Hydraulikaufzüge – Konfiguration des Aggregats, Teil II

In diesem Artikel werden einige der grundlegenden Konzepte von hydraulischen Aufzügen und die Konfiguration ihrer Aggregate behandelt.

von Parag Mehta und Dr. Ferhat Celik

Der erste Teil dieser Serie (ELEVATOR WORLD, Dezember 2010) gab Einblicke in die Auswahl von Komponenten wie Pumpe, Motor, Durchflussregelventil, Zylinder und Rohrbruchsicherung. Dieser abschließende Artikel dient als Leitfaden bei der Auswahl von Komponenten wie Hydrauliktank, Öl und Ölkühler. Dieser Artikel erklärt auch, wie ein Aufzugsantrieb richtig in Betrieb genommen werden sollte, um einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, und wie Hydraulikleitungen optimal ausgelegt werden können. Darüber hinaus wird auf Zubehör eingegangen, das für zusätzliche Sicherheit sorgt.

Lernziele

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, sollten Sie Folgendes erfahren haben:
• Das Aggregat eines hydraulischen Aufzugs
• Hydrauliktanks, Öl und Ölkühler eines Aggregats
• Auswahl des richtigen Tanks, Öls und Ölkühlers für ein Aggregat
• Wichtige Hinweise zur Installation und Inbetriebnahme eines hydraulischen Aufzugs Verrohrung in einem Hydraulikaggregat

Einführung

Normalerweise wird bei der Auswahl des Tanks und des Hydrauliköls, das in einem Aufzugsantrieb verwendet wird, wenig nachgedacht. Leider haben viele eine falsche Vorstellung, wie "Was ist so technisch an einem fabrizierten Blechtank und Hydrauliköl?" Auf diese Weise können Ölkühler bei Bedarf vernachlässigt und wichtiges Zubehör aus Mangel an Know-how vermieden werden. Lediglich die falsche Auswahl von Tankgröße und Hydrauliköl könnte Probleme beim hydraulischen Aufzug verursachen, der trotz bester Komponenten namhafter Hersteller nicht liefern würde. Die Berücksichtigung einiger Grundprinzipien würde dem Aggregat nicht nur die nötige thermische Stabilität verleihen, sondern im Gegenzug auch einen wartungs- und störungsfreien Betrieb.

Es kommt nicht selten vor, dass Aggregatehersteller Anlagen an Aufzugsfirmen übergeben, die mitunter wenig oder keine Erfahrung mit der Inbetriebnahme von hydraulischen Aufzügen haben. Unsachgemäßer Umgang mit der Anlage, fehlender Schutz vor Staub vor Ort (bei laufenden Bauarbeiten) und mangelhafte Inbetriebnahme der Gesamtanlage tragen zusätzlich zu den Problemen bei.

Die größte Komponente des Aggregats: Der Tank

Ein Hydrauliktank speichert Öl. Während es einfach ist, sich einen Tank als geschlossenen Behälter vorzustellen, steckt dahinter noch viel mehr. Es gibt verschiedene Arten und Formen von Tanks, aber die am häufigsten vorkommende ist etwas Ähnliches wie in Abbildung 1. Je nach Konstruktion und Fabrikat des Aggregats werden von einigen Herstellern nichtmetallische Tanks geliefert, die für die Wärmeableitung ungeeignet sind. Ein Hydrauliktank erfüllt folgende Hauptfunktionen:

1. Gehäuse der Pumpe (und in einigen Fällen des Motors)
2. Öllagerung
3. Die wärme~~POS=TRUNC
4. Bietet einen Platz für die Expansion der Hydraulikflüssigkeit
5. Unterstützt das Gerät

Im Bereich der Privataufzüge werden herkömmliche Maschinenrauminstallationen langsam durch maschinenraumlose (MRL) Hydraulikinstallationen ersetzt. Dabei ist der Tank oft versteckt und kompakt und befindet sich häufig unter einer Treppe oder in einem Schrank (Abbildung 2).

Es wird oft darüber diskutiert, wie groß der Tank sein muss. Als Faustregel gilt, dass die Tankgröße mit dem Faktor zwei bis zweieinhalb mal der Pumpenleistung berechnet werden sollte. Das heißt, wenn das System eine Pumpe hat, die 60 Liter pro Minute fördert, sollte der Tank groß genug sein, um 120-150 Liter Öl zu fassen, plus zusätzlich 10 % Platz für Luftpolster. Die Tankgröße und das Ölvolumen müssen jedoch unter Berücksichtigung des thermischen Gleichgewichts des Systems ausgewählt werden. Auf keinen Fall darf der Ölstand unter den Pumpeneinlass sinken, da dies zu einem Trockenlauf der Pumpe und einem Whirlpooleffekt führen würde. Die im System erzeugte Wärme wird von den Seiten des Tanks effektiv an die Umgebung abgegeben; daher ist ein Tankvolumen mit möglichst großen Seiten (in Form eines quadratischen oder rechteckigen Prismas) am wünschenswertesten. Diese haben die größte Wärmeübertragungsfläche pro Volumeneinheit. Daher sollte das Profil des Tanks möglichst tief und schmal und nicht flach und breit sein. Die Wärmeableitung kann verbessert werden, indem die Oberfläche des Tanks vergrößert und auf Beinen montiert wird, um seinen Boden um mindestens 150 Millimeter über dem Boden anzuheben. Dies ermöglicht auch eine einfache Wartung und das Ablassen des Öls.

Für die Bodenplatte wird eine etwas dickere Platte und für die oberen Deckel schwerere Platten verwendet, um einen vibrationsfreien Betrieb, insbesondere bei externen Motoren, zu gewährleisten. Wenn der Tank aus Metallblechen besteht, sollten sowohl sein Äußeres als auch sein Inneres lackiert werden. Eine bauseitige Temperierung des Aggregats kann auch dadurch verhindert werden, dass der Tank so ausgelegt ist, dass der Deckel das Regelventil und andere Komponenten der Anlage abdeckt (Abbildung 3). Dies trägt auch dazu bei, das System von der schmutzigen Umgebung zu isolieren und macht das Netzteil leise.

Bei der Installation von hydraulischen Aufzügen an Orten wie Einkaufszentren oder Flughäfen, wo die Einheiten stark frequentiert sind, wäre es sehr sinnvoll, einen übergroßen Tank zu wählen, der mehr Öl enthalten könnte, um die Wärmeentwicklung zu verlangsamen und die Wärmeableitung des Systems zu erhöhen . Das gleiche Prinzip gilt für warme Klimazonen, wo die Umgebungstemperatur im Sommer oft ansteigt. Die Herstellung eines größeren Tanks mit mehr Öl würde nur geringfügig höhere Anfangsinvestitionen bedeuten und einen erheblichen täglichen Vorteil während des gesamten Lebenszyklus des Aufzugs bieten.

Die Flüssigkeit im Aggregat: Öl

Hydrauliköl überträgt die von der Pumpe erzeugte Energie auf den Zylinder. Somit ist es ein wichtiges Medium der Energieübertragung, und seine Auswahl sollte gut überlegt sein. Idealerweise sollte das Hydrauliköl folgende Eigenschaften aufweisen:

1. Stabile Viskosität bei wechselndem Druck und Temperatur
2. Stabile chemische und physikalische Eigenschaften
3. Gute Wärmeableitungseigenschaften
4. Feuerbeständigkeit (sofern gesetzlich vorgeschrieben)
5. Gute Schmiereigenschaften und Fähigkeit, Rostbildung zu verhindern
6. Niedriger Ausdehnungskoeffizient
7. Ungiftig, einfach zu handhaben und leicht verfügbar

Die beste Hydraulikflüssigkeit für Aufzugsanwendungen ist eine mit einer relativ geringen Viskositätsänderung, wenn sich die Öltemperatur ändert. Temperatur und Viskosität von Hydrauliköl hängen umgekehrt zusammen; das bedeutet, dass die Ölviskosität mit steigender Temperatur abnimmt. Öl, das als ISO 22-konform angegeben wird, hat beispielsweise eine Viskosität von 22 Quadratmillimeter pro Sekunde (cSt) bei 40 °C. Das gleiche Öl hätte jedoch eine kinematische Viskosität von 7 cSt bei 80 °C. Bei der Auswahl der Viskositätsklasse für ein bestimmtes Aufzugssystem, Startviskosität bei minimaler Umgebungstemperatur; maximal zu erwartende Betriebstemperatur; und zulässiger und optimaler Viskositätsbereich für Pumpe, Motor und Regelventil sind zu beachten. Anwendungen, bei denen der Hydraulikaufzug starkem Verkehr in Verbindung mit warmen Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist, sollten vorzugsweise Öl mit einem höheren Viskositätsindex (VI) verwenden, nachdem die Eignung mit den Komponentenherstellern abgeklärt wurde.

VI ist eine einzahlige Darstellung der Viskositäts-Temperatur-Eigenschaften einer Flüssigkeit. Je größer der VI, desto geringer die Viskositätsänderung bei einer gegebenen Temperaturänderung oder umgekehrt. Ölen mit einem VI von 80 oder mehr wird ein hoher VI-Wert zugeschrieben. Öle mit einem VI zwischen 80 und 40 gelten als mittlerer Wert, solche unter 40 haben einen niedrigen Wert.

Das Thermostat des Aggregats: Der Ölkühler

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann – einfach von einer Energieart in eine andere umgewandelt werden. In einem hydraulischen Aufzugssystem muss dem Hydrauliköl Energie zugeführt werden, um die Kabine an ihr Ziel zu bringen. Eine Energiequelle wie ein Elektromotor wird benötigt, um eine Pumpe anzutreiben, um die mechanische Energie in Strömung umzuwandeln. Durch den Strömungswiderstand im Hydrauliksystem entsteht Druck, der den Zylinder erregt und betätigt. Somit ist das komplette hydraulische Aufzugssystem eigentlich ein Energieübertragungssystem.

Unzureichend eingestellte Druckbegrenzungsventile, falsche Ölviskosität, hohe Umgebungstemperatur, falsche Tankposition, schlechte Belüftung, unzureichende Tankgröße und Tankkonstruktion sowie Aggregate, die dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, sind einige externe Faktoren, die die Wärmeableitungsfähigkeit eines Hydrauliksystems verringern können. Eines der Hauptziele des Aggregatdesigns besteht darin, die Wärmeverluste bei einer akzeptablen Öltemperatur durch die natürliche Wärmeübertragung vom Öl auf die Rohre, Aktuatoren und den Behälter und die anschließende Ableitung in die Luft auszugleichen. Die Berechnung der Wärmebilanz (Wärmebilanz) erfordert eine echte mathematische Summation der Wärme, die in das Hydrauliksystem ein- und austritt. Um eine realistische Schätzung zu erhalten, müssen viele Faktoren (sowohl interne als auch externe) gleichzeitig berechnet werden. Einige davon sind:

1. Durchschnittlicher Lastfaktor des Aufzugs
2. Durchschnittlicher Reisefaktor
3. Durchschnittliche Motorstarts pro Stunde
4. Gesamtreisezeit

