Nachweis der Funktionsfähigkeit eines Flachschieberventils mit Keramikkomponenten für die Hydraulik

  Konzept eines Flachschieberventils

Flachschieberventilen weisen Potentiale in Hinblick auf eine Reduzierung der Leckage und eine Steigerung der Lebensdauer, im Vergleich zu herkömmlich in der Industrie genutzten Ventilen, auf. Aktuell wird der erste Prototyp des Flachschiebers, bei welchem die Steuerplatten und die Schieberplatte aus Stahl gefertigt sind, aufgebaut und erprobt. Im Anschluss soll eine Erprobung und ein Funktionsnachweis des Flachschiebers, mit Steuerplatten und Schieberplatte aus Keramik, erfolgen.

 
Nutzen Vorgehen
Innovatives Ventilkonzept

Definition der Betriebsbedingungen und Erstellung eines Anforderungsprofils

Reduzierung Leckage

Auslegung der hydraulischen Stufe

Reduzierung Steuerkantenverschleiß

Erarbeitung und Optimierung der Druckkompensation

Steigerung Lebensdauer & Effizienz

Konstruktion und Erprobung des Flachschieberventils

Kontakt

Fotografie von Herr Aengenheister

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+49 241 80 47733

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Vorteile des keramischen Flachschieberventils

Verrundung an der Steuerkanten (links) und Leckage zwischen Schieber und Gehäuse (rechts) Verrundung an der Steuerkante (links) und Leckage zwischen Schieber und Gehäuse (rechts)

Bei der Verwendung von Kolbenschieberventilen, welche in der Hydraulik primär bei Widerstandssteuerungen eingesetzt werden, ergeben sich zwei Nachteile.

Zwischen Schieber und Gehäuse kommt es bei Kolbenschieberventilen durch den prinzipbedingten Spalt zu einer Leckage, wie rechts in der Abbildung zu sehen ist. Diese Leckage führt zu einer Reduzierung der Effizienz. Durch das Konzept des Flachschieberventils kann die Spalthöhe und die resultierende Leckage deutlich reduziert werden. Dabei wird einer Spaltbildung zwischen den Steuerplatten und der Schieberplatte durch Aufbringen einer Kompensationskraft entgegengewirkt.

Durch den Aufbau des Flachschiebers ist es möglich die Steuerplatten und Schieberplatten aus einem keramischen Werkstoff zu fertigen. Dabei harmonisieren Bauform und Material. Die Geometrien sind einfach genug, um aus keramischen Halbzeugen kostengünstig und in ausreichender Genauigkeit umgesetzt zu werden. Durch die hohe Planparallelität und die erreichbaren Oberflächengüten können kleine Spaltmaße erreicht werden.

Bei Kolbenschieberventilen sind die Schieber in der Regel aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Wie links in der Abbildung gezeigt, kommt es dabei zu einem abrasiven Verschleiß an den Steuerkanten. Dieser beeinflusst das Steuerverhalten der Ventile negativ und führt zu einer Begrenzung der Lebensdauer. Dadurch, dass die hydraulische Stufe des Flachschieberventils aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sein wird, welcher im Vergleich zu Metallen eine deutlich höhere Härte und Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß aufweist, kann eine Steigerung der Lebensdauer erreicht werden.

 

Kooperationsprojekt

Projektvorgehen in Kooperation mit dem IWM der RWTH Aachen University Projektvorgehen in Kooperation mit dem IWM der RWTH Aachen University

Das Vorhaben wird mit Experten auf dem Gebiet der Werkstofftechnik, dem Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (IWM) der RWTH Aachen University, bearbeitet.

Wie in der Abbildung dargestellt, befasst sich das IWM mit der Bestimmung von geeigneten Keramiken durch Materialuntersuchungen. Am ifas wird ein Prototyp des Flachschieberventils, bei welchem die hydraulische Stufe (Steuerplatten & Schieberplatte) zunächst aus Stahl gefertigt sein wird, aufgebaut. Mit Hilfe des Prototyps wird die zuvor erarbeitete Druckkompensation validiert und optimiert. Die Erkenntnisse aus der Entwicklung und Erprobung des ersten Prototyps werden zusammen mit den vom IWM gewonnenen Erkenntnissen der Materialuntersuchung genutzt, um einen Prototypen, bei welchem die hydraulische Stufe aus keramischen Komponenten besteht, aufzubauen. Mit diesen Prototypen soll der Funktionsnachweis des keramischen Flachschieberventils erfolgen.

 

Entwicklung der Druckkompensation

Implementierte Berechnung der Kräfte zur Geometrieoptimierung Implementierte Berechnung der Kräfte zur Geometrieoptimierung

Bei der Auslegung der Druckkompensation ergeben sich zwei gegenläufige Auslegungskriterien. Auf der einen Seite muss die auf die Steuerplatten aufgeprägte Kraft groß genug sein um einer Vergrößerung des Spaltes zwischen Steuerplatten und Schieberplatte entgegenzuwirken. Auf der anderen Seite bewirkt eine zu hohe Kompensationskraft hohe Reibungskräfte, welche von einem Aktor überwunden werden müssen. Daher ist ein Schwerpunkt des Forschungsprojektes die Auslegung der Druckkompensation.

Dazu wurde ein Berechnungsprogramm in Matlab entwickelt, welches die auf den Schieber wirkenden Kräfte berechnet und somit eine schnelle Geometrieoptimierung ermöglicht.

 

Auslegung der hydraulischen Stufe

Auslegung der hydraulischen Stufe mit Hilfe von CFD-Simulationen Auslegung der hydraulischen Stufe mit Hilfe von CFD-Simulationen

Die Auslegung der hydraulischen Stufe erfolgte durch Prüfstandsversuche mit einem 2-2-Wegeventil, welches in einer Vorstudie am ifas entwickelt wurde. Mit Hilfe der Ergebnisse aus den Prüfstandsversuchen wurde die Strömungskanalgeometrie vorausgelegt und im Anschluss durch CFD-Simulationen optimiert.

Geplant ist eine Durchströmung von 30 l/min bei vollständiger Ventilschieberauslenkung und einer Druckdifferenz von 10 bar.

Der entwickelte Prototyp wird aktuell am ifas in Realität umgesetzt und anschließend erprobt.

 
 

Danksagung

Das Forschungsvorhaben wird von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert.