Hydraulische Anlagen erzeugen Kraft, mit der große Lasten bewegt werden können. Doch wovon hängt es ab, wieviel Leistung eine mechanisch-hydraulische Anwendung erbringt? Wie läuft eine Berechnung ab und welche Rolle spielen der Volumenstrom (q), die Geschwindigkeit (l min), das Hubvolumen und der Differenzdruck? Und: Was hat dies mit dem Wasserlauf zu tun, den Sie als Kind gebaut haben?
In diesem Artikel befassen wir uns mit der Frage und der Berechnung von Hydraulik, der Leistung ihrer Motoren, dem Volumenstrom (q) und der Verlustleistung .
Was drückt die hydraulische Leistung aus?
Mit der hydraulischen Leistung wird die Belastbarkeit von hydraulischen Anlagen gemessen. Diese Messgröße gibt in erster Linie Auskunft über die Leistung der hydraulischen Pumpe, die Geschwindigkeit (= v bzw. l min) und den Volumenstrom (= q). Gemessen wird in der Maßeinheit Kilowatt (kw).
In der Hydraulik werden unterschiedliche Druckflüssigkeiten eingesetzt: Mineralöle, Wasser, bis hin zu der Verwendung eines bestimmten Öls. Die Fluide haben jeweils eine unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit und Viskosität.
Wie misst man die hydraulische Leistung?
Für die Berechnung der hydraulischen Leistung (kw) müssen unterschiedliche Komponenten und Mess-Einheiten beachtet werden: der Volumenstrom (q), das Fördervolumen, der Drehmoment, sowie die Strömungsgeschwindigkeiten und die Pumpe sind dabei entscheidend. Allgemein gesprochen, ergibt sich die hydraulische Leistung aus „Arbeit pro Zeit (t)“ (auch l min), sprich aus der Arbeitsleistung, die in einer bestimmten Zeitspanne erreicht wird (l min).
Die Angabe der „Arbeit“ ergibt sich wiederum aus zwei unterschiedlichen Größen. Zum Einen aus der Grundgröße „Weg“ (s), sozusagen der Strecke, die zwischen Kolben, Zylindern und Tank zurückgelegt wird. Zum Anderen aus der Größe „Kraft“. Die Größe „Kraft“ setzt sich wiederum aus „Masse“ und „Beschleunigung“ zusammen.
Hier das Ganze einmal als Formel – Gleichung:
Arbeit pro Zeit (t) = Leistung
Arbeit ( Kraft (Masse x Beschleunigung) x Weg ) pro Zeit (t) = Leistung
Sie sehen es – für die Berechnung der hydraulischen Leistung (kw) mit Volumenstrom (q), Hubvolumen, Druckabhängigkeit, möglicher Temperaturdifferenz und der Auslegung der Drehzahl, Speichergröße und Nutzvolumen, benötigt man Angaben für unterschiedliche Einheiten.
Widerstände und Verluste
Vielleicht erinnern Sie sich noch daran, als Sie als Kind – entweder im Sand oder im Garten – einen Wasserlauf mit Hin- und Rücklaufleitung, Tunneln und Ventilen gebaut haben, durch die Wasser fließen sollte. Bestimmt ist es Ihnen damals schon aufgefallen: Je mehr Kurven und Hürden das Wasser zurücklegen musste, desto geringer wurde die Geschwindigkeit (Leistung/ l min) und desto größer die Energieverluste.
Wegeventil von Busch Hydraulik
Gleichermaßen spielt es sich auch in einer hydraulischen Anlage ab. Auf je mehr Widerstände oder Drosselstellen die Flüssigkeit trifft, desto größere Verluste an Leistung entstehen. Jeder Schlauch und jedes Rohr bedeutet einen Widerstand für das Hydrauliköl und verursacht Leistungsverlust.
Hydraulische Größen: Volumenstrom und Durchflussgesetz
Die hydraulische Leistung ist ein physikalischer Wert und gibt Auskunft darüber, wie sich der Druck innerhalb einer Hydraulikanlage verringert. Um die mechanisch-hydraulische Leistung in der praktischen Anwendung zu berechnen, muss man die oben genannten Angaben in eine hydraulische Formel übersetzen.