Die Wärme wird aus einem Hydrauliksystem auf zwei Arten abgeführt: durch natürliche Konvektion und erzwungene Konvektion. Aufgrund des Temperaturgradienten findet eine natürliche Konvektion statt, wenn Wärme von den verschiedenen Systemkomponenten an die Umgebungsluft abgegeben wird. Es ist bevorzugt, dass die natürliche Konvektion die gesamte vom Aufzugssystem erzeugte Wärme abführt. In diesem Fall wird die erzeugte und natürlich abgeführte Wärme bei einer Temperatur ausgeglichen, die für eine längere Öllebensdauer unter 60°C liegen sollte (Abbildung 6). Durch die Verwendung eines elektronischen Ventils und des externen Motors kann die Temperatur des Wärmeausgleichs um ca. 21 % gesenkt werden. Kann dagegen die entstehende Wärme durch natürliche Konvektion nicht abgeführt werden, steigt die Systemtemperatur weiter an. Ein Ölkühler wird in der Regel benötigt, wenn die vom System erzeugte Wärme mehr ist, als das System abführen kann (erzwungene Konvektion).

Bei optimaler Auslegung der Aufzugsanlage sind Ölkühler in der Regel nicht erforderlich; Die Entscheidung, ob ein Hydraulik-Aufzugsaggregat einen Ölkühler haben sollte, kann jedoch erst nach Berechnung der Wärmebilanz des Systems entschieden werden. Wenn jedoch ein Ölkühler verwendet wird, muss dieser in einem gut belüfteten Maschinenraum aufgestellt werden.

Arten von Ölkühlern

Luft-Ölkühler

Luftgekühlte Wärmetauscher werden im Allgemeinen in hydraulischen Aufzugsanwendungen verwendet. Ein Thermostat schaltet den Kühlkreislauf ein und aus. Die Betriebstemperatur des Thermostatkontaktes kann von außen über ein Handrad eingestellt werden. Das Sensorelement wird in das Öl eingetaucht. Eine Pumpe wird verwendet, um heißes Öl aus dem Tank zu einem Wärmetauscher zu fördern. Dort wird das Öl von einem motorbetriebenen Lüfter gekühlt, ähnlich wie bei der Wasserkühlung in einem Automobil. Das gekühlte Öl wird dann zur Verwendung durch das hydraulische Aufzugssystem zurück in den Tank gepumpt. Der Austauscher wird entweder am Ölbehälter oder in der Nähe montiert oder an der Wand des Maschinenraums montiert. Die Kalorien (oder die Menge der Wärmeübertragung) hängen von der Größe des Kühlers ab. Wärmebilanzberechnungen helfen, die vom System erzeugte Wärmemenge gegen die natürlich abgeführte Wärmemenge abzuleiten. Wenn die vom System natürlich abgeführte Wärmemenge geringer ist als die, die das System erzeugt, sollte ein Kühler mit einer geeigneten Wärmeübertragungsrate ausgewählt werden, die geeignet ist, die überschüssige Wärme zu neutralisieren.

Gekühlte Ölkühler

Gekühlte Ölkühler sind selten, finden sich aber auch in Anlagen mit sehr hohen Umgebungstemperaturen und häufigem Einsatz des Aufzugs (z. B. Einkaufszentren, Krankenhäuser oder Messezentren). Ein gekühlter Ölkühler arbeitet sehr nach dem Prinzip eines Kühlschranks. Das warme Öl aus dem Tank (mittels einer Pumpe umgewälzt) tauscht seine Wärme aus, wobei das Kühlmittel im Kühlschrank von einem Kompressor umgewälzt wird. Dadurch wird das Öl schnell abgekühlt und dem Hydrauliktank wieder zugeführt.

Installation des Netzteils

Bei der Installation eines hydraulischen Aufzugs sind oft mehrere Unternehmen am Gesamtprozess beteiligt. Das Unternehmen, das den Aufzug vor Ort installiert, bezieht häufig Komponenten und das Aggregat von verschiedenen Lieferanten. Das Aggregat wird zusammen mit dem Zylinder und ggf. weiterem Zubehör von einem Zulieferer geliefert, der sich auf die Konstruktion, Fertigung und Montage von Hydraulikkomponenten spezialisiert hat. Es ist sehr wichtig, dass verschiedene Anbieter gemeinsam die Anforderungen des Endbenutzers erfüllen und die grundlegenden Fakten der Materialhandhabung und der Installationsprinzipien verstehen, um eine problemlose Lösung zu liefern.

