VSI - Verband Schmierstoff Industrie e.V.

Hydrauliköle

Hydrauliköle dienen in Maschinen der Kraftübertragung. Dabei wird durch eine Pumpe Öl durch eine Leitung gepumpt, an deren Ende ein Kolben durch das Hydrauliköl bewegt wird. Aufgrund des Hebelgesetztes lassen sich so mit vergleichsweise geringer Pumpleistung große Kräfte übertragen. Das folgende Bild mag dies veranschaulichen:

 

 

 

Was zunächst nach einem sehr einfachen Produkt aussieht (schließlich muss das Öl ja "nur" flüssig sein), entpuppt sich bei näherer Betrachtung als ein sehr aufwendiges Produkt, denn auch Hydraulikanlagen sind natürlich nicht so einfach aufgebaut und stellen daher ganz spezielle Anforderungen an das Hydrauliköl. In der folgenden Abbildung sind die Elemente einer typischen Hydraulikanlage zu sehen. Daneben sind die Anforderungen, die die einzelnen Elemente an das Öl stellen aufgeführt.

 

 

 

 

Aufgrund der zahlreichen und mehr oder weniger klar formulierten Anforderungen sind die Hydrauliköle normiert. Die DIN 51524 beschreibt die Mindestanforderungen an ein Hydrauliköl und die meisten Anlagenhersteller setzen die Verwendung eines solchen Öles voraus. Dennoch gibt es zwischen den auf dem Markt erhältlichen Ölen große Qualitätsunterschiede, obwohl alle Öle in der Regel die Anforderungen der DIN erfüllen. Die DIN wird nur zögernd dem Stand der Technik angepasst und viele Öle sind heute weit besser als die DIN verlangt. Einige Anlagenhersteller haben aus diesem Grund Anforderungsprofile, die über die DIN hinausgehen. Bestimmte Hydrauliköle, wie z. B. Produkte die in begrenztem Umfang Wasser aufnehmen können (sog. HLPD Öle) oder aber auch biologisch leicht abbaubare Produkte auf Esterbasis sind von der DIN nicht erfasst.

Die Hydraulikanlagenhersteller verlangen fast immer Produkte nach DIN 51524 Teil 2 "HLP" oder Teil 3 "HVLP". Öle dieser Qualität müssen ein bestimmtes Wasserabscheidevermögen, Filtrierbarkeit, Dichtungsverträglichkeit, Luftabscheidevermögen, Oxidationsstabilität, Verschleißschutz etc. besitzen.

Die DIN 51524 ist in einigen Teilen in Überarbeitung und wird in Kürze als Entwurf bzw. Weißdruck veröffentlicht.

In der DIN 51524 wird die Reinheitsklasse 21/19/16, versehen mit der Fußnote:

"Die Anforderungen an die Sauberkeit der Druckflüssigkeiten sind anlagenspezifisch. Durch Vereinbarung zwischen Lieferant und Verbraucher können entsprechende Reinheitsklassen festgelegt werden. Zu beachten ist, dass Öl bei Transport und Lagerung vielfältigen Einflüssen ausgesetzt ist. In jedem Fall muss durch sorgfältige Filterung der Druckflüssigkeit beim Einfüllen die für die Anlage geforderte Reinheit sichergestellt werden. Der in der Tabelle angegebene Wert 21/19/16 entspricht dem Stand der Technik, andere Werte bei Anlieferung können vereinbart werden."