Das Fördervolumen, beziehungsweise die Menge an hydraulischer Flüssigkeit, die innerhalb einer bestimmten Zeit (t) eine bestimmte Strecke im hydraulischen System zurücklegt (l min), nennt man Volumenstrom (q). Die Maßeinheit, in der dieser gemessen wird, ist: l min („Liter pro Minute“).
Je mehr Widerstände und Verbraucher der Volumenstrom (q) in der Hydraulik passieren muss, desto geringer wird die Leistung des Gesamtsystems (weniger l min). Mögliche “Störfaktoren” des Volumenstroms können beispielsweise Dichtungen oder beschädigte Stellen sein. Je mehr Widerstände im System angeschlossen sind, desto höher muss die Leistung (l min) des Systems ausgelegt werden.
Das Durchflussgesetz zur Berechnung
Das Durchflussgesetz gibt Auskunft über die Flüssigkeit im Rohrsystem. Wenn die Geschwindigkeit (v, l min) der Fluide und die Querschnittsfläche (A) der Rohe bekannt sind, kann man den Volumenstrom (q) pro Zeiteinheit mit der Formel Volumenstrom (q) = V / t berechnen.
Um das Volumen der Fluide zu ermitteln, multipliziert man die Fläche (A) mit der Länge (s) der Rohrstrecke: V = A * s
Somit haben wir als Ergebnis die Gleichung: Volumenstrom (q) = A * s / t
Volumenstrom, l min, kw und Betriebsdruck der Hydraulik
Um einen Betriebsdruck von p = 500 bar durch einen Volumenstrom von q = 1 Liter pro Minute (l min) zu erreichen, benötigt man eine Antriebsleistung von einem Kilowatt (kw). Mit dieser Angabe können Sie entsprechend höhere Betriebsdrücke und Volumenströme schätzen, um Anhaltspunkte für die Konstruktion ihres hydraulischen Systems zu erhalten.
Aus dem Wissen, welche hydraulischen Leistung Sie erzeugen möchten, ergibt sich, welche hydraulische Pumpe Sie benötigen, welche Bauart, Antrieb und Leistungsfähigkeit diese haben sollte.
Die Gefahr der Kaviation
Der Druck, der auf die Fluide ausgeübt wird, kann mehrere hundert bar haben. Bei sehr hohen Drücken gilt besondere Vorsicht: kommt hoher Druck mit schnellen Volumenströmen zusammen, kann es zu unerwünschten Folgen kommen, wie beispielsweise einer Kaviation.
Kaviation bedeutet ein Verschleiß, eine innere Zerstörung des hydraulischen Systems, die meist unbemerkt und schleichend entsteht. Um Kaviation vorzubeugen empfiehlt es sich auf die exakte Auslegung von Volumenstrom (q), Druck und Leistung zu achten.
Hydraulische Pumpen
Die Pumpe spielt eine maßgebliche Rolle für die Leistung, die eine hydraulische Anlage erbringt. Grundsätzlich gesprochen sind Pumpen Maschinen, die Flüssigkeiten fördern. Dies geschieht hier durch Rohre in geschlossenen Systemen.
Hydraulikpumpen-Lager
Pumpen sind in der Hydraulik dafür zuständig mechanische Leistung in hydraulische umzuwandeln – hierbei entstehen Leistungsverluste. Diese Verluste werden mit dem Wirkungsgrad ausgedrückt. Für die Berechnung des Gesamtwirkungsgrads der Pumpen müssen der volumetrische, als auch der hydraulisch-mechanische Wirkungsgrad beachtet werden. Der Gesamtwirkungsgrad ist wichtig für die Berechnung des Pumpenförderstromes (q).
Die Leistung der hydraulischen Pumpe
Um die Leistung einer hydraulischen Pumpe zu berechnen, müssen Sie das Produkt von Volumenstrom (q) und Druckdifferenz ermitteln. Damit Sie ein Ergebnis in Watt (kw) haben, müssen sie dann den Durchfluss in Kubikmetern pro Sekunde nehmen und den Differenzdruck in Pascal messen.
Ein Beispiel: Nehmen wir an es fließen 40 Liter Wasser pro Minute (l min), die um 80cm angehoben werden sollen, gleichzeitig sollen keine wesentlichen Reibungsverluste in der Leitung auftreten, dann ergibt sich ein Betriebsdruck von 8kPa (Pa=Pascal) x 40 l min, was 8000 Pa x 0,000667 m^3 s und damit 5,3 Watt (kw) ergibt.
Energieefizienz und Wirkungsgrad von Pumpen
Die Energieeffizienz einer Pumpe ist entscheidend für die hydraulische Leistung, insbesondere wenn die Pumpe lange Laufzeiten und eine hohe Aufnahmeleistung hat. Drei Faktoren sind hierfür essentiell: die Energieeffizienz des Antriebmotors, die Bauart und Konstruktion der Pumpe und die Betriebsbedinungen unter denen sie läuft.
Sie sehen, dass nicht allein die Effizienz des Motors und dessen Drehzahl entscheidend ist. Kreiselpumpen beispielsweise arbeiten dann besonders effizient, wenn der Volumenstrom (q) und der Gegendruck zu ihr passend eingestellt ist.
Der Wirkungsgrad einer Pumpe setzt sich aus dem Wirkungsgrad des Motors (Motor-Wirkungsgrad) und dem Wirkungsgrad der eigentlichen Pumpe zusammen.
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Bauarten von Pumpen wie Kreiselpumpen, die Axialkolbenpumpe oder Verdrängerpumpen, zu denen beispielsweise die Hubkolbenpumpen zählen. Meist werden die Pumpen durch einen Elektromotor angetrieben, der unterschiedliche Leistungen von einem Watt (kw) bis hin zu mehreren hundert Megawatt erzeugen kann.
Der Hydraulikmotor
Neben der Pumpe ist auch der Motor und Drehmoment in der Hydraulik ausschlaggebend. Für die Frage welcher Motor, mit welchem Hubvolumen, Drehzahl und Drehmoment, für Sie geeignet ist, sind drei Faktoren entscheidend: seine Drehzahl, seine Fördermenge und sein Schluck- bzw. Verdrängungsvolumen. Für die Berechnungen geht man davon aus, dass stets zwei Größen bekannt sind.
Die Motor-Pumpen-Einheit in der Hydraulik
Das Schluckvolumen oder auch die Schluckmenge bezeichnet die Menge an Hydraulikflüssigkeit, die der Hydraulikmotor pro Umdrehung (Hubvolumen pro Drehmoment) verbraucht, man multipliziert die Förderleistung mit 900 und teilt diese durch die Drehzahl. Dabei ist die Leistung P, die ein Hydraulikmotor abgibt, proportional zu dem Verdrängungsvolumen V, der Drehzahl und dem Druckgefälle.
Die Drehzahl wiederum ergibt sich aus dem zugeführten Volumenstrom (q), also der Fördermenge beispielsweise des Öls (l min) (mal 900) geteilt durch das Schluckvolumen. Das Druckgefälle entsteht aus dem Unterschied zwischen dem Druck der zulaufenden und der ablaufenden Flüssigkeit. Die zulaufende Flüssigkeit entsteht in der Regel durch Pumpen-Druck und die ablaufende durch Tank-Druck.
Die Fördermenge (l min) zuletzt ergibt sich aus Drehzahl mal Volumen geteilt durch 900.
Tatsächliche Leistung
Je komplexer die Anlage ist, desto schwieriger wird es die hydraulische Leistung im Voraus zu berechnen. Die Messung der tatsächlichen hydraulischen Leistung einer Anlage nach seiner Inbetriebnahme ist von daher essentiell für eine Feststellung der Ergebnisse.
Sie können dies messen, in dem Sie die Druckdifferenz vor und hinter der Hydraulikpumpe ermitteln. Auf die gleiche Weise ergibt sich übrigens auch der Gesamtwirkungsgrad eines hydraulischen Systems.
Alles in allem haben wir Ihnen nun die wichtigsten Inhalte für die Berechnung und Definition der hydraulischen Leistung zusammengefasst. Wir freuen uns, wenn Ihnen manche Formel und deren Bedeutung weiterhilft. Sehr gerne beraten wir Sie auch persönlich.