Einfluss der Ölviskosität auf die Energieeffizienz einer hydraulischen (Spritzguss-)Maschine

Für den Transport und die Verteilung von hydraulischer Energie (Volumenstrom x Druck) kommt ein viskoses Medium zum Einsatz, das in der Maschine zwischen Pumpe und „Verbraucher“ einen erheblichen Druckverlust hervorruft – Hydrauliköl. Dieser durch Flüssigkeitsreibung verursachte Druckverlust ist vergleichbar mit dem Spannungsverlust in elektrischen Anlagen. Allerdings ist es systemimmanent, dass der Druckverlust und damit der Wirkungsverlust in der Hydraulik prozentual viel höher ausfällt.

Eine weitere Schwäche von hydraulischen Antriebskonzepten, die mangelhafte Anpassung von Leistungsbedarf und Leistungsbereitstellung, ist inzwischen durch intelligente Pumpensteuerungen bei modernen Maschinen weitestgehend behoben worden. Der Druckverlust aber bleibt. Seine Höhe ist von vielen Faktoren abhängig: Länge und Durchmesser der Schläuche und Rohrleitungen, Strömungsgeschwindigkeit, Anzahl und Art der Drosselstellen und einige mehr. Die meisten dieser Faktoren sind nicht leicht zu verändern. Eine ganz entscheidende Einflussgröße jedoch ist sehr leicht zu optimieren und zudem „optimierungsbedürftig“: die Ölviskosität. Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids. An dieser Stelle muss zum besseren Verständnis des weiteren Textes etwas Theorie vermittelt werden:
1.) Die Viskosität eines Öls, besonders eines Mineralöls, ist außerordentlich temperaturabhängig. So ändert sich die Viskosität eines ISO-VG-46-Öls im Temperaturfenster von - 5 bis + 75 °C um den Faktor 100.
2.) Um Öle mit unterschiedlicher Viskosität unterscheiden zu können, sind sie in sogenannte ISO-VG (Viscosity-grade) -Klassen unterteilt. Die Zahl im ISO-System bedeutet die Viskosität bei 40 °C in der Einheit mm2/sec. Die Toleranz im Anlieferzustand beträgt +/- 10 %.
3.) Ein hochviskoses (dickflüssiges) Medium verursacht einen viel höheren Druckverlust als ein niedrigviskoses. Dieser Druckverlust wird in Wärme umgewandelt. Allerdings gibt es diese Wärme nicht umsonst. Damit beim Verbraucher ein ausreichend hoher Arbeitsdruck ankommt, muss die Pumpe einen höheren Ausgangsdruck liefern (wozu sie mehr Strom aus dem Netz zieht).
Wie lässt sich nun das Öl mit der für die jeweilige Anwendung optimalen Viskositätslage finden? Glücklicherweise haben die Komponentenhersteller, also quasi die „Götter der Hydraulik“ (Rexroth, Parker, Moog, Linde usw.) für ihre Pumpen, Ventile, Motoren usw. sowohl anstrebenswerte „Ideal“- als auch „gefährliche“ Grenzwerte ermittelt.

Der Ist-Zustand im hydraulischen Spritzguss ist folgender: Es sind ausschließlich die ISO-Viskositätsklassen VG 46 und VG 68 erlaubt (bei Zuwiderhandlung droht Garantieverlust). Diese Öle sind so dickflüssig, dass die Maschinensteuerung den Start der Maschine erst freigibt, wenn durch Aufheizung mittels Drosselung die Öltemperatur auf 35 bis 40 °C gestiegen ist. Hierdurch mutiert die hydraulische Spritzgussmaschine zu einer elektrischen Hallenheizung. Der weitere Anstieg der Öltemperatur wird meistens aus Rücksicht auf die Hallentemperatur beziehungsweise die Mitarbeiter bei 45 bis 50 °C durch Zwangskühlung beendet. Aber selbst bei diesem Temperaturniveau hat das Öl immer noch nicht den viskositätsmäßigen „Wohlfühlzustand“ erreicht, bei dem „lehrbuchkonform“ der höchste Wirkungsgrad und die längste Komponentenlebensdauer erwartet werden dürfen. Besonders bedenklich ist der Einsatz der heute üblichen, suboptimalen, niemals hinterfragten Ölviskositäten in den oben erwähnten modernen Maschinen. Auch hier wird das Öl aufgeheizt, um dann während des Betriebs abzukühlen. Wegen des geringeren Stromverbrauchs ist auch die anteilige Flüssigkeitsreibungsverlustenergie geringer. Bemerkenswerterweise ist bei diesen Maschinen der hydraulische Wirkungsgrad noch schlechter, als es ohnehin schon der Fall ist, weil das Öltemperaturniveau und damit die Viskosität erst recht viel zu hoch ist. Wenn die Arbeitsbelastung gering und die Lufttemperatur am Aufstellungsort relativ niedrig ist, kann die Öltemperatur unter 30 °C fallen (was technisch gesehen hervorragend ist – sofern das dazu passende Öl gewählt wurde -, denn niedrige Temperatur bedeutet lange Komponenten sowie Öllebensdauer und natürlich weniger Heizeffekt) – dann gehen die Maschinen der meisten Hersteller auf Notaus: Öl ist zu kalt. Es startet ein „Zwischenüberhitzungsvorgang“, erst danach kann weiterproduziert werden. Dies ist natürlich nicht sonderlich effizient. Einige Kunden haben den Tank ihrer Maschine mit Dämmplatten verkleidet, für eine störungsfreie Produktion im Winter.

Bei der Auswahl des eingesetzten Öls sollte der Anwender darauf achten, dass die Viskosität bei einer gewünschten Betriebstemperatur (etwa 35 °C) genau in der Mitte des vom Komponentenhersteller angegebenen Idealbereiches liegt. Dabei gilt es noch zu berücksichtigen, dass die Auswahl der Flüssigkeit selbst Einfluss auf die Höhe der sich einstellenden Betriebstemperatur hat. Dickflüssiges Öl hat viel höhere Temperaturen zur Folge als dünnflüssiges. In aller Regel kann die Viskositätsklasse mindestens zwei Stufen niedriger als die bisher eingesetzte sein. Damit wird Pumpenantriebsenergie im Bereich von mindestens 10 bis 15 % gespart und es entfallen Vor- und Zwischenheizvorgänge sowie der Kühlungsbedarf wird verringert. Nicht zu vergessen: durch die geringere thermische und mechanische Beanspruchung wird die Lebensdauer der Hydraulikkomponenten verlängert – vor allem die der Dichtungen.

Quelle: Classic Schmierstoff