Eine Hydraulikpumpe an einer Baumaschine leistete nur 480 Betriebsstunden, bevor der Techniker das markante kiesartige Geräusch von der Saugseite bemerkte. Beim Öffnen des Gerätes wiesen der Einlassbereich und die Pumpenkartusche tiefe Vertiefungen und raue Oberflächen auf. Das war Kavitation, kein defektes Teil. Kavitation ist die Hauptursache für vorzeitigen Pumpenausfall in Hydrauliksystemen und kann fast immer vermieden werden, wenn man die Bedingungen kennt, die sie auslösen.
Kavitation entsteht, wenn der Flüssigkeitsdruck am Pumpeneinlass unter den Dampfdruck des Öls fällt und Dampfblasen entstehen, die heftig kollabieren, wenn sie in die Hochdruckzone im Inneren der Pumpe gedrückt werden. Der Einsturz erzeugt lokale Stoßwellen, die Metall erodieren, Vibrationen verursachen und schließlich zur Zerstörung der Pumpe führen. Für Baumaschinen Für die Betreiber bedeutet dies ungeplante Ausfallzeiten und kostspielige Reparaturen. Allein eine Ersatzpumpenkartusche kann Hunderte von Dollar kosten, und die Ausfallzeit eines Baggers oder einer hydraulischen Presse kann sogar noch teurer sein.
Was Kavitation ist und warum sie Pumpen zerstört
Kavitation ist ein physikalischer Prozess, der in jeder Flüssigkeitspumpe auftritt. Jede Hydraulikflüssigkeit hat einen Dampfdruck, der mit der Temperatur steigt. Wenn der Druck auf der Saugseite der Pumpe unter diesen Dampfdruck fällt, beginnt die Flüssigkeit bei Umgebungstemperatur zu sieden und bildet mikroskopisch kleine Blasen. Wenn diese Blasen in den Hochdruckbereich der Pumpe gelangen, werden sie von der umgebenden Flüssigkeit kollabiert. Diese Implosionen wirken wie mikroskopisch kleine Hämmer auf die Metalloberflächen und erzeugen Stoßwellen mit lokalen Drücken, die über 1.000 bar betragen können.
Der Spielraum zwischen dem verfügbaren und dem erforderlichen NPSH wird von Ingenieuren als NPSH-Spielraum bezeichnet. Die Aufrechterhaltung eines gesunden Spielraums ist die wichtigste Designregel zur Vermeidung von Kavitation.
Der durch diesen Prozess verursachte Schaden hat ein unverwechselbares Aussehen. Die betroffenen Bereiche, typischerweise die Ansaugöffnung, die Einlasskante der Schaufelkartusche oder das Laufrad, weisen Narben auf und fühlen sich rau an. In schweren Fällen fehlt das Metall vollständig. Die Pumpenleistung sinkt, die Geräusche werden lauter und das Risiko eines kompletten Pumpenfressers steigt.
Die Hauptursachen für Kavitation in Pumpen
Das Verständnis der Ursachen ist der erste Schritt zur Prävention. Es gibt zwei allgemeine Kategorien: Ursachen auf der Saugseite und Ursachen auf der Auslassseite. Die folgende Tabelle fasst die häufigsten zusammen.
| Kategorie | Ursache | Auswirkung auf die Pumpe |
|---|---|---|
| Saugen | NPSHa niedriger als NPSHr | Am Einlass bilden sich Blasen |
| Saugen | Ansaugfilter oder Sieb verstopft | Druckabfall und Durchflussmangel |
| Saugen | Saugen line too long, too small, or too many bends | Übermäßiger Druckverlust |
| Saugen | Hohe Flüssigkeitstemperatur | Der Dampfdruck steigt, es kommt leichter zu Kavitation |
| Saugen | Pumpe zu hoch über dem Ölspiegel montiert | Unzureichende Förderhöhe am Einlass |
| Entladung | Blockierter Auslass, geschlossenes Ventil oder hohe Druckeinstellung | Entladung cavitation |
| Entladung | Betrieb außerhalb der Nenngeschwindigkeit | Der Innendruck fällt unter den Dampfdruck |
| System | Lufteinbruch in der Saugleitung | Gastaschen, die Kavitation nachahmen |
Die häufigste Kategorie ist die saugseitige Kavitation. Es tritt auf, wenn die Pumpe einfach nicht genug Flüssigkeit ansaugen kann. Der häufigste Übeltäter ist das Filterelement: Wenn der Filter verstopft, steigt der Druckunterschied über ihm und der Druck am Pumpeneinlass sinkt unter den Dampfdruck. Selbst ein Filter mit geringer Verschmutzung kann dies verursachen.
