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 Bestell-Nr.: Benennung: Bezeichnung: Stand: Autoren: Grafik: Layout: 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 1. Aufgaben einer Hydraulikanlage Presse mit Hochbehälter © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 = 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 © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 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. © Festo Didactic GmbH & Co. KG • TP 501 15