Will D., Gebhardt N. (Hrsg.) Hydraulik: Grundlagen, Komponenten, Schaltungen
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richtung i. Allg. umkehrbar ist. Die Projektierung des Leitungsnetzes umfasst die
folgenden Auswahlschritte: Halbzeug und Werkstoff, Rohrabmessungen (Innen-
durchmesser und Wanddicke), Verlegungsvorschriften (z. B. Biegeradien, Be-
festigung).
Halbzeug und Werkstoff
Es werden fast ausnahmslos nahtlose Präzisionsstahlrohre (DIN EN 10305-1/4)
verwendet. Der Zusatz „Präzision“ weist auf eine hohe Maßhaltigkeit und gute
Oberflächenqualität, was besonders beim Außendurchmesser für die Funktions-
sicherheit der Schneidringrohrverschraubung (s. Abschn. 10.3.2) notwendig ist.
Die Rohre werden kaltgezogen oder kaltgewalzt und normalgeglüht; auf Grund
des Feinkorngefüges sind sie gut kaltverformbar, was für das Biegen und Bördeln
notwendig ist. Als Werkstoffe kommen unlegierte Stähle mit erhöhter Güte (be-
sonders beruhigt vergossen) zum Einsatz: E235 und für höhere Drücke bzw. not-
wendige Wanddickenreduzierungen E355.
Rohrabmessungen
Bei der Rohrdimensionierung gehen die beiden Betriebsparameter Durchfluss-
strom
Q und Druck p ein. Der Durchflussquerschnitt und damit der Rohrinnen-
durchmesser
sind so zu wählen, dass bei gegebenem Durchflussstrom bestimmte
Strömungsgeschwindigkeiten in den einzelnen Leitungstypen nicht überschritten
werden. In der Praxis bewähren sich die in Tabelle 10.5 angegebenen Richtwerte,
die auf dem Kompromiss zwischen Druckverlust (s. Abschn. 4.4.1) und Ab-
messungen basieren.
Tabelle 10.5 Richtwerte für Strömunsgeschwindigkeiten in Rohrleitungen
Art der Leitung zulässige Strömungsgeschwindigkeit v
zul
in [m/s]
Saugleitungen 0.5 bis 1,5
Druckleitungen bis: 100 bar 2,0 bis 4,0
bis 200 bar 4,0 bis 5,5
> 250 bar 6,0 bis 10,0
Rücklaufleitungen 2,0 bis 4,0.
Durchflussquerschnitt und Innendurchmesser („Nennweite“ NW) erhält man aus
.4//
2
izul
dvQA
S
(10.4)
Der Markt bietet natürlich nur Rohre in bestimmten Normabmessungen an. Bei
der Bestimmung von Wanddicke und
Rohraußendurchmesser ist die Festigkeit der
Leitung zu sichern, deshalb geht auch der Werkstoff als Einflussgröße ein. Für Be-
rechnungen stehen die Normen DIN ISO 10763 und DIN EN 13480 zur Ver-
fügung. Bei dynamischen Drücken (Druckschwellbelastung) ist die DIN 2413 zu
berücksichtigen. In der Projektierungspraxis werden oft Herstellerangaben über
die Zuordnung von zulässigen Drücken zu den genormten Rohrabmessungen
10.3 Leitungen und Leitungsverbindungen 319
(DIN EN 10305) genutzt. Zu beachten ist die nach DIN EN 13480 geforderte Ver-
größerung der Wanddicke bei Rohrbiegungen wegen der möglichen Ver-
formungen des Kreisringquerschnitts und der Veränderung der Wanddicke [10.5]:
Biegeradius Mindestwanddicke vor dem Biegen
r = 1,5 · d
a
1,25 · s
r = 2 · d
a
1,20 · s
r = 3 · d
a
1,13 · s
Dabei ist
s die erforderliche Mindestwanddicke für gerades Rohr.
Die im Biegeprozess mögliche Unrundheit ist nicht vorrangig ein optischer
Mangel, sondern wegen der Veränderung der Quersteifigkeit ein Festigkeits-
problem. Als maximal zulässige Unrundheit (d
a,max
-
d
a,min
)/ d
a,nenn
sind 10 % zu
betrachten. Die Beschränkung des Festigkeitsproblems auf den Rohrinnendruck
wird der Praxis nicht gerecht. Die Ursache aufgetretener Rohrbrüche lag in der
äußeren Beanspruchung, vor allem in Form dynamischer Biegemomente oder
durch die unzulässige Nutzung des Rohres als Tragelement. Zu den Grundregeln
der Gestaltung von Leitungsnetzen gehört deshalb die sichere Befestigung und
Abstützung mit Hilfe von
Rohrschellen [10.6]. Leitungen können nicht nur gerad-
linig verlegt werden, denn die Gegebenheiten der Anlage verlangen auch
Richtungsänderungen – z. T. mit Bewegungsmöglichkeit – im Leitungsnetz. Die
technische Realisierung ist möglich mittels
Rohrbogen, Rohrverschraubung (s.
Abschn. 10.3.2) oder
Schlauch (s. Abschn. 10.3.3).
Sowohl aus energetischer (Druckverluste) als auch technologischer Sicht ist die
Anzahl der Leitungsverbindungen (Rohrverschraubungen) zu minimieren. Ein ge-
bogenes Rohr ist also einer Richtungsänderung mittels Winkelverschraubung vor-
zuziehen. Beim Biegen von Rohren dürfen zulässige Biegeradien nicht unter-
schritten werden (DIN 5508). Als Richtwerte gelten:
azula
dbisrmmd d )35,2(:18
azula
dbisrmmd ! )43(:18 .
Das Kaltbiegen hat gegenüber dem Warmbiegen Vorrang, wobei die gute Kalt-
umformbarkeit der genormten Präzisionsstahlrohre zugute kommt. Es sind ent-
sprechende Biegevorrichtungen zu verwenden. Bei der Montage (s. Abschn. 11.1)
selbst ist auf höchste Sauberkeit und Genauigkeit zu achten. Nach mechanischen
Bearbeitungen sind alle Späne sorgfältig zu entfernen und die Leitungen an-
schließend zu spülen. Warmgebogene Rohre sollten wegen möglicher
Verzunderung gebeizt und nachfolgend ebenfalls gespült werden. Falls die
Leitungsnetze Richtungsänderungen mit Unterschreitung der zulässigen Biege-
radien erfordern, empfiehlt sich der Einsatz einbaufertiger Rohrbögen.
10.3.2 Rohrverschraubungen
Die Elemente zur
lösbaren Verbindung zwischen Leitungen untereinander (Rohr/
Rohr, Rohr/Schlauch) sowie zwischen Anlagenkomponenten (Geräten) und Lei-
320 10 Zubehör
tungen werden unter dem Begriff Rohrverschraubungen zusammengefasst. Bei
größeren Nennweiten (ab NW 32) werden Flanschverbindungen angewendet.
Die Hauptanforderungen an Rohrverschraubungen sind:
Gewährleistung der Dichtheit und damit hoher Leckagesicherheit auch bei ver-
änderlichen Bedingungen (Druckstöße, Temperaturschwankungen, Schwin-
gungen),
hohe Ausreißfestigkeit bei Längsbeanspruchung,
einfache und sichere Montage durch
x kurzen Anzugsweg
x kontrollierbares Anziehen mit angemessenen Drehmomenten
x kein Nachziehen
x problemlose Demontage und Wiederholmontage,
– Passfähigkeit für die nationalen und internationalen Normen.
Als wichtigster Montageparameter stellt sich das
Anziehdrehmoment für die
Überwurfmutter dar. Die Angaben der Hersteller von Rohrverschraubungen sind
immer nur als Richtwerte zu betrachten. Aufgrund zahlreicher Einflussfaktoren
wie Gewindetoleranzen, Oberflächenrauigkeiten, Beschichtungsdicken, Lage-
toleranzen der Gewindemittellinie zur Abdichtfläche muss in der Praxis von An-
wendungsfall zu Anwendungsfall der günstigste Wert gefunden werden. In der
modernen Rohrverbindungstechnik wird mehr und mehr zu weg- bzw. winkelab-
hängigen Anziehmethoden übergegangen.