Eine zweite häufige Ursache ist die Saugleitung selbst. Wenn die Leitung schmaler ist als vom Pumpenhersteller empfohlen oder zu viele Bögen und Anschlüsse vorhanden sind, steigt die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Saugleitung und der lokale Druck sinkt. Das Gleiche passiert, wenn die Pumpe weit über dem Behälter montiert ist: Die Saughöhe übersteigt das, was die Flüssigkeit sicher fördern kann.
Die Flüssigkeitstemperatur ist eine versteckte Ursache, die Bediener oft übersehen. Der Dampfdruck der meisten Hydrauliköle steigt deutlich über 60 °C an. Wenn ein System bei 70 °C läuft und der Ölstand niedrig ist oder der Filter teilweise verstopft ist, kann es zu Kavitation kommen, selbst wenn die NPSH-Berechnungen in der Entwurfsphase gut aussahen.
Kavitation auf der Entladungsseite ist seltener, aber dennoch schwerwiegend. Wenn die Auslassleitung verstopft ist, ein Ventil nur teilweise geöffnet ist oder wenn der Druckbegrenzungssollwert über die Nennkapazität der Pumpe hinaus angehoben wird, kann der Druck an den Pumpelementen unter den Dampfdruck fallen. In Kolbenpumpen und Flügelzellenpumpen Allerdings erzeugt dieser Zustand die gleichen verräterischen Geräusche und Schäden.
Lufteinschlüsse aus einer undichten Saugleitung können ebenfalls die Symptome einer echten Kavitation nachahmen. Wenn die Pumpe Luft ansaugt, kollabieren die Gastaschen mit einem ähnlichen Geräusch und verursachen eine ähnliche Erosion. Der Unterschied besteht darin, dass die Ursache in der Luft und nicht im Dampfdruck liegt. Das Überprüfen und Festziehen aller Saugleitungsanschlüsse ist ein einfacher Schritt, der viele Fehlalarme vermeidet.
So erkennen Sie Kavitation, bevor die Pumpe ausfällt
Kavitation gibt klare Warnungen. Am zuverlässigsten ist der Ton: ein gleichmäßiges „Murmeln im Glas“ oder kiesartiges Rasseln, das mit zunehmender Arbeitsbelastung schlimmer wird. Vibration ist das zweite Zeichen. Eine Pumpe, die bei 1.800 U/min ruhig läuft, bei 2.200 U/min jedoch rau wird, weist darauf hin, dass der Einlass verstopft ist.
Auch Leistungsänderungen sind häufig. Der Durchfluss nimmt allmählich ab und der Hydraulikzylinder oder Motor auf der stromabwärtigen Seite bewegt sich langsamer als im Neuzustand des Systems. Die Druckwerte am Pumpenauslass schwanken und das Öl kann im Behälter schäumen.
Wenn Sie die Pumpe während eines Wartungsintervalls öffnen, überprüfen Sie die Pumpenkartusche. Der interne Leitschaufelsatz ist oft das erste Teil, das Schäden aufweist. Vernarbte Schaufelspitzen, Riefen auf der Anschlussplatte und raue Oberflächen an der Ansaugöffnung sind Anzeichen dafür, dass Kavitation stattgefunden hat. Die gute Nachricht ist, dass die Patrone eine austauschbare Komponente ist. Bei einer T6/T7-Pumpe kann die Kartusche ausgetauscht werden, ohne dass das Pumpengehäuse ausgetauscht werden muss, was die Reparaturkosten senkt.
T6/T7-Kartuschen-Doppellippenklingenstruktur Die T-Serie verfügt über eine Doppellippen-Lamellenstruktur, wobei die Doppellippen abwechselnd den Stator berühren, um den Aufprall der Schaufeln auf den Stator zu reduzieren. Pumpenkernöl der T-Serie ... Produkt anzeigen → So verhindern Sie Kavitation in realen Hydrauliksystemen
Prävention kann auf drei Ebenen angegangen werden: Systemdesign, Betriebsgewohnheiten und Wartung.
