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Schaltende, busfähige und explosionsgeschützte Piezovorsteuerventile für die Hydraulik

Kontext

Aus der industriellen Praxis kommt zunehmend die Forderung nach Ventilen, die sich durch eine geringe Leistungsaufnahme auszeichnen, busfähig sind und niedrige Fertigungskosten aufweisen. Besonders die Forderung nach einer geringen Leistungsaufnahme steht dabei immer mehr im Vordergrund. Eine typische Anwendung mit einem solchen Profil ist die Wasserhydraulik im Bergbaubereich.

Schildstreb
Bild 1: Schildstreb

Zur Minimierung der Ansteuerleistung kommen derzeit Lösungen, die eine elektromagnetische Aktorik mit einer konstruktiv aufwendigen Ventilgestaltung zur Haltestromabsenkung verbinden, zum Einsatz. Eine weitere Absenkung der Leistungsaufnahme ist erforderlich und kann nunmehr mit der Wahl eines anderen Aktorprinzips verwirklicht werden.
Der Piezoaktor ist für diese Aufgabe prädestiniert, da er prinzipbedingt zum Halten einer Position keine Leistung aufnehmen muß.

Ziele

Im Rahmen dieses Projektes soll ein schaltendes, hydraulisches Piezo-Vorsteuerventil mit standardisierter Schnittstelle für den Einsatz im Ex-Schutz-Bereich (Schutzklasse Ex-ib I) am Beispiel eines Ventils für die Wasserhydraulik für den Untertage-Einsatz beim Strebausbau entwickelt werden. Ziel ist die Entwicklung eines zulassungsfähigen Vorseriengerätes. Dieses soll die Untertage-Erprobung ermöglichen und als Vorbild für das anschließende Serienprodukt dienen. Die dabei entwickelten Konzepte können auch auf viele andere Anwendungsgebiete, wie z.B. den Einsatz in der Antriebshydraulik (Mobil-, Stationär-, Flughydraulik), der Chemie- und Verfahrenstechnik, der Offshoretechnik und beim Pipelinebetrieb übertragen werden.

Ergebnisse

Der am IFAS entwickelte Ventilprototyp besitzt 3 Haupfunktionselemente. Zu diesen Hauptfunktionselementen zählen die eigentliche Ventilcartridge, die Piezoaktoreinheit sowie die Wegübersetzung, die die kinematische Kette schließt. Die Integration einer Wegübersetzung ist zwingend notwendig, um den sehr geringen Hub des Piezoaktors in Bereiche zur übersetzen, die für den Antrieb einer hydraulischen Ventilstufe sinnvoll sind. Im Rahmen dieses Projektes ist das aus Sicht der Serienfertigung günstige Prinzip einer mechanischen Wegübersetzung gewählt worden. Zusätzlich ist als Sicherheitsfeature eine Handnotbetätigung in das Ventil integriert, die das Schalten von Hand bei Ausfall der Energieversorgung ermöglicht. Das folgende Bild zeigt die Integration der Funktionselemente zu einer Doppelventileinheit, die zwei 3/2-Wege-Schaltventile in einem Gehäuse vereint.

Doppelventileinheit (ohne Gehäuse)
Bild 2: Doppelventileinheit (ohne Gehäuse)

Um über den gesamten Einsatztemperaturbereich des Ventil die Funktionalität zu garantieren, ist es nötig, den Piezoaktor temperaturkompensiert im Gehäuse zu lagern. Diese Temperaturkompensation sorgt dafür, das bei Erwärmung die Schrumpfung der Piezokeramik und die Ausdehnung des umgebenden Metalls sich gegenseitig aufheben. Erreicht wird dies durch die im folgenden Bild gezeigte Integration eines Aluminiumkompensator in die Ausdehnungskette um den Piezoaktor.

Piezoaktor mