und Alterungsverhalten biologisch schnell abbaubarer Hydrauliköle

137 Pages·2000·1.8 MB·German

by  Marc Werner

Das Betriebs- und Alterungsverhalten
biologisch schnell abbaubarer Hydrauliköle
Von der Fakultät für Maschinenwesen der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Marc Werner
aus Orsoy, jetzt Rheinberg
Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Murrenhoff
Univ.-Prof. Dr. rer. nat. M. Schneider
Tag der mündlichen Prüfung: 28. November 2000
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar
Meinen Eltern
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mit-
arbeiter am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen.
Mein Dank gilt meinem Doktorvater Herrn Professor Murrenhoff für die Unterstützung
bei der Erstellung dieser Arbeit und die gewährten Freiräume. Herrn Professor
Schneider danke ich für die Durchsicht der Arbeit, Herrn Professor Feldhusen für die
Übernahme des Vorsitzes bei der mündlichen Doktorprüfung.
Für die Unterstützung durch interessante Diskussionen und unzählige Öllieferungen
gilt mein Dank der Firma Fuchs Petrolub und ihren Mitarbeitern, insbesondere Herrn
Professor Mang und Herrn Luther.
Die Durchführung dieser Arbeit wäre ohne die Unterstützung durch die Mitarbeiter
des IFAS nicht möglich gewesen. Stellvertretend danke ich hierfür den Herren Win-
gens, Dülken und Kochs sowie Frau Schütte und Herrn Klee. Meinen studentischen
Mitarbeitern F. Förster, A. Bierwirth, M. Dittrich, M. Hopp und S. Wernekinck danke
ich für die engagierte Erfüllung ihrer teilweise schmierigen Aufgaben. Herrn D. Bub-
now danke für die Durchführung zahlloser Oxidationsversuche.
Herrn M. Schmidt danke ich für die freundschaftliche Büroatmosphäre.
Abschließen möchte ich das Vorwort mit einem herzlichen Dank an meine Eltern, die
mich auf meinem Weg stets unterstützt haben.
Aachen, im Dezember 2000 Marc Werner
Kurzfassung
Die Kenntnis des Betriebs- und Alterungsverhaltens biologisch schnell abbaubarer
Hydraulikfluide ist eine Voraussetzung für den erfolgreichen Einsatz dieser Fluide in
hydraulischen Systemen, insbesondere im Bereich der Mobilhydraulik mit seiner ho-
hen Leistungsdichte. In dieser Arbeit werden deshalb umfangreiche Untersuchungen
im Labor und Prüffeld am Beispiel von verschiedenen biologisch schnell abbaubaren
Hydraulikfluiden durchgeführt. Die Untersuchungen in dieser Arbeit verdeutlichen,
daß die Alterungsvorgänge in biologisch schnell abbaubaren Fluiden von vielen
Faktoren beeinflußt werden. Einige Ansatzpunkte für die Weiterentwicklung dieser
Fluide werden ebenso besprochen, wie die Möglichkeiten zur optimierten Gestaltung
von Hydrauliksystemen.
Abstract
The knowledge of the operation and ageing behaviour of ecologically acceptable hy-
draulic fluids is a prerequisite for successful applications of these fluids in hydraulic
systems, in particular in the area of mobile hydraulic with its high power density. This
thesis presents extensive investigations which were performed in laboratory as well
as in test field using different kinds of ecologically acceptable hydraulic fluids. The
investigations indicate that the ageing processes of ecologically acceptable fluids are
influenced by many parameters. Some starting points for the improvement of these
fluids are discussed as well as the possibilities for an optimised design of hydraulic
systems.