Rohrverschraubungen müssen zu den sicherheitsrelevanten Elementen gezählt
werden, sie beeinflussen unmittelbar die Betriebssicherheit und heute geforderte
Leckagefreiheit und tragen deshalb entscheidend zur Akzeptanz der im harten
Wettbewerb zu alternativen Antriebslösungen stehenden hydraulischen Systeme
bei. Neue Lösungen werden aktuell beim
Oberflächenschutz entwickelt, denn die
EU-Altauto-Richtlinie Nr. 2000 (verbindlich ab 07/2007) verbietet den Einsatz der
Chrom-VI-haltigen Überzüge (sechswertiges Chrom) [10.15]. Alternativen sind
Zink- oder Zink- Nickel-Schichten mit einer zusätzlichen anorganischen oder or-
ganischen Versiegelung [10.15]. Das VDMA-Einheitsblatt 24576 legt An-
forderungen an Cr(VI)-freie Korrosionsschutzschichten für fluidtechnische Bau-
teile fest und definiert die Wirksamkeit über die Einführung von
Korrosionsschutzklassen (K1 bis K5).
Die Beanspruchung des Leitungssystems und der Rohrverbindungen stellt sich in
Form eines Belastungskollektivs als Resultierende aus statischen und dynami-
schen Lasten dar. Vor allem die durch Schwingungen von außen oder durch
Druck- und Strompulsationen über die Druckflüssigkeit von innen angeregten
dy-
namischen Beanspruchungen
sind sehr schwer zu ermitteln und in die Auslegung
einzubeziehen.
Die auf den ersten Blick unscheinbar und problemlos wirkende Rohrver-
bindungstechnik hat aufgrund der immer höheren Anforderungen an
Leckagefreiheit („trockene Hydraulik“) und Sicherheit in den letzten Jahren einen
umfangreichen Entwicklungsweg mit zahlreichen Innovationen durchlaufen
10.3 Leitungen und Leitungsverbindungen 321
[10.13]. Die über Jahrzehnte dominierende Schneidringverschraubung ist modi-
fiziert und durch
Bördelverschraubungen,
Schweißnippel-(Schweißkegel-) verschraubungen,
Umformsysteme
in verschiedenen Ausführungen ergänzt und teilweise ersetzt worden. Während
die „klassische“ Schneidringverschraubung auf einer rein metallischen Dichtung
beruht, sind heute zahlreiche Kombinationen mit Elastomeren (Weichdichtungen)
auf dem Markt [10.6].
Abbildung 10.3 soll beispielhaft die Veränderungen veranschaulichen, die sich
im Laufe der Entwicklung vollzogen haben und inzwischen weiter gegangen sind.
1 2a 432b
444
4333
2
2 3
432
1935 19951985197019601940
Jahr
metallisch
gedichtete
Trennstellen
weich
gedichtete
Trennstellen
a b
Abb. 10.3 Rohrverschraubungen. a charakteristische Dichtstellen b Veränderungen des Dicht-
prinzips [10.12]
Das Feld 1 steht für Dichthilfen wie in der Wasserinstallation (z. B. Hanf). Die
Ziffer 2a bezeichnet Einschraubzapfen mit zylindrischem Gewinde und plan-
dichtenden Metallringen (z. B. Kupfer). Im nächsten Entwicklungsschritt wurde
die angearbeitete Dichtkante eingeführt (2b), für die heute O-Ring- oder Profil-
dichtungen zum Einsatz kommen.
