie HLP, jedoch Zusätze zur Verbesserung des Partikel-

transportes (detergierende Wirkung) und der Fähigkeit zur

Dispersion (Wassertragevermögen)

Der Wirkstoffzusatz ist auch Kriterium für die Sortendifferenzierung der Mine-

ralöle, s. Tabelle 3.12. In den zitierten Normen sind die Mindestanforderungen

und quantitativen Kennwerte ausführlich dargestellt. Die wichtige Eigenschaft

Viskosität bestimmt die nächste Gliederungsebene, z. B. bedeutet „HLP 68“ Zu-

gehörigkeit zur VG 68 (Mittelpunktsviskosität 68 mm

/s).

Zu den besonderen Vorzügen gehören:

 gute Schmierfähigkeit,

3.4 Charakteristik der marktüblichen Druckflüssigkeiten 33

 günstige Kosten und

 relativ hohe Viskosität (positive Wirkung auf innere Abdichtung und Ver-

schleißschutz).

Mineralöle sind mit einem Marktanteil von über 70% noch immer die am häu-

figsten eingesetzten Druckflüssigkeiten in der Hydraulik. Es liegen jahrzehnte-

lange Erfahrungen und ein hoher Entwicklungsstand vor, was zu optimierten und

jederzeit reproduzierbaren Eigenschaften geführt hat.

Die entscheidenden Probleme und Nachteile liegen in der möglichen Umwelt-

schädigung (Wassergefährdungsklasse 2, s. Abschn. 3.3.4) und Brennbarkeit bei

bestimmten Einsatzfällen.

3.4.2 Schwerentflammbare Druckflüssigkeiten

Für den Einsatz in brand- und explosionsgefährdeten Bereichen, z. B. im Bergbau,

im Flugzeugbau, zum Teil in der Gießerei- und Walzwerkstechnik, wurden Flüs-

sigkeiten entwickelt bzw. gesetzlich vorgeschrieben, die sicherheits- und brand-

schutztechnische Anforderungen erfüllen. Bei den schwerentflammbaren Flüssig-

keiten sind zwei Hauptgruppen zu unterscheiden: wasserhaltige und wasserfreie

synthetische.

Die Schutzwirkung der wasserhaltigen Druckflüssigkeiten – oft eingeordnet unter

„Wasserhydraulik“ – entsteht durch das Verdampfen des Wassers. Der Wasser-

dampf schützt die brennbaren Substanzen vor Entzündung bzw. verhindert ein

Weiterbrennen nach einer Entflammung.

Die synthetischen Flüssigkeiten sind chemisch so zusammengesetzt, dass ihre

Dämpfe selbst feuerresistent sind.

Die DIN 24320 und das VDMA-Einheitsblatt 24317 gliedern die schwerent-

flammbaren Flüssigkeiten in vier Gruppen, s. Tabelle 3.13. Die aufgeführten

Normen und Richtlinien beschreiben detailliert die Eigenschaften. In VDMA

24314 wird die Vorgehensweise für die Umstellung einer Anlage von Mineralöl

auf schwerentflammbare Flüssigkeiten angeboten.

Zu den praxisrelevanten Besonderheiten gehören:

 eine höhere Dichte (bis 1,45 g/ml), damit erschwerte Ansaugbedingungen, Ka-

vitationsneigung, erhöhte Druckverluste;

 gute Umweltverträglichkeit: moderne HFA- und die HFC- Flüssigkeiten sind

in WGK 1 (s. Tabelle 3.7) eingestuft;

 begrenzte Betriebstemperaturen bei wasserhaltigen Flüssigkeiten, bei Tempe-

ratur > 55°C: erhöhte Verdampfung, verringerte Schutzwirkung;

 ein geringeres Schmiervermögen, dadurch Reduzierung der Belastung, Druck-

absenkung;

 ein schlechteres Luftabscheidevermögen, weshalb zum Ausgleich eine längere

Verweilzeit im Tank zu sichern ist;

34 3 Druckflüssigkeiten

 keine uneingeschränkte Verträglichkeit mit Dichtungen und Lacken, zu ver-

wenden sind ausgewählte Elastomerwerkstoffe, an der Lösung des Problems

wird intensiv geforscht >3.20@;

 die Notwendigkeit regelmäßiger Kontrollen des Wassergehaltes;

 das Verbot, schwerentflammbare Flüssigkeiten – auch der gleichen Gruppe –

zu mischen.

