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Hydraulikpumpe Messung, Analyse und Simulation von Kavitation in Axialkolbenpumpen

| Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Oliver Meincke, Dr.-Ing. Robert Rahmfeld* / Dorothee Quitter

Kavitationserosion verringert die Lebensdauer hydraulischer Komponenten. In der Grundlagenentwicklung von Sauer-Danfoss wird dieser Effekt an Axialkolbenpumpen untersucht. Hier wird Kavitation vorhergesagt und in der frühen Entwicklungsphase durch Simulationsmethoden minimiert.

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Erhöhte Produktqualität: Mittels Simulation werden im Entwicklungsstadium von Axialkolbenpumpen Kavitationseffekte umgangen. Bilder: Sauer-Danfoss
Erhöhte Produktqualität: Mittels Simulation werden im Entwicklungsstadium von Axialkolbenpumpen Kavitationseffekte umgangen. Bilder: Sauer-Danfoss
( Archiv: Vogel Business Media )

Hydrostatische Getriebe bestehen normalerweise aus einer Pumpe und einem Motor in Axialkolbenbauweise und werden in der Regel im geschlossenen Kreis betrieben, beispielsweise in Fahrantrieben mobiler Arbeitsmaschinen. Ein Effekt, der die Lebensdauer eines solchen Getriebes verringern kann, ist die Kavitation und der daraus resultierende Verschleiß von Bauteilen, insbesondere tribologischen Kontaktflächen.

Experimenteller Aufbau zur Kavitationsuntersuchung

Um die Kavitation näher zu analysieren und um den Effekt zu verdeutlichen, werden zunächst Messungen mit einer stark kavitierenden Spezial-Ventilplatte (kein Serienteil) durchgeführt. Zu diesem Zweck wird ein Drucksensor direkt in die Umsteuerung der modifizierten Ventilplatte eingebracht. Hier wird die höchste Dynamik erwartet und der Versuchsaufbau ist einfacher zu realisieren als Druckmessungen im Kolbenraum. Der Drucksensor muß eine sehr hohe Dynamik aufweisen und in die gegebenen geometrischen Bedingungen adaptierbar sein. Aus diesem Grund wurde ein piezoelektrischer Drucksensor gewählt, der mit bis zu 40 kHz abgetastet wurde. Um den Drucksensor direkt in die Umsteuerung einbringen zu können, mußte auch ein Endgehäuse modifiziert und gefertigt werden (Abb. 1).

Abb.1 Spezielle, modifizierte tribologische Kontaktflächen: Endgehäuse mit kavitierender Ventilplatte und dem Ort für den Drucksensor direkt in der Umsteuerung. (Archiv: Vogel Business Media)

Mit der hier beschriebenen Versuchskonfiguration wurden Versuche im Versuchsfeld im Pumpenbetrieb durchgeführt bei Parametern, wie sie in Tabelle 1 gezeigt sind.

Tab. 1 Versuchsparameter: Ausgewählte Betriebsbedingungen für eine 130 ccm Axialkolbenpumpe (Archiv: Vogel Business Media)

Hierbei wird die Pumpe von einem Elektromotor angetrieben und der hydraulische Kreis mit einem bidirektionalen, elektrisch einstellbaren Ventil belastet.

Experimentelle Ergebnisse der Messung

Ziel der Messungen ist es, hochfrequente Oszillationen zu detektieren, die von der Kavitation hervorgerufen werden. Zu diesem Zweck muß die Dynamik der Kavitation von der Dynamik der neun Kolben separiert werden. Es wurde eine spezielle Analyse-sequenz geschrieben, die dieses gewährleistet. Das Originalsignal und die verschieden berechneten Signale sind in Abbildung 2 dargestellt.

Abb. 2 Beispielhafte Messung des Drucksensors in der Hochdruckniere: bei 2000 U/min, Dp = 420 bar, 110 ccm eingestelltes Fördervolumen (Archiv: Vogel Business Media)

Die Abbildung zeigt eine Messung des Drucksensors in der Hochdruckniere an der Umsteuerung. Erkennbar sind die Druckeinbrüche, wenn die Hochdruckniere mit einem Kolbenraum verbunden wird, der von der Niederdruckseite kommt. Die blaue Kurve (1) zeigt das Originalsignal, welches dann mit einem Tiefpaß gefiltert wird, um die höchsten Gradienten zu eliminieren. Es ergibt sich die rote Kurve (2). Von diesem Signal wird dann die obere Einhüllende gebildet, hier gepunktet dargestellt (3). Werden diese beiden Signale voneinander abgezogen, ergibt sich die hellblaue Kurve (4), was der Amplitude des gesuchten „Kavitationssignals“ entspricht. Der gleitende Mittelwert dieser Kurve ist wiederum mit einer gepunkteten Linie (5) wiedergegeben.