Abb. 10.4 Rohrverschraubungen nach ISO 8434 Teil 1: Schneidringverschraubung 24°
(auch DIN 2353) Teil 2: Bördelverschraubung 37° (auch SAE J514) Teil 3: Bördelver-
schraubung 90°, flachdichtend (auch SAE J1453) Teil 4: Schweißkegelverschraubung 24°
(auch DIN 3865) [10.11]
322 10 Zubehör
Jede Hydraulikverschraubung hat zwei Seiten: die Einschraubseite und die
Rohranschlussseite. Wesentliche Maße der Elemente einer Rohrverschraubung
sind seit langem national und international genormt, s. Abb. 10.4 und 10.5. Beson-
ders wichtig ist dabei der Kegel des Verschraubungsstutzens. Der Gestaltungs-
spielraum für die Hersteller ist damit eingegrenzt und bezieht sich eigentlich nur
auf das Dichtprinzip und die Dichtelemente.
Abb. 10.5 Relevante Normen als Rahmen für Rohrvorschraubungen [10.11]
An Hand von Beispielen soll die Wirkungsweise lösbarer Leitungsverbindungen
erläutert werden. Die
Schneidringverschraubung (s. Abb. 10.4 und 10.6) ist wegen
ihrer einfachen Montagetechnologie (Ablängen des Rohres, Montage der Ver-
bindung „Vor Ort“ mittels Gabelschlüssel) bisher die am häufigsten angewendete
Leitungsverbindung.
Abb.10.6 Schneidringverschraubung (Typ EO, PARKER). a vor dem Anzug der Überwurf-
mutter b nach dem Anzug der Überwurfmutter
Die Verbindung entsteht dadurch, dass beim Anziehen der Überwurfmutter der
mit ein, zwei oder drei Schneidkanten versehene Dichtring in den Innenkonus des
Schraubstutzens gepresst wird und dabei in das feststehende Rohrende einschnei-
det [10.6, 10.8]. Voraussetzung ist die Verwendung nahtloser Präzisionsstahl-
rohre. Die Abdichtung erfolgt metallisch durch Pressung zwischen Dichtring,
Innenkonus und Rohr. Als Beispiel für die Detailgestaltung im Hinblick auf
10.3 Leitungen und Leitungsverbindungen 323
optimale Funktion sei auf Abb. 10.6 verwiesen: Schneide A dringt in Rohr, bevor
Schneide
B zum Eingriff kommt; Stoppkontur C verhindert den weiteren Vor-
schub, wenn der vorgesehene Einschnitt erreicht ist; die Innenkontur D bewirkt
höhere Sicherheit bei Biegewechselbeanspruchung; Bundaufwurf E muss den
Raum vor der ersten Schneide ausfüllen Es ist wichtig, dass alle Elemente der
Verschraubung im elastischen Bereich bleiben, da nur so die Betriebsbe-
anspruchungen in Form von Druck, Druckstößen und Schwingungen auf-
genommen werden können. Damit die funktionsnotwendige Montagevorspannung
auch unter Betriebslast gehalten werden kann, dürfen die Schneidringe keine
plastische Verformung erfahren. Schneidringe wurden deshalb bezüglich ihrer
Geometrie immer wieder optimiert; ein Beispiel zeigt Abb. 10.8.
a
b
c
Abb.10.7 Schneidringverschraubung (VOSS). a Typ ES-4 mit zwei Schneiden und zusätz-
licher Feindichtung durch Weichdichtelemente im Sekundärbereich b, c Typ ES-4VA mit
Labyrinthdichtung rohrseitig und FKM-Formdichtung b vor dem Anzug c nach dem An-
zug
Abb.10.8 Schneidringverschraubung (EATON WALTERSCHEID) mit optimierter, paten-
tierter Ringgeometrie („Profilring“)
Als Risiko für Schneidringverschraubungen erweist sich die Gefahr der Unter-
montage, das heißt ein Anziehen mit zu geringem Drehmoment bei großen Rohr-
abmessungen über ca. 16 mm. Eine wesentliche Verbesserung der Montagesicher-
324 10 Zubehör
heit lässt sich durch die Vormontage in speziellen Stutzen oder mittels einer Vor-
montagemaschine und anschließend eine über den Drehwinkel gesteuerte End-
montage erzielen [10.6].
c
Abb. 10.9 Bördel-Rohrverschraubung 37°. a SAE-Bördel-Rohrverschraubung (Grundtyp)
b Kombination mit Weichdichtung ( EATON WALTERSCHEID) c Typ VFM (VOSS)
Bei der Bördelverschraubung (s. Abb. 10.9, weiteste Verbreitung in den USA)
sind Halte- und Dichtfunktion getrennt. Die Haltefunktion wird durch das Auf-
bördeln des Rohrendes und die über einen Stützring angreifende Überwurfmutter
gesichert. Für die Umformung des Rohrendes sind Apparate notwendig, die von
den Herstellern angeboten werden.
Abb. 10.10 Umformverschraubung WALFORM (EATON WALTERSCHEID)
Ein völlig neues System kam 1995 mit dem Rohr-Umformsystem WALFORM der
Fa. WALTERSCHEID auf den Markt, s. Abb. 10.10. Das Rohrende wird maschi-
nell so angestaucht (Abb. 10.11), dass es formschlüssig den Bauraum zwischen
24°-Konus im Stutzen und 90°-Konus der Überwurfmutter ausfüllt. Die Merkmale
– hohe Montagesicherheit,
– niedriges Montagedrehmoment und kurzer Anzugsweg,
– ausreißsicher durch formschlüssige Verbindung,
– Verwendung der genormten Standardteile der Verbindungstechnik.
a
b
10.3 Leitungen und Leitungsverbindungen 325
führten bereits zu einer guten Markteinführung, vor allem auch wegen der Akzep-
tanz in Sicherheitsbereichen. Inzwischen gibt es auch weitere Hersteller für dieses
Konzept.
Abb. 10.11 Umformverschraubung, technologisches Schema (EATON WALTERSCHEID)
Für Rohrleitungen, die Dreh- oder Schwenkbewegungen ausführen müssen,
stehen richtungseinstellbare Winkelverschraubungen und Rohrgelenke zur Ver-
fügung.
Charakteristisch für alle Konzepte moderner Rohrverschraubungen ist, dass die
unterschiedlichen inneren Dichtelemente der einzelnen Anbieter immer in die ge-
normten Kegel der Verschraubungsstutzen passen, vgl. Abb.10.12.
Abb. 10.12 Rohrverschraubungssystem (EATON WALTERSCHEID). Varianten bei ein-
heitlichen Anschluss- und Verschraubungsteilen nach DIN 2353
326 10 Zubehör
Die bisher betrachtete Verbindungstechnik bezieht sich auf den Rohr-
abmessungsbereich 6 bis 42 mm. Für größere Abmessungen kommen Flanschver-
bindungen zum Einsatz; Beispiele zeigt Abb. 10.13.
a
b
Abb. 10.13 Flanschverbindungen (VOSS) a Bauformen b Spezialausführung für sicher-
heitsrelevante Bereiche
Für das Verbinden von Schläuchen sind auch gewindelose Hydraulikarmaturen
entwickelt worden wie das Quick-Lok-System von GATES. Ohne eine Schraub-
bewegung wird die Verbindung durch das Einrasten der Armatur in den vorinstal-
lierten Adapter des Bauteils hergestellt. Das Klickgeräusch ist die Rückmeldung
für eine exakte Montage und die damit gewährleistete Dichtheit. Die Einsparung
an Montagezeit liegt auf der Hand [10.19].
10.3.3 Schlauchleitungen
Mit Schläuchen werden flexible Verbindungen im Leitungsnetz hergestellt. Der
Einsatz leitet sich aus den Eigenschaften und konstruktiven Möglichkeiten ab:
Relativbewegung der angeschlossenen Elemente (die Alternative Rohrgelenk
ist aufwendiger und energetisch ungünstiger, da höhere Druckverluste),
Leitungsverlegung unter ungünstigen räumlichen Bedingungen,
Einsparung aufwendiger Anpassarbeiten bei der Installation des Leitungsnet-
zes,
Dämpfung von Druckspitzen (elastische Schlauchaufweitung, Speicherwir-
kung), Schwingungen und Geräuschen,
Masseeinsparung am Leitungsnetz, z. B. in der Mobilhydraulik,
in Kombination mit Schlauchkupplungen wird schnelles und bequemes An-
und Abkoppeln von Teilanlagen (Anbau-, Zusatzgeräte) möglich.
