Geometrisch verplaatsingsvolume

Het geometrische verplaatsingsvolume beschrijft de hoeveelheid hydraulische vloeistof die een verdringerpomp of een hydraulische motor per omwenteling theoretisch verpompt of opneemt, op basis van de constructiematen van de verplaatsingsruimten. Het is een puur geometrisch bepaalde parameter, die wordt uitgedrukt in de eenheid cm³/omw. en die de bouwgrootte van een hydraulische machine direct kenmerkt.

Basisprincipes van het geometrische verplaatsingsvolume

Het geometrische verplaatsingsvolume behoort tot de centrale ontwerpparameters in de hydraulica. Het bepaalt hoeveel vloeistof een pomp verplaatst bij één omwenteling van de aandrijfas of hoeveel een motor per omwenteling opneemt. Aangezien de waarde uitsluitend voortvloeit uit de constructiematen van de verdringingsruimten, is deze onafhankelijk van bedrijfsomstandigheden zoals druk, temperatuur of toerental. Fabrikanten vermelden het geometrische verplaatsingsvolume in hun gegevensbladen, omdat het een gestandaardiseerde, meetbare grootheid is die een directe vergelijking van verschillende bouwgroottes mogelijk maakt.

Geometrisch verplaatsingsvolume versus effectief slagvolume

In de praktijk is het geometrische verplaatsingsvolume niet gelijk aan het effectieve slagvolume. Het slagvolume beschrijft het daadwerkelijk gemeten volume dat onder gedefinieerde bedrijfsomstandigheden per omwenteling wordt verpompt. Interne lekkages, de samendrukbaarheid van de vloeistof en vulverliezen zorgen ervoor dat het effectieve slagvolume afwijkt van de theoretische waarde. Het effectieve verplaatsingsvolume is doorgaans iets kleiner dan het geometrische verplaatsingsvolume, omdat de lekkageverliezen moeten worden gecompenseerd door een hoger verplaatsingsvolume. Het verband tussen beide grootheden wordt gelegd via het volumetrisch rendement.

De rol van het volumetrisch rendement

Het volumetrisch rendement beschrijft de verhouding tussen de daadwerkelijk verpompte volumestroom en de theoretisch mogelijke volumestroom, die voortvloeit uit het geometrische verplaatsingsvolume en het toerental. Het geeft aan hoeveel van het theoretische debiet de hydraulische machine daadwerkelijk levert. Moderne axiale zuigerpompen bereiken volumetrische rendementen van meer dan 95 procent, terwijl tandwielpompen, afhankelijk van het type en de werkdruk, tussen de 85 en 95 procent liggen. Een hoog volumetrisch rendement betekent dat de pomp dicht bij haar geometrische verplaatsingsvolume werkt en er slechts geringe interne verliezen optreden.

Geometrisch verplaatsingsvolume bij verschillende constructietypen

Elk type verdringerpomp genereert zijn geometrisch verdringingsvolume op een specifieke manier. De constructieve verschillen komen tot uiting in de typische waardebereiken en de toepassingsgebieden.

Tandwielpompen

Bij tandwielpompen wordt het geometrische verplaatsingsvolume bepaald door de tandwielgeometrie, met name door de tandbreedte, de tanddiameter en het aantal tanden. Bij elke omwenteling van de tandwielen wordt vloeistof van de zuigzijde naar de perszijde getransporteerd. Tandwielpompen zijn constantpompen, hun geometrisch verplaatsingsvolume is dus vast gedefinieerd en kan tijdens het bedrijf niet worden gewijzigd. Typische waarden variëren van ongeveer 1 cm³/omw. voor kleine series tot 60 cm³/omw. en meer voor grotere uitvoeringen. Vanwege hun eenvoud en robuustheid worden tandwielpompen in talrijke industriële en mobiele toepassingen gebruikt.

Axiale zuigerpompen

Axiale zuigerpompen genereren hun geometrisch verplaatsingsvolume door de axiale beweging van meerdere zuigers in cilinderboringen. Het aantal zuigers, de zuigerdiameter en de slag bepalen de grootte van het verplaatsingsvolume. Bij verstelbare pompen met een zwenkschijf of schuine schijf kunnen de slag en daarmee het geometrische verplaatsingsvolume traploos worden aangepast, wat een variabel debiet bij een constant toerental mogelijk maakt. Typische verplaatsingsvolumes liggen tussen 10 en 500 cm³/omw. Axiale zuigerpompen worden gebruikt in toepassingen die hoge drukken en nauwkeurige regelbaarheid vereisen, zoals in spuitgietmachines of persen.

Radiale zuigerpompen

Bij radiale zuigerpompen zijn de zuigers stervormig rond een excentrische as gerangschikt. Het geometrische verplaatsingsvolume is het resultaat van het aantal zuigers, de zuigerdiameter en de excentrische slag. Radiale zuigerpompen worden gekenmerkt door zeer hoge werkdrukken, die boven de 400 bar kunnen liggen. Hun verplaatsingsvolume varieert van ongeveer 20 tot 1000 cm³/omw. Ze worden bij voorkeur gebruikt in stationaire hogedrukinstallaties, bijvoorbeeld in werktuigmachines en testbanken.

