Sicherheitsrelevante Auslegung von Hydraulikzylindern: Normen & Nachweise

Hydraulikzylinder bewegen tonnenschwere Lasten, sichern Kranausleger – und übernehmen als kraftvolle Antriebselemente die zentralen Funktionen in Maschinen und Anlagen. Ein Versagen kann Produktionskapazitäten, hohe Sachwerte oder sogar Menschenleben gefährden.

Deshalb muss jede Zylinderkonstruktion bereits in der Entwicklungsphase nachweisen, dass sie alle relevanten Normen, Lastprofile und Betriebsbedingungen erfüllt.

Im Mittelpunkt stehen verbindliche Richtlinien wie die EU-Maschinenrichtlinie sowie Zylinder-Normen und ergänzende Festigkeitsnachweise. Knick-, Druck- und Ermüdungsanalysen, Risikobewertungen und lückenlose Dokumentation greifen zu einem ganzheitlichen Sicherheitskonzept ineinander.

Moderne Engineering-Teams vereinen diese Disziplinen, um vom ersten Bauteilmodell bis zum finalen Prüfstandslauf höchste Zuverlässigkeit sicherzustellen.

Gesetzlicher & normativer Rahmen: Was wirklich gilt

Hydraulikzylinder-Sicherheit beginnt nicht am Prüfstand, sondern im Pflichtenheft. Rechtsbasis ist die EU-Maschinenrichtlinie 2006/42/EG. Sie verlangt, dass jede Zylinderkonstruktion alle vorhersehbaren Gefährdungen ausschließt.

Konkrete Richtlinien stellen die DNV-ST-0194, ISO 19704 oder AD-2000-Merkblätter – je nach Branche dar. Ergänzt werden sie durch die FKM-Richtlinie oder Standartwerke wie den Roloff-Matek für generelle Festigkeitsbewertungen. Weiterhin existieren Normen die sich ausschließlich mit Normzylinder beschäftigen wie beispielsweise DIN EN ISO 6020 oder DIN EN ISO 6022.

Für die Zylinderauslegung bedeutet das: Die einschlägigen Normen müssen gegebenenfalls aus der Anwendung abgeleitet werden. Beispielsweise müssen Wandstärken, Dichtsysteme und Schweißnähte nicht nur statisch, sondern auch dynamisch berechnet und nachgewiesen werden. Entsprechende Normen liefern dafür prüfbare Kennzahlen, Sicherheitsfaktoren und Werkstofffestigkeiten.

Eine lückenlose Dokumentation aller Randbedingungen, Berechnungswege, Fertigungsprotokolle und Werkstoffzertifikate ist Voraussetzung für die Erfüllung der EU-Maschinenrichtlinie.

Nachweise in der Praxis: Knicken, Druck, Schwingung

Die Hydraulikzylinderberechnung in sicherheitsrelevanten Projekten umfasst häufig folgende Kernnachweise:

• Knicken:

  Für drückend arbeitende Zylinder mit langem Hub, etwa wie Hydraulikzylinder für Krane, stellt ein plötzliches Knicken der Kolbenstange ein zentrales Sicherheitsrisiko dar. Zur Beurteilung dienen entweder konservative Methoden zum Beispiel nach Euler oder eine genaue FEM-Analyse: Die Euler-Methode setzt gleiche Flächenträgheitsmomente für Rohr und Stange voraus und führt damit oft zu überdimensionierten, kostenintensiven Zylindern, während die FEM-Analyse alle Geometrie- und Lasteinflüsse realitätsnah abbildet, belastbare Sicherheitsnachweise liefert und eine schlankere, wirtschaftlichere Auslegung ermöglicht.

• Druck:

  Die zulässige Innendruckbelastung wird zunächst durch analytisch ermittelte Nennspannungen nachgewiesen. Eine anschließende FEM-Analyse prüft Spannungsspitzen beispielsweise an Schweißnähten und Flanschen- nötigenfalls wird die Konstruktion angepasst. Abschließend folgt ein Burst-Test bis etwa zum 1,5-fachen Betriebsdruck, der das Rechenmodell bestätigt und einen normkonformen Sicherheitsnachweis liefert – ohne unnötige Überdimensionierung.

• Schwingung & Ermüdung:

  Goodman-, Haigh- oder Smith-Diagramme bilden die rechnerische Basis für die dynamische Festigkeitsbewertung. Eine detaillierte FEM-Analyse simuliert reale Lastkollektive inklusive Spannungsspitzen Da eine statische Analyse in zahlreichen Anwendungen nicht die tatsächlichen Betriebsbedingungen widerspiegelt, ist eine dynamische Berechnung notwendig, um das Systemverhalten praxisnah und zuverlässig zu beurteilen.

• Deckel-Rohrverbindungen:

  Ein weiterer zentraler Nachweis ist für die Verbindung zwischen Rohr und Boden bzw. zwischen Rohr und Kopf zu führen. Bei geschraubten Verbindungen erfolgt dieser nach VDI 2230, bei geschweißten Verbindungen nach der FKM-Richtlinie. Die Wahl des geeigneten Nachweisverfahrens richtet sich nach der Art und Höhe der auftretenden Beanspruchung. Ziel ist es, die geforderte Lastwechselzahl unter realen Betriebsbedingungen sicher und zuverlässig zu erreichen.

Neben den vorgenannten Berechnungsnachweisen müssen weitere Aspekte berücksichtigt werden, dazu gehören beispielsweise die Beurteilung von Dichtigkeit, Temperatureinflüssen, Medienverträglichkeit und Korrosion.

So erfüllen wir bei ACONA die höchsten Sicherheitsstandards

Normen-Check zum Projektstart

Jede Spezifikation wird systematisch mit den jeweils geltenden Normen und kundenspezifischen Richtlinien abgeglichen. Alle relevanten Daten fließen in ein digitales Pflichtenheft ein. Grundlagen für die Auslegung lassen sich dadurch jederzeit transparent nachvollziehen.

FEM-gestützte Dimensionierung

Eine umfassende FEM-Analyse bildet sämtliche statische und dynamische Lastfälle mithilfe von strukturmechanischen Ersatzmodellen ab. Die daraus abgeleiteten Spannungs- und Verformungsdaten fließen direkt in die Hydraulikzylinder-Berechnung ein. Sämtliche Simulations- und Berechnungsergebnisse werden revisionssicher in einem Tragfähigkeitsnachweis dokumentiert und archiviert.

Engineering & Fertigung unter einem Dach

Konstruktion, Berechnung und Fertigung bis 800 mm Kolbendurchmesser sind bei uns in Herzogenrath bei Aachen räumlich vereint. Das verkürzt Abstimmungswege, minimiert Schnittstellenrisiken und beschleunigt Änderungsschleifen.

deep-R-Festwalzverfahren

Unser eigenes deep-R-Verfahren steigert dank Oberflächenverfestigung die Lebensdauer um bis zu 100 %, erlaubt bis zu 25 % höhere Leistung und reduziert Volumen und Gewicht um 35 %. Gemeinsam mit dem Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen haben wir dieses Verfahren prüfen lassen, um empirisch die Mehrwerte des deep-R-Verfahrens bestätigen zu lassen.

Prüfung und Abnahme

Jeder von uns entwickelte Hydraulikzylinder durchläuft strenge Druck-, Leckage- und Funktionsprüfungen unter Überdruck. Erst nach bestandenen Tests erfolgt die Freigabe. Alle Prüfprotokolle werden dabei digital archiviert und dem Kunden zur Verfügung gestellt.

Fazit: ein Dreiklang in jedem ACONA-Projekt

Wer Zylinder für kritische Anwendungen plant, benötigt mehr als starke Werkstoffe: Anwendungs- und normkonforme Berechnungen, fundierte FEM-Analysen inklusive Sicherheitsnachweisen und eine lückenlose Risikoanalyse bilden das Fundament.

Wird dieser Dreiklang früh im Projekt verankert, entstehen Zylinder, die auch unter Extrembedingungen zuverlässig funktionieren – und damit Anlagenverfügbarkeit, Personenschutz und Budget gleichermaßen absichern.

Genau dieses Komplettpaket liefern wir von ACONA unseren Kunden – zuverlässig, transparent und nach allen geltenden Standards – und auf Wunsch darüber hinaus. Wir planen und produzieren Hydraulikzylinder nach Maß, genau nach Ihren individuellen Anforderungen.