Projekt 14152/01

Entwicklung von Maßnahmen für den Einsatz von umweltverträglichen Hydraulikflüssigkeiten in Schiffsdeckmaschinen

Projektdurchführung

HATLAPAUetersener Maschinenfabrik GmbH & Co.
Tornescher Weg 5 - 7
25436 Uetersen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Forschungsvorhaben soll dazu beitragen, die Vorbehalte der Anwender gegenüber dem Einsatz biologisch schnell abbaubarer Hydraulikflüssigkeiten auszuräumen; das soll erreicht werden:
· durch Information über die Anforderungen von Anwendungen in denen biologisch schnell abbaubare Flüssigkeiten vorteilhaft eingesetzt werden
· durch die Zusammenstellung der Bedingungen, die der Einsatz biologisch schnell abbaubarer Hydraulikflüssigkeiten erfordert und über die Vorteile, die eine Umstellung auf diese Flüssigkeiten mit sich bringt
· durch Klärung des Einflusses von Seewasser auf Niederdruck-Hydraulik-(NDH)-Systeme, die mit umweltverträglichen Flüssigkeiten betrieben werden durch eine Weiterentwicklung der Systeme und der Flüssigkeiten in enger Zusammenarbeit mit den Flüssigkeitsherstellern mit dem Ziel, die im vorangegangenen Projekt ermittelten Schwachpunkte auszuräumen und
· durch eine Leistungssteigerung der NDH-Motoren, die aufgrund der besseren Verschleißschutzeigenschaften der umweltverträglichen Flüssigkeiten nur mit diesen erreicht werden kann. Diese Leistungssteigerung soll einen zusätzlichen Anreiz für die Anwender bieten, auf umweltverträgliche Flüssigkeiten umzustellen, da sie zu kleineren Maschinen für die gleiche Anwendung führt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Klärung des Einflusses von Seewasser auf die hier exemplarisch untersuchten NDH-Systeme mit umweltverträglichen Flüssigkeiten und zur Weiterentwicklung der Systeme folgende Schritte geplant:
· Durchführung eines Feldversuchs mit synthetischen Estern in an Bord befindlichen Niederdrucksystemen.
· Durchführung von Prüfstandsversuchen mit NDH-Motoren
· Anwendung eines Maßnahmenkatalogs zur Reduzierung des Wassergehalts der Hydraulikflüssigkeit auf die hier untersuchten NDH-Systeme unter Berücksichtigung der technischen Möglichkeiten an Bord von Seeschiffen.
Am Beispiel der NDH-Motoren soll ein Verfahren zur Ermittlung der Potentiale zur Leistungssteigerung von Hydraulikmotoren durch den Einsatz biologisch schnell abbaubarer Hydraulikflüssigkeiten entwickelt werden:
· Tribologische Analyse, Simulation und FEM-Berechnungen
· Ableitung von bauartbedingten Leistungsgrenzen aus o. g. Modellbildung
· Verifizierung durch Prüfstandsversuche
· Ermittlung von Wirkungsgradkennfeldern und Verschleißraten


