Die häufigste Bauart für kleine und mittlere Hydraulikaggregate besteht aus einem Ölbehälter mit vertikal aufgebauter Motor-Pumpeneinheit. Als Antriebsquelle dient eine Zahnradpumpe, welche die kostengünstigste Lösung darstellt.
Im Gegensatz zu diesem Prinzip basieren Kompaktaggregate auf einem Mittelflansch, welcher die pumpenseitigen Grundfunktionen enthält und Träger für den Elektromotor bzw. den Behälter ist. Die Ventilsteuerung wird an einer seitlichen Schnittstelle am Mittelflansch montiert. Kompaktaggregate werden bei engen Platzverhältnissen und sporadischem Betrieb gerne in fördertechnischen Anwendungen oder für Spannfunktionen in Werkzeugmaschinen eingesetzt. Aggregate und Anlagen mit Regelpumpen oder mehreren Pumpenkreisen werden meist mit horizontal aufgebauten Pumpen ausgeführt. Die Zugänglichkeit zu den Stellgliedern der Pumpe ist das entscheidende Kriterium.
Eine aussergewöhnliche Bauart stellt die Rahmenkonstruktion mit vertikal angeordneten Pumpen und daneben liegendem Ölbehälter dar. Dieses Konzept eignet sich bei grossvolumigen Regelpumpen, deren Ansaugverhalten dadurch optimal und die Geräuschemission am geringsten ist. Zudem kann der Pumpenraum ohne grossen Mehraufwand schallisoliert werden.
Standard-Ventilverkettungssysteme
Für Einzelprojekte und wiederkehrende Anwendungen mit variablem Steuerungsaufbau werden standardisierte Behälter eingesetzt. Die Ventilsteuerung besteht aus Funktionsmodulen, welche häufig wiederkehrende Ventilkonfigurationen und Verkettungsplatten zum Aufbau der Richtungsschieber enthält. Bei Anwendungen mit Proportionalventilen kann als Vorschaltfunktion ein Druckfiltermodul gesetzt werden, um die Ventile vor Verschmutzung zu schützen. Besteht der Bedarf, eine Gruppe von Ventilfunktionen mit reduziertem Betriebsdruck zu betreiben, wird ein Druckreduziermodul zwischengeschaltet. Für die richtungssteuernden Funktionen werden Einfach- oder Mehrfachplatten mit identischer Längenschnittstelle verwendet.
Kundenspezifische Ausrüstungen
Hydraulikaggregate sind in modernen Maschinenkonstruktionen oft als integrierte Baugruppen konzipiert. Der Einbauraum und die mechanischen Schnittstellen werden durch den Kunden festgelegt. Das heisst, dass die Behälterkonstruktion an die Maschine adaptiert wird und die Ventilausrüstung meistens nicht modular ausgeführt werden kann, sondern durch anwendungsspezifische Steuerblöcke ersetzt wird. Kombiaggregate mit mehreren Pumpenkreisen und unterteilten Behältnissen sind in Werkzeugmaschinen für die Arbeitshydraulik, hydrostatische oder hydrodynamische Führungen bzw. als Kühlkreislauf konzipiert. Behälterlose Aufbauten, welche ein maschinenseitiges Reservoir haben, oder mobile Konstruktionen gehören ebenfalls in diese Kategorie. Der Markt verlangt immer mehr fertige Systemlösungen, welche als «Plug & Play»-Baugruppe mit der Maschinensteuerung kommunizieren können.
Antriebskonzepte
Bei einfachen Betriebsverhältnissen wird das Aggregat jeweils so lange eingeschaltet, wie eine Funktion erwünscht ist. Aggregate mit zyklischem Betrieb werden nach Funktionsablauf entweder ausgeschaltet oder im drucklosen Pumpenumlauf im Stand-by-Betrieb gehalten.
Ein wirtschaftlicher Abschaltbetrieb kann mittels automatischer Druckspeicherbefüllung erzielt werden. Eine Konstantpumpe fördert in einen Speicher, bis ein Druckschalter oder ein druckgesteuertes Abschaltventil die Pumpe in drucklosen Umlauf bringt. Der Speicherabschaltbetrieb ist eine wirtschaftliche Lösung, wenn hohe kurzfristige Volumenströme bei längeren Intervallen erforderlich sind, z. B. bei Spann- oder Eilgang-/Vorschubfunktionen.
Ein ökonomisches Antriebskonzept ist auch die Volumenstromregelung mittels Konstantpumpe und variabler Elektromotor-Drehzahl, welche durch einen Frequenzumrichter verstellt wird. Bewährt hat sich diese Art für die Synchronisierung mehrerer Hubzylinder mittels Mehrfach-Konstantpumpe. So kann ein Geschwindigkeitsprofil auch ohne aufwendige Proportionaltechnik gefahren werden. Mit vektorgeregelten Frequenzumrichtern ist auch ein konstanter Betriebsdruck bei variablem Verbrauch möglich.
Regelpumpen werden für mittlere und hohe Antriebsleistungen eingesetzt. Von der Nullhubpumpe über den Load-Sensing-Betrieb bis zur parametrisierten p/Q-Regelung haben Flügelzellen- oder Axialkolbenpumpen einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Die optimale Leistungsausbeute und die flexible Anpassung an variable Betriebszustände können mit Regelpumpen am besten erreicht werden. Dabei gilt es auch, Investitions- gegen Betriebskosten abzuwägen, weil diese Pumpenbauart relativ hohe Beschaffungskosten verursacht.
