Durch auftretende Leckagen an Maschinen und Anlagen mit hydraulischen Ausrüstungen, können nicht nur vielseitige Gefahren für Mensch und Umwelt entstehen, sondern auch enorm hohe wirtschaftliche Risiken mit sich bringen. Daher ist die Betriebssicherheit von hydraulischen Anlagen und Maschinen von großer Wichtigkeit und demzufolge eine regelmäßige Zustandsüberwachung unabdingbar.

Die Übertragung hydraulischer Leistung findet in der Regel über Hydraulikleitungen statt. Soll oder muss aber ein Teil beweglich sein, wie beispielsweise beim Schwenken eines Baggerarms, so muss sich auch die Hydraulikleitung bewegen können. In diesem Fall kommt ein Hydraulikschlauch zum Einsatz. Durch den sich ständig ändernden Biegeradius des Schlauches ist es wichtig, dass dieser den enormen Anforderungen des Hydrauliksystems standhält. Neben dem eigentlichen Schlauch braucht es zudem jeweils Anschlüsse an den Enden, die auch Armaturen genannt werden. Diese verbinden die jeweiligen Komponenten wie Ventile und Hydraulikzylinder mit dem Schlauch.

Ein besonderes Augenmerk liegt bei der Konstruktion und Auslegung dieser Schlauch-Armatur-Kombination auf der Funktionserfüllung und auf der Haltbarkeit. Am wichtigsten ist die Sicherheitserfüllung, damit umweltschonend und effizient gearbeitet werden kann.

Um Leckagen an Hydraulikkomponenten zu vermeiden, werden die Hydraulikschläuche und Hydraulikarmaturen seit Jahrzehnten mit besonderer Beachtung auf deren Qualität hergestellt und verbaut. Das ist besonders wichtig, um nicht nur den Wertschöpfungseffekt von Maschinen möglichst effizient zu gestalten, sondern auch um die Betriebssicherheit zu gewährleisten. Wenn ein Hydraulikschlauch im betrieblichen Einsatz platzt, kann dieses katastrophale Folgen hinsichtlich der Sicherheit und Umwelt haben, siehe Abbildung 1. Zudem kann dieses zu einem Totalschaden der gesamten Anlage bzw. Maschine führen. Die folgende Abbildung 2 gibt ein Beispiel der verheerenden Auswirkung eines solchen Falles.

Abbildung 1: Brennender Hydraulikbagger nach einer defekten Hydraulikschlauchverbindung
Abbildung 2: Ausgebrannter Miningbagger in einer australischen Goldmine als Folge einer defekten Hydraukilschlauchverbindung
Abbildung 3: stationärer Laborprüfstand

Übergeordnetes Ziel des Forschungsprojektes war es, eine Methode zur Zustandsüberwachung zu entwickeln, die eine Lebensdauervorhersage von Hydraulikschläuchen und Armaturen treffen kann. Damit soll es zukünftig möglich sein Predictive Maintenance zu betreiben und auch Armaturen und somit Hydraulikschläuche mit geringeren Hydraulikverlusten in Anwendungen zu bringen. Dieses kann zu immensen Einsparungen der Gesamtmaschine hinsichtlich Verlustleistung und somit auch bezüglich des Verbrauches von fossilen Brennstoffen führen.

Der Schwerpunkt des Forschungsprojektes seitens der TH Köln bestand in der Entwicklung eines modellgestützten Messsystems zur Zustandsüberwachung und der Simulation von mechanischen Spannungen an und in hydraulischen Schläuchen sowie Armaturen. Dadurch sollte eine Abschätzung der Restlebensdauer von Hydraulikschläuchen ermöglicht werden.

Dabei ist die analytische Betrachtung von besonderer Bedeutung denn an dieser werden im späteren Projektverlauf alle Simulationen, Mess- und Auswerteeinrichtungen, usw. ausgerichtet.

Es wurden thermische, physikalische sowie mechanische Faktoren in der Betrachtung berücksichtigt.

Im Zuge der durchgeführten Versuche wurden aussagekräftige Ergebnisse zu den einzelnen Spannungen geliefert. Die durch Simulation auf Basis der Eingangsgrößen des Realsystems erzeugten Spannungswerte sind sowohl qualitativ, wie auch weitestgehend quantitativ mit den real erfassten Werten vergleichbar. Die Güte der Simulation kann somit bestätigt werden.

Die Ergebnisse der durchgeführten CFD- sowie die Lastfall-Simulationen (Abbildung 4) konnten durch Prüfstandsuntersuchungen mit sehr guten Ergebnissen evaluiert werden. Die Qualität, der erstellten Simulationen zur Ermittlung der mechanischen Spannungen an Hydraulikschläuchen, die für die entwickelte modellgestützte Messtechnik erforderlich war, konnte erfolgreich belegt werden, siehe Abbildung 5.

Abbildung 4: CFD-Simulation der Strömungsgeschwindigkeit
Abbildung 5: CFD-Partikel-Simulation

Insgesamt haben die Forschungsergebnisse jedoch gezeigt, dass die entwickelten Methoden zur Lebensdauervorhersage bis hin zu einem verkaufbaren Produkt, noch umfangreiche Untersuchungen bei unterschiedlichen Betriebslasten erforderlich sind.

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