Feinstpartikel beeinflussen die Lebensdauer der Anlage erheblich durch Abrieb und andere unerwünschte Nebenwirkungen. Aus diesem Grund schreiben die Hersteller von Hydraulikanlagen vor, dass das Öl über Spezialfilter in die Anlage gefüllt wird. Daher ergibt die Forderung nach einer Reinheitsklasse für Frischöl hier keinen Sinn, daher auch die Fußnote. Es gibt aber auch andere Probleme: wenn das Öl beim Hersteller in Fässer gefüllt wird, müssten diese vorher aufwendig gereinigt werden, um die Reinheitsklasse sicherzustellen. Bei Großcontainern ist das vielleicht noch machbar, nicht aber bei der großen Zahl an Fässern, die jeden Tag befüllt werden. Zumindest wird niemand bereit sein, die Kosten dafür zu tragen. Darüber hinaus entstehen Partikel auch bei Lagerung (Ölalterung, Metall aus der Faßwand etc.), d. h. selbst wenn das Frischöl eine bestimmte Reinheitsklasse einhält, kann es nach einigen Monaten Lagerung ganz anders aussehen, was die Reinheitsklasse betrifft. Aus den genannten Gründen (Filtervorschrift beim Befüllen, Kostenaufwand, Lagerung) ergibt diese Norm keinen rechten Sinn.

 

 

Was ist mit Reinheitsklasse gemeint?

Bei der Schadensanalyse an Hydraulik- und Schmieranlagen wird meistens eine Beschädigung der eingesetzten Komponenten, verursacht durch harte und in hoher Konzentration auftretende Feststoffpartikel im Betriebsmedium, als Ursache diagnostiziert.

Die allgemeine Beurteilung der Gesamtanlage in Bezug auf  Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit, geringe Wartungskosten und hohe Maschinenverfügbarkeit wird durch den Einsatz hochwertiger Komponenten, wie z. B. Ventile, Regelpumpen, Schmier- und Hydraulikmedien, beeinflusst.

Werden diese, meist teueren, Komponenten durch die Feststoffverschmutzung in den Hydraulik- und Schmiermedien beschädigt, treten Anlagenstörungen bis hin zum unverhofften, plötzlichen, nicht vorhersehbaren Anlagenstillstand auf.

 

 

Typischer Wälzlagerschaden durch zu hohe Verschmutzung des Öles

 

Die Intensität der Komponentenbeschädigung durch die Feststoffverschmutzung im Schmier- und Hydrauliköl ist abhängig von

  • Material der Verschmutzung (je härter die Partikel sind, desto größer ist die Komponentenbeschädigung)
  • Betriebsüberdruck (je höher der Betriebsüberdruck, desto stärker werden die Feststoffpartikel in den Schmierspalt gedrückt

Art und Wirkung der Verschmutzung im Öl

 

 

Größenverhältnisse der Partikel

 

Der Ausfall von Hydraulik- und Schmierkomponenten ist meistens auf folgende Ursachen zurück zu führen:

  • Grobe Partikel (> 15 µm): Plötzlicher Komponentenausfall

  • Feinverschmutzung (5-15 µm): Komponentenverschleiß, Leckagen, Ventilverblockungen

  • Feinstverschmutzung (< 2-5 µm):  Schlammansammlung im Öl, Schnellere Ölalterung

  • Wasser in Öl: Korrosion, Verschleiß, schnellere Ölalterung

Durch den Einsatz von hochwertigen Filtern mit Elementen, die

  • im Multipass-Test nach ISO 16889 ermittelte Partikelabscheidung über einen breiten Partikelgrößenbereich ausweisen

  • eine hohe Schmutzaufnahme haben

  • eine geringe Druckdifferenz am Filterelement und Gehäuse

  • eine hohe Kollaps-Berstdruck-Festigkeit

  • eine hohe dynamische Druck- und Volumenstrom-Pulsationsfertigkeit garantieren

wird die Konzentration der Feststoffverschmutzung in Schmier- und Hydraulikmedien merklich reduziert, mit dem Ziel einen vorzeitigen Komponentenausfall zu verhindern. Eine geringe Feststoffkonzentration in den einzelnen Partikelgrößen bei den Schmier- und Hydraulikmedien ist die Voraussetzung, dass die Gesamtanlage wirtschaftlich und zuverlässig betrieben werden kann.