Besondere Ausrüstungen
Bei Anlagen, welche rund um die Uhr eingesetzt werden, ist die Überwachung der Filter, des Ölniveaus und der Betriebstemperatur wichtig. Dazu braucht es Heizungen und Kühler bzw. Sensoren, welche die zu überwachenden Zustände visuell oder elektrisch anzeigen und auswerten. Bei grösseren Anlagen wird der Filter- und Kühlkreis oft mit einer Pumpe im Nebenstrom ausgeführt. Dies hat den Vorteil, dass neben einer permanenten Filtrierung und Kühlung auch die Befüllung des Behälters über die Nebenstrompumpe erfolgen kann.
Die wichtigsten Sicherheitsvorkehrungen betreffen den Druckspeicherbetrieb und den Explosionsschutz. Die ATEX-Auflagen umfassen neben den Elektromotoren, Ventilen und Sensoren auch Kupplungen und Aktuatoren, welche bei einer Havarie oder elektrostatischen Aufladung Funkenbildung verursachen können. Aggregate und Aktuatoren müssen deshalb potenzialfrei installiert werden. Bei Installationen mit Druckspeicher ist darauf zu achten, dass diese CE-konform sind. Ausserdem sind die Sekundärsicherheitsventile, Absperr- und Entleerungsfunktionen sowie die Drucküberwachung zu berücksichtigen. Dazu sind Ventile, Sensoren sowie standardisierte Blöcke und Steuermodule verfügbar.
In stark korrosionsgefährdeter Umgebung sind rostfreie Komponenten angebracht. Die Elektromotoren müssen mittels Zweikomponenten-Lackierung geschützt werden, während eloxierte oder ematalierte Aluminium-Steuerblöcke der Korrosion eindeutig widerstehen. Bei Hydraulikzylindern bietet neben der standardmässigen Masshartverchromung auch eine kombinierte Vernickelung-Verchromung einen Korrosionsschutz. Immer mehr wird für Kolbenstangen, Zylinderrohre sowie Zylinderkopf und -boden ein spezielles Nitrierverfahren angewendet, welches hervorragende Schutzwirkung und Verschleisseigenschaften hat.
Der Schalldruckpegel kann durch die Wahl der Hydraulikpumpen, der Anordnung der Pumpeneinheiten, der Antriebsdrehzahl und durch die Gestaltung der Behälterkonstruktion in Grenzen gehalten werden. Die Entkopplung von Geräuschquelle und resonanzanfälligen Bauteilen mittels Schlauchverbindungen und Schwingungselementen ist eine mögliche Massnahme. Einmal mehr ist der Einsatz von Frequenzumrichtern mit pulsationsarmen Pumpen zu erwähnen. Zuletzt bleibt als passive Massnahme die Schalldämmung durch «Einpacken» der Anlage mit schallisolierenden Panels.
Schaltschläge von Ventilen verursachen Geräusche und haben schädliche Auswirkungen auf die Hydraulikkomponenten. Abhilfe
kann mittels weich schaltender oder vorgesteuerter Ventile sowie durch Dekompression grosser Ölvolumen vor dem Schaltvorgang geschaffen werden. Auch durch den Einsatz von Proportionalventilen werden die Schaltvorgänge weich und geräuscharm.
Detaillierte Kenntnisse unabdingbar
Die optimale Gestaltung und Auslegung von Hydraulikanlagen hängt von vielen Faktoren ab. Für komplexe Systeme ist die genaue Analyse der Betriebsbedingungen mittels Pflichtenheft sinnvoll. Neue Produkte und Technologien können entscheidende Vorteile bezüglich Investitions- und Betriebskosten bewirken, aber auch die funktionalen Eigenschaften verbessern. Die Kenntnis der Eigenschaften von verschiedenen Antriebskonzepten ist entscheidend. Unter Umständen ist es sinnvoll, die Funktionalität mittels Test- oder Simulationsaufbau sicherzustellen. Dies kann in Form eines Engineering-Auftrags erfolgen. Die Umweltbelastung durch Geräuschemission oder Ölaustritt kann durch geeignete Massnahmen in Grenzen gehalten werden. Zuverlässigkeit, Sicherheit und Lebensdauer sind von der Auslegung und Gestaltung des Systems abhängig. Dazu ist die Kenntnis der Vorschriften über Gefahrenpotenziale erforderlich. Ebenso wichtig sind die regelmässige Kontrolle und die Wartung der Anlagen. Dem Kunden sollte auch eine verständliche Dokumentation mit Betriebsanleitung zur Verfügung stehen.
Continuum-Zahnradpumpen
Diese Zahnradpumpen sind schräg verzahnt, sehr geräuscharm und haben spezifische Fördervolumen von 6 bis 200 cm3. Der Schalldruckpegel liegt zwischen 56 und 68 dbA. Der maximale Druckbereich ist mit 200 bar bei einstufiger Konstruktion und Axialspaltkompensation vielseitig nutzbar. Ihr Anwendungsbereich liegt bei allen industriellen und mobilen Systemen mit hohen Anforderungen an die Gräuschemission und an einen pulsationsarmen Betrieb. Diese Eigenschaften sind im Pressenbau und für hydrostatische Lagerungen bei Werkzeugmaschinen sowie Rotorlagerungen von Generatoren oder ähnlichen Schwermaschinen besonders vorteilhaft.