Inhalt
Inhalt
1 Einleitung......................................................................................................5
1.1 Aufgabenstellung......................................................................................6
2 Stand der Technik........................................................................................7
2.1 HE-Fluide..................................................................................................7
2.1.1 Native Ester.................................................................................................7
2.1.2 Synthetische Ester.......................................................................................8
2.1.3 Additive......................................................................................................11
2.2 Fluidprüfung............................................................................................15
2.2.1 Laborprüfung.............................................................................................15
2.2.2 Prüfstandstests..........................................................................................17
2.3 Alterungsvorgänge..................................................................................19
2.3.1 Katalysatoren.............................................................................................19
2.3.2 Oxidation....................................................................................................20
2.3.3 Hydrolyse...................................................................................................24
2.3.4 Reaktionskinetik ........................................................................................26
3 Laborprüfung der Oxidationsstabilität.........................................................29
3.1 Versuchsaufbau......................................................................................29
3.2 Katalysatoreinfluß auf Grundöle.............................................................31
3.2.1 Oxidation eines gesättigten Esters............................................................32
3.2.2 Oxidation von Rapsöl................................................................................33
3.2.3 Oxidation von TMPO.................................................................................35
3.2.4 Zusammenfassung des Katalysatoreinflusses auf Grundöle....................38
3.3 Katalysatoreinfluß auf Formulierungen...................................................40
3.3.1 Oxidation eines HETG...............................................................................40
3.3.2 Oxidation eines teilgesättigten HEES........................................................41
1
3.3.3 Oxidation eines gesättigten HEES............................................................42
3.3.4 Zusammenfassung des Katalysatoreinflusses auf HE-Fluide...................44
4 Laborprüfung der Hydrolysestabilität..........................................................47
4.1 Einfluß des Wassergehaltes...................................................................47
4.1.1 Versuchsaufbau.........................................................................................47
4.1.2 Hydrolyse eines HETG..............................................................................47
4.1.3 Hydrolyse eines teilgesättigten HEES.......................................................49
4.1.4 Zusammenfassung der Wassereinflusses.................................................50
4.2 Einfluß von Katalysatoren.......................................................................51
4.2.1 Versuchsaufbau.........................................................................................51
4.2.2 Hydrolyse ohne Katalysator.......................................................................51
4.2.3 Hydrolyse eines Rapsöls unter Katalysatoreinfluß....................................52
4.2.4 Hydrolyse von TMPO unter Katalysatoreinfluß.........................................53
4.2.5 Hydrolyse eines gesättigten Esters unter Katalysatoreinfluß....................55
4.2.6 Zusammenfassung des Katalysatoreinflusses..........................................55
5 Reaktionskinetik der Oxidation...................................................................57
5.1 Analyse der Oxidationsversuche............................................................57
5.2 Bestimmung der Aktivierungsenergie.....................................................62
5.2.1 Aktivierungsenergie der reinen Grundöle..................................................62
5.2.2 Katalysatoreinfluß auf die Aktivierungsenergie.........................................63
6 Prüfstandsversuche....................................................................................67
6.1 Prüfstandsaufbau....................................................................................67
6.1.1 Aufbau eines konventionellen Prüfstands.................................................67
6.1.2 Aufbau eines Kurzzeitprüfstandes.............................................................69
6.2 Einfluß des Systemdruckes....................................................................72
6.3 Einfluß der Temperatur...........................................................................78
6.4 Einfluß des Volumenstroms....................................................................81
6.5 Einfluß des Systemvolumens .................................................................83
2
Inhalt
6.6 Einfluß von Sauerstoff............................................................................85
6.7 Einfluß von Wasser.................................................................................87
6.8 Modell der Fluidalterung im Hydrauliksystem.........................................91
7 HE-Fluide in Labor und Prüfstand..............................................................95
7.1 Native und synthetische Ester................................................................95
7.1.1 Oxidationsstabilität....................................................................................95
7.1.2 Hydrolysestabilität.....................................................................................96
7.1.3 Prüfstandstest............................................................................................97
7.1.4 Zusammenfassung....................................................................................99
7.2 High-Oleic-Fluide..................................................................................100
7.2.1 Oxidationsstabilität..................................................................................100
7.2.2 Prüfstandstest..........................................................................................101
7.3 Selektivhydrierung teilgesättigter Ester ................................................104
7.3.1 Oxidationsstabilität..................................................................................105
7.3.2 Hydrolysestabilität...................................................................................106
7.3.3 Prüfstandstest..........................................................................................107
7.4 Gentechnisch verändertes Rapsöl........................................................110
7.5 Additiveinfluß bei TMP-Estern..............................................................113
7.5.1 Oxidationsstabilität..................................................................................113
7.5.2 Prüfstandstest..........................................................................................114
7.6 Entwicklung eines Multifunktionsfluides................................................117
7.6.1 Hydrolysestabilität...................................................................................118
7.6.2 Oxidationsstabilität..................................................................................119
8 Zusammenfassung und Ausblick .............................................................121
9 Anhang.....................................................................................................125
9.1 Literaturverzeichnis...............................................................................125
9.2 Abkürzungen und Formelzeichen.........................................................131
3
4
Einleitung
1 Einleitung
Hydraulische Antriebe finden in vielen technischen Systemen Anwendung. Sie be-
stehen je nach den technischen Anforderungen aus verschiedenen Komponenten,
die Zusammenstellung variiert von System zu System. Das Fluid stellt dabei jedoch
immer ein unverzichtbares Maschinenelement für den Betrieb eines hydraulischen
Systems dar.
Das Fluid ermöglicht erst den Volumenschluß zwischen dem hydraulischen Energie-
erzeuger und – verbraucher und erlaubt es so Leistung zu übertragen. Neben dieser
primären Funktionsanforderung muß das Druckmedium weitere Aufgaben überneh-
men /K4/. Es wirkt als Schmierstoff und vermindert so die Reibung und den Ver-
schleiß sich gegeneinander bewegender Teile, beispielsweise in Lagerstellen. Die
Komponenten des Hydrauliksystems sollen vor Korrosion und anderen chemischen
Veränderungen geschützt werden. Die durch Reibung und Abdrosselung entstehen-
den Verluste werden durch das Druckmedium in Form von Wärmeenergie abgeführt
/W3/.
Auf den ordnungsgemäßen Betrieb einer hydraulischen Anlage hat das Fluid somit
einen entscheidenden Einfluß, welcher jedoch nicht immer hinreichend berücksichtigt
wird. Meist wird das Hydrauliksystem mit Blick auf die Realisierung einer technischen
Funktion zusammengestellt und erst zum Schluß ein „geeignetes“ Hydraulikmedium
ausgewählt, wobei oft nur auf eine auf die Komponenten abgestimmte Viskositäts-
klasse geachtet wird. Welches Fluid dann eingesetzt wird, bleibt häufig „dem Zufall“
überlassen. Daß die Unterschiede im Betriebs- und Alterungsverhalten zwischen
verschiedenen Fluiden (selbst gleicher Viskositätsklasse) ähnlich deutlich sind, wie
beispielsweise die Unterschiede im Verschleiß- oder Wirkungsgradverhalten unter-
schiedlicher Hydraulikpumpen (mit gleichem Schluckvolumen), bleibt vollkommen
unberücksichtigt.
Insbesondere bei der Auswahl biologisch schnell abbaubarer Druckmedien /K3/ kön-
nen jedoch im Betrieb Probleme auftreten /N13/, welche sich vermeiden ließen, wenn
5
der Auswahl des Fluids die gleiche Aufmerksamkeit geschenkt würde, wie der Aus-
wahl aller anderen hydraulischen Komponenten.
1.1 Aufgabenstellung
Ziel dieser Arbeit soll es sein, das Verständnis für die Eigenschaften und Bedürfnisse
eines biologisch schnell abbaubaren Hydraulikfluides zu stärken. Dabei soll zum ei-
nen geklärt werden, welche Vorgänge bei der Alterung eines biologisch schnell ab-
baubaren Hydraulikfluides vonstatten gehen. Es ist insbesondere zu prüfen, ob diese
Vorgänge für alle diese biologisch schnell abbaubaren Fluide ähnlich sind, oder ob
es Unterschiede zwischen einzelnen Fluidfamilien gibt.
Zum anderen soll analysiert werden, welchen Einfluß der Betrieb des Fluids in einem
hydraulischen System auf die Alterungsvorgänge hat. Hierbei soll insbesondere auf-
gezeigt werden, wie die hydraulisch-technischen Anlagen- und Betriebskenngrößen
die Alterungsvorgänge beeinflussen.
Es wird somit eine Wissensbasis aufgebaut, die es erlaubt, bei der Auswahl des
Fluids für ein Hydrauliksystem ebenso gewissenhaft vorzugehen, wie bei der Aus-
wahl aller anderen Komponenten des Systems.
Die Umsetzung dieses Wissens soll es in Zukunft ermöglichen, die Betriebssicherheit
und Leistungsfähigkeit hydraulischer Systeme sicherzustellen bzw. noch weiter zu
erhöhen. /L2/
6