Die im Hydrauliksystem vorhandenen Feststoffe können durch

  • Wiegen des im Betriebsmedium vorhandenen Schmutzes

  • Zählen der im Betriebsmedium  vorhandenen Partikel

  • optische Auswertung des auf einer Filtrationsscheibe abgelagerten Schmutzes

ermittelt werden.

 

 

Messverfahren für Feststoffverschmutzung

Wiegen der Schmutzmenge: Bei der gravimetrischen Analyse wird der Schmutz gewogen und in mg/l angegeben. Dieses Meßverfahren wird heute nur noch bei extrem hohen Flüssigkeitsverschmutzungen angewandt. Bei dieser Analysemethode wird das zu analysierende Betriebsmedium über eine Filtermembrane mit einer Porengröße von 0,8 µm geleitet. Das Gewicht der auf der Membrane abgelagerten Schmutzmenge wird mit Feinmeßwaagen ermittelt.

Zählen der Feststoffpartikel: Bei der für die Beurteilung der Feststoffverschmutzung des Betriebsmediums wichtigeren Zählung der im Öl vorhandenen Schmutzpartikel stehen zwei Meßverfahren zur Verfügung:

  • Mikroskopische Analyse

  • Elektronische Analyse

Bei der mikroskopischen Analyse wird ebenfalls der im Betriebsmedium vorhandene Schmutz mittels einer Filterscheibe mit einer Porengröße von 0,8 µm ausgefiltert. Der auf der Filterscheibe abgelagerte Schmutz wird nun mikroskopisch untersucht. Dabei werden die Anzahl, die Größe und der Werkstoff der auf der Filterscheibe vorhandenen Schmutzpartikel bestimmt. Da diese Analysemethode sehr aufwendig ist und ein sehr großes Fachwissen des Analysepersonals erfordert, wird dieses Verfahren heute nur noch zur Bestimmung des Partikelwerkstoffs verwendet. Häufig wird dann über Vergleichsmonitore der Verschmutzungsgrad der Flüssigkeit bestimmt.

Bei der elektronischen Analyse werden nur Größe und Anzahl der im Betriebsmedium enthaltenen Feststoffe bestimmt. Der Werkstoff, aus dem die Partikel sind, kann nicht ermittelt werden. Diese Analysemethode ist sehr einfach durchzuführen und das Ergebnis liegt sofort nach Abschluß der Untersuchung vor.

Außerdem kann diese Analysemethode im On-Line-Verfahren, also direkt an der zu untersuchenden Anlage und Off-Line-Verfahren im Fachlabor angewandt werden. Herzstück dieser Analysegeräte stellt der Partikelsensor dar. Eine Laserdiode sendet ein monochromatisches Licht (nur eine Wellenlänge) aus, das in einer Photodiode wieder aufgefangen wird und von dieser in elektrische Energie umgewandelt wird. Gelangt nun ein Feststoffpartikel in diese „Lichtschranke“, wird an der Photodiode eine, der Oberfläche des Partikels entsprechende, geringere Lichtmenge aufgefangen und ein Abfall der in der Diode erzeugten elektr. Spannung ist die Folge. Die Meßgrenzen der elektronischen Meßgeräte sind:

  • Zu hohe Verschmutzung: Wird eine Partikelanzahl von ca. 1,3 Mio überschritten, ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß sich mehrere Partikel in der Lichtschranke befinden und somit als ein großer Partikel gemessen werden.

  • Mehrere Partikel: werden als ein Partikel gemessen. Dies wird meist verursacht durch statische elektrische Anziehungskräfte oder durch Additive im Öl. Bei Labormessung wird dies durch Schütteln der Ölprobe und anschließender Weiterbehandlung durch Ultraschall verhindert.

  • Freies Wasser und Luftblasen: verfälschen das Meßergebnis. Da diese Verunreinigungen meist als große Partikel dargestellt werden, sind diese bei der On-Line-Messung leicht zu annullieren. Wegen des hohen Wassergehaltes bei HFA, HFB, HFC und wäßrigen Kühlemulsionen ist eine Partikelanalyse mit elektronischen Partikelzählern grundsätzlich nicht möglich.

  • Dunkle Druckflüssigkeit: Der Lichtstrahl kann die Flüssigkeitssäule in der Meßstrecke nicht durchdringen und somit keine Partikel erkennen.

Klassifizierung der Feststoffverschmutzung

Die Klassifizierung der Feststoffverschmutzung in Schmier- und Hydraulikflüssigkeiten erfolgt durch die Reinheitsklasse nach ISO 4406/1999. Bei diesem Verfahren werden zur Definition der Ölreinheitsklasse die Feststoffpartikel gezählt, die in 100 ml Flüssigkeit vorhanden sind. Zur Bildung der Ölreinheitsklasse werden die gezählten Partikel nach Größe und Anzahl geordnet und in die von der Klasse vorgegebenen Partikelbereiche eingeteilt.

 

 

Reinheitsklasse nach ISO 4406/1999

Bei dieser international gültigen Reinheitsklasse, die 1999 neu überarbeitet wurde, werden die im System gezählten Partikel nur in zwei bzw. drei Größenbereiche eingeteilt:

Bei Partikelzählung mit dem elektronischen Partikelzähler

  • Größer 4 µm

  • Größer 6 µm

  • Größer 14 µm

Bei der Partikelauszählung mit dem Mikroskop werden die Partikel in die Größe

  • Größer 5 µ

  • Größer 15 µm

Bei der Klassifizierung nach ISO 4406/1999 werden die gezählten Partikel den Partikelgrößenbereichen zugeordnet. Der ISO-Code gibt die max. Partikelanzahl an. Dieser Code wird für jeden Partikelgrößenbereich neu bestimmt. Die mit elektronischen Partikelzählern ermittelte Reinheitsklasse des Öles wird somit durch eine dreiteilige Zahlenkombination angegeben, z. B. 21/18/15.

> 4µm

> 6 µm

 

> 14 µm

ISO Code

Partikelanzahl/100 ml

ISO-Code

Partikelanzahl/100 ml

 

ISO-Code

Partikelanzahl/100 ml

(nach ISO 4406)

Von

Bis

(Nach ISO 4406)

Von

Bis

 

(Nach ISO 4406)

Von

bis

10

500

1000

10

500

1000

 

10

500

1000

11

1000

2000

11

1000

2000

 

11

1000

2000

12

2000

4000

12

2000

4000

 

12

2000

4000

13

4000

8000

13

4000

8000

 

13

4000

8000

14

8000

16000

14

8000

16000

 

14

8000

16000

15

16000

32000

15

16000

32000

 

15

16000

32000

16

32000

64000

16

32000

640000

 

16

32000

64000

17

64000

130000

17

64000

130000

 

17

64000

130000

18

130000

260000

18

130000

250000

 

18

130000

260000

19

260000

500000

19

260000

500000

 

19

250000

500000

20

50000

1000000

20

500000

1000000

 

20

500000

1000000

21

1000000

2000000

21

1000000

2000000

 

21

1000000

2000000

22

2000000

4000000

22

2000000

4000000

 

22

2000000

4000000

23

4000000

8000000

23

4000000

8000000

 

23

4000000

8000000

Im Zuge der Einführung der neuen ISO-Normen und Testverfahren ist die bisherige NAS-Klassifizierung überholt. Sie wird ersetzt durch die SAE AS 4059: 2001. Anders als in den NAS 1638 wird kein Partikelgrößenspektrum (z. B. 2-5 µm, usw.) abgefragt, sondern wie in ISO 4406 die Schnellwerte (<4, <6, <14, <21, <38, <70µm.

Die neue SAE AS 4059: 2001 hat somit exakt den gleichen Aussagegehalt wie ISO 4406 und gibt zusätzliche Information über die Verteilung bei größeren Partikeln.