Tipps zum Systemdesign
- Berechnen Sie NPSHa unter der Worst-Case-Bedingung: hohe Öltemperatur, verschmutzter Filter und niedrigster Ölstand im Reservoir. Halten Sie einen Spielraum von mindestens 15–20 % über dem erforderlichen NPSHr-Wert der Pumpe ein.
- Halten Sie die Saugleitung so kurz und gerade wie möglich. Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Saugleitung sollte bei einer Hydraulikpumpe 1,2 m/s nicht überschreiten. Verwenden Sie bei Bedarf ein größeres Rohr.
- Minimieren Sie Anschlüsse, Bögen und Ventile auf der Saugseite. Jede zusätzliche Armatur führt zu einem Druckabfall.
- Verwenden Sie nach Möglichkeit einen Rücklauffilter anstelle eines Ansaugfilters. Wenn ein Ansaugfilter unumgänglich ist, wählen Sie einen mit geringem Differenzdruck und großzügigem Bypass.
- Halten Sie im Behälter einen Flüssigkeitsstand aufrecht, der den Pumpeneinlass abdeckt. Verwenden Sie ein Ablenkblech, um zu verhindern, dass Öl verwirbelt und Luft in die Pumpe zieht.
- Wählen Sie eine Pumpe mit einem NPSHr, der zum verfügbaren NPSH passt. Eine Flügelzellenpumpe der V-Serie ist mit einer kompakten Kartusche und einem leisen Betrieb ausgestattet, wodurch sie besser für saugempfindliche Systeme geeignet ist.
Geräuscharme Einzelpumpe der V-Serie Die geräuscharme Intra-Flügelzellenpumpe der V-Serie ist für die Werkzeugmaschinenindustrie geeignet. Diese Pumpen haben einen hohen Druck. Mit großer Kapazität, kompakter Größe, niedrigem Geräuschpegel und längerer Lebensdauer ... Produkt anzeigen → Betriebsgewohnheiten
- Lassen Sie die Pumpe im Drehzahlbereich des Herstellers laufen. Die meisten Flügelzellenpumpen sind für 1.200 bis 2.500 U/min ausgelegt. Das kontinuierliche Drücken einer Pumpe auf 3.000 U/min führt zu Kavitation, selbst wenn die Saugleitung in Ordnung aussieht.
- Halten Sie die Flüssigkeitstemperatur im Bereich von 40–60 °C. Verwenden Sie einen Wärmetauscher, wenn eine Maschine im Dauerbetrieb läuft.
- Stellen Sie das Überdruckventil nicht über den maximalen Druck des Pumpenherstellers ein. Der Drucksollwert sollte dem Systemdesign entsprechen, nicht dem theoretischen Grenzwert der Pumpe.
- Für Hochdruckanwendungen mit variabler Belastung bietet eine Kolbenpumpe wie die A10VSO-Serie eine steife Konstruktion und gute Hochdrucktoleranzen.
Kolbenpumpe der Serie A10VSO 31 Produktbeschreibung: Produkt anzeigen → Wartungstipps
- Tauschen Sie die Saugfilter rechtzeitig aus, nicht erst, wenn die Anzeige auslöst. Ein Filter, der zu 80 % verstopft ist, kann zwar noch ausreichend Druck in der Rücklaufleitung erzeugen, sein saugseitiger Druckabfall kann jedoch bereits so hoch sein, dass er den Pumpeneinlass stört.
- Überprüfen Sie die Pumpenkartusche bei jeder geplanten Wartung. Wenn die Schaufelspitzen Abnutzung oder Lochfraß aufweisen, ist das ein frühes Signal.
- Überwachen Sie Öltemperatur und Verschmutzung. Hohe Temperaturen und Schmutz sind eine tödliche Kombination.
Das Fazit
Kavitation ist ein Symptom für ein Hydrauliksystem, das schlecht konstruiert, falsch betrieben oder schlecht gewartet ist. Oftmals ist die Pumpe selbst das Opfer, nicht die Ursache. Korrigieren Sie die Einlassbedingungen, halten Sie das Öl kühl und sauber und wählen Sie eine Pumpe aus, deren NPSH-Anforderung dem tatsächlichen System entspricht. Das ist der einfachste Weg, Kavitationsschäden zu beseitigen und hydraulische Geräte betriebsbereit zu halten.