Ergebnisse und Diskussion

Einleitend wurde der Erkenntnisstand über die Wechselwirkung von hydrostatischen Maschinen und biologisch schnell abbaubaren Hydraulikflüssigkeiten und die Übertragbarkeit dieser Erkenntnisse auf die Betriebsbedingungen von NDH-Motoren untersucht. Erstes Ergebnis dieser Überprüfung war, dass kaum Erkenntnisse über den Einsatz biologisch schnell abbaubarer Hydraulikflüssigkeiten in maritimen oder in wassernahen Anwendungen vorlagen. Gleichzeitig wurde klar, dass von den kommerziell verfügbaren biologisch schnell abbaubaren Flüssigkeiten solche auf Basis synthetischer Ester die geeigneten Kandidaten für einen Einsatz in NDH-Motoren vorrangig aufgrund des relativ großen Einsatztemperaturbereichs der NDH-Motoren sein würden. Im Rahmen des Projekts wurde ein umfassendes mathematisches Modell des NDH-Motors entwickelt, mit dem es möglich ist, die volumetrischen Verluste, die hydraulisch-mechanischen Verluste, die Kontaktbedingungen in den tribologisch hochbelasteten Gleit- und Wälzkontakten und die Bauteilbeanspruchungen und Bauteilverformungen im NDH-Motor zu bestimmen. Das Modell ist geeignet, die Abhängigkeit dieser Größen vom Betriebsdruck, der Drehzahl, der Betriebstemperatur und dem Drehwinkel des Rotor zu berechnen; damit kann der Einfluss der physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Hydraulikflüssigkeit und der konstruktiver Veränderungen am NDH-Motor bestimmt werden. Die Überprüfung der Verschleißschutzeigenschaften der synthetischen Ester erfolgte über Dauerlaufversuche über jeweils 350 Betriebsstunden mit zwei NDH-Motoren. Als Ergebnis dieser Versuche konnte festgehalten werden, dass für einzelne tribologisch hochbelastete Bauteile des NDH-Motors synthetische Ester einen deutlich besseren Verschleißschutz bieten können als Mineralöl. Wiederholt durchgeführte Wirkungsgradmessungen über den gesamten Versuchszeitraum zeigten, dass beim Einsatz von synthetischem Ester bei niedrigen Drehzahlen (n = 4 min-1) mit vergleichbaren bzw. bei höheren Drehzahlen (n = 60 min-1) mit geringfügig ungünstigeren Wirkungsgraden zu rechnen ist als beim Einsatz von Mineralöl. Die Dauerlaufversuche mit synthetischem Ester und Seewasser haben ge-zeigt, dass die Wasserkontamination einen deutlichen Einfluss auf das Verschleißverhalten der Komponenten der NDH-Motoren hat. Eine gesicherte Aussage über das Verschleiß- und Wirkungsgradverhalten durch Seewasserkontamination kann nur anhand weiterer Versuchsläufe gemacht werden, was im Rahmen dieses Projektes nicht mehr möglich war. Weiter wurden zwei Dauerlaufversuche mit unterschiedlichen Flügelbeschichtungen (Teflon und Nickel) durchgeführt. Die Teflonbeschichtung zeigte sich gegen Verschleiß weniger resistent als die Nickelbeschichtung; es kam zu Abplatzungen an tribologisch hoch beanspruchten Bauteiloberflächen. Dadurch wurde für die Teflonbeschichtung ein höherer Bauteilverschleiß festgestellt, wenngleich dieser nach einem 350-h-Prüflauf (noch) keine messbaren Einfluss auf die Teil- und Gesamtwirkungsgrade der Maschine hat. An dem gleichen Prüfstand wurden Kurzzeitversuche durchgeführt mit dem Ziel, den Verlauf der Wirkungsgrade in Abhängigkeit vom Rotationswinkel, dem Betriebsdruck, der Drehzahl und der Betriebstemperatur des Motors zu bestimmen. Diese Versuche haben das mathematische Modell zur Berechnung der volumetrischen Verluste weitgehend verifiziert. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde ein halbjähriger Praxisversuch mit synthetischen Estern in Schiffsdecksmaschinen an Bord eines im Wesentlichen in der Nordsee verkehrenden Chemie-Tankschiffs durchgeführt. Ziel war zum einen die Ermittlung der Betriebsbedingungen (Drücke, Drehzahlen, Öltemperaturen, Einsatzdauer) der Maschinen unter Anwendungsbedingungen. Zum anderen sollten Fremdstoffgehalte, wie u. a. Seewasser im Öl eines an Bord befindlichen Systems und der Veränderung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Öls unter Bordbedingungen bestimmt werden. Während der halbjährlichen Einsatzdauer konnte keine nennenswerte Fluidveränderung, insbesondere keine nennenswerte Kontamination mit Wasser oder anderen Fremdstoffen festgestellt werden. Die Erstellung des mathematischen Modells für den NDH-Motor hat zusammen mit den hier durchgeführten Prüfstandsversuchen dazu beigetragen, die Kenntnisse vom Betriebsverhalten der NDH-Motoren we-sentlich zu erweitern. Damit wurde die Basis geschaffen, auf deren Grundlage Entwicklungen zur vollen Ausnutzung des Potentials dieser Motorenbauart durchgeführt werden können.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des Projekts wurden durch Publikationen und Fachtagungen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.


Fazit

Abschließend lässt sich feststellen, dass sich der Einsatz synthetischer Ester wegen der besseren Verschleißschutzeigenschaften anbietet. Ein besonderes Augenmerk sollte jedoch weiterhin auf die Vermeidung von Seewassereintritt in das System gelegt werden, da das offensichtlich erheblichen Verschleiß zur Folge haben kann. Zur gesicherten Beurteilung dieses Verschleißverhaltens sollten im Rahmen eines Folgeprojektes weiterführende Untersuchungen durchgeführt werden.