Was es bei Drosselstellen in Hydraulikanlagen zu beachten gilt

Die Drossel ist in der Hydraulik ein Bauteil, mit dem Bewegungsgeschwindigkeiten von Verbrauchern (Zylindern oder Hydromotoren) verändert werden können. Die Drossel, auch Drosselventil genannt, gehört in eine der vier Untergruppen der Stromventile. Drosselventile mit einem parallel geschalteten Rückschlagventil arbeiten nur in eine Durchflussrichtung. Hier ist beim Einbau unbedingt die Einbaurichtung zu beachten.

Das Grundprinzip eines Drosselventils besteht darin, dass der Flüssigkeitsstrom im Ventil durch eine Veränderung des Durchflussquerschnittes beeinflusst werden kann. Wird der Flüssigkeitsstrom durch Verringerung des Durchflussquerschnittes am Durchfluss behindert, erhöht sich der Widerstand gegen den Durchfluss. Es entsteht dadurch vor der Drosselstelle ein Druckanstieg. Das Kontinuitätsgesetz (Durchflussgesetz) sagt aus: Durchströmt ein Medium eine Rohrleitung mit unterschiedlichen Querschnitten, fließen in gleicher Zeit gleiche Volumina. Der Eingangsvolumenstrom Q_ein ist gleich dem Ausgangsvolumenstrom Q_aus.

Kontinuitätsgesetz:
Q_ein = Q_aus
A₁ ∙ v₁ =  A₂ ∙ v₂

Das bedeutet, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Drosselstelle ansteigen muss. Mit einem Gartenschlauch kann diese Gesetzmäßigkeit leicht nachvollzogen werden.

Aus der Strömungslehre ist uns bekannt, dass Strömungsgeschwindigkeiten Einfluss auf die Art der Strömung (laminar oder turbulent) haben. Der Volumenstrom ändert meistens in Drosselstellen seine Strömungsart und wird turbulent. Eine turbulente Strömung bedeutet aber auch eine Erhöhung des Strömungswiderstandes und damit Verlust an Energie, die sich in Wärme umwandelt. Kurz gesagt: An Drosselstellen wird es warm und oft sind die Strömungsgeräusche der turbulenten Strömung zu hören.

Diese Erkenntnis kann bei der Fehlersuche in Hydrauliksystemen einfließen, wenn beispielsweise die Öltemperatur in einer Anlage plötzlich ansteigt. Ursache dafür könnte ein nachträglicher Einbau von Drosselventilen, innere Undichtigkeiten in Ventilblöcken, zu hohe Leckagen in Hydraulikzylindern oder Hydromotoren sein. Auch eine zu kleine Dimensionierung von Hydraulikventilen, Rohr- und Schlauchleitungen und deren Biegeradien sowie Verbindungsteilen wie Winkel und Bögen und gequetschte oder abgeknickte Schlauchleitungen sind ungewollte Drosseln im System. Beim Durchfließen von sehr starken Querschnittsverringerungen kommt es neben der Erhöhung der Durchflussgeschwindigkeit zum Druckabfall im Bereich der Verengung – und nachfolgend bei Erweiterung des Querschnittes wieder zum Druckanstieg.

Fällt der Druck infolge der Geschwindigkeitserhöhung des Volumenstromes in den Bereich des Dampfdruckes der Flüssigkeit, beginnt der Prozess der Kavitation (von lateinisch cavitare „aushöhlen“): Das Medium gast aus. Es entstehen kleine und große Dampfblasen, die beim nachfolgenden Druckanstieg (Querschnittsvergrößerung und Geschwindigkeitsabfall) implodieren und sich wieder verflüssigen. Die umgebende Hülle der Dampfblase wird in Sekundenbruchteilen nach innen beschleunigt und es bilden sich sogenannte Mikrojets mit Druckspitzen bis zu 10.000 bar. Einige von ihnen treffen mit hoher Geschwindigkeit kurz nach der Drosselstrecke auf die Gehäuse- oder Schlauchinnenwand und meißeln dabei regelrecht Material heraus. Die ausgeschlagenen metallischen oder elastomeren Partikel kontaminieren dann den Hydraulikkreislauf und führen zum Verschleiß oder zu Funktionsstörungen der Anlage oder einzelner Anlagenteile.

Bislang haben sich also nur die Randbedingungen wie Strömungsgeschwindigkeit und Druck bei einer Querschnittsverengung geändert. Die Menge, also der Volumenstrom Q, angegeben in l/min, ist nach dem Kontinuitätsgesetz am Eingang einer Leitung genauso groß wie am Ausgang. Damit ein Verbraucher nun seine Bewegungsintensität ändert, muss sich also der Volumenstrom am Anfang der Leitung ändern: Entweder der Volumenstromerzeuger (Pumpe) liefert regelbar angepasste Volumenströme oder der Pumpenvolumenstrom wird in genutzten und abgeführten Volumenstrom geteilt. Wohin also mit der Menge, die nicht gebraucht wird?

Wenn am Verbraucher also nur eine Teilmenge des von der Pumpe geförderten konstanten Volumenstromes „Q“ ankommen soll, muss der Durchgangsquerschnitt im Drosselventil so weit verringert werden, bis der Staudruck vor der Drossel den Öffnungsbeginn bzw. den Öffnungsquerschnitt des Druckbegrenzungsventils für die abzuleitende Menge erreicht.

Durch die Pumpe erzeugte hydraulische Leistung aus dem Produkt von Druck mal Volumenstrom (P = p  ∙ Q) wird hierbei geteilt in P_Nutz und P_Verlust. Das heißt, die Menge, die über das Druckbegrenzungsventil zum Tank zurückgeführt wird, wandelt sich zu 100 % in Wärmeenergie um.

Allgemein gilt unter statischen Bedingungen: „Ein Raum – ein Druck.“ Befindet sich die Drosselstelle in der gleichen Leitung mit dem Druckbegrenzungsventil (Zulaufdrossel), ist der maximale Druckanstieg nahezu dem Einstellwert des DBVs.

Wird die Drossel als Ablaufdrossel, also im Rücklauf der Verbraucher, wirksam, kann es zur gefährlichen Druckübersetzung im Stangenraum eines Differenzialzylinders kommen und damit zur Komponentenzerstörung (siehe Abb. 3 und 4).

Bei Hydromotoren und Wegeventilen besteht die Gefahr der Druckübersetzung nicht, aber auch hier können zu hohe Rücklaufdrücke die Komponenten beschädigen.

Der Einsatz, der Einsatzort und die Drosselart sollten gut überlegt und von einem Fachmann erfolgen. Wollen Sie mehr über das Verhalten der Drossel und der anderen Stromventile wissen, dann besuchen Sie die Fluidtechnikseminare der Internationalen Hydraulik Akademie (IHA): www.hydraulik-akademie.de