Löcher im Steuerblock?

Kavitation ist die Bildung von kleinen Blasen in einer Flüssigkeit durch niedrigen Druck. Die Blasen entstehen aus gelösten Gasen oder Flüssigkeitsverdampfung.

Die Kavitation, mit der Produkte von SUN Hydraulik konfrontiert werden, wird durch niedrige Drücke verursacht, die durch hohe Strömungsgeschwindigkeiten entstehen. Durchströmt ein Fluid eine Blende, so steigt die Strömungsgeschwindigkeit und der statische Druck nimmt nach dem Gesetz von Bernoulli ab. Bei starkem Druckabfall kann im Öl gelöstes Gas austreten und Blasen bilden. Steigt der Druck wieder an, so implodieren die Gasblasen. Hierdurch entstehen kurzzeitige, sehr starke Druckstöße. Bei der Implosion der Gasblasen können Lichtblitze entstehen. Diesen Effekt nennt man Sonolumineszenz.

Kollabieren die Gasblasen nahe an einer festen Oberfläche, so wird diese durch die Druckspitzen stark belastet und Partikel können herausgebrochen werden. Es entsteht Kavitationserosion. Bei ausreichendem Druck hinter der Blende implodieren die Blasen kurz nach ihrer Entstehung – innerhalb des Einschraubventils – und verursachen keine Schäden. Falls die Gasblasen außerhalb des Einschraubventils nahe an der Gehäuseoberfläche zusammenfallen, so kann es dort zu einem Materialabtrag kommen. Die beschädigten Stellen haben unregelmäßige Konturen mit kleinen Kratern.

Die Erzeugung einer Hinterschneidung am Tankanschluss innerhalb der Formbohrung, um eine Distanz zwischen der Gehäuseoberfläche und den implodierenden Blasen zu schaffen, entschärft das Problem nicht. Hierdurch kann die Situation sogar verschlechtert werden, weil der Ablaufdruck verringert wird. Eine Verbesserung stellt eher eine Verkleinerung des Kanalquerschnitts am Tankanschluss der Formbohrung dar.

Hinweise

• Als Faustregel gilt: wenn Sie Kavitationserosion feststellen, kann diese mit einem um 5% erhöhten Staudruck wahrscheinlich, und mit 10% sicherlich gestoppt werden. Der Prozentsatz bezieht sich auf den Gesamtdruckabfall über das Ventil. Bei einem Druckabfall von 200 bar wird ein Staudruck von 10 bar (=5%) die Erosion vermeiden.
• Ein Wechsel des Gehäusematerials von Aluminium zu Strangguss verringert die Auswirkungen der Kavitationserosion um den Faktor 10.
• Die Einschraubventile von SUN, die am häufigsten Kavitationserosion verursachen, sind die Ventile mit druckausgeglichenem Kolbenschieber, die den Ölstrom von Anschluss 1 nach 2 regeln. Hierzu gehören die vorgesteuerten Druckbegrenzungsventile und Vorzugsstromregelventile.
• Bei Verwendung von direkt gesteuerten Druckbegrenzungsventilen (RD**), Druckfolgeventilen (SC**), und vorgesteuerten Druckbegrenzungsventilen mit Sitzkolben (RP*S, RV*S, and RP*T) entsteht keine Erosion in den Formbohrungen der Ventilgehäuse, weil bereits im Ablauf der Einschraubventile ein Staudruck erzeugt wird. Diese Ventile können leicht mit den Ventilen in Schieberbauweise ausgetauscht werden, da sie in dieselbe Formbohrung passen und gleiche Anschlussbelegungen haben.
• Die Verwendung eines entlastbaren Druckbegrenzungsventils für den drucklosen Umlauf einer Pumpe ist eine übliche Anwendung, die jedoch ein potentielles Problem enthält. Wenn die Entlastung gesperrt wird, um Systemdruck einzustellen, dann fließt der gesamte Volumenstrom der Pumpe unter hohem Druckabfall zum Tank. Bei günstigen Randbedingungen für Kavitation kann jeder Schaltzyklus Erosion verursachen. Das Problem kann durch höheren Druck hinter dem DBV oder durch ein Ventil mit Kolben in Sitzbauweise RV*S behoben werden.
• Most Die meisten Hydrauliksysteme sind nicht dafür gedacht, kontinuierlich einen Ölstrom über ein Druckbegrenzungsventil abfließen zu lassen. Häufig ist etwas falsch, wie z.B. eine Pumpendruckregelung, die über dem Wert der Systemdruckbegrenzung eingestellt ist.
• Für die Vermeidung von Erosion beim Einsatz von Vorzugsstromreglern (FR** und FV**) kann ich als einzige Lösung die Erzeugung eines Staudrucks vorschlagen.
• Bei Kavitation treten durch die Implosionen laute Geräusche auf. Wenn Sie die Geräusche beseitigen, dann haben Sie auch die Kavitation beseitigt.
• Im Fluid gelöste Luft verstärkt Kavitationserosion.
• Hohe Temperaturen erhöhen den Dampfdruck und steigern die Wahrscheinlichkeit von Kavitation. Erfährt ein Fluid einen Druckabfall von 200 bar, so steigt seine Temperatur um ca. 14°C. Eine Öltemperatur von 70°C steigt dann auf 84°C direkt hinter dem Ventil an. Dies ist kein Einfluss der Kavitation, sondern lediglich die Energieerhaltung.
• Wenn Sie ernsthaft hydraulische Energie in Wärme umwandeln wollen, müssen Sie an die Vermeidung von Kavitation denken. Der Trick ist der, den Druckabfall in zwei oder mehr Stufen zu erzeugen.
• Fluide wie Wasser oder Phosphorsäureester können schwerwiegende Schäden durch Kavitationserosion an Einschraubventilen anrichten, aber scheinen weniger Schäden an Gehäusen zu verursachen. Auch hier verringert eine Minderung des Druckabfalls das Problem.
• Wenn Sie im Internet den Suchbegriff Sonolumineszenz eingeben, dann lesen Sie die Informationen mit Vorbehalt. Ein immer noch verbreiteter Erklärungsversuch ist die Kernfusion.

Kavitation ist kein alleiniges Problem von SUN Hydraulik. Es ist ein natürliches Phänomen, für dessen Erzeugung man kein Einschraubventil benötigt. Eine einfache Blende ist ausreichend.

SUN ist im Besitz einer Vorrichtung zur Demonstration von Kavitation und den Folgen: Geräusch, Sonolumineszenz und Gehäuseerosion. Einer unserer Ingenieure, Dick Clark, hat diese Vorrichtung gebaut. In einem Bereich aus durchsichtigem Kunststoff, um den Ablauf eines Druckbegrenzungsventils herum, kann man den Vorgang erkennen. Die Demonstration ist sehr anschaulich, weil man erkennt, wie das Gehäusematerial langsam zerfressen wird. Mit Erhöhung des Staudrucks zieht sich der Strom an Gasblasen in das Einschraubventil zurück und das Geräusch hört auf.

Zusammengefasst gilt: eine Erhöhung des Staudrucks beendet Kavitationserosion oder beugt ihr vor; mit Gehäusen aus Strangguss anstelle von Aluminium wird das Ausmaß der Erosion verringert; die Verwendung eines Einschraubventils in anderer Bauweise beendet die Erosion.