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Lärmminderung in Hydrauliksystemen

Lärmminderung in HydrauliksystemenLärm in Hydraulikanlagen wird hauptsächlich durch die mechanische Arbeit der Pumpe und die
Druckimpulse des Mediums verursacht, wenn es aus der Pumpe austritt, um die Anlage zu
durchströmen. Lärm kann auch durch ein beliebiges Element entstehen, das Turbulenzen oder eine
Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums verursacht.

Lärm summiert sich

Geringe einzelne Lärmpegel aus vielen Bauteilen können sich deutlich verstärken und in der Summe zu einer erheblichen Lärmbelastung führen. Die Übertragung des Lärms auf die Bediener der Anlage kann zu Ermüdung und Nervenschäden führen sowie für die Bediener das Tragen eines zusätzlichen Gehörschutzes erforderlich machen.

International zählt die berufsbedingte Lärmschwerhörigkeit zu den häufigsten Berufskrankheiten.
Allein in den USA sind etwa 30 Millionen Arbeiter gesundheitsgefährdenden Lärmpegeln ausgesetzt.
2015 war Lärmschwerhörigkeit die am häufigsten anerkannte Berufskrankheit in Deutschland.

 

Anzahl der am häufigsten anerkannten Berufskrankheiten und neuer Rentenfälle in Deutchland - 2015

 

Die nachstehende Aufstellung zeigt die Industriebereiche, in denen Lärmschwerhörigkeit besonders
weit verbreitet ist:

• Landwirtschaft

• Bergbau

• Bauwesen

• Produktion

• Versorgungsbetriebe

• Transportwesen

Wie man Lärm eliminieren kann

Lärm kann durch den Einsatz von Dämpfern eliminiert werden. Diese können so eingestellt werden, dass sie die Frequenzen innerhalb des Systems aufheben. Dämpfer sind zwar wirksame, aber relativ teure und sperrige Bauteile. Wir haben andere Methoden der Lärmbeseitigung untersucht, die sich als wirksam und dabei gleichzeitig als weniger störend und kostenintensiv erwiesen haben. Hier berücksichtigen wir insbesondere die Entwicklung von Hydraulikanlagen, bei denen thermoplastischer Hydraulikschlauch anstelle von herkömmlichem Gummischlauch mit Druckträger aus Draht zum Einsatz kommt.

In dieser Diskussion bezieht sich der Begriff „Lärm“ sowohl auf wahrnehmbare als auch nicht wahrnehmbare Wellen im Medium. Beide können dem Konstrukteur und dem Endanwender der Hydraulikanlage Probleme bereiten. Daher verfolgen wir den Ansatz, Methoden zur kompletten Beseitigung oder zumindest Minimierung des Lärms zu erarbeiten.

Eine kostengünstige und einfache Lösung zur Lärmminderung bzw. der zusätzlichen Dämpfung von Hydraulikfunktionen ist der Einsatz von Schläuchen mit variierender volumetrischer Expansion (VE). Ebenso wie Druckspeicher haben auch Schläuche eine Kapazitätskennlinie, allerdings in einem viel geringeren Maß. Das heißt, je größer die volumetrische Expansion, desto größer der Druckspeichereffekt..

Ein Beispiel: Erstausrüster von Mobilgeräten setzen Schläuche mit hoher VE einsetzen, um Hydraulikstöße in Lenkungen zu reduzieren und um dann den Lärm und die Schwingungen zu verringern, die von der Hydraulik verursacht werden. Schlauch mit hoher VE kann auch in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen plötzliche Bewegungen unerwünscht sind, wie z.B. bei Pendel- und Drehfunktionen sowie Druckanstiegen in Lasterfassungsleitungen. Im Umkehrschluss können Schläuche mit geringer volumetrischer Expansion die Energie schneller von Punkt zu Punkt übertragen und wirken dabei eher wie starre Leitungen. Dies könnte erwünscht sein, wenn eine schnelle Reaktion des Systems kritisch ist.

Lärm ist vor allem aus zwei Gründen unerwünscht: Einerseits kann Lärm Hydraulikkomponenten zusätzlich beanspruchen, was in der Folge zu vorzeitigem Ausfall und zusätzlichen Anlagekosten führt. Insbesondere Rohrleitungen aus Stahl sind in diesem Zusammenhang sehr anfällig für Schwingungsbrüche.

Andererseits beansprucht Lärm nicht nur Material, sondern führt zudem auf Seiten der Bediener und betroffenem Personal potentiell zu Ermüdungserscheinungen und eventueller Schwerhörigkeit

Mechanische Geräusche

Mechanische Resonanzen treten in einer Anlage dann auf, wenn sie Energie speichern und diese ohne weiteres zwischen zwei oder mehr Knotenpunkten übertragen kann. Wenn sich die Frequenz der Schwingungen in einer Anlage der Eigenfrequenz der Anlage nähert, entsteht mechanische Resonanz in Form von Schwingungen..

Jedes Bauteil in der Anlage besitzt eine Eigenfrequenz und wenn sich diese verbinden, entsteht eine neue Gruppe von Eigenfrequenzen in Abhängigkeit von den Dämpfungs- und Energieübertragungseigenschaften der Komponenten.

In der Anlage können sich Schwingungen über das Medium bzw. die Metallbauteile verbreiten und an alle Teile der Anlage übertragen werden. Lärm verbreitet sich leicht durch Metallbauteile, wie z.B. die von Pumpen, Ventilen, Zylindern, Stahlrohren und Bogenarmaturen, aber auch durch den Stahldraht-Druckträger eines Schlauchs.

Nehmen wir als Beispiel eine Zahnradpumpe, die bei einer typischen Mobilanwendung zum Einsatz kommt. Mit 8 Zähnen pro Rad arbeitet diese Zahnradpumpe im Normalbetrieb mit 2000 U/min., was zu Sinuswellen mit einer Frequenz von 267 Hz führt. Das bedeutet, dass jedes Bauteil oder jede Teilbaugruppe (von einer Einzelrohrinstallation über ein Gerät bis hin zur gesamten Anlage) mit einer Eigenfrequenz von genau oder annähernd 267 Hz, 534 Hz, 801 Hz, etc. aufgrund von Oberschwingungen mitschwingt.

Die Resonanzschärfe, auch Q-Faktor oder Gütefaktor genannt, ist ein dimensionsloser Parameter, der ein Maß für die Dämpfung eines Schwingungserzeugers oder Resonators darstellt. Ein niedrigerer QFaktor bedeutet einen höheren Energieverlust im Verhältnis zu der vom Schwingungserzeuger gespeicherten Energie und folglich klingen die Schwingungen schneller ab. Aus diesem Grund sind Produkte und Konstruktionen, die den Q-Faktor in einer Anlage verringern, für die Reduzierung der Lärmübertragung von Vorteil.

Die Resonanztheorie

„Das genaue Übertragungsverhalten einer Resonanz, insbesondere bei Frequenzen, die weit von der Resonanzfrequenz entfernt liegen, hängt von den Einzelheiten des physikalischen Systems ab und ist gewöhnlich nicht genau symmetrisch um die Resonanzfrequenz. Bei einem leicht gedämpften Schwingungserzeuger mit einer Resonanzfrequenz Ω wird die Schwingungsintensität in einem System mit einer Anregungsfrequenz ω gewöhnlich näherungsweise mittels einer Formel berechnet, die symmetrisch zur Resonanzfrequenz ist:

Gleichung Equation

Die Intensität wird als Quadrat der Schwingungsamplitude definiert. Hierbei handelt es sich um eine Lorentzfunktion. Dieses Verhalten findet sich in vielen physikalischen Situationen, an denen resonante Systeme beteiligt sind. r ist dabei ein von der Dämpfung des Schwingungserzeugers abhängiger Parameter und als Linienbreite der Resonanz bekannt. Stark gedämpfte Schwingungserzeuger neigen zu breiten Linienbreiten und reagieren auf einen größeren Anregungsfrequenzbereich um die Resonanzfrequenz. Die Linienbreite ist umgekehrt proportional zum Q-Faktor, der ein Maß für die Resonanzschärfe ist.“ A.E. Seigman, Autor

Konstruktionsbedingter Lärm

Spezielle Resonanzkammern in Pumpen und Hydrodämpfer können den Lärm in Hydraulikanlagen direkt am oder in der Nähe vom Ausgangspunkt reduzieren, können jedoch kostspielig sein und die Probleme eventuell nicht ganz beseitigen. Außerdem gibt es viele weitere Quellen von Turbulenzen in den Installationen der Anlage, wie z.B. Bogenarmaturen und Übergänge von Schlauch mit vollem Querschnitt auf Stahlrohr; mehrfache Dämpfer sind hier nicht realisierbar.

Schlauch mit Druckträger aus Drahtgeflecht kann Stahlrohr ersetzen und aufgrund des Innendurchmessers mit vollem Querschnitt und der zusätzlichen volumetrischen Expansion einen gewissen Lärm dämmen. Der Druckträger aus Stahldraht bietet dabei immer noch einen guten Leiter für die Energieübertragung in Form von Schwingungen, die sich im System ausbreiten. 

Eine schnelle und einfache Lösung zur Lärmbeseitigung ist der Einsatz eines Thermoplastschlauchs mit einem Druckträger aus Fasern. Der Aufbau dieser Schläuche besteht aus verschiedenen Innenschichten aus Polymer mit glattem Durchgang für hohe chemische Beständigkeit, aus hochzugfesten Fasern und einer Außenschicht aus Polymer. Thermoplastschlauch mit einem Druckträger aus Fasergeflecht ist in Nenndrücken bis 69 MPa verfügbar. Außerdem hat ein Thermoplastschlauch mit einem Druckträger aus Fasergeflecht von Natur aus eine höhere volumetrische Expansionsrate im Vergleich zu einem Gummischlauch mit Druckträger aus Stahldraht mit gleichem Innendurchmesser. Daraus ergibt sich ein insgesamt niedrigerer Q-Faktor und somit eine verbesserte Lärmdämmung (siehe Abbildung 1).

Innenschicht Druckträger aus Fasern Abriebfeste Außenschicht Viele
Viele Thermoplastschläuche haben einen Druckträger aus hochzugfesten Fasern anstelle von Stahldraht und übertragen daher auch nicht so leicht hydraulische Schwingungen zwischen den einzelnen Komponenten. Durch die Isolierung der Komponenten kann somit die Summierung des Lärms und die eventuelle Verbreitung von Resonanzfrequenzen in einer Anlage vermieden werden.

In Verbindung mit einer größeren volumetrischen Expansion kann dies als Dämpfer wirken und medienbedingten Lärm aus der Anlage ausschalten. Nachstehend sind Schlauchlösungen aus der Praxis aufgeführt, die zur Reduzierung bzw. Beseitigung von Lärm entwickelt wurden. In jedem Einzelfall konnte der Kunde durch die Nutzung von Thermoplastschlauch geringere Ermüdungserscheinungen beim Bedienpersonal erzielen und den Lärm der Anwendung insgesamt reduzieren.Volumetrische Expansion eines 3/8”-Schlauchs bei maximalem Betriebsdruck
Abbildung 1 zeigt ein Beispiel aus der breiten Palette an Thermoplastschläuchen mit 3/8“ Innendurchmesser sowie deren jeweilige volumetrische Expansion. Sie haben eine nachgewiesen hohe Dämpfungswirkung.A.E. Seigman, 1986 Laser

Beispiel 1:

Ein 53DM6 HoseHersteller von Wohnmobilen mit Heckmotor suchte nach einer Lösung für das Lärmproblem in deren Servolenkung. Der Motor war gut zehn Meter von der Lenkung entfernt eingebaut und der zwischen Motor und Pumpe verlegte Gummischlauch mit Drahtgeflecht nahm von anderen mechanischen Systemkomponenten, d.h. aus vielen Quellen Lärm auf – und das zusätzlich zum Abrollgeräusch, das sich über die Lenksäule übertrug. Der Hersteller setzte sich mit Parker in Verbindung und man schlug ihm vor, anstelle seines bisherigen Schlauchs mit Drahtgeflecht einen Schlauch des Typs 53DM einzusetzen.

Diese Änderung führte zu einer drastischen Lärmminderung für den Fahrzeugführer und die Beschwerden über Ermüdungserscheinungen gingen in gleichem Maße zurück. In diesem Fall war der medien- und systembedingte Lärm beträchtlich; durch die langen im System eingebauten Thermoplast-Schlauchleitungen konnte jedoch eine ausreichende Lärmdämmung erzielt werden..

Beispiel 2:

Ein großer Hersteller von Geräten zur Rasenpflege stellte ein störendes mechanisches Geräusch fest, verursacht von einem Steuerventil. Die Endanwender beklagten sich über ein Pulsieren in der Lenksäule und ein „knallendes Geräusch“. Das Technikteam experimentierte mit verschiedenen Schlauchtypen und entschied sich schließlich für den Thermoplastschlauch 510C von Parker Hannifin. Dessen hohe volumetrische Expansion dämpfte den Druckstoß auf natürliche Weise, beseitigte das Pulsieren in der Lenksäule und somit auch das unangenehme Geräusch.

Typischer Gummischlauch mit Druckträger aus Draht:

Typischer Gummischlauch mit Druckträger aus Draht:

 

 

 

 

 

 

 

Thermoplastschlauch mit Druckträger aus Fasern:

Thermoplastschlauch mit Druckträger aus Fasern

 

 

 

 

 

 

 

 

Auf Basis von Daten eines Erstausrüsters nachgestellte Grafik

Greg Hayes, OEM Sales Manager, Parker Parflex

 

Ein Beitrag von Greg Hayes, Market Manager OEM - Parker Parflex Division

 

 

 

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