Integration einer Hydraulikaggregateinheit in bestehende Mehrfachwindenkonfigurationen: Ein 5-stufiges technisches Protokoll

Schritt 1: Berechnung des Gesamtvolumenstrombedarfs – Die Grundlage aller weiteren Berechnungen

Bei Yining Hydraulic habe ich in fünfzehn Jahren Hydraulikaggregate in bestehende Mehrwindensysteme in Bergwerken, Häfen und Offshore-Plattformen integriert. Die erste Berechnung – der Gesamtvolumenstrombedarf des Systems – ist der Punkt, an dem 80 % der Integrationsprojekte entweder gelingen oder scheitern, noch bevor eine einzige Schraube angezogen wird.Der Gesamtvolumenstrombedarf ist nicht einfach die Summe aller Fördermengen der Windenmotoren multipliziert mit ihrer maximalen Drehzahl – er ist der maximale gleichzeitige Volumenstrombedarf am ungünstigsten Betriebspunkt, typischerweise wenn 60-80 % der Winden unter Volllast arbeiten.In einem Festmachersystem mit vier Winden ist der ungünstigste Fall beispielsweise, dass zwei Winden mit maximaler Zugkraft arbeiten (Positionierung des Schiffes), während eine dritte Winde mit 50 % Last arbeitet (Spannung). Die Hydraulikpumpe muss gleichzeitig den kombinierten Stromfluss der beiden voll ausgelasteten Winden sowie der Winde mit Teillast bereitstellen.

Formel zur Durchflussberechnung: Q(gesamt) = Summe(Qi) für alle gleichzeitig betriebenen Winden, wobei Qi = Fördermenge x Drehzahl / 1000 für Hydraulikmotoren (Liter/Minute). Für eine YiningHydraulische Winde der IYJ-Seriebei einem 250 cm³/U-Motor bei 120 U/min: Qi = 250 x 120 / 1000 = 30 l/min.Entscheidend ist, dass dem berechneten Gesamtbetrag ein Zuschlag von 15 % für Ventilleckagen, Schlauchausdehnung und zukünftige Kapazität hinzugerechnet wird.Die Hydraulikpumpe sollte daher auf 1,15 x Q(gesamt) ausgelegt sein. Die Kosten einer Fehlberechnung des Fördervolumenstroms: Eine Unterschreitung um 10 % bedeutet, dass die Hydraulikpumpe die Winden unter Volllast nicht mit Nenndrehzahl versorgen kann; eine Überschreitung um 20 % bedeutet 20 % höhere Pumpenkosten und 20 % höheren Energieverbrauch über die gesamte Lebensdauer des Systems. Eine präzise Berechnung spart 5.000–15.000 US-Dollar an Kosten für die Pumpenauslegung und 3.000–8.000 US-Dollar an jährlichen Energiekosten.

EntsprechendISO 4413Gemäß den Normen für die Auslegung von Hydrauliksystemen muss der Fördermengenbedarf bei der maximal zu erwartenden Betriebstemperatur des Systems (typischerweise 60–65 °C für Mineralöl) berechnet werden, da die Viskosität des Fluids mit der Temperatur abnimmt, wodurch die interne Pumpenleckage im Vergleich zu Kaltstartbedingungen um bis zu 15 % zunimmt. Die Pumpe muss so dimensioniert sein, dass sie die Nennfördermenge bei heißem Öl und nicht bei Raumtemperatur liefert.Ying HydraulikUnsere HPU-Durchflussberechnungen beinhalten Viskositätskorrekturfaktoren, die aus dem jeweiligen Datenblatt der Hydraulikflüssigkeit abgeleitet wurden.

Schritt 2: Saugleitungsdesign – Der häufigste und teuerste Fehler bei der HPU-Integration

Pumpenkavitation aufgrund zu kleiner Saugleitungen ist der häufigste Fehler bei der Feldintegration, den ich bei Yining Hydraulic diagnostiziere; sie macht 68 % aller integrationsbezogenen Gewährleistungsansprüche aus.Kavitation entsteht, wenn der Druck am Pumpeneinlass unter den Dampfdruck des Fluids sinkt und sich dadurch Dampfblasen bilden. Wenn diese Blasen in die Hochdruckzone der Pumpe gelangen und kollabieren, erzeugen sie lokale Druckspitzen von über 1000 bar – genug, um Material von den inneren Oberflächen der Pumpe abzutragen. Die Folgen sind: Lochfraß an den Zylinderblockflächen, erodierte Ventilplatten und in schweren Fällen ein katastrophaler Pumpenausfall innerhalb von 100 bis 200 Betriebsstunden.

Grenzwerte für die Sauggeschwindigkeit: maximal 1,2 Meter/Sekunde bei Axialkolbenpumpen, maximal 0,8 Meter/Sekunde bei Zahnradpumpen.Diese Grenzwerte liegen unter den üblicherweise in Hydrauliklehrbüchern genannten 1,5–2,0 m/s, da Anwendungen mit mehreren Winden häufige Durchflussänderungen (Ventilschaltungen, Windenstarts, Laständerungen) verursachen, die kurzzeitige Sauggeschwindigkeitsspitzen von 20–40 % über dem stationären Wert hervorrufen. Die Berechnung des Saugleitungsdurchmessers erfolgt nach der Formel: d = √(4 × Q / (π × v × 60000)), wobei d der Innendurchmesser (Meter), Q der Durchfluss (Liter/Minute) und v die Geschwindigkeit (Meter/Sekunde) ist. Für eine Pumpe mit einer Förderleistung von 120 l/min, die vier Winden mit Axialkolbenmotoren versorgt, ergibt sich: d = √(4 × 120 / (3,1416 × 1,2 × 60000)) = 0,046 m = 46 mm minimaler Innendurchmesser. Dies entspricht einem 2-Zoll-Rohr (SCH 40, 52,5 mm Innendurchmesser) oder einem DN50-Hydraulikschlauch mit 51 mm Innendurchmesser.

Zusätzliche Anforderungen an die Saugleitung: Das Saugfilter muss eine Maschenweite von 125–150 Mikrometern aufweisen (nicht feiner – feinere Maschen erhöhen den Saugwiderstand und fördern Kavitation), die Saugleitung muss so kurz und gerade wie möglich sein (weniger als 5 Biegungen, wobei jeder Biegeradius mindestens das Fünffache des Rohrdurchmessers beträgt), und der Vorratsbehälter muss oberhalb des Pumpeneinlasses mit einer Mindestförderhöhe von 0,5 Metern (Schwerkrafteinlass) positioniert sein; andernfalls muss eine Druckerhöhungspumpe spezifiziert werden.CETOPGemäß den empfohlenen Verfahren RP100 ist die Auslegung der Saugleitung das mit Abstand sicherheitskritischste Element bei der Integration von Hydrauliksystemen.

Schritt 3: Durchflussverteilung bei mehreren Winden – Prioritäts- vs. Proportionalverteilerventile

Wenn eine einzelne HPU mehrere Winden versorgt, bestimmt die Durchflussverteilungsventilierung, ob jede Winde den benötigten Durchfluss erhält oder ob eine schwach belastete Winde einer stark belasteten Winde Durchfluss entzieht.Physikalisch betrachtet folgt ein Fluid dem Weg des geringsten Widerstands. Sind zwei Winden parallel an dieselbe Hydraulikpumpe angeschlossen, ohne Durchflussregelung, erhält die Winde mit dem niedrigeren Lastdruck mehr Durchfluss – da der Druckabfall an ihrem Motor geringer ist und das Fluid naturgemäß dem Weg des geringsten Widerstands folgt. In einem praktischen Beispiel: Winde A zieht 5 Tonnen (benötigt 180 bar), Winde B spannt mit 0,5 Tonnen (benötigt 30 bar). Ohne Durchflussregelung erhält Winde B 70–80 % des Pumpendurchflusses und läuft mit hoher Drehzahl, während Winde A nur 20–30 % erhält und zum Stillstand kommt.

Prioritäts-Durchflussteiler (druckkompensierte Durchflussregelventile) lösen dieses Problem, indem sie dem Prioritätskreislauf unabhängig vom Lastdruck einen festen Durchfluss garantieren, wobei dem Sekundärkreislauf ein Überschuss an Durchfluss zur Verfügung steht.Ein Prioritätsverteiler mit einer Prioritätseinstellung von 30 l/min liefert bei jedem Lastdruck von 0 bis zum Systementlastungsdruck exakt 30 l/min an die priorisierte Winde, während überschüssiger Pumpenförderstrom an die anderen Winden geleitet wird. Dies ist die richtige Ventilwahl, wenn die einzelnen Winden unterschiedliche und variable Lastanforderungen haben.Ying HydraulikUnsere HPU-Pakete mit mehreren Winden beinhalten Prioritäts-Durchflussverteiler mit individuell einstellbaren Prioritätseinstellungen.

Proportionale Durchflussteiler (Zahnradteiler) teilen den Gesamtdurchfluss unabhängig von der Last in feste Anteile auf – 50/50, 60/40 usw.Diese Verteiler sind einfacher, günstiger und kompakter als Prioritätsverteiler, eignen sich aber nur, wenn alle Winden gleichzeitig ähnlichen Lasten ausgesetzt sind (synchrone Hebeanwendungen). Für den unabhängigen Betrieb der Winden – der Standardfall beim Festmachen, Schleppen und Ankern – ist die lastunabhängige Durchflussregelung des Prioritätsverteilers unerlässlich. Der Kostenunterschied beträgt 300–500 US-Dollar für einen Proportionalverteiler gegenüber 800–1.500 US-Dollar für einen Prioritätsverteiler. Der Leistungsunterschied entscheidet darüber, ob eine Winde unter variabler Last blockiert oder einwandfrei funktioniert.

Schritt 4: Dimensionierung des Druckspeichers für die Druckstabilität mehrerer Winden

Ein Akkumulator in einer Mehrwinden-HPU erfüllt drei Funktionen: Druckstabilisierung (Absorption der Druckspitzen, wenn mehrere Winden-Wegeventile gleichzeitig geschaltet werden), Durchflussergänzung (Bereitstellung eines sofortigen Durchflusses zur Beschleunigung der Winde, bevor die Pumpe reagieren kann) und Notenergiespeicherung (Bereitstellung von genügend gespeicherter Energie für einen kontrollierten Absenkzyklus, falls die Pumpe ausfällt).Die korrekte Dimensionierung des Akkumulators für alle drei Funktionen: Gasvolumen (V0) = 1 Liter pro 10 l/min kombinierter Pumpenfördermenge für allgemeine Anwendungen, Erhöhung auf 1 Liter pro 7 l/min für maritime Anwendungen, bei denen wellenbedingte Lastschwankungen höherfrequente Drucktransienten erzeugen.

Für eine HPU mit 120 l/min: V0 = 12 Liter (allgemein) oder 17 Liter (Schifffahrt). Der Vordruck (P0) muss 70 % des minimalen Systembetriebsdrucks (P1) betragen. Für ein System, das zwischen 180 bar (unter Last) und 100 bar (Minimum bei Windenverzögerung) arbeitet: P0 = 0,7 × 100 = 70 bar (Stickstoff-Vordruck). Akkumulatortyp: Blasenspeicher für Durchflussergänzungsanwendungen (schnelle Ansprechzeit, 25–50 ms), Kolbenspeicher für große Energievolumina (langsamere Ansprechzeit, 100–200 ms, aber in größeren Größen erhältlich).Ying HydraulikUnsere HPU-Pakete beinhalten Berechnungen zur Dimensionierung des Akkumulators, die anhand des Drucktransientenprofils der jeweiligen Konfiguration verifiziert wurden.

Ein Detail bei der Installation des Akkumulators, das 90 % der Außendiensttechniker übersehen: Das Gasventil muss mit einem Stickstoff-Befüllset zugänglich sein, während der Akkumulator installiert ist und die HPU in Betrieb ist.Wenn das Gasventil hinter der Wand des HPU-Gehäuses verborgen ist oder nach unten zeigt, wird der Vorladedruck nicht im empfohlenen 6-Monats-Intervall überprüft, und der Akkumulator verliert innerhalb von 12 bis 18 Monaten seine Druckstabilisierungsfunktion, da Stickstoff langsam durch die Blase diffundiert (typische Verlustrate: 1-3 % pro Monat).

Schritt 5: Systeminbetriebnahme und -verifizierung – Das 8-Stunden-Testprotokoll zur Vermeidung von Ausfällen im ersten Jahr

Die HPU-Integration ist erst dann abgeschlossen, wenn das System ein strukturiertes Inbetriebnahmeprotokoll durchlaufen hat, das jede Designannahme unter Last validiert.Bei Yining Hydraulic umfasst unser Inbetriebnahmeprotokoll für Mehrwinden-HPUs folgende Schritte: (1) Leerlaufzirkulation – Betrieb aller Winden mit maximaler Drehzahl und minimaler Last für 2 Stunden, Überwachung des Temperaturanstiegs der Flüssigkeit, des Druckabfalls im Filter und des Abflusses im Pumpengehäuse; (2) Einzelwinden-Lasttest – Betrieb jeder Winde einzeln mit 100 % Nennlast für 30 Minuten, um sicherzustellen, dass die Pumpe die Nennfördermenge beibehält und der Abfluss im Pumpengehäuse die Herstellervorgaben nicht überschreitet (3–5 % der Pumpenfördermenge bei intakter Pumpe, ansteigend auf 10–15 % bei verschlissener Pumpe); (3) Gleichzeitiger Lasttest mehrerer Winden – Betrieb der ungünstigsten Windenkombination mit Nennlast für 60 Minuten; (4) Notstopp- und Wiederherstellungstest – Überprüfung, ob der Akkumulator nach dem Abschalten der Pumpe ausreichend gespeicherte Energie für einen kontrollierten Absenkzyklus aller angeschlossenen Winden bereitstellt.

Die Checkliste für die Inbetriebnahme umfasst 43 Messpunkte, von denen drei jedoch kritisch sind: die Temperatur des Pumpengehäuseablaufs (sollte 80 Grad Celsius nicht überschreiten), der Druckabfall im Filter (sollte 0,8 bar am sauberen Element nicht überschreiten) und die Überprüfung des Durchflusses jeder einzelnen Winde (mittels eines Durchflussmessers an der Druckleitung jeder Winde – der gemessene Durchfluss muss innerhalb von +/-5 % des Auslegungsdurchflusses liegen).EntsprechendTREFFENZuverlässigkeitsdaten von Bergbaugeräten zeigen, dass Systeme, die ein strukturiertes 8-Stunden-Inbetriebnahmeprotokoll durchlaufen, im ersten Jahr 63 % weniger Ausfälle aufweisen als Systeme, die mit einer einfachen Überprüfung in Betrieb genommen wurden.

Fallstudie: Integration einer Yining-Hydraulikpumpe in ein 4-Winden-Festmachersystem in einem chinesischen Hafen

Im Jahr 2024 erhielt Yining Hydraulic den Auftrag, ein veraltetes elektrisches Windensystem in einem großen Hafen in Ningbo durch eine zentrale Hydraulikanlage zu ersetzen, die vier Festmacherwinden antreibt. Das bestehende System verfügte über vier unabhängige elektrische Winden – die Wartungskosten beliefen sich auf 45.000 US-Dollar pro Jahr, und die Winden konnten aufgrund thermischer Einschränkungen nicht mit mehr als 60 % Auslastung betrieben werden. Das neue System: ein einzelner 200-kW-Elektromotor, der eine Axialkolbenpumpe mit variablem Fördervolumen antreibt (Yining I3V-Serie) mit einer Förderleistung von 160 l/min, vier Prioritäts-Durchflussverteilerventilen, die jeweils auf 35 l/min eingestellt sind, einem 20-Liter-Blasenspeicher, der auf 70 bar vorgeladen ist, und einer DN50-Saugleitung mit 150-Mikron-Sieb.

Ergebnisse nach 18 Monaten Betrieb: Die Wartungskosten sanken auf 12.000 US-Dollar pro Jahr (73 % Reduzierung), alle vier Winden sind für den Dauerbetrieb zu 100 % geeignet und der Energieverbrauch wurde um 22 % gesenkt.(Die Verstellpumpe reduziert den Durchfluss, wenn die Winden im Leerlauf sind.) Das Risiko eines Single Point of Failure wurde durch einen zusätzlichen Elektromotor und eine zusätzliche Pumpe im selben Hydraulikkreislauf mit einem manuellen Umschaltventil behoben – die Kosten für diese Backup-Lösung beliefen sich auf 8.500 US-Dollar, wodurch das Single Point of Failure vollständig ausgeschlossen wurde.Diese Integration – eine zentrale HPU mit vier priorisierten Windenkreisläufen – hat sich bei Yining Hydraulic zum Standardreferenzdesign für Hafen- und Schiffsanwendungen mit mehreren Winden entwickelt.

Checkliste für die Beschaffung: 7 Punkte, die Sie vor Annahme eines Angebots zur HPU-Integration prüfen sollten.

Nach fünfzehn Jahren Erfahrung in der Feldintegration bei Yining Hydraulic empfehle ich jedem Beschaffungsteam, die folgenden sieben Punkte zu überprüfen, bevor es ein Angebot für die HPU-Integration annimmt: (1) Saugleitungsdurchmesser – bestehen Sie auf dem berechneten Durchmesser und nicht nur auf einer Standardanschlussgröße und vergewissern Sie sich, dass die Sauggeschwindigkeit unter 1,2 m/s liegt; (2) Durchflussverteilungsventile – stellen Sie sicher, dass für Mehrwindensysteme mit unabhängigem Betrieb Prioritätsverteiler (keine Proportionalverteiler) spezifiziert sind und überprüfen Sie, ob die Durchflusseinstellungen dem Hubraum jeder einzelnen Winde entsprechen; (3) Gasvolumen und Vorladespezifikation des Akkumulators – überprüfen Sie, ob der Akkumulator nicht unterdimensioniert ist, da dies die häufigste Sparmaßnahme in HPU-Angeboten ist; (4) Dimensionierung des Wärmetauschers – der Ölkühler muss für 25–30 % der gesamten Eingangsleistung (die Wärmelast eines Hydrauliksystems im Dauerbetrieb) ausgelegt sein, nicht für die 10–15 %, die in vielen Budgetangeboten angegeben sind; (5) Filtrationsspezifikation – Rücklauffilter mit mindestens 10 µm absolut (Beta 10 ≥ 200), mit einem Druckleitungsfilter mit 5 µm für servo- oder proportionalventilgesteuerte Systeme; (6) Behältergröße – mindestens das Dreifache der Pumpenfördermenge pro Minute (360 Liter bei einer Pumpe mit 120 l/min), um eine ausreichende Verweilzeit für die Entlüftung und das Absetzen von Verunreinigungen zu gewährleisten; (7) Inbetriebnahmeprotokoll – der Lieferant muss dem Angebot ein schriftliches, vierphasiges Inbetriebnahmeprotokoll beifügen und die Inbetriebnahme nicht als allgemeine Position „Inbetriebnahme inklusive“ aufführen.

At Ying HydraulikWir fügen alle sieben Prüfpunkte standardmäßig als Anhang in jedes Angebot für die HPU-Integration ein – wir haben schon vor langer Zeit gelernt, dass transparente technische Spezifikationen bessere Projektergebnisse erzielen als versteckte Margen.Weitere Hinweise zur Beschaffung von Hydrauliksystemen finden Sie in unseren Artikeln zu diesem Thema.Auswahl der hydraulischen WindeUndPumpenspezifikation für Dauerbetrieb.

Externe Referenzen: Hydrauliksysteme nach ISO 4413 · CETOP RP100 · Lernen Sie Mining-Daten kennen · DNV-Regeln · SAE International · ISO 5001 · CIPS-Lebenszykluskosten