Über Dichtheit muss man sprechen

Eine Hydraulikanlage hält unerwartet den erforderlichen Druck nicht aufrecht. Obwohl die Systemparameter stimmig sind, bleibt die Anlage unter den definierten Sollwerten. Eine tiefere Analyse führt das Problem auf ein Rückschlagventil zurück, das nicht wie vorgesehen abdichtet. Der geschilderte Fall ist keine Ausnahme, sondern tritt in ähnlicher Form im technischen Alltag immer wieder auf. Hydrauliksysteme versagen, weil Rückschlagventile von Beginn an nicht wie beabsichtigt schließen oder ihre Dichtfunktion im Betrieb verlieren. Im günstigsten Fall bleibt es bei einer geringen Abweichung vom Soll und die Ursache lässt sich zügig beheben. Deutlich kritischer und kostspieliger wird es, wenn weitere Komponenten beschädigt werden oder durch das Versagen der Hydraulik sicherheitsrelevante Risiken entstehen. In der Schadensanalyse zeigt sich nicht selten, dass bei der Auslegung des Rückschlagventils entscheidende Informationen fehlten. „In solchen Fällen wurden die wesentlichen Fragen zum System im Vorfeld oft gar nicht gestellt“, erklärt Markus Haist, Prokurist der Wolfgang Bott GmbH & Co. KG. Das Unternehmen ist Anbieter von Hydrauliklösungen und entwickelt unter anderem anwendungsspezifische Rückschlagventile. Die Experten werden wiederholt bei Problemfällen hinzugezogen und erhalten so Einblicke in die Auslegungsprozesse auf Anwenderseite. Selbst versierte Betreiber richten ihren Fokus bei der Auswahl eines Ventils vielfach zunächst auf die klassischen Parameter, setzen Merkmale implizit voraus oder ziehen aus Randbedingungen unzutreffende Rückschlüsse auf die Leistungsmerkmale des Ventils.

Klassische Anwendungsparameter reichen nicht aus

Dies hängt unter anderem damit zusammen, dass Rückschlagventile kaufmännisch als C-Teile eingeordnet und häufig aufgrund ihres vergleichsweise einfachen Funktionsprinzips als unkritisch wahr­genommen werden. Denn die Ventile öffnen und sperren selbsttätig in Abhängigkeit von Volumenstrom und Öffnungsdruck. Was zunächst einfach klingt, ist jedoch in der Praxis aufgrund von Wechselwirkungen im System deutlich komplexer. Rückschlagventile sind Präzisionsteile mit systemkritischer Wirkung. Daher reichen Einbauraum, Medium, Volumenstrom, Druckbereich und Öffnungsdruck nicht aus, um ein Rückschlagventil betriebssicher auszulegen. Sie beschreiben lediglich den Nennbetrieb eines Systems, bilden die tatsächlichen Verhältnisse im Einsatz jedoch nicht ab. Um diese verlässlich darzustellen, wechseln Entwicklungsexperten die Perspektive. Sie betrachten zuerst das Gesamtsystem und leiten daraus die Ventilparameter ab. So beeinflussen beispielsweise andere Systemkomponenten und Schaltvorgänge das Lastkollektiv und damit die Auslegung des Ventils. Auch „über Dichtheit muss man sprechen“, betont Haist, denn sie ist keine feststehende Größe, sondern hängt maßgeblich von der jeweiligen Aufgabe des Ventils ab. Dennoch werde Dichtheit oft nicht klar definiert, sondern als gegeben vorausgesetzt.

Vom System zum Ventil, nicht umgekehrt

Bereits an diesem Punkt setzt die Systembetrachtung an. Vollständige Leckagefreiheit ist technisch nicht möglich, weshalb die erzielbare Dichtheit zu den wesentlichen Merkmalen eines Rückschlagventils zählt. Die maximal zulässige Leckage richtet sich nach den System­anforderungen und den möglichen Folgen von Undichtheit. Übernimmt das Ventil beispielsweise eine Sicherheitsfunktion, gelten strengere Maßstäbe. Eine praxisnahe Methode zur Bemessung ist die Angabe in Drops per Minute. Sie erlaubt es, unter Berücksichtigung von Medium, Temperatur, Viskosität und Druckniveau die zulässige Ventilleckage und damit die Dichtheit klar zu definieren. Darüber hinaus fließen weitere Einflussgrößen in die Betrachtung ein. Für die Auswahl der passenden Materialien von Gehäuse, Feder, Schließkörper und Dichtung sind unter anderem das Hydrauliköl sowie die tatsächlichen Betriebstemperaturen relevant. Beide wirken direkt auf die Werkstoffe ein und können bei Unverträglichkeiten zu einer verminderten Lebensdauer führen. Ein besonderes Augenmerk gilt allerdings den mechanischen Belastungen des Ventils. Sie werden maßgeblich durch seine Position und die Dynamik im Gesamtsystem beeinflusst. Je nach Einbausituation ergeben sich daraus Wechselwirkungen, die das Ventil zusätzlich beanspruchen.

Verborgene Dynamik im System belastet das Ventil

Nicht nur offensichtliche Faktoren wie Differenzdruck, Volumenstrom oder Schalthäufigkeit bestimmen die Belastung eines Ventils. Auch vorübergehende dynamische Einflüsse, wie schnelle Lastwechsel, Schaltvorgänge benachbarter Ventile oder die Pulsation der Pumpe wirken sich unmittelbar auf das Lastkollektiv eines Rückschlagventils aus, denn sie übertragen Druckstöße ins System, die sich im Fluid fortpflanzen. Insbesondere abrupte Änderungen des Volumenstroms können dabei Druckspitzen verursachen, die deutlich über dem Nenndruck liegen und das Ventil mechanisch überlasten. Darüber hinaus sind weitere negative Auswirkungen möglich. Etwa der sogenannte Dieseleffekt, bei dem sich im Öl eingeschlossene Luftblasen durch die schnelle Kompression selbst entzünden. Im Betriebsalltag bleiben Druckspitzen häufig unentdeckt, weil sie so kurzzeitig auftreten, dass gängige Zeigermanometer sie aufgrund ihrer Massenträgheit meist nicht erfassen. Gerade deshalb ist es entscheidend, sie bereits bei der Auslegung zu identifizieren, um spätere Schäden zu vermeiden.

Systemverständnis entscheidet über die Auslegung

Die Betrachtung des Gesamtsystems und des Zusammenspiels aller Komponenten hilft dabei, die tatsächlichen Anforderungen an ein Rückschlagventil möglichst genau zu bestimmen. Entscheidend ist jedoch, die gewonnenen Erkenntnisse richtig einzuordnen und in geeignete Ventilparameter zu überführen. In der Praxis lassen sich die dafür relevanten Zusammenhänge im Dialog mit dem Anwender gezielt herausarbeiten. „Ein persönliches Gespräch im Vorfeld führt erfahrungs­gemäß sehr schnell zu den wesentlichen Faktoren“, bestätigt auch Haist. Deutlich schwieriger sei dagegen „der Blick in den Rückspiegel“. Tritt ein Schaden zeitverzögert im Betrieb auf, ist es meist erheblich aufwändiger, die Ursachen zu identifizieren und geeignete Maßnahmen abzuleiten. Auch wenn sich Rückschlagventile in vielen Fällen aus bestehenden Standardbaureihen auswählen lassen, empfiehlt es sich daher, ihrer Auslegung entsprechende Aufmerksamkeit zu schenken.