Tabelle 3.13 Übersicht über die schwerentflammbaren Flüssigkeiten

Bezeich-

nung

Norm/

Richtlinie

Zusammensetzung,

Eigenschaften

HFA ISO 6743-4

DIN EN 982

DIN24320

Öl-in-Wasser-Emulsion (HFAE)

ölfreie Konzentrate oder Salze in Wasser gelöst (HFAS)

80 ... 98 % Wasser, Rest Additive und Biozide; preiswert

HFB DIN 51502

CETOP/

RP 77 H

Wasser-in-Öl-Emulsion ,Wassergehalt 40 ... 50 %,

Brandschutz nicht ausreichend erfüllt, Neigung zur Ent-

mischung, Anwendung für hydrostatische Antriebe

HFC VDMA 24317

wässrige Polymerlösung mit Wassergehalt !35 %

z. B. Polyglykol in Wasser gelöst

HFD wasserfreie synthetische Flüssigkeiten

z. B. Phosphorsäureester (HFDR), Chlorierte Kohlenwas-

serstoffe (HFDS), Gemische aus beiden (HFDT), andere

Zusammensetzungen (HFDU)

E Emulsion, S Solution

Die HFA-Flüssigkeiten („Druckwasser“) sind in wichtigen Eigenschaften (Visko-

sität, Dichte, Schmierfähigkeit) dem Klarwasser sehr ähnlich und benötigen meist

angepasste Konstruktionen. Der Einsatz ist nur im Temperaturbereich von + 5°C

bis + 55°C möglich.

Zur Gruppe gehören Emulsionen „Öl (meist synthetisches)-in-Wasser“ HFAE

(80 bis 98 % Wasser) und wässrige Lösungen HFAS. Additive sorgen für ver-

besserten Korrosions- und Verschleißschutz. Biozide sollen den Befall mit Mikro-

organismen verhindern. Durch Zusatz von Polymeren kann die Viskosität zur Ver-

ringerung von Leckverlusten auf

= 20 ... 30 mm

/s angehoben werden („dickes

Wasser“). Vorteilhaft sind der geringe Preis (10 ... 15% gegenüber Mineralöl, 2 ...

10% gegenüber HFC, HFD) sowie bei HFAS die geringe Umweltgefährdung

(WGK 0) und problemlose Entsorgung, z. B. über das Abwasser.

HFB-Flüssigkeiten werden in Deutschland nicht eingesetzt, weil ein bestimmter

Brandschutz-Test nicht erfüllt wird. Die wasserhaltigen HFC- und die syntheti-

schen HFD-Flüssigkeiten werden in den Viskositätsklassen VG 15 bis 100 analog

zu den Mineralölen angeboten. Im Prinzip können deshalb Anlagen mit HFC- und

HFD-Flüssigkeiten betrieben oder auf diese umgestellt werden, ohne dass Kompo-

nenten geändert werden müssen. Problematisch ist allerdings die Unverträglich-

keit der HFD-Flüssigkeiten mit vielen konventionellen Dichtungswerkstoffen. Die

Entsorgung von HFC und HFD muss als Sonderabfall oder durch Verbrennung er-

folgen. Reines Wasser (Klarwasser) erfüllt natürlich auch hohe brandschutz-

technische Anforderungen, ist jedoch gesondert zu betrachten (s. Abschn. 3.4.4).

3.4 Charakteristik der marktüblichen Druckflüssigkeiten 35

3.4.3 Biologisch schnell abbaubare Druckflüssigkeiten

In Abschn. 3.3.4 wurden die Notwendigkeit und die Möglichkeiten der Um-

weltverträglichkeit dargestellt. Die biologisch schnell abbaubaren Flüssigkeiten

können aufgrund ihrer ökologischen Eigenschaften wesentlich schneller als Mine-

ralöle abgebaut, und im Beisein von Wasser, Sauerstoff und Mikroorganismen

chemisch bis zur Mineralisation umgewandelt werden [3.13].

Gegenwärtig sind im Wesentlichen drei Typen in der Praxis eingeführt, s. Tabelle

3.14. Die Eigenschaften und Anforderungen werden in der DIN ISO 15380 und im

VDMA-Einheitsblatt 24568 beschrieben.

Tabelle 3.14 Einteilung der biologisch schnell abbaubaren Flüssigkeiten

Basis Bezeichnung, Zusammensetzung Eigenschaften

Native Öle HETG

Hydraulik Environmental Tri-Glycerid

Pflanzenöle, meist Rapsöl, chemisch Tri-

glycerid (Glycerin und Fettsäuren)

wasserunlöslich

Einsatz - 20°C bis + 75°C

| 0,92 kg/dm

VG 22 bis 68, VI > 200

Schmierfähigkeit ++

Synthetische

Flüssigkeiten

HEES

Hydraulik Environmental Ester Synthetic

synthetische Ester (hergestellt aus Alkoholen

mit primären OH-Gruppen) meist Carbonsäure-

Ester

wasserunlöslich

Einsatz - 30°C bis + 120°C

| 0,92 kg/dm

VG 22 bis 68, VI > 200

Schmierfähigkeit ++

Alterungsbeständigkeit ++

HEPG

Hydraulik Environmental Poly-Glycol

Basis Polyglykole, insbesondere Polyethelen-

glykole (PEG) und Polyalkylenglykole (PAG)

wasserlöslich

Einsatz – 20°C bis + 100°C

1,1 kg/dm

VG 10 bis 100, VI > 200

Alterungsbeständigkeit +

Die Marktanteile wachsen kräftig und anhaltend. Mit dem Umweltschadens-

gesetz (USchadG) vom 10. Mai 2007 hat sich der Druck auf verschiedene

Branchen erhöht, weil der Verursacher eines Umweltschadens diesen auf seine

Kosten beheben muss. Die breiteste Anwendung finden gegenwärtig die HEES-

Flüssigkeiten, es ist jedoch auch ein deutlicher Trend zur Herstellung und An-

wendung nativer Öle (Bioöle) auf der Basis nachwachsender Rohstoffe (NWR)

und damit eine Reaktion auf die Begrenztheit der Erdölvorräte nachweisbar [3.21].

Die Anwendung beschränkt sich nicht mehr auf Einsatzfälle mit unmittelbarer

Wassergefährdung (naturnahe Gebiete), sondern wird wesentlich breiter (z. B. der

gesamte Mobilhydrauliksektor oder auch Werkzeugmaschinen). Die Betriebsei-

genschaften sind den Mineralölen heute schon durchweg ebenbürtig, z. T. sogar

wesentlich günstiger (Standzeiten, Alterungsbeständigkeit, Schmierfähigkeit, ho-

her VI-Wert, Verschleißminderung, Energiekostensenkung). Welchen Ent-

wicklungsstand die Bioöle erreicht haben, zeigt ein aus der speziellen Sonnen-

blumenzüchtung High Oleic Sunflower (HOS) gewonnenes Hightech-Hydrauliköl

[3.22].

Hauptprobleme sind die thermische Stabilität (vor allem bei HETG), die Gefahr

der Hydrolyse (Spaltung der Estermoleküle) als Beschleuniger der Alterung bei

36 3 Druckflüssigkeiten

HEES schon bei geringsten Wassergehalten (0,1%) sowie die Beeinflussung von

Dichtungselastomeren bis hin zur Zerstörung [3.23]. Notwendig ist hier eine enge

Zusammenarbeit von Öl- und Komponentenherstellern sowie Anwendern!

Der gegenwärtig noch hohe Preis relativiert sich, wenn durch entsprechende

Wartungsmaßnahmen (ganz wesentlich: Feinstfilterung im Nebenstrom) das Öl-

wechselintervall um den Faktor zwei bis sechs verlängert werden kann. Nicht zu-

letzt dürfte die Erhöhung der Verarbeitungsmengen zur Preisabsenkung beitragen.

Weitere ökonomische Aspekte sind verringerte Versicherungsprämien, weniger

Auflagen bei der Lagerhaltung und Entsorgung sowie bessere Chancen bei Aus-

schreibungen.

Unbedingt zu beachten ist die notwendige große Sorgfalt bei der Umstellung

einer Anlage von Mineral- auf Bioöl („Umölung“), weil der Restölgehalt höchs-

tens 1 bis 2 % betragen darf. Diese äußerst niedrigen Grenzwerte erfordern eine

gründliche und fachgerechte Spülung, s. Einheitsblatt VDMA 24569. In der Praxis

ergibt sich oft das Problem, dass die Kontrolle der Befüllung von Maschinen mit

biologisch schnell abbaubaren Flüssigkeiten nur mit hohem Aufwand möglich ist.

Für den Nachweis, ob wirklich Bioöle eingesetzt sind, stehen neu entwickelte

Bioölsensoren zur Unterscheidung zwischen Bio- und Mineralöl im preiswerten

Schnelltest zur Verfügung [3.24].

