Kavitationserosion verschiedener Druckflüssigkeiten und deren Mischungskomponenten
Aufgabe / Zielsetzung
Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, das Kavitationserosionsverhalten verschiedener Hydraulikflüssigkeiten, deren Grundkomponenten und Additive zu analysieren und den Einfluss der chemischen Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit auf die Kavitationsintensität zu quantifizieren. Im Rahmen des Projektes sollten signifikante Korrelationen zwischen den chemisch-physikalisch-technischen Parametern und dem Kavitationserosionsverhalten der Fluide aufgezeigt und Wirkzusammenhänge herausgearbeitet werden. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf reale Hydraulik-strömungen war zu überprüfen. Außerdem sollte die Simulationsmethodik weiterentwickelt werden, um den Einfluss der Luft auf die Kavitationserosion auch bei kavitationsintensiven Betriebspunkten abbilden und so mit Hilfe von Kavitationsindizes die Erosion simulativ lokalisieren und quantifizieren zu können.
Lösungsweg
Es erfolgten umfangreiche experimentelle Untersuchungen des Kavitationserosions-verhaltens von Hydraulikflüssigkeiten bzw. deren Mischungskomponenten. Aufgrund der Vielzahl an erforderlichen Messungen wurden die Erosionsversuche mit Probekörpern durchgeführt. Dazu wurde ein aus der Werkstofftechnik standardisiertes Prüfverfahren zur Quantifizierung der Kavitationserosion mittels einer Sonotrode (ASTM G32) eingesetzt. Diese Prüfmethode diente der schnellen Untersuchung möglichst vieler Fluide und Betriebsbedingungen. Sie hat jedoch den Nachteil, dass sie die realen hydraulischen Bedingungen nur begrenzt nachbilden kann, weil die Kavitationserosion durch Ultraschall induziert wird. Die Sonotrodenversuche bildeten den experimentellen Schwerpunkt dieses Projektes.
Zur Überprüfung der Übertragbarkeit der Sonotrodenversuche auf Kavitation in der Hydraulik wurde ein weiterer genormter Prüfstand zur Quantifizierung der Kavitationserosion via Freistrahl (ASTM G134) für die fluidspezifische Untersuchung adaptiert und genutzt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Kavitation hydrodynamisch induziert wird und somit den Vorgängen in realen Pumpen und Ventilen stark ähnelt.
Parallel zu den Erosionsversuchen erfolgten CFD-Simulationen mit einer kavitierenden Ventilströmung. Dazu wurde ein neues Gaskavitationsmodell entwickelt. Die schädigungsrelevante Dampfkavitation wurde durch das für Mineralöl optimierte Zwart-Gerber-Belamri-Modell simuliert, wohingegen der Einfluss der Luft über einen eigenen barotropen Ansatz modelliert wurde. Das neue Modell wurde mit Visualisierungs-experimenten validiert und auf stark erosive Strömungszustände angewendet. Basierend auf den guten Ergebnissen der Kavitationsindizes nach Nohmi in einem früheren Projekt für die wasserhaltige Hydraulikflüssigkeit HFC wurden diese auf die ölhydraulische Strömung angewendet, um die Kavitationserosion zu lokalisieren und zu quantifizieren.
Ergebnisse
Das Projekt lieferte umfangreiche Erkenntnisse aus den durchgeführten Sonotroden- und Freistrahlversuchen. Dies betrifft sowohl das Kavitationserosionsverhalten verschiedener Hydraulikflüssigkeiten im zeitlichen Verlauf als auch die Vorgehensweise selbst. Der Vergleich der Sonotrodenergebnisse mit denen des Freistrahls führte allerdings zu der zentralen Erkenntnis, dass die Übertragbarkeit der indirekten Sonotrodenversuche zur Kavitationserosion von Druckflüssigkeiten auf reale Hydraulikströmungen nur eingeschränkt gegeben ist.
Die Ursache dafür wird in der Ausbildung eines Öl-Luft-Schaums innerhalb des Spalts vermutet. Das indirekte Verfahren misst in der Folge überwiegend die Schaumbildung und deren Auswirkung auf die Erosivität der Druckflüssigkeit. Diese These wird gestützt durch den nachgewiesenen, stark dämpfenden Effekt der Luft auf die Kavitationserosion. Es sollte in weiterführenden Forschungsaktivitäten geprüft werden, ob die eingeschränkte Übertragbarkeit nur auf die indirekte Methode zutrifft oder das Sonotrodenprüfverfahren insgesamt von dem Effekt betroffen ist.
Das Prüfverfahren mittels Freistrahl nach ASTM G134 erscheint als die zuverlässigere und realistischere Methode zur Untersuchung der Kavitationserosion von Material, Betriebsbedingungen und Fluiden. Dieses Verfahren sollte zur Verbesserung der Druckflüssigkeiten bezüglich des Kavitationserosionsverhaltens verstärkt zum Einsatz kommen.
Auf Seite der Simulation wurde demonstriert, dass mit Hilfe einer adäquaten Modellierung und unter Anwendung der Kavitationserosionsindizes nach Nohmi die detaillierte Lokalisierung und Quantifizierung der Kavitationserosion in sehr guter Übereinstimmung mit den Erosionsexperimenten möglich ist. Der erosionsdämpfende Einfluss der Luft wurde von der Simulation ebenfalls abgebildet. Aus den Kavitationsindizes und den zyklischen Werkstoffeigenschaften konnten die relativen Änderungen des Massenabtrags in sehr guter Übereinstimmung mit dem Experiment abgeschätzt werden.
Das Projekt „Kavitationserosion verschiedener Druckflüssigkeiten und deren Mischungs-komponenten“ (IGF-Vorhaben Nr. 21981 BR) wurde im Rahmen des Programms Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Laufzeit: 01.09.2021 bis 29.02.2024
Der Schlussbericht kann über das Forschungs-kuratorium Maschinenbau e. V. als betreuende Forschungsvereinigung bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de).