Arbeitsweise mit der ISO 4406/99

 

Bewertung der Feststoffverschmutzung

Grundlage bei der Bewertung der ermittelten Feststoffverschmutzung in Hydraulik- oder Schmierölen sind jahrelange Untersuchungen der Schadensbilder von ausgefallenen Komponenten bzw. Oberflächenstrukturen von Komponenten mit einer langen Laufleistung im Rahmen von Revisionsarbeiten. Dabei muß zusätzlich beachtet werden, daß hohe Betriebsüberdrücke, Systeme mit hohem Volumenstrom und/oder Druckpulsation die Komponenten zusätzlich belasten. Eine Reduktion der Ölreinheitsklasse um mindestens eine Klasse ist zu empfehlen. Ebenfalls sollte bei der Bewertung der ermittelten bzw. für einen störungsfreien Betrieb notwendigen Reinheitsklasse die Aufgabe der Maschine mit in die Überlegungen einbezogen werden. Handelt es sich um eine Maschine, die eine Schlüsselposition im Fertigungsablauf einnimmt, sollte die Reinheitsklasse ebenfalls um mindestens eine Klasse reduziert werden. Von den meisten Komponentenherstellern sind Mindestanforderungen an die Feststoffverschmutzung im Hydraulik- und Schmieröl definiert.

 

 

Schmierstoff-Reinheitsklasse in Schmiersystemen bei Getrieben

 

 

Reinheitsklassenanforderungen von typischen Hydraulikkomponenten

Die in Schmier- und Hydrauliksystemen eingesetzten Filter haben die Aufgabe, die vorgegebene Feststoffverschmutzung einzuhalten. Damit dieses Ziel erreicht werden kann, müssen diese Filter möglichst nahe an der Schmutzeintragstelle angebracht werden die notwendige Filterfeinheit aufweisen im größten Volumenstrom eingebaut werden, damit eine hohe Tankumwälzung erreicht wird Wenn möglich sollte die Systemfiltration durch eine wirksame Tankumwälzung (Nebenstromfiltration) unterstützt werden Damit Beschädigungen am Filterelement vermieden werden, und ein wirtschaftlicher, kostenoptimierter Elementwechsel möglich ist, sollte der Filter mit einer aktiven  Verschmutzungsanzeige, die bei Nichtbeachten die Anlage still setzt, versehen werden.

 

Ölreinheitsklassen von Neuöl

 

Mindestanforderungen an die Feststoffverschmutzung in Hydraulikanlagen

 

 

Zusammenfassung der von den Komponentenherstellern empfohlenen Reinheitsklasse und der notwendigen Filterfeinheit

 

Diese Empfehlungen sollen dazu führen, dass die vom Betreiber geforderte Komponentenlebensdauer und somit die Einsatzdauer der gesamten Anlage erfüllt werden kann. Die Aufgabe der im System eingesetzten Hydraulikfilter und deren richtige Platzierung im System ist es, diese Reinheitsklassenforderungen über den gesamten Betriebszeitraum der Anlage umzusetzen und einzuhalten. Vor allem bei Neuölen, die in Fässern, Tankwagen oder Minicontainern angeliefert werden, ist mit einer unzulässig hohen Feststoffverschmutzung zu rechnen.

 

Anlieferungszustand Neuöle

Systemart

Anforderung

Anlieferungszustand

200 l Faß Neuöl

Reduktion der Anlagenverfügbarkeit bei ungefilterter Neubefüllung

Allgemeiner Maschinenbau und Arbeits-

19/17/14

23/21/18

4 mal

hydraulik mit elektr. betätigten Ventilen

 

21/19/16

(Anforderung in

DIN 51524)

2 mal

einfache Steuerungen mit Servo-

15/13/10

23/21/18

7 mal

und Proportional-steuerelementen

 

21/19/16

(Anforderung in

DIN 51524)

5 mal


Zum Vergleich: typische Verschmutzung von Frischöl

 

