Hydraulik - Festo Didactic

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Festo/Merkle 210 RZ 21495X 22.04.2004 15:32 Uhr Seite 1
Die Neuauflage wurde aktualisiert, aktuelle Normen
und Richtlinien wurden dabei berücksichtigt und
neuere Bauteile aufgenommen. Neu gestaltet und
bei geringfügig erweitertem Inhalt noch kompakter
präsentiert sich dieses eingeführte Lehrbuch, wobei
das beliebte Seitenformat beibehalten wurde.
D. Merkle · B. Schrader · M. Thomes
Merkle · Schrader
Thomes
Den vielfältigen Einsatzbereichen der Hydraulik in der
modernen Automatisierungstechnik trägt dieses Buch
Rechnung. Aufbauend auf den physikalischen Grundlagen der Hydraulik wird eine umfassende Darstellung
der Bestandteile und des Aufbaus einer Hydraulikanlage gegeben. Bei der Beschreibung der einzelnen
Komponenten unterstützen zahlreiche Abbildungen
das Verständnis. Wege-, Druck- und Stromventile,
Pumpen, Motoren und Zylinder werden detailliert
beschrieben. Auch Filter, Rohrleitungen, Schlauchverbindungen und Messgeräte werden behandelt.
Hydraulik
Grundstufe
2., aktualisierte Auflage
1
Hydraulik
2. Auflage
9 783540 214953
›
springer.de
093280
ISBN 3-540-21495-X
123
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093280
HYDRAUL.LEHRB.
D:LB-501-DE
11/2003
D. Merkle, B. Schrader, M. Thomes
Doris Schwarzenberger
25.11.2003, Melanie Heinrich, Verena Fuchs
© Festo Didactic GmbH & Co. KG, 73770 Denkendorf, 2003
Internet: www.festo.com/didactic
E-Mail: [email protected]
Weitergabe sowie Vervielfältigung dieses Dokuments, Verwertung und Mitteilung
seines Inhalts verboten, soweit nicht ausdrücklich gestattet. Zuwiderhandlungen
verpflichten zu Schadenersatz. Alle Rechte vorbehalten, insbesondere das Recht,
Patent-, Gebrauchsmuster- oder Geschmacksmusteranmeldungen durchzuführen.
Inhalt
1
1.1
1.2
1.3
Aufgaben einer Hydraulikanlage__________________________________ 7
Stationär-Hydraulik _____________________________________________ 8
Mobil-Hydraulik _______________________________________________ 10
Hydraulik im Vergleich _________________________________________ 11
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
Physikalische Grundlagen der Hydraulik __________________________
Druck _______________________________________________________
Druckfortpflanzung ____________________________________________
Kraftübersetzung ______________________________________________
Wegübersetzung ______________________________________________
Druckübersetzung _____________________________________________
Volumenstrom ________________________________________________
Kontinuitätsgleichung __________________________________________
Druckmessung ________________________________________________
Temperaturmessung ___________________________________________
Volumenstrommessung ________________________________________
Strömungsarten_______________________________________________
Reibung, Wärme, Druckabfall____________________________________
Energie und Leistung___________________________________________
Kavitation ____________________________________________________
Drosselstellen ________________________________________________
13
13
18
19
21
23
25
26
30
31
31
31
35
41
51
53
3
3.1
3.2
3.3
3.4
Druckflüssigkeit ______________________________________________
Aufgaben von Druckflüssigkeiten _________________________________
Arten von Druckflüssigkeiten ____________________________________
Eigenschaften und Anforderungen ________________________________
Viskosität ____________________________________________________
57
57
58
59
60
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Bestandteile einer Hydraulikanlage ______________________________
Energieversorgungsteil _________________________________________
Druckflüssigkeit _______________________________________________
Ventile ______________________________________________________
Zylinder (Linearantriebe)________________________________________
Motoren (Rotationsantriebe) ____________________________________
67
67
67
68
70
71
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3
Inhalt
4
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
5.10
Symbole und Bildzeichen_______________________________________
Pumpen und Motoren __________________________________________
Wegeventile __________________________________________________
Betätigungsarten ______________________________________________
Druckventile__________________________________________________
Stromventile__________________________________________________
Sperrventile __________________________________________________
Zylinder _____________________________________________________
Energieübertragung und Aufbereitung_____________________________
Messgeräte __________________________________________________
Gerätekombination ____________________________________________
73
73
74
75
76
78
79
80
82
83
83
6
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
Aufbau und Darstellung einer Hydraulikanlage_____________________
Signalsteuerteil _______________________________________________
Energieversorgungsteil _________________________________________
Lageplan_____________________________________________________
Schaltplan ___________________________________________________
Technische Angaben bei den Geräten _____________________________
Funktionsdiagramm____________________________________________
Funktionsplan ________________________________________________
85
86
87
90
91
92
94
95
7
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
Bestandteile des Energieversorgungsteils_________________________ 97
Antrieb ______________________________________________________ 97
Pumpe ______________________________________________________ 99
Kupplung ___________________________________________________ 107
Behälter ____________________________________________________ 107
Filter _______________________________________________________ 109
Kühler ______________________________________________________ 120
Heizung ____________________________________________________ 122
8
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
Ventile _____________________________________________________
Nenngröße __________________________________________________
Bauart______________________________________________________
Sitzventile __________________________________________________
Schieberprinzip ______________________________________________
Kolbenüberdeckung __________________________________________
Steuerkanten ________________________________________________
123
123
125
126
127
129
134
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Inhalt
9
9.1
9.2
Druckventile ________________________________________________ 137
Druckbegrenzungsventile (DBV)_________________________________ 137
Druckregelventile (DRV) _______________________________________ 144
10
10.1
10.2
10.3
10.4
Wegeventile_________________________________________________
2/2-Wegeventil ______________________________________________
3/2-Wegeventil ______________________________________________
4/2-Wegeventil ______________________________________________
4/3-Wegeventil ______________________________________________
149
153
157
159
162
11
11.1
11.2
11.3
Sperrventile_________________________________________________
Rückschlagventil _____________________________________________
Entsperrbares Rückschlagventil _________________________________
Entsperrbares Doppelrückschlagventil____________________________
167
168
172
175
12
12.1
12.2
12.3
Stromventile ________________________________________________
Drossel- und Blendenventile____________________________________
Drosselrückschlagventil _______________________________________
Stromregelventile ____________________________________________
179
180
184
185
13
13.1
13.2
13.3
13.4
13.5
13.6
13.7
13.8
13.9
Hydrozylinder _______________________________________________
Einfachwirkende Zylinder ______________________________________
Doppeltwirkende Zylinder ______________________________________
Endlagendämpfung ___________________________________________
Dichtungen__________________________________________________
Befestigungsarten ____________________________________________
Entlüftung___________________________________________________
Kenndaten __________________________________________________
Knicksicherheit ______________________________________________
Auswahl eines Zylinders _______________________________________
193
194
196
199
200
202
202
203
205
207
14
Hydromotoren _______________________________________________ 211
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5
Inhalt
6
15
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
15.7
Zubehör ____________________________________________________
Schlauchleitungen ____________________________________________
Rohrleitungen _______________________________________________
Anschlussplatten _____________________________________________
Entlüftungsventile ____________________________________________
Druckmessgerät______________________________________________
Drucksensoren_______________________________________________
Durchflussmessgerät__________________________________________
16
Anhang_____________________________________________________ 233
215
217
223
226
228
229
230
231
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1. Aufgaben einer Hydraulikanlage
Was versteht man
unter Hydraulik?
Hydraulische Anlagen werden in modernen Produktionsanlagen und
Fertigungseinrichtungen eingesetzt.
Unter Hydraulik versteht man das Erzeugen von Kräften und Bewegungen durch
Druckflüssigkeiten.
Dabei sind die Druckflüssigkeiten das Energieübertragungsmedium.
Ziel dieses Buches ist es, dass Sie mehr über Hydraulik und ihre Einsatzgebiete
erfahren. Mit dem letzten Punkt wird begonnen, und zwar mit einer
Zusammenstellung der Hydraulik-Einsatzgebiete.
Den Stellenwert der Hydraulik in der (modernen) Automatisierungstechnik zeigt die
Vielzahl der Einsatzgebiete. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen:
• Stationär-Hydraulik
• Mobil-Hydraulik
Die Mobil-Hydraulik bewegt sich z. B. auf Rädern oder Ketten, im Gegensatz zur
Stationär-Hydraulik, die fest an einen Ort gebunden ist. Charakteristisches Merkmal
der Mobil-Hydraulik ist, dass die Ventile häufig direkt mit der Hand betätigt werden.
Dagegen werden bei der Stationär-Hydraulik vorwiegend elektromagnetische
Ventile verwendet.
Weiterhin gibt es die Bereiche Schiffs-, Bergbau- und Flugzeugtechnik. Die
Flugzeughydraulik nimmt eine Sonderstellung ein, weil dort Sicherheitsmaßnahmen
von großer Bedeutung sind. Zur Verdeutlichung der Aufgaben, die von
Hydraulikanlagen übernommen werden können, sind auf den nächsten Seiten einige
typische Anwendungsbeispiele gezeigt
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7
1. Aufgaben einer Hydraulikanlage
1.1
Stationär-Hydraulik
In der Stationär-Hydraulik sind folgende Einsatzgebiete von Bedeutung:
• Fertigungs- und Montagemaschinen aller Art
• Transferstraßen
• Hub- und Förderzeuge
• Pressen
• Spritzgussmaschinen
• Walzstraßen
• Aufzüge
Ein typisches Einsatzgebiet ist der Werkzeugmaschinenbau.
Drehmaschine
Bei modernen CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen werden Werkzeuge und
Werkstücke hydraulisch gespannt. Vorschübe und Spindelantrieb können ebenfalls
hydraulisch ausgeführt werden.
8
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1. Aufgaben einer Hydraulikanlage
Presse mit Hochbehälter
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9
1. Aufgaben einer Hydraulikanlage
1.2
Mobil-Hydraulik
Einsatzgebiete der Mobil-Hydraulik sind:
• Baumaschinen
• Kipper, Greifarme, Ladebühnen
• Hebe- und Förderzeuge
• Landwirtschaftliche Maschinen
In der Baumaschinenindustrie findet die Hydraulik in vielfältiger Weise Anwendung.
Bei einem Bagger z. B. erfolgt neben der Erzeugung aller Arbeitsbewegungen
(Heben, Greifen, Schwenken, usw.) auch der Fahrantrieb hydraulisch. Die
geradlinigen Arbeitsbewegungen werden durch Linearantrieb (Zylinder) und die
Drehbewegungen durch Rotationsantriebe (Motoren, Schwenkantriebe) erzeugt.
Mobil-Hydraulik
10
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1. Aufgaben einer Hydraulikanlage
1.3
Hydraulik im Vergleich
Es gibt neben der Hydraulik weitere Techniken, mit deren Hilfe in der
Steuerungstechnik Kräfte, Bewegungen und Signale erzeugt werden:
• Mechanik
• Elektrik
• Pneumatik
Dabei ist zu berücksichtigen, dass jede Technik ihre bevorzugten
Einsatzmöglichkeiten hat. Um dies zu verdeutlichen, wird in der Tabelle auf der
folgenden Seite ein Vergleich von typischen Daten der drei am meisten eingesetzten
Techniken – Elektrik, Pneumatik mit Hydraulik – durchgeführt.
Daraus ergeben sich wesentliche Vorzüge der Hydraulik:
• Übertragung großer Kräfte bei Einsatz kleiner Bauelemente, d. h.
große Leistungsdichte
• exaktes Positionieren
• Anfahren aus dem Stillstand unter Höchstlast
• gleichmäßige, lastunabhängige Bewegung, da Flüssigkeiten kaum
komprimierbar sind und Regelventile eingesetzt werden können
• weiches Arbeiten und Umschalten
• gute Steuer- und Regelbarkeit
• günstige Wärmeabfuhr
Im Vergleich mit anderen Techniken weist die Hydraulik folgende Nachteile auf:
• Verschmutzung der Umgebung durch Lecköl (Brandgefahr, Unfallgefahr)
• Schmutzempfindlichkeit
• Gefahr durch hohe Drücke (Schneidstrahl)
• Temperaturabhängigkeit (Viskositätsänderung)
• ungünstiger Wirkungsgrad
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11
1. Aufgaben einer Hydraulikanlage
Elektrik
Hydraulik
Pneumatik
Verschmutzung
keine Nachteile
außer Energieverlust
Explosionsgefahr in bestimmten
empfindlich bei
explosionssicher,
Bereichen,
temperaturunempfindlich
Temperaturschwankung,
Brandgefahr bei Leckagen
temperaturempfindlich
Energiespeicherung
schwierig, nur in kleinen Mengen
mit Batterien
begrenzt, mit Hilfe von Gasen
leicht
Energietransport
unbegrenzt, mit Energieverlust
bis 100 m
bis 1000 m
Strömungsgeschwindigkeit
Strömungsgeschwindigkeit
v = 2 – 6 m/s,
v = 20 – 40 m/s,
Signalgeschwindigkeit bis
1000 m/s
Signalgeschwindigkeit
20 – 40 m/s
v = 0,5 m/s
v = 1,5 m/s
Leckagen
Umwelteinflüsse
Arbeitsgeschwindigkeit
Energieversorgungskosten
gering
0,25
Linearbewegung
hoch
:
sehr hoch
1
:
2,5
schwierig und teuer, kleine Kräfte,
einfach mit Zylindern, gute
einfach mit Zylindern,
Regelung der Geschwindigkeit nur
mit großem Aufwand
Regelbarkeit der
begrenzte Kräfte,
Geschwindigkeit, sehr große
Kräfte
Geschwindigkeit stark
lastabhängig
Rotationsbewegung
einfach und leistungsfähig
einfach, hohe Drehmomente,
niedrige Drehzahl
einfach, nicht leistungsfähig,
hohe Drehzahl
Positioniergenauigkeit
Genauigkeit bis ±1 mm und besser
Je nach Aufwand können
ohne Lastwechsel möglich bis
erreichbar
Genauigkeiten von ±1 mm
erzielt werden
1/10 mm
sehr gute Werte durch
gut, da Öl annähernd
schlecht, Luft ist kompressibel
mechanische Zwischenglieder
erreichbar
inkompressibel ist, außerdem
nicht überlastbar, schlechter
überlastsicher, bei großem
überlastsicher, Kräfte begrenzt
Wirkungsgrad durch
Systemdruck bis 600 bar
durch Luftdruck und
nachgeschaltete mechanische
können sehr große Kräfte
Glieder, sehr hohe Kräfte
realisierbar
erzeugt werden
F < 3000 kN
Zylinderdurchmesser
F < 30 kN bis 6 bar
Steifigkeit
Kräfte
12
ist das Druckniveau wesentlich
höher als in der Pneumatik
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2. Physikalische Grundlagen der Hydraulik
2.1
Druck
Hydraulik ist die Lehre von Kräften und Bewegungen, die durch Flüssigkeiten
übertragen werden. Sie ist der Hydromechanik zuzuordnen. Dabei unterscheidet
man die Hydrostatik – Kraftwirkung durch Druck mal Fläche – und die Hydrodynamik
– Kraftwirkung durch Masse mal Beschleunigung.
Hydromechanik
Flüssigkeitsdruck
(Hydrostatischer Druck)
Unter dem hydrostatischen Druck versteht man den Druck, der im Inneren einer
Flüssigkeit durch das Gewicht der Flüssigkeitsmasse über einer Höhe entsteht:
ps = h ⋅ ρ ⋅ g
T
T
ps
h
ρ
g
T
T
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= Hydrostatischer Druck (Schweredruck)
= Höhe der Flüssigkeitssäule
= Dichte der Flüssigkeit
= Erdbeschleunigung
[Pa]
[m]
[kg/m3]
[m/s2]
T
T
T
T
13
2. Physikalische Grundlagen der Hydraulik
Der hydrostatische Druck wird laut internationalem Einheitensystem SI in Pascal und
bar angegeben. Die Höhe der Flüssigkeitssäule erhält die Einheit Meter, die Dichte
der Flüssigkeit Kilogramm pro Kubikmeter und die Erdbeschleunigung Meter pro
Sekunde im Quadrat.
Der hydrostatische Druck, oder kurz Druck genannt, ist unabhängig von der Form
des Gefäßes. Er ist nur von der Höhe und Dichte der Flüssigkeitssäule abhängig.
Hydrostatischer Druck
Turm: h = 300 m
ρ = 1000 kg/m3
g = 9,81 m/s2 = 10 m/s2
T
T
T
T
T
T
kg
m
m ⋅ kg ⋅ m
N
⋅ 10 2 = 3 000 000
= 3 000 000 2
3
3
2
m
s
m ⋅s
m
pS = h ⋅ ρ ⋅ g = 300 m ⋅ 1000
T
T
pS = 3 000 000 Pa = 30 bar
T
T
Stausee: h = 15 m
ρ = 1000 kg/m3
g = 9,81 m/s2 = 10 m/s2
T
T
T
T
T
T
pS = h ⋅ ρ ⋅ g = 15 m ⋅ 1000
T
T
kg
m
m ⋅ kg ⋅ m
N
⋅ 10 2 = 150 000
= 150 000 2
3
3
2
m
s
m ⋅s
m
pS = 150 000 Pa = 1,5 bar
T
T
Hochbehälter: h = 5 m
ρ = 1000 kg/m3
g = 9,81 m/s2 = 10 m/s2
T
T
T
T
pS = h ⋅ ρ ⋅ g = 5 m ⋅ 1000
T
T
T
T
kg
m
m ⋅ kg ⋅ m
N
⋅ 10 2 = 50 000
= 50 000 2
3
3
2
m
s
m ⋅s
m
pS = 50 000 Pa = 0,5 bar
T
T
14
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2. Physikalische Grundlagen der Hydraulik
Jeder Körper übt auf seine Unterlage einen bestimmten Druck p aus. Die Größe des
Drucks ist abhängig von der Gewichtskraft F des Körpers und von der Größe der
Fläche A auf die die Gewichtskraft wirkt.
F
F
A1
A2
Kraft, Fläche
In der Abbildung sind zwei Körper mit unterschiedlichen Grundflächen (A1 und A2)
dargestellt. Bei gleicher Masse der Körper wirkt auf die Unterlage die gleiche
Gewichtskraft (F), aber der Druck ist wegen der unterschiedlichen Grundflächen
verschieden. Bei kleiner Grundfläche entsteht bei gleicher Gewichtskraft ein
größerer Druck als bei größerer Grundfläche (Bleistifteffekt).
T
T
T
T
Dieser Sachverhalt wird durch folgende Formel ausgedrückt:
p=
F
A
Einheit:
1 Pa = 1
N
m2
1 bar = 100 000
N
= 105 Pa
m2
T
T
p = Druck
Pascal [Pa]
F = Kraft
Newton [N]
A = Fläche
Quadratmeter [m2]
1N=1
kg ⋅ m
s2
T
T
Durch Umstellen ergeben sich die Formeln zur Berechnung der Kraft sowie der
Fläche.
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