Neue Probleme, neue Lösungen

Heutige umweltfreundliche Hydraulikflüssigkeiten können schwerwiegende Probleme verursachen, die bei Flüssigkeiten früherer Generationen, die Schwermetallzusätze enthielten, nicht auftraten. Elektrostatische Entladungen und eine Vielzahl anderer schädlicher Auswirkungen können bei heutigen Flüssigkeiten auftreten, es gibt jedoch Lösungen, um die Probleme zu lindern.

Hersteller von Hydraulikflüssigkeiten fügen den Grundölen Additive (in der Regel mehrere, als Additivpaket) hinzu, um ihnen die Eigenschaften zu verleihen, die sie für die anspruchsvollen Bedingungen von Hydrauliksystemen benötigen. Additive verbessern die Viskosität, verringern die Reibung, verhindern Verschleiß und sorgen dafür, dass die Flüssigkeit hohen Temperaturen standhält, ohne zu oxidieren. Grundöle der Gruppe I enthalten Aromaten (von denen die meisten giftig sind) und Zink (Schwermetall, das die Verschleißfestigkeit fördert). Aufgrund ihrer Toxizität und potenziellen Bedrohung für die Umwelt entsprechen sie nicht mehr den aktuellen internationalen Umweltstandards.

Hydraulik- und Schmieröle der Gruppen II bis IV (in der Tabelle unten nicht dargestellt) werden mit geeigneten Additivpaketen hergestellt, enthalten keine Giftstoffe oder Karzinogene, sind frei von Schwermetallen und aschefrei (erzeugen bei der Verbrennung keine Rückstände). Da diese Öle jedoch kein Metall enthalten, weisen sie eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Wenn diese Öle durch Filter in einem Hydrauliksystem fließen, können sie elektrostatische Aufladungen erzeugen. Es kann zu Funkenbildung kommen, die zu Explosionen im Behälter führen oder hydraulische Komponenten wie Ventile und Filter beschädigen kann. Die Funken können auch elektronische Komponenten stören oder beschädigen und Ölalterungsablagerungen bilden.

Wenn moderne zink- und aschefreie Öle altern, bilden sich sehr feine (weniger als 1 μm) feste Verunreinigungen, die sich nicht im Öl lösen und üblicherweise als Lack bezeichnet werden. Dieser Lack setzt sich auf den öligen Oberflächen der Bauteile ab und beeinträchtigt deren Funktion. Mögliche Folgen sind festsitzende Ventilspulen, überhitzte Magnetspulen und eine extrem kurze Lebensdauer der Filterelemente.

Wenn zwei Substanzen (z. B. Filtermedien und Hydraulikflüssigkeit) mit unterschiedlicher Elektronenaustrittsarbeit zusammengebracht werden, werden Elektronen an der Grenzfläche vom Material mit niedrigerer Austrittsarbeit auf das Material mit höherer Austrittsarbeit übertragen. An der Grenzfläche besteht ein Elektronendefizit, und in der Flüssigkeit bildet sich eine Diffusionsschicht, deren Ladung entgegengesetzt zu der des Filtermediums ist. Die Ladung dieser Schicht schwächt sich mit zunehmender Entfernung vom Filtermedium ab.

Wenn die Flüssigkeit fließt, wird die Ladung stromabwärts transportiert und erzeugt ein Spannungspotential. Je schneller die Flüssigkeit fließt, desto höher ist das Spannungspotential. Überschreitet die Spannung einen Schwellwert, kommt es zu einem plötzlichen Spannungsausgleich, meist in Form einer Funkenbildung. Allerdings muss die Flüssigkeit eine geringe Leitfähigkeit haben, damit es zur Funkenbildung kommt. Andernfalls können die Ladungen in der diffusen Schicht zurückfließen und sich ausgleichen, wie bei Flüssigkeiten mit Schwermetallzusätzen.

Folgen — Die Folgen elektrostatischer Entladungen können schwerwiegend sein. Wenn beispielsweise die Ladung durch das Öl weiter stromabwärts transportiert wird, kann es zu unkontrollierten Entladungen im Hydraulikreservoir kommen. Abhängig vom Öl-Luft-Gemisch im Behälter kann es zu Explosionen kommen. Darüber hinaus können durch Funkenbildung Löcher in das Filtermedium gebrannt werden.

Das Foto oben zeigt ein Loch mit einem Durchmesser von mehr als 200 μm in einem 3 μm-Filtermedium. Das Loch schafft einen Weg für Verunreinigungen, durch den Filter zu gelangen, wodurch die Wirksamkeit des Filters erheblich beeinträchtigt wird. Auch andere Komponenten im System, wie Kühler und Ventile, können durch unkontrollierte Entladungen beschädigt werden.

Elektrostatische Entladungen können auch elektromagnetische Wellen verursachen, die empfindliche Sensoren und elektronische Komponenten stören und beschädigen. Neben Schäden an hydraulischen Bauteilen können sich auch Ausflüsse auf das Hydrauliköl auswirken. Durch die Funkenbildung werden Bindungen innerhalb der Flüssigkeit aufgebrochen, wodurch freie Radikale entstehen, die zu langen Ketten polymerisieren. Dies wiederum führt zur Bildung von Lack durch Ölalterung.

Lösung — Auf einem von DEKRA und SGS-TÜV SÜD zugelassenen, maßgeschneiderten Prüfstand analysierten HYDAC-Ingenieure das elektrostatische Verhalten von Hydraulikfiltern in kritischen Ölen. Der Höhepunkt ihrer Arbeit ist die Filterelementserie Stat-X von HYDAC, die dem Problem der elektrostatischen Entladung entgegenwirkt. Stat-X-Elemente beseitigen nicht nur die Folgen elektrostatischer Aufladung, sondern auch die Ursache selbst.

Warum ist es wichtig, sowohl die Folgen als auch die Ursache elektrostatischer Aufladung zu beseitigen? Eine entladungsfähige Elementkonstruktion reduziert die Funkenbildung im Element, lässt aber dennoch geladenes Öl durch das Hydrauliksystem fließen. Darüber hinaus weist dieses Öl jetzt ein höheres Ladungspotential auf, da keine Funkenbildung im Filter auftreten darf, die andernfalls die Ladung neutralisiert hätte. Dieses aufgeladene Öl wird stromabwärts transportiert und es kann zu unkontrollierten Entladungen in anderen Teilen des Systems kommen. Dies kann unter Umständen zu schwerwiegenden Schäden führen, beispielsweise zu einer Explosion im Reservoir.

Um Anwendungstechnikern Feldmessungen zu ermöglichen, hat HYDAC außerdem einen StatStick®-Sensor entwickelt, der die Ölspannung hinter dem Filter misst. So konnten die HYDAC-Ingenieure beispielsweise Hinweise auf Explosionen in einem Reservoir einer großen Hydraulikanlage aufdecken, nachdem Entlüftungsfilter völlig durchgebrannt waren. Die Filter waren nicht für elektrostatische Aufladung optimiert. Messungen mit dem StatStick® ergaben Spannungsspitzen bis 17.000 V sowie gefährliche Entladungsfunken im Tank. Nach der Nachrüstung mit Stat-X-Elementen wurden keine weiteren Ladungen festgestellt.

Die hier vorgeschlagene Lösung basiert auf den grundlegenden physikalischen Prinzipien, die aus den berichteten experimentellen Daten abgeleitet wurden. Folglich zielt es direkt auf die Grundursache der Phänomene ab und beseitigt so deren Grundursache. Anstatt zu versuchen, die bereits vorhandene statische Ladung durch leitfähige Elemente zu kanalisieren oder durch den Einsatz von Zusatzstoffen abzubauen, haben wir gezeigt, wie der Ladungstransfer, der zur Bildung der Helmholtz-Doppelschicht führt, gestoppt werden kann (Lang (4); Scheffler (10). ); Kron (41)) an erster Stelle. Darüber hinaus wurde unsere vorgeschlagene Lösung durch zahlreiche experimentelle Labor- und Feldversuchsdaten hinreichend verifiziert. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass es fein abstimmbar ist (Schmitz et al. (42); Duchowski und Lang (43, 44)) und daher an verschiedene Ölformulierungen sowie an Systembetriebsbedingungen unterschiedlicher Schwere anpassbar ist, wie z Kaltstarts und Spülvorgänge

Lack ist das Produkt chemischer Reaktionen im Öl, die oft als Ölalterung bezeichnet werden. Bei lokalen Hotspots (über 300° C) beschleunigt sich die Alterung deutlich. Ursache für solch hohe Temperaturen sind häufig elektrostatische Entladungen. Andere Hotspots können durch Mikrodiesel oder heiße Komponenten verursacht werden. Das Ergebnis der Ölalterung ist in diesen Fällen immer das gleiche. Kohlenwasserstoffketten des Grundöls werden durch hohe lokale Temperaturen im Wesentlichen abgebaut. Diese Kettenabschnitte reagieren mit anderen Kohlenwasserstoffen, Ölzusätzen oder Sauerstoff und bilden schließlich Lack, der sich als Ölschlamm im System ablagert.

Moderne Öle der Gruppen II bis IV enthalten zahlreiche Additive, die die Eigenschaften des Grundöls verbessern, wie z. B. Viskositätsindex, Korrosionsschutz, Schaumneigung, Haftungseigenschaften und Ölalterungsverhalten (Antioxidantien). Das Ölalterungsverhalten wird hauptsächlich durch zwei Stoffe im Additivpaket beeinflusst: Phenole und Amine. Diese beiden Stoffe wirken als Radikalfänger und unterbrechen die chemische Reaktion, die sonst zur Lackbildung führen würde. Dadurch werden jedoch die Radikalfänger erschöpft. Sind sie erschöpft, schreitet die Ölalterung rasch voran.

Die STAT-X-Technologie basiert auf den grundlegenden physikalischen Prinzipien des elektrostatischen Ladens und Entladens. Diese fortschrittliche Technologie geht über die bloße Fokussierung auf vorhandene oder erzeugte statische Aufladung mittels leitfähiger Elemente hinaus. Darüber hinaus geht es darum, die Grundursache der Phänomene zu bekämpfen und sie dadurch zu beseitigen. Dies ermöglicht äußerst sichere Betriebsbedingungen in jeder Anwendung, in der die STAT-X-Technologie eingesetzt wird.

Dr. John K. Duchowski ist Corporate Director of R&D Filtration, FluidCareCenter® GmbH, Sulzbach, Deutschland. Weitere Informationen finden Sie unter www.hydac-na.com oder per E-Mail an [email protected].