Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 4/ 2024 14 FacHartikEl FacHartikEl Zahnradpumpen in schmiertechnischen Anwendunge n Marc Witte, RICKMEIER GmbH Pumpen nerven! Dies könnte man meinen, wenn man eine englische Funktionsbeschreibung von Verdrängerpumpen ins Deutsche übersetzt. „Pumps suck“ bedeutet in diesem Fall jedoch nicht, dass Pumpen lästig oder gar schlecht sind, ganz im Gegenteil: Gemeint ist hier, dass Verdrängerpumpen „saugen“ und damit eine ihrer entscheidenden Eigenschaften zum Ausdruck kommt - die Fähigkeit, Flüssigkeiten effizient zu fördern. Besonders Verdrängerpumpen, wie die Zahnradpumpe, spielen in schmiertechnischen Anwendungen daher eine unverzichtbare Rolle. Trotz ihrer zentralen Bedeutung bleiben Pumpen meist unscheinbar. Dabei sichern sie die konstante und zuverlässige Förderung von Schmierstoffen, die für den reibungslosen Betrieb und die Langlebigkeit von Maschinen unerlässlich ist. Fällt eine Pumpe aus, können Produktionsstopps und im schlimmsten Fall schwere Maschinenschäden die Folge sein. In Branchen, in denen Maschinen im Dauerbetrieb laufen, können solche Ausfälle schnell zu massiven finanziellen Einbußen führen. Auch das Risiko von Überhitzung und Verschleiß aufgrund mangelhafter Schmierung stellt eine erhebliche Gefahr dar. Dieser Artikel ergründet, warum Zahnradpumpen in der Schmiertechnik besonders geeignet sind und welche besonderen Vorteile sie für industrielle Anwendungen bieten. Zuverlässigkeit und Höchstleistung im Verborgenen Zahnradpumpen haben sich in der Welt der Schmiertechnik als das Rückgrat vieler industrieller Prozesse etabliert. Ihre Konstruktion und Funktionsweise sind prädestiniert für die Handhabung von Schmiermitteln, die oft unter extremen Bedingungen eingesetzt werden. Die Zahnradpumpe gewährleistet durch ihre kontinuierliche und pulsationsarme Förderung eine Marc Witte, Dipl.-Ing (FH), MBA Seit über 25 Jahren bei der RICK- MEIER GmbH tätig. Lange Jahre als Ingenieur in der Entwicklungsabteilung, umfasst das aktuelle Aufgabengebiet den Bereich Produktmanagement für Zahnradpumpen und Teamleitung des Bereichs Erprobung. Abgeschlossene Studiengänge des Maschinenbaus und der technischen Betriebswirtschaft. Die RICKMEIER GmbH ist ein Familienunternehmen aus Südwestfalen mit über 100-jähriger Historie. Kerngeschäft ist Entwicklung, Herstellung und weltweiter Vertrieb von Zahnradpumpen, Ventilen und Systemen insbesondere für schmiertechnische Anwendungen. Das Portfolio umfasst Katalog-Baureihen und kundenindividuelle Sonderprodukte. 15 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 4/ 2024 Fachartikel-|-Zahnradpumpen in schmiertechnischen Anwendungen stabile Versorgung von Schmierstellen, was für die Langlebigkeit und Effizienz von Maschinen entscheidend ist. Zahnradpumpen bieten darüber hinaus ein exzellentes Verhältnis von Leistung zu Kosten. Ihre robuste Bauweise und die Fähigkeit, auch hochviskose Medien zu fördern, machen sie zur bevorzugten Wahl in zahlreichen industriellen Anwendungen. Ob in der Antriebstechnik oder in der Energieerzeugung - Zahnradpumpen sorgen dafür, dass Schmiermittel genau dort ankommen, wo sie gebraucht werden. Dabei spielen sie ihre Stärken insbesondere in Umgebungen aus, in denen Zuverlässigkeit und Langlebigkeit unverzichtbar sind. Betrachtet man potenzielle finanzielle oder sicherheitsrelevante Ausfallrisiken, ist die Fallhöhe immens, wenn der Ausfall der Schmierölversorgung in industriellen Systemen in Betracht gezogen werden muss. Es ist daher unerlässlich, auf eine bewährte und robuste Technik wie die der Zahnradpumpen zu setzen, um solche Risiken zu minimieren und die Betriebssicherheit auf höchstem Niveau zu gewährleisten. Kurz gesagt, Zahnradpumpen sind die zuverlässigste und wirtschaftlichste Lösung, um flüssige Schmiermittel in Bewegung zu halten, und tragen maßgeblich zur Minimierung von Ausfallzeiten und Wartungskosten bei. Bauarten von Pumpen Pumpen sind Maschinen zum Transport von Flüssigkeiten. Es gibt eine Vielzahl von technischen Ausführungen, laut VDMA existieren über 400 verschiedene Pumpenkonstruktionen. Generell werden Pumpen nach ihrem Funktionsprinzip in zwei wesentliche Hauptgruppen unterteilt: > Kreiselpumpen (auch Strömungspumpen oder Zentrifugalpumpen genannt) > Verdrängerpumpen Bei Kreiselpumpen erfolgt die Energieübertragung ausschließlich durch strömungsmechanische Vorgänge; das Laufrad übergibt mechanische Energie als Impuls an das Fördermedium. Während mit Kreiselpumpen große Fördermengen bei niedrigen Drücken realisierbar sind, punkten Verdrängerpumpen, zu denen auch Zahnradpumpen gehören, mit ihrer Fähigkeit, konstante Fördermengen auch bei hohen Viskositäten und hohem Druckniveau zu liefern. Schematische Förderstromkennlinien von Verdrängerbzw. Zahnradpumpe im Vergleich zur Kreiselpumpe (Abbildung 1) zeigen die unterschiedlichen Fördermengenverluste bei steigender Druckdifferenz. Es wird deutlich, dass Kreiselpumpen für schmiertechnische Anwendungen, bei denen in der Regel nicht unerhebliche Druckverluste im System zu erwarten sind, nur sehr bedingt geeignet sind. Verdrängerpumpen Verdrängerpumpen bewegen eingeschlossene Flüssigkeitsvolumina mechanisch durch das System. Das Verdrängungsvolumen pro Umdrehung ist daher fest und theoretisch konstant, unabhängig von Ausgangsdruck, Eingangsdruck oder Flüssigkeitseigenschaften.Verdrängerpumpen sind selbstansaugend und in der Lage, einen starken Unterdruck am Pumpeneintritt zu erzeugen. Das Verhalten von Verdrängerpumpen unterscheidet sich damit erheblich von dem von Kreiselpumpen, die sich auf den Impuls der beschleunigten Flüssigkeit verlassen und daher sehr empfindlich auf Druckänderungen reagieren. Verdrängerpumpen werden in oszillierende und rotierende Verdrängerpumpen eingeteilt. Abbildung 2 zeigt eine Übersicht der wichtigsten Arten von Verdrängerpumpen. 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 Förderstrom [L/ min] Austrittsdruck [bar] Zahnradpumpe Kreiselpumpe Abb. 1: Schematisches Förderstromdiagramm Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 4/ 2024 16 Fachartikel | Zahnradpumpen in schmiertechnischen Anwendungen Warum gerade Zahnradpumpen? Zahnradpumpen sind in vielerlei Hinsicht das Arbeitspferd der Schmiertechnik und nicht umsonst die am häufigsten eingesetzte Bauart von rotierenden Verdrängerpumpen. Ihre einfache, aber wirkungsvolle Konstruktion macht sie zu einem unverzichtbaren Bestandteil vieler Schmiersysteme. In Bezug auf Zuverlässigkeit, Verschleiß, Wirkungsgrad, Geräuschverhalten und nicht zuletzt Kosten bieten Zahnradpumpen häufig die beste Kombination in der Gruppe der rotierenden Verdrängerpumpen. Antriebsarten, Baugrößen, konstruktive Ausführung und Materialien von Zahnradpumpen können je nach Branche und Anwendung sehr unterschiedlich sein. Allen Bauarten von Zahnradpumpen ist gemein, dass das Fördermedium in den Zahnzwischenräumen eingeschlossen ist und so von der Saugzur Druckseite transportiert wird. Zahnradpumpen werden in schmiertechnischen Anwendungen üblicherweise mit einem Druck