Führt man diese Analyse für verschiedene Betriebsbedingungen durch und trägt die Mittelwerte der gleitenden Maximalwerte über der Drehzahl auf, so erhält man die Kurven wie sie in Abbildung 3 gezeigt sind.

Abb. 3 Analyse für verschiedene Betriebsbedingungen: Mittelwerte der gleitenden Druck-Maximalwerte berechnet mit der Analysesequenz für verschiedene Betriebsbedingungen (Archiv: Vogel Business Media)

Die Grafik zeigt, dass die maximale Amplitude bei 110 ccm Schluckvolumen und 420 bar Differenzdruck erreicht wird. Weiterhin erkennt man eine kritische Drehzahl bei circa 2500 U/min. Erhöht man die Drehzahl über diesen Wert, dann steigen die Amplituden für alle Betriebsbedingungen stark an. Dies bedeutet entweder, dass eine Mindestdrehzahl benötigt wird, um Kavitationsblasen zu erzeugen oder dass durch die erhöhte Drehzahl der Ort der Implosionen näher zum Sensor hin verlagert wird.

Übereinstimmung von Versuchsergebnissen und CFD-Simulation

Nachdem Kavitation erfolgreich unter Zuhilfenahme von Drucksensoren detektiert werden konnte, wurde die Pumpe nach einer entsprechenden Testdauer demontiert und inspiziert. Abbildung 4 zeigt die Ansicht auf das Endgehäuse der Testeinheit. Die Spuren der Kavitationserosion liegen zwischen der Hauptniere des Hochdruckkernes und der Bohrung für den Drucksensor. Sie ist als sichelförmige Verschleißerscheinung zu sehen.

Abb. 4 Sichtbare Kavitationserosion: a) Erosionsspuren auf dem Endgehäuse b) Vergrößerte Ansicht Der Radius der Verschleißerscheinung paßt genau zu dem Radius der Spezial-Ventilplatten-Niere. (Archiv: Vogel Business Media)

Der Radius der Verschleißerscheinung ist identisch mit dem Radius der Ventilplattenniere und auch der Ort ist genau dort, wo die Niere der Ventilplatte endet, wenn die Pumpe zusammengebaut ist. Diese starke Kavitationserscheinung, die schon nach kurzer Betriebsdauer sichtbar ist, wurde als Beispiel für eine Strömungssimulation (CFD, Computational Fluid Dynamics) genutzt, um Kavitation in der hier eingesetzten Pumpe parallel zum Test vorherzusagen.

Abb. 5 Ansicht auf die Simulationsergebnisse von der Seite des Endgehäuses: Die Farbskala in der Ventilplatte repräsentiert den Gasanteil im Öl. Im Endgehäuse und in den Hochdruckkernen hingegen entspricht die farbliche Kodierung dem Druck. (Archiv: Vogel Business Media)

Basis waren die relevanten Fluidvolumina der beteiligten Teile (Endgehäuse, Ventilplatte, Zylinderblock und Kolben) direkt aus dem CAD-Programm.

Abbildung 5 zeigt die Simulationsergebnisse für 3000 U/min, 420 bar Differenzdruck und einen Schwenkwinkel von 16° als Ansicht von der Seite des Endgehäuses. Aus dieser Richtung blickend rotiert der Zylinderblock im Uhrzeigersinn. Die Farbskala in der Ventilplatte repräsentiert den Gasanteil im Öl. Im Endgehäuse und in den Hochdruckkernen hingegen entspricht die farbliche Kodierung dem Druck. Für den dargestellten Drehwinkel entsteht an der Kante der Ventilplattenniere ein großer Bereich, in dem der Gasanteil stark ansteigt, nachdem die Zylinderblockbohrung von der Niederdruckseite getrennt wird, während sie schon mit der Hochdruckseite verbunden ist.

Der Vergleich zwischen Abbildung 4 und Abbildung 5 zeigt eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Versuchsergebnissen und den Vorhersagen aus der CFD-Simulation.

Schlussfolgerungen für Neukonstruktionen

Die zur Simulation genutzte CFD-Software ist in der Lage, die durch Messungen detektierte Kavitation zu berechnen. Damit besteht bei Sauer-Danfoss die Möglichkeit, Kavitation in einer frühen Entwicklungsphase zu minimieren, um so die Qualität und Funktionalität der Produkte für den Kunden zu erhöhen. Dies reduziert die Entwicklungskosten, da Langzeittests eingespart werden können. Geringere Kavitation führt auch zu weniger Geräusch und somit zu einer guten Marktposition.

*Dr.-Ing. Oliver Meincke, Dr.-Ing. Robert Rahmfeld, Grundlagenentwicklung Sauer-Danfoss, Neumünster

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