Eine staubige Umgebung, Verschmutzung und schlechte Wartung führen oft zu Problemen, noch bevor der Aufzug installiert ist und seine Arbeit aufnimmt. Zeitweise werden das Aggregat und die hydraulische Ausrüstung geliefert, während andere Bauarbeiten im Gange sind. Manchmal liegen die Geräte tagelang auf der Baustelle, bevor die Aufzugsinstallation endlich beginnt. In einem solchen Fall sollte es ordnungsgemäß verborgen und vor der Umgebung geschützt werden.

Vor Ort hergestellte Hydraulikleitungen sollten auf Reste von Schweißgraten und Metallsplittern überprüft werden, die im Rohr verbleiben, wenn sie nicht ordnungsgemäß gespült werden. Diese feinen Metallpartikel können Öldichtungen, O-Ringe und Blockfilter im Kreislauf beschädigen, was zu teuren Reparaturen und Austausch bereits vor der ersten Fahrt des Aufzugs führen kann.

Da ein Hydrauliktank ein Ölreservoir für das gesamte Hydrauliksystem ist, kann jegliche Verschmutzung darin zur Hauptproblemquelle für das Gesamtsystem werden. Vor Inbetriebnahme des Aggregats sollte eine Tankinspektion auf Sauberkeit durchgeführt werden. Öl sollte nur mit geeigneten Filtern in den Tank eingefüllt werden. Das Einfüllen des Öls in einen unreinen Tank ohne Filterung oder Überprüfung des Tankzustands kann zu klassischen Systemausfällen führen, die sich schon bei den ersten Fahrten des Aufzugs bemerkbar machen. Während des Transports kann sich Schmutz auf dem Kolben ansammeln, und die Lagerung sollte vor der Inbetriebnahme des Zylinders sorgfältig gereinigt werden, um die Öldichtungen zu schützen.

Die Nerven des Aggregats: Hydraulische Rohrleitungen

Hydraulikschläuche, -rohre und -schläuche verbinden die Pumpe mit dem Steuerventil, das Steuerventil mit dem Zylinder und andere im Aggregat verwendete Zubehörteile. Hydraulische Systeme können Stahl oder verzinktes Rohr verwenden, letzteres wird jedoch nicht empfohlen, da die Zinkbeschichtung mit dem Öl in ungünstiger Weise reagieren kann. Die Leitungen einschließlich der Fittings müssen dem berechneten maximalen Systemdruck und den im System erzeugten Druckstößen standhalten. Es ist sehr wichtig, dass die verwendete Rohrleitung die erforderliche Querschnittsfläche besitzt, die groß genug ist, um die erforderliche Durchflussmenge zu bewältigen, ohne große Druckverluste zu erzeugen. Die Ölmenge, die in einem bestimmten Zeitraum durch das Rohr/Rohr/Schlauch fließen kann, kann mithilfe der folgenden Gleichung berechnet werden, bevor der Durchmesser des Rohres festgelegt wird:

Durchfluss = 6A*V (Gleichung 1)

Dabei ist „Flow“ der Ölfluss in Cu.dm/m, V die Ölgeschwindigkeit in mps und A die Innenfläche des Rohres in Quadratzentimetern.

Ein Rohr wird durch seine Wandstärke und die Bauteilnummer identifiziert. Da hydraulische Aufzugsanwendungen normalerweise einen Betriebsdruck von 100 bar nicht überschreiten, fallen sie in ein Nieder- bis Mitteldrucksystem und normalerweise werden Rohre des Typs 80 verwendet.

Hydraulikschlauchleitungen, die in Rohrleitungen verwendet werden, werden nach Druck, Temperatur und Flüssigkeitskompatibilität gestuft. Sie bieten Flexibilität und werden verwendet, um das Steuerventil mit dem Zylinder zu verbinden, wenn Rohre oder Schläuche nicht effektiv verwendet werden können. Die Sorte SAE100 R2 wird im Allgemeinen in der hydraulischen Aufzugsindustrie verwendet. Der Innendurchmesser des Schlauches muss ausreichend sein, um den Druckverlust so gering wie möglich zu halten und Schäden am Schlauch durch Hitzeentwicklung oder übermäßige Turbulenzen zu vermeiden.

Der Biegeradius des Hydraulikschlauchs sollte gemäß den Anweisungen des Herstellers strikt eingehalten werden, da dies zu Bersten führen kann, die zu Verletzungen oder zum Tod führen können. Der schwächste Teil des Schlauchs ist in der Regel der Abschlussbereich oder Stahlfittings, die am Ende gestaucht werden. Unsachgemäße und nicht kompatible Armaturen können während des Betriebs ebenso gefährlich sein. Schläuche sollten niemals verdreht oder gezogen werden, sondern sorgfältig dimensioniert und bei Bedarf richtig abgestützt werden.

Der Einsatz von Kupplungen und Verbindern ist bei Rohrleitungen unumgänglich. Es gibt einige häufige Missverständnisse, wie zum Beispiel: „Wenn eine Kupplung mit einem Schlauch kompatibel ist, der die SAE- oder EN-Spezifikationen erfüllt, funktioniert die Kupplung mit allen Schläuchen, die den Spezifikationen entsprechen.“ Das stimmt einfach nicht. Bei der Herstellung oder dem Kauf einer Baugruppe wird dringend empfohlen, dass der Schlauch und die Anschlüsse alle vom gleichen Hersteller stammen. Das liegt daran, dass die in den Normen aufgeführten Maßtoleranzen recht breit sind. Schläuche, die nicht mit streng kontrollierten Abmessungen hergestellt werden, erfüllen möglicherweise immer noch die Standards, sind jedoch aufgrund von Kompressionsschwankungen beim Aufcrimpen von Kupplungen schwierig zu montieren und verhalten sich unbefriedigend.

Fazit

Das Design des Hydrauliktanks und die Ölauswahl sind wichtige Parameter beim Bau eines störungsfreien Aggregats. Diese beiden zusammen tragen stark zur Wärmeableitung und zum natürlichen Kühlprozess bei. Bei richtiger Auslegung und einem richtig belüfteten Maschinenraum sind Kühler im Allgemeinen nicht erforderlich. Um eine optimale Leistung zu gewährleisten, ist eine Wärmebilanzberechnung der Aufzugsanlage erforderlich, die sich über den gesamten Lebenszyklus der Aufzugsanlage auszahlt.

Fragen zur Lernverstärkung

Verwenden Sie die unten stehenden Fragen zur Lernverstärkung, um für die Online-Einstufungsprüfung für die Weiterbildung zu lernen unter www.elevatorbooks.com oder auf Seite 181 dieser Ausgabe.
• Was sind die wichtigen Kriterien bei der Auswahl eines Hydrauliktanks, Öls und eines Ölkühlers für einen hydraulischen Aufzug?
• Nennen Sie einige Eigenschaften des Öls, das in hydraulischen Aufzügen verwendet wird.
• Welche Faktoren sollten bei der Berechnung der Wärmebilanz des hydraulischen Aufzugs berücksichtigt werden?
• Was ist bei der Installation eines hydraulischen Aufzugs zu beachten?
• Erklären Sie kurz die Prinzipien der hydraulischen Verrohrung.

Referenzen
[1] P. Mehta, „Hydraulische Aufzüge: Den Mythos sprengen“, EW India, 2. Quartal 2010.
[2] P. Mehta, „Hydraulische Aufzüge – Konfiguration der Leistungseinheit“, EW, Dezember 2010.
[3] F. Celik und M. Kucur, „Importance of Thermal Balance for Hydraulic Elevators“, Elevator Technology 18: Proceedings of Elevcon 2010.