Befüllen von Anlagen mit Neuöl

Wie bereits erwähnt, weisen die Ölgebinde mit Neuöl, mit dem die Anlage nach der Montage des Gesamtgerätes befüllt werden soll, sehr große Unterschiede bei den Feststoffpartikeln bzw. den Ölreinheitsklassen auf. Wird z. B. eine Anlage, die mit einer Ölreinheit von 19/17/14 betrieben werden soll, mit Neuöl aus Fassware mit einer Ölreinheit von 23/21/18 befüllt, ist mit einer Reduktion der Maschinen- und Komponentenverfügbarkeit um den Faktor 4 zu rechnen. Eine gravierende Komponentenbeschädigung erfolgt meist bereits in der Inbetriebnahmephase und Komponententausch während der Gewährleistungszeit ist meist die Folge. Außerdem wird das Image des Maschinen- und Anlagenherstellers negativ beeinflusst.

 

Zur Begrenzung dieser Inbetriebnahmeschwierigkeiten wird der Einsatz von Befüllfilterstationen dringend empfohlen. Diese Aggregate müssen mit Filterelementen ausgerüstet sein, die mindestens die gleiche Filterfeinheit aufweisen wie die in der Gesamtanlage vorgesehenen Filter (bzw. Ölreinheitsklasse). Außerdem müssen die Filterelemente eine hohe Schmutzaufnahme aufweisen, da mit einem hohen Schmutzanfall zu rechnen ist (ca. 10-20 mg/l).

Während des Befüllen des Hydraulik- bzw. Schmieröltanks über die Filterstation und einem möglichst drucklosen Betrieb der Gesamtanlage während der Inbetriebnahmephase muß der Tankinhalt ständig weiter über die Befüllstation im Nebenstrom gefiltert werden.

Nachfüllen von Neuöl während des Betriebes der Anlage: Ist die Anlage im Betrieb, haben die eingesetzten Systemfilter die notwendige Ölreinheitsklasse realisiert und stabilisiert. Die im System vorhandene Ölreinheitsklasse berechnet sich nach der Formel

Verringert sich die im Tank befindliche Ölmenge, z. B. durch Leckageverlust, muss Neuöl nachgefüllt werden (gleiche Ölsorte vom gleichen Ölhersteller ist zwingend zu empfehlen). Dieses Neuöl muss ebenfalls gefiltert eingefüllt werden. Bereits geringe Mengen verschmutztes Neuöl (unter 10 % des Tankinhaltes) bewirken eine Erhöhung der Ölreinheitsklasse um mindestens zwei Klassen und die Gefahr einer Komponentenbeschädigung ist groß. Außerdem weisen die im System eingesetzten Systemfilter eine kürzere Elementstandzeit auf.

Filtersysteme zur Reduktion der Feststoffverschmutzung: Hydraulik- und Schmierfilter haben die Aufgabe, die Festverschmutzung in den Systemen zu reduzieren. Damit diese Aufgabe wirksam erfüllt werden kann, müssen die Elemente die nachstehenden Qualitätsmerkmale erfüllen.

  • Hohe ßx-Werte
  • Hohe ßx-Wert-Stabilität
  • Hohe Schmutzaufnahmekapazität
  • Niedrige Langzeit-Druckverlustkurve
  • Hohe Kollaps-/Berstdruckfestigkeit
  • Hohe Durchflussermüdungsfestigkeit
  • Gute Medienverträglichkeit

Der für die Leistungsbeurteilung von Elementen wichtigste Test ist der Multipass-Test nach ISO 16889. Dabei werden die Partikelabscheidung, die Schmutzaufnahme und der Druckverlust am Element ermittelt.

 

 

 

 

Literatur:

Martin Reik, Fa. Hydac, VSI-Rundschau 1/2005

Schmierstoffe im Betrieb, Springer-Verlag, Berlin, 2002

Schwerentflammbare Hydraulikmedien vom Typ HFA, Tribologie und Schmierungstechnik, 3/2005

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