Vleugelcelpompen

Vleugelcelpompen maken gebruik van draaibare vleugels die in een excentrische behuizing roteren en daarbij afwisselend vergrote en verkleinde kamers creëren. Het geometrische verplaatsingsvolume hangt af van de rotorbreedte, de excentrische afstand en het aantal vleugels. Vleugelcelpompen werken relatief stil en leveren een gelijkmatige stroomsnelheid. Hun verplaatsingsvolumes liggen tussen 1 en ongeveer 50 cm³/omw. Ze zijn geschikt voor toepassingen met gematigde werkdrukken, zoals bij smering of in koelcircuits.

Constante pompen en verstelbare pompen

Het geometrische verplaatsingsvolume verschilt fundamenteel tussen pompen met constant debiet en pompen met variabel debiet. Pompen met constant debiet hebben een vast, onveranderlijk verplaatsingsvolume. Het verpompte debiet kan alleen worden geregeld via het toerental van de aandrijfmachine. Variabele pompen daarentegen maken het mogelijk het verdringingsvolume tijdens het bedrijf aan te passen. Bij axiale variabele pompen gebeurt dit door de zwenkhoek van de schuine schijf te wijzigen, bij radiale variabele pompen door de excentriciteit te verstellen. De verstelling kan hydraulisch, elektrohydraulisch of elektronisch worden geregeld. Verstelbare pompen bieden het voordeel dat ze de volumestroom aanpassen aan de behoefte en zo energie besparen, omdat niet-verpompte vloeistof niet via drukventielen hoeft te worden afgevoerd.

Betekenis voor hydraulische motoren

Voor hydraulische motoren geldt het geometrische verplaatsingsvolume als het opnamevolume. Dit beschrijft het vloeistofvolume dat de motor per omwenteling opneemt om mechanisch werk te verrichten. Een groter opnamevolume genereert bij gelijke druk een hoger koppel, terwijl een kleiner opnamevolume bij hetzelfde debiet een hoger toerental mogelijk maakt. Verstelbare motoren passen hun opnamevolume aan de belasting aan en combineren zo hoge koppels bij het starten met hogere toerentallen bij deellast. Deze flexibiliteit maakt ze onmisbaar in toepassingen zoals lieren, aandrijvingen voor rijlieren en mengers.

Invloed op het ontwerp en de systeemefficiëntie

Het geometrische verplaatsingsvolume is een centrale parameter bij het ontwerp van hydraulische systemen. Het beïnvloedt direct de theoretische volumestroom, die het resultaat is van het product van verplaatsingsvolume en toerental. Tegelijkertijd bepaalt het het koppel dat een hydraulische machine bij een gegeven druk kan leveren of opnemen. Ontwerpers kiezen het verplaatsingsvolume daarom zo dat het vereiste vermogen wordt bereikt bij een economisch toerental en een toegestane werkdruk.

Energie-efficiëntie en verliesmechanismen

Het verschil tussen het geometrische verplaatsingsvolume en het werkelijke debiet ontstaat door verschillende verliesmechanismen. Interne lekkages tussen de druk- en zuigzijde, die spleetverliezen worden genoemd, verminderen de effectieve stroomsnelheid. Compressibiliteitseffecten van de hydraulische vloeistof spelen vooral bij hoge werkdrukken een rol. Bovendien kan onvolledige vulling van de verdringingsruimtes bij hoge toerentallen leiden tot vulverliezen. Een zorgvuldige afstemming van de spleetafmetingen, de keuze van geschikte afdichtingen en het naleven van de door de fabrikant gespecificeerde bedrijfsomstandigheden minimaliseren deze verliezen en houden het volumetrisch rendement op een hoog niveau.

Normering en aanduiding

De normering van het geometrische verdringingsvolume vindt plaats in het kader van verschillende ISO-normen. ISO 3662 regelt de testprocedures voor hydraulische pompen en definieert de randvoorwaarden waaronder het verdringingsvolume metrologisch wordt gemeten. ISO 4391 legt definities en grafische symbolen vast voor hydrostatische pompen en motoren, inclusief de notatie van het geometrische verplaatsingsvolume. In gegevensbladen en catalogi van fabrikanten wordt het geometrische verplaatsingsvolume meestal aangeduid met de letter Vg en uitgedrukt in cm³/omw. Deze uniforme aanduiding vergemakkelijkt de vergelijking van machines van verschillende fabrikanten en typen.

Praktische aspecten bij de keuze

Bij de keuze van een hydraulische pomp of een hydromotor is de beslissing voor een bepaald geometrisch verplaatsingsvolume afhankelijk van verschillende factoren. Het vereiste debiet, de beschikbare inbouwruimte, het toegestane toerental en de maximale werkdruk bepalen de bouwgrootte. In de praktijk werken constructeurs vaak met series die hetzelfde behuizingsformaat bieden met verschillende verdringingsvolumes. Zo kan binnen een serie het verdringingsvolume worden aangepast aan de specifieke toepassing, zonder de aansluitmaten of de inbouwsituatie te wijzigen. HK Hydraulik biedt een breed spectrum aan pompen en motoren met verschillende verdringingsvolumes, die geschikt zijn voor uiteenlopende industriële eisen.

Samenvatting

Het geometrische verplaatsingsvolume is een fundamentele parameter in de hydraulica, die de bouwgrootte en het vermogen van een verdringer machine kenmerkt. Als puur constructief bepaalde grootheid vormt het de basis voor de berekening van het debiet, het koppel en het vermogen. Het verschil met het effectieve slagvolume wordt beschreven door het volumetrisch rendement, dat de interne verliezen van een hydraulische machine kwantificeert. De keuze van het juiste geometrische verplaatsingsvolume is bepalend voor de energie-efficiëntie en de functionaliteit van het gehele hydraulische systeem.