von Bauart abbildung Beschreibung Außenzahnradpumpe Konstruktiv einfachste, aber auch robusteste Art der Zahnradpumpe. Ein durch einen Motor oder mechanisch angetriebenes Zahnrad treibt über die Förderverzahnung ein zweites Zahnrad an. Transport des Fördermediums in den Zahnzwischenräumen entlang der Radkammerbohrung. Innenzahnradpumpe mit Sichel Ein außenverzahntes Zahnrad treibt das außenliegende Hohlrad mit Innenverzahnung an, das in der Regel drei bis vier Zähne mehr als das Zahnrad aufweist. Das Fördermedium wird entlang der sog. Sichel transportiert. Aufwändigere Konstruktion, aber kompaktere Bauweise gegenüber Außenzahnradpumpen. Innenzahnradpumpe ohne Sichel Auch als Gerotor-, Zahnring- oder (nach ihrem Erfinder) Eaton-Pumpe bezeichnet. Die besondere Zahnform ermöglicht die Abdichtung zwischen Saug- und Druckbereich auch ohne Sichel. Das Hohlrad hat immer genau einen Zahn mehr als das außenverzahnte Zahnrad. Eingeschränkter Druckbereich gegenüber den vorgenannten Bauarten. Tab. 1: Bauarten von Zahnradpumpen Abb. 2: Übersicht Verdrängerpumpen Verdrängerpumpen Oszillierend Axialkolbenpumpen Radialkolbenpumpen Ro erend Zahnradpumpen Außenzahnradpumpen Innenzahnradpumpen mit Sichel Innenzahnradpumpen ohne Sichel Schraubenspindelpumpen Drehschieberpumpen (Flügelzellenpumpe) Dreh- oder Kreiskolbenpumpen 17 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 4/ 2024 bis zu max. 25 bar betrieben. Ihre Ausführung ist daher deutlich einfacher als die von Hydraulikpumpen, die für den Betrieb von bis zu mehreren 100 bar ausgelegt sein müssen. Der Fördermengenbereich, der von Zahnradpumpen abgedeckt werden kann, geht von wenigen Litern bis hin zu max. 5.000 Litern pro Minute. Dabei können Fördermedien mit Viskositäten von 1 bis 100.000 mm²/ s gefördert werden. Mechanisch oder elektrisch angetriebene Pumpen Zahnradpumpen können sowohl mechanisch als auch elektrisch angetrieben werden. In vielen Anwendungen werden Pumpen im Direktanbau mechanisch über eine Kupplung oder ein Ritzel drehzahlproportional zur zu schmierenden Maschine angetrieben, klassischerweise in autarken Systemen, bei denen keine elektrische Energie verfügbar ist. Oder auch da, wo bei Ausfall der Energieversorgung eine zuverlässige Schmierstoffversorgung gewährleistet sein muss. Häufig muss bei mechanisch angetriebenen Pumpen überschüssige Fördermenge über Druckregelventile abgesteuert werden. Abb. 3: Mechanisch angetriebene Schmierölpumpe, mit Antriebsritzel Elektrisch angetriebene Pumpen bieten hingegen eine höhere Präzision und Flexibilität. Aktuell geht deshalb der Trend in vielen industriellen Anwendungen hin zu elektrisch angetriebenen Pumpen. Der Vorteil ist die deutlich höhere Energieeffizienz des Systems, da durch die optional mögliche Drehzahlregelung (bei Drehstrommotoren über Frequenzumrichter) die Fördermenge bzw. der Druck bedarfsgerecht geregelt werden kann. Die Wahl des Antriebs hängt somit maßgeblich von den Anforderungen des jeweiligen zu schmierenden Systems ab. In vielen Fällen bietet der elektrische Antrieb aufgrund seiner Flexibilität und Steuerbar- Hydransafe Die Breakthrough Technologie für Hydraulik-Anwendungen in Stahlwerken Hydransafe HFC-E 46/ 68 ist eine schwer entflammbare und dazu biologisch schnell abbaubare Hochleistungs- Hydraulikflüssigkeit, die für den Einsatz in Hydraulikanlagen in sensiblen Bereichen entwickelt wurde, wie z. B. Bergbau, Tunnelbau, Wasserbau oder die Stahlindustrie. Hydransafe HFC-E steht für exzellenten Verschleißschutz, hohen Korrosionsschutz, sowie eine gute biologische Abbaubarkeit (> 90 % nach OECD 301 B). Ihr persönlicher Ansprechpartner: Dr. Sascha Hümann · (0151) 264 421 72 sascha.huemann@totalenergies.com totalenergies.de/ industrie Anzeige Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 4/ 2024 18 Fachartikel | Zahnradpumpen in schmiertechnischen Anwendungen keit Vorteile, insbesondere in komplexen und anspruchsvollen industriellen Anwendungen. Abb. 4: Elektrisch angetriebene Schmierölpumpe, mit Drehstrommotor Besondere Herausforderungen Die besonderen Herausforderungen, denen sich Zahnradpumpen im industriellen Umfeld stellen müssen, werden im Folgenden am Beispiel von zwei exemplarischen Anwendungen beschrieben. Schmierölversorgung von großen Verbrennungsmotoren Direkt angetriebene Zahnradpumpen sorgen als Haupt-Schmierölpumpen für die kontinuierliche Ölversorgung von Großmotoren. Sie werden als Anbaupumpe, Einschubpumpe oder in der Ölwanne eingebaut und in der Regel über ein Ritzel mit einer bestimmten Übersetzung proportional zur Motordrehzahl angetrieben. Das Motoröl wird durch die Zahnradpumpe in der Ölwanne angesaugt und zu den unterschiedlichen Verbrauchern und Schmierstellen des Motors gefördert. Hier liegt auch schon eine der besonderen Herausforderungen im Verbrennungsmotorumfeld: Die Hauptschmierölpumpe muss mit Verbrennungsrückständen und Partikeln im Öl zurechtkommen, da ihre Aufgabe u. a. ist, das ungereinigte Motoröl zum Filter zu fördern. Insbesondere die mediengeschmierten Gleitlager der Zahnradpumpe müssen auch mit verunreinigtem Öl betriebssicher funktionieren. Zudem müssen die Gleitlager bei häufigen Starts und Stopps oder verschiedenen Drehzahlen des Motors auch für Mischreibungsbetrieb geeignet sein. Auch bei sehr unterschiedlichen Ölviskositäten (von Kaltstart bis Überlastbetrieb), verschiedensten Drehzahlen (von Anlasser-, über Leerlaufbis Nenndrehzahl) und sich ändernden Druckverlusten muss die Zahnradpumpe in der Lage sein, jederzeit den zum sicheren Betrieb des Verbrennungsmotors nötigen Betriebsdruck zu generieren. Daher muss die Größe der Zahnradpumpe, d. h. deren Verdrängungsvolumen, entsprechend dem ungünstigsten Betriebszustand ausgelegt sein. Im Nennbetrieb wird deshalb die überschüssige Fördermenge über ein Druckregelventil abgesteuert, welches häufig optional in der Zahnradpumpe integriert wird. Für die Vorschmierung und zum Öldruckauf bau vor dem Start eines Großmotors kommen zusätzlich Motor-Pumpen-Aggregate zum Einsatz (sog. Vorschmier-Pumpenaggregate), je nach Anwendung mit Dreh- oder Gleichstrommotor. Deutlich größere Motor-Pumpenaggregate werden häufig auch als Stand-by-Einheit für die mechanisch angetriebene Hauptschmierölpumpe eingesetzt. Abb. 5: Vorschmier-Pumpenaggregat (links) und Haupt- Schmierölpumpe (rechts) am Verbrennungsmotor 19 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 4/ 2024 Schmierölversorgung von Windenergie- Getrieben In Planentengetrieben, die in Windenergieanlagen zum Einsatz kommen, werden üblicherweise Motor- Pumpen-Aggregate zusammen mit mechanisch angetriebenen Zahnradpumpen zur Ölkonditionierung und Schmierung des Getriebes eingesetzt. Die Größe der Pumpen ist in der Regel so ausgelegt, dass im Nennbetrieb der Anlage die elektrische und die mechanische Pumpe jeweils etwa 50 % zum benötigten Gesamtvolumenstrom beitragen. Die mechanisch angetriebenen Ölpumpen, die auf der „schnellen“ Seite des Getriebes angebaut sind und dort mit einer um den Faktor 100 bis 200 höheren Drehzahl als die Rotordrehzahl