3.4.4 Rheologische Flüssigkeiten

Erste Ideen für die Nutzung rheologischer Flüssigkeiten stammen aus den 40er

Jahren des letzten Jahrhunderts [3.30]. Praktische Umsetzungen sind erst in jüngs-

ter Zeit realisiert worden [3.31, 3.32]. Es gibt zwei Arten rheologischer Flüssig-

keiten:

x elektrorheologische Flüssigkeiten (ERF) und

x magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF).

Die ERF stellen Suspensionen aus polarisierbaren Feststoffteilchen mit hoher Di-

elektrizitätszahl DEZ (z. B. Metalloxide, Polymere mit in ihnen gelösten Metall-

ionen) und einem flüssigen Trägermedium mit geringer elektrischer Leitfähigkeit

und niedriger DEZ (z. B. Silikonöle, aromatische Kohlenwasserstoffe, Paraffine)

dar [3.2]. Bei ERF wird durch eine elektrische Spannung ein Feld erzeugt, dass

durch Ausrichtung von elektrisch geladenen Teilchen ein Feld erzeugt, welches

die Scherspannung der Flüssigkeit verändert.

Der Einsatz von MRF erfordert ein magnetisches Feld, das die gleiche Wirkung

zur Folge hat. Magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) sind Suspensionen von

kleinsten magnetisch polarisierten Teilchen in einer Trägerflüssigkeit. Die Partikel

(oft Eisen) müssen in der Trägerflüssigkeit (z. B. Mineralöl oder Silikonöl) fein

verteilt sein. Mittlerweile gibt es verschiedene MRF, die den jeweiligen Einsatz-

bedingungen angepasst werden können [3.33].

Bei Stromfluss durch eine Spule, die die MRF zumindest teilweise umschließt,

entsteht ursächlich ein veränderliches Magnetfeld, das die Metallpartikel polari-

siert. Dieser Effekt ist im ms-Bereich realisierbar. Ein Abschalten des Stromes

3.4 Charakteristik der marktüblichen Druckflüssigkeiten 37

bewirkt eine ebenso schnelle Verminderung der Eigenschaften des Fluides. Die

Schubspannung in der Flüssigkeit kann je nach Konfiguration so weit verändert

werden, dass eine feste Konsistenz vorliegt. Problematisch ist dabei, dass die Ei-

senpartikel stets gut verteilt sein müssen, sich also weder verklumpen noch sich

auf den Boden absetzen. Durch spezielle Additive kann das weitgehend verhindert

werden. Die Anwendungen werden sich dort ergeben, wo unweigerlich die größe-

ren Druckverluste gegenüber dem reinen Mineralöl nicht bedeutungsvoll sind,

aber die schnelle Beeinflussung der Scherspannung gewünscht wird. Ein solcher

Einsatzfall sind Stoßdämpfer von Pkw [3.29], wo das Fluid durch Kanäle im

Dämpferkolben strömt, die sich in einem variablen Magnetfeld befinden. In un-

magnetisiertem Zustand verhält sich die Flüssigkeit wie eine newtonsche Flüssig-

keit; die Schubspannung ist proportional zur Schergeschwindigkeit.





= (2.18)

Bei Anlegen eines Magnetfeldes geht das Fluid vom flüssigen in einen visko-

plastischen Zustand über, der mittels des Binghamschen’ Gesetzes erfasst wird





= (2.19)

Die Grenzschubspannung ist dabei eine Funktion der magnetischen Flussdichte.

Die dynamische Viskosität wird nicht vom Magnetfeld beeinflusst (s. Abb. 3.9).

Der dabei ggf. auftretende Restmagnetismus der Zusatzpartikel und andere negati-

ve Eigenschaften wurden inzwischen für zahlreiche Anwendungen so gelöst, dass

ein praktischer Einsatz erfolgen kann.

Schergeschwindigkeit

magnetische

Flussdichte

Scherspannung

Abb. 3.9 Übergang vom Newtonschen Fluid zum Bingham-Fluid

3.4.5 Wasser

Der Einsatz von Wasser als historisch ältester Druckflüssigkeit (s. Abschn. 3.2) er-

lebt seit Mitte der 90er Jahre eine Renaissance, wobei weniger der Wettbewerb

zwischen Wasser und den übrigen Fluiden zu sehen ist, sondern das Erschließen

und Ausbauen spezieller Anwendungsgebiete [ 3.26].