10.4 Filter 327
Schläuche werden für verschiedene Druckstufen bis zu Höchstdruckaus-
führungen von 600 bis 700 bar zulässigen Betriebsdruck angeboten [10.14].
Hydraulikschläuche sind gegenüber dem Bersten mit einer 4-fachen Sicherheit,
bezogen auf den maximalen Arbeitsdruck, herzustellen. Die
Druckbelastbarkeit
wird durch einen mehrschichtigen Aufbau aus synthetischem Kautschuk mit ein-
vulkanisierten Armierungen aus Textil- und/oder Metallgewebe erreicht. Höchst-
druckschläuche enthalten Drahtspiraleinlagen, bei denen die Einzeldrähte im
Gegensatz zu Geflechten (kreuzende Drähte) nur Zugkräfte und keine Scherkräfte
aufzunehmen haben. Bei der Auswahl sollten die Angaben der Hersteller genutzt
werden. Die Bestimmung der Nennweite erfolgt prinzipiell nach gleichen
Kriterien wie bei den Rohrleitungen.
Bei der Anlagenprojektierung sollte immer beachtet werden, das Schlauchlei-
tungen trotz ihres hohen technischen Standes eine Schwachstelle im System dar-
stellen. Neben der
Steifigkeitseinbuße infolge des wesentlich kleineren Kom-
pressionsmoduls (s. Abschn. 3.3.2) müssen Schläuche gegenüber mechanischen
Beschädigungen und thermischen Überbeanspruchungen besonders geschützt
werden. Die Grundregeln für die
Montage werden in Abschn. 11.1 vorgestellt.
Rohrgelenke sind unempfindlicher gegen mechanische Beschädigung, gegen
Drucküberlastungen und Temperatureinwirkungen als Schläuche. Ihr kleiner Um-
lenkradius gestattet die Gestaltung raumsparender Konstruktionen. Rohrgelenke
werden für Bewegungen in einer, zwei oder drei Ebenen hergestellt.
10.4 Filter
10.4.1 Funktion und Kenngrößen
Schmutz muss als der Hauptfeind der Hydrauliksysteme angesehen werden. Statis-
tiken zur Schadensfallanalyse besagen, dass über 70% der Störungen durch die
Druckflüssigkeit und dabei besonders durch Verschmutzung verursacht worden
sind. Diese Aussage dürfte beim aktuellen Stand der Technik nicht mehr haltbar
sein, aber eindeutig nachweisbar ist die Verlängerung der Lebensdauer aller Hyd-
raulikkomponenten und damit eine Erhöhung der Zuverlässigkeit und Verfügbar-
keit der gesamten Anlage. Verschmutzungspartikel in der Größen-
ordnung > 50
Pm können unmittelbar zu Funktionsstörungen führen, die teilweise
schlagartig auftreten (z. B. Klemmen von relativ bewegten Funktionselementen
oder Verstopfen von Düsen), während kleine Partikel (< 10
Pm) über den Ver-
schleiß langfristig Störungen verursachen und infolge größerer Verluste die Wirt-
schaftlichkeit herabsetzen. Durch Filter sollen Verunreinigungen einer Druck-
flüssigkeit zurückgehalten werden. Die Reinhaltung (Filtration) ist der wesentliche
Bestandteil der
Druckflüssigkeitspflege. Die Quellen für Verschmutzungen und
der Kettenreaktionseffekt werden im Abschn. 11.3 beschrieben.
Bei der Anlagenprojektierung sind als wesentliche Teilaufgaben zu lösen: