Was sind die Ursachen für Vibrationen in einer elektrischen Kolbenpumpe?

Wenn Sie jemals mit industriellen Hydrauliksystemen gearbeitet haben, wissen Sie, dass elektrische Kolbenpumpen die Arbeitspferde unzähliger Anwendungen sind – von Baubaggern, die Tonnen Erde bewegen, bis hin zu Schiffen, die auf rauer See unterwegs sind, von Produktionslinien, die Konsumgüter verpacken, bis hin zu landwirtschaftlichen Maschinen, die Ackerland bestellen. Als Lieferant von elektrischen Kolbenpumpen habe ich unzählige Stunden damit verbracht, Vibrationsprobleme zu beheben und zu analysieren, die auftreten, wenn diese kritischen Komponenten nicht reibungslos funktionieren. Vibrationen sind nicht nur ein Ärgernis; Dies ist ein Warnsignal, das zu vorzeitigem Verschleiß, verringerter Effizienz, kostspieligen Ausfallzeiten und sogar zu einem katastrophalen Ausfall führen kann, wenn es nicht behoben wird. Im Laufe meiner Jahre in diesem Bereich habe ich alles gesehen, von einer geringfügigen Fehlausrichtung, die ein lautes Rasseln verursachte, bis hin zu einer komplexeren Strömungspulsation, die ganze Hydraulikkreisläufe zerstörte. Heute möchte ich die häufigsten Ursachen für Vibrationen bei elektrischen Kolbenpumpen aufschlüsseln und mich dabei auf reale Fälle der von uns gelieferten Geräte stützen. Außerdem möchte ich Erkenntnisse weitergeben, die Betreibern und Wartungsteams dabei helfen, dem Problem schnell auf den Grund zu gehen.

Beginnen wir zunächst mit den Grundlagen: Wie funktioniert eine elektrische Kolbenpumpe? Im Gegensatz zu Zahnradpumpen oder Flügelzellenpumpen verwenden Kolbenpumpen hin- und hergehende Kolben, die in einem Zylinderblock untergebracht sind, um Hydraulikflüssigkeit zu verdrängen. Dieses Design sorgt für hohen Druck, präzise Durchflusskontrolle und Effizienz, führt aber auch inhärente dynamische Kräfte ein, die Vibrationen auslösen können, wenn andere Elemente des Systems nicht richtig kalibriert sind. Eine der grundlegendsten Ursachen für Vibrationen – die manchmal übersehen wird, weil sie zu einfach erscheint – ist eine unsachgemäße Installation oder eine falsche Ausrichtung zwischen der Pumpe und ihrem Elektromotor. Ich habe einmal mit einem Kunden aus dem Baugewerbe zusammengearbeitet, dessen Bagger so stark zitterte, dass die Bediener berichteten, dass sie dies bereits 15 Minuten nach dem Start in der Kabine spürten. Als wir die Pumpe herauszogen, stellten wir fest, dass die Motor-Pumpen-Kupplung um mehr als 0,5 Grad falsch ausgerichtet war, ein winziger Winkel, der schwerwiegende Folgen hatte. Eine Fehlausrichtung führt zu einer ungleichmäßigen Belastung der Lager und Kolben der Pumpe und erzeugt oszillierende Kräfte, die in Vibrationen umgewandelt werden. Dies ist nicht nur bei Neuinstallationen ein Problem. Wärmeausdehnung durch längere Nutzung, rauen Betrieb in rauen Umgebungen oder sogar routinemäßige Wartungsarbeiten, bei denen Kupplungsprüfungen übersprungen werden, können die Ausrichtung mit der Zeit beeinträchtigen. Um dies ins rechte Licht zu rücken, empfahl ich dem Kunden, die Kupplung mithilfe einer Messuhr neu auszurichten und einen vibrationsdämpfenden Abstandshalter an seiner Motorhalterung anzubringen – danach sanken die Vibrationen sofort um über 70 %.

Darüber hinaus ist die Strömungspulsation eine inhärente (jedoch kontrollierbare) Vibrationsquelle bei Kolbenpumpen. Da sich Kolben in einem zyklischen Muster hin und her bewegen, verdrängen sie Flüssigkeit in Impulsen und nicht in einem gleichmäßigen, kontinuierlichen Fluss. Diese Pulsation erzeugt Druckwellen in der Hydraulikleitung, die mit anderen Komponenten des Systems – Schläuchen, Ventilen und sogar der Struktur der Maschine selbst – in Resonanz treten können. Das Ergebnis ist eine Vibration, die häufig einen deutlichen rhythmischen Schlag aufweist und direkt mit der Betriebsgeschwindigkeit der Pumpe und der Anzahl der Kolben zusammenhängt. Beispielsweise erzeugt eine 9-Kolben-Pumpe, die mit 1.800 U/min läuft, eine Pulsationsfrequenz von 270 Hz, die mit der Eigenfrequenz eines Hydraulikschlauchs oder des Rahmens eines Baggers in Resonanz stehen kann. Wir sehen dies am häufigsten bei variablen Kolbenpumpen, die ihre Verdrängung an den Systembedarf anpassen; Wenn die Pumpe ihre Verdrängung dynamisch ändert, kann sie die Pulsationsfrequenz plötzlich ändern, was zu Resonanzspitzen führt, die im stationären Zustand nicht vorhanden waren. Ich erinnere mich an einen Bergbaubetrieb, bei dem eine A8VO Best Variable Speed-Pumpe von Rexroth in verschiedenen Baggern zum Einsatz kam, als der Hydraulikkreislauf so stark zu vibrieren begann, dass alle zwei Wochen Schläuche ausfielen. Nach Durchführung einer Frequenzanalyse stellten wir fest, dass die Pulsation der Pumpe bei 500 U/min mit dem Haupthydraulikverteiler der Maschine in Resonanz stand. Die Lösung? Hinzufügen eines Druckspeichers zum Dämpfen von Druckspitzen und Anpassen des Betriebsbereichs der Pumpe, um diese Resonanzzone zu vermeiden. Dabei handelt es sich natürlich nicht um eine Universallösung – verschiedene Pumpenmodelle haben unterschiedliche Pulsationsprofile, daher ist die Wahl der richtigen Dämpfungskomponente von entscheidender Bedeutung.

Verschleiß ist ein weiterer Hauptverursacher, insbesondere bei Pumpen, die einer starken Dauerbeanspruchung ausgesetzt sind. Mit der Zeit verschlechtern sich die Kolben, der Zylinderblock, die Ventilplatte und die Lager, aus denen die Kernkomponenten der Pumpe bestehen, wodurch Lücken und unebene Oberflächen entstehen, die den reibungslosen Flüssigkeitsfluss stören. Diese Unregelmäßigkeiten führen zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung, die wiederum Vibrationen verursacht. Wenn beispielsweise die Dichtung eines Kolbens verschleißt, kann es zu einer internen Leckage kommen, wodurch die Pumpe mehr arbeiten muss, um den Druck aufrechtzuerhalten, und es zu oszillierenden Kräften kommt. Wir sehen dies häufig bei Pumpen, die in rauen Umgebungen wie im Baugewerbe oder bei Schifffahrtsanwendungen eingesetzt werden, wo Schmutz, Ablagerungen und Wasser die Hydraulikflüssigkeit verunreinigen und den Verschleiß beschleunigen können. Vor ein paar Monaten brachte ein Kunde eine hydraulische Kolbenförderpumpe CAT 100 6239 PVH für Flachschaufeln mit, die drei Jahre lang ohne Flüssigkeitswechsel im Einsatz war. Die Pumpe vibrierte so stark, dass die Steuerventile der Maschine beschädigt wurden. Als wir es zerlegten, stellten wir fest, dass die Ventilplatte durch wiederholten Kontakt mit dem Kolben eine eingekerbte Nut aufwies und dass mehrere Kolbendichtungen Risse aufwiesen. Durch den Austausch dieser Teile, das Spülen des gesamten Systems und das Hinzufügen einer Filteraufrüstung wurden die Vibrationen beseitigt und die Lebensdauer der Pumpe um weitere zwei Jahre verlängert. Es ist wichtig zu beachten, dass Verschleiß nicht nur eine Frage der Zeit ist. Eine unsachgemäße Flüssigkeitswartung (z. B. die Verwendung einer falschen Viskosität oder das Versäumnis, Filter auszutauschen) kann dazu führen, dass der Verschleiß viel schneller auftritt und früher zu Vibrationsproblemen führt.

Auch Verunreinigungen des Hydrauliksystems und flüssigkeitsbedingte Probleme spielen eine große Rolle bei Pumpenvibrationen. Sogar kleine Mengen partikulärer Verunreinigungen wie Metallspäne von verschlissenen Bauteilen, Schmutz aus einem verschmutzten Tank oder Dichtungspartikel können sich zwischen beweglichen Teilen der Pumpe verfangen und zu Abrieb und ungleichmäßiger Bewegung führen. Verunreinigungen können auch Filter verstopfen, was zu verringertem Durchfluss und erhöhtem Druck in Teilen des Kreislaufs führt, was die Pumpe zusätzlich belastet und Vibrationen erzeugt. Ich hatte einmal einen Kunden aus der Lebensmittelindustrie, dessen elektrische Kolbenpumpe nach einem routinemäßigen Chargenlauf zu vibrieren begann. Bei der Inspektion stellten wir fest, dass sich eine Metallscheibe von einem vorgeschalteten Mischer gelöst und in die Pumpe gelangt war. Die Unterlegscheibe war zwischen zwei Kolben eingeklemmt, wodurch diese sich ungleichmäßig bewegten und starke Vibrationen erzeugten, die die gesamte Pumpe zu beschädigen drohten. Sogar Probleme mit der Flüssigkeitsviskosität können Probleme verursachen: Wenn die Flüssigkeit zu dick ist, entsteht mehr Reibung für die Kolben, wodurch sich die Belastung und Vibration erhöht. Ist es zu dünn, erhöht sich die interne Leckage, was zu Druckschwankungen führt. Aus diesem Grund ist die Einhaltung der Herstellerrichtlinien für Flüssigkeitstyp, Viskosität und Wechselintervalle nicht verhandelbar. Wir empfehlen unseren Kunden immer, ihre Hydraulikflüssigkeit alle sechs Monate zu testen, insbesondere bei Pumpen mit hoher Auslastung wie der druckkompensierten Verstellpumpe Pavc100 von Parker Denison, die unter dynamischen, variablen Lastbedingungen arbeitet.

Konstruktions- und Größenunterschiede zwischen der Pumpe und dem Rest des Hydrauliksystems sind oft die Hauptursache für anhaltende Vibrationen, die schwer zu beheben sind. Eine für das System zu große Pumpe läuft mit geringer Last, was zu instabilem Durchfluss und erhöhter Pulsation führen kann. Umgekehrt arbeitet eine zu kleine Pumpe mit maximaler Kapazität, was zu Überhitzung, erhöhter Reibung und schwankendem Druck führt. Ich habe dies bei landwirtschaftlichen Kunden erlebt, die versuchen, Kosten zu senken, indem sie eine kleinere Pumpe verwenden, als ihre Ausrüstung erfordert. Beispielsweise verwendete ein Landwirt, der einen großen Mähdrescher betreibt, eine A1VO-Axialkolben-Verstellpumpe – kompakte Größe – hoher Wirkungsgrad, die für einen kleineren Traktor dimensioniert war, was während der schweren Erntesaison zu konstanten Vibrationen führte. Die Pumpe lief stundenlang mit 100 % Verdrängung, was zu übermäßigem Verschleiß der Lager und Vibrationen führte, die sich auf das Getreideverarbeitungssystem des Mähdreschers übertrugen. Als wir sie durch eine Pumpe ersetzten, deren Größe dem Hydraulikbedarf des Mähdreschers entsprach, hörten die Vibrationen sofort auf. Ein weiteres konstruktionsbedingtes Problem ist die unsachgemäße Montage: Wenn die Pumpe nicht auf einer starren Unterlage befestigt ist oder die Unterlage selbst Resonanzen aufweist, die mit der Betriebsfrequenz der Pumpe übereinstimmen, verstärken sich die Vibrationen. Dies ist besonders häufig bei kompakten Maschinen der Fall, wo Platzbeschränkungen zu nicht standardmäßigen Montagekonfigurationen führen, die dynamische Kräfte nicht berücksichtigen.

Druckbedingte Probleme wie Kavitation sind eine besonders heimtückische Ursache für Vibrationen bei Kolbenpumpen. Kavitation entsteht, wenn der Druck am Pumpeneinlass unter den Dampfdruck der Hydraulikflüssigkeit fällt und sich dadurch kleine Dampfblasen bilden. Wenn diese Blasen die Hochdruckseite der Pumpe erreichen, kollabieren sie plötzlich und erzeugen Stoßwellen, die durch die Pumpe und das System vibrieren. Die Auswirkungen von Kavitation werden oft als scharfes, metallisches Klopfgeräusch beschrieben und können im Laufe der Zeit schwere Schäden an den Kolben und dem Zylinderblock der Pumpe verursachen. Kavitation wird normalerweise durch Einlassbeschränkungen verursacht – wie einen verstopften Ansaugfilter, einen geknickten Ansaugschlauch oder eine zu kleine Ansaugleitung – oder dadurch, dass die Pumpe mit einem zu niedrigen Ansaugdruck arbeitet. Wir hatten einen Schifffahrtskunden, der eine 6N57 6N67 Marine Vane Pump IHI-Hydraulikpumpe (Moment, in diesem Fall war es tatsächlich eine Kolbenpumpe, aber das Prinzip gilt) für das Bilgensystem eines Frachtschiffs verwendete. Der Ansaugfilter wurde monatelang vernachlässigt, was zu einer teilweisen Verstopfung führte, die dazu führte, dass der Einlassdruck gerade so weit abfiel, dass Kavitation entstand. Die Vibrationen waren so stark, dass sich die Befestigungsschrauben der Pumpe alle paar Monate lockerten. Durch Spülen der Saugleitung und Ersetzen des Filters wurden die Kavitation und die Vibrationen behoben. Es ist erwähnenswert, dass Kavitation auch ein häufiges Problem bei Pumpen ist, die in sehr großen Höhen eingesetzt werden, wo der Atmosphärendruck niedriger ist, wodurch der Einlassdruck leichter unter den Dampfdruck sinkt.

Als jemand, der seit Jahren mit elektrischen Kolbenpumpen arbeitet, möchte ich betonen, dass man mit Vibrationen nicht einfach „leben“ muss. Der Schlüssel zur Lösung besteht darin, mit einer sorgfältigen Diagnose zu beginnen und die möglichen Ursachen Schritt für Schritt aufzuschlüsseln. Überprüfen Sie zunächst die Grundlagen: Ausrichtung zwischen Pumpe und Motor, Dichtheit der Montage sowie Flüssigkeitsstand und -zustand. Führen Sie als Nächstes eine Frequenzanalyse durch, um Pulsations- oder Resonanzprobleme zu identifizieren, die Sie auf Lösungen wie das Hinzufügen von Akkumulatoren oder die Änderung der Betriebsbereiche hinweisen. Wenn diese Überprüfungen nichts ergeben, ist es an der Zeit, die internen Komponenten der Pumpe auf Verschleiß zu prüfen und das Hydrauliksystem auf Verunreinigungen oder Durchflussbeschränkungen zu testen. Stellen Sie bei Neuinstallationen sicher, dass die Pumpe die richtige Größe für die Druck- und Durchflussanforderungen Ihres Systems hat. Das Überspringen dieses Schritts kann später zu kostspieligen Vibrationsproblemen führen.

Letztlich sind elektrische Kolbenpumpen Präzisionskomponenten und ihre Leistung hängt davon ab, dass alle Teile des Systems harmonisch zusammenarbeiten. Unabhängig davon, ob Sie Baumaschinen, Seeschiffe, landwirtschaftliche Maschinen oder industrielle Fertigungslinien bedienen, erspart Ihnen die frühzeitige Beseitigung von Vibrationen Ausfallzeiten, Reparaturkosten und Produktivitätsverluste. Wenn bei Ihrer elektrischen Kolbenpumpe anhaltende Vibrationen auftreten oder Sie auf der Suche nach einer zuverlässigen Pumpe sind, deren Größe und Design auf die Anforderungen Ihrer Anwendung zugeschnitten ist, steht Ihnen unser Team gerne zur Seite. Wir haben mit einer breiten Palette von Pumpen gearbeitet – von Pumpen mit variabler Drehzahl für Bagger bis hin zu druckkompensierten Pumpen für Industriesysteme – und können Sie bei der Fehlerbehebung, Wartung oder Auswahl der richtigen Pumpe für Ihren Betrieb unterstützen.

Referenzen

1. Internationale Organisation für Normung. (2017). Hydraulikflüssigkeitstechnik – Axialkolbenpumpen – Sicherheitsanforderungen. ISO 10771-1:2017.
2. Manring, ND (2005). Hydraulische Steuerungssysteme. John Wiley & Söhne.
3. Hydraulikinstitut. (2019). Pumpenvibrationsrichtlinien für industrielle Anwendungen. Standards des Hydraulic Institute, 7. Auflage.
4. Sutton, G. (2012). „Strömungspulsation und Vibration in Axialkolbenpumpen.“ Tagungsband der International Conference on Fluid Power, 112-119.
5. Bosch Rexroth AG. (2020). Pumpen mit variabler Drehzahl für die Mobilhydraulik: Design, Anwendung und Wartung. Technischer Bericht VP-007-20.
6. Eaton Corporation. (2018). Kontamination des Hydrauliksystems: Ursachen, Auswirkungen und Prävention. Technisches Bulletin TB-HYD-018.