laufen, sind insbesondere für die Schmierölversorgung des Getriebes verantwortlich, wenn die Anlage nicht im Nennbetrieb läuft. Der Rotor und somit die Pumpe können sich in diesem Fall, dem sog. Trudelbetrieb, mit sehr geringer Drehzahl in beide Drehrichtungen drehen. Daher ist eine integrierte Umschaltfunktion notwendig, die dafür sorgt, dass die Förderrichtung trotz wechselnder Drehrichtung gleich bleibt. Kühlschmierstoffe vom Spezialisten FUCHS Metallbearbeitungsflüssigkeiten haben sich weltweit in vielen Anwendungsgebieten im harten Produktionseinsatz bewährt. Verlassen auch Sie sich auf die bessere Originalqualität. Vertrauen Sie auf FUCHS. Anzeige Abb. 6: UNI-Zahnradpumpe mit integrierter Umschaltfunktion Abb. 7: Windkraftgetriebe mit mechanisch angetriebener Schmierölpumpe Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 4/ 2024 20 Fachartikel | Zahnradpumpen in schmiertechnischen Anwendungen Speziell für diesen Verwendungszweck entwickelte Zahnradpumpen zeichnen sich neben ihrer kompakten Bauweise dadurch aus, dass sie durch ihren besonderen Umschaltmechanismus praktisch ohne Verschleißteile auskommen oder daher sehr langlebig sind. Zusätzlich müssen Zahnradpumpen in Windkraftgetrieben in der Lage sein, das spezielle Getriebeöl, das auch schon bei Raumtemperatur eine sehr hohe Viskosität aufweist, auch bei Minustemperaturen sicher fördern zu können. Neben der entsprechenden Gestaltung des Ölsystems ist es daher wichtig, bei der Pumpenkonstruktion auf eine sorgfältige Materialauswahl insbesondere für die Dichtungen zu achten und die Druckverluste innerhalb der Pumpe gering zu halten. Zusammenfassung und Ausblick Zahnradpumpen sind das Rückgrat vieler Schmiersysteme und bieten eine unvergleichliche Kombination aus Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit. Ihre robuste Bauweise und die Fähigkeit, unter extremen Bedingungen zu arbeiten, machen sie zu einer unverzichtbaren Komponente in zahlreichen industriellen Anwendungen. In einer Welt, in der Maschinenausfälle nicht nur teuer, sondern auch gefährlich sein können, sind Zahnradpumpen die sichere Wahl für eine störungsfreie und effiziente Schmierstoffversorgung. Neben dem Einsatz in klassischen Anwendungen werden Zahnradpumpen aber auch zukünftig in der Energietransformation, nicht nur in Windkraftgetrieben, eine entscheidende Rolle spielen. So sind zum Beispiel schon heute Zahnradpumpen zur Schmierung von Verdichtergetrieben im Herstellungsprozess von klimaneutralem Wasserstoff nicht mehr wegzudenken. Ebenso sind Zahnradpumpen mittlerweile auch elementarer Bestandteil bei der Förderung von Kühlöl in elektrischen Anlagen, z. B. zur Batterie- und Ladekabelkühlung. Nicht zuletzt werden mit klimaneutralen Brennstoffen betriebene Verbrennungsmotoren, die zukünftig z. B. in Notstromaggregaten, in großen Frachtschiffen oder in Kraftwerken (zur Ergänzung regenerativer Energieerzeugung) unverzichtbar sein werden, auch weiterhin eine sichere Schmierölversorgung benötigen. »« Eingangsabbildung: © RICKMEIER GmbH In diesem Buch wird die Thematik Schätzen auf die Projektwelt angewandt. Wer kennt sie nicht, die großen Bauprojekte, die meist deutlich teurer werden und länger dauern als geschätzt. Egal ob es sich um die Elbphilharmonie handelt, den Berliner Flughafen oder Stuttgart 21. Verschiebungen und Kostensteigerungen sind an der Tagesordnung. In der agilen Projektwelt verspricht man sich deutlich bessere Schätzungen als bei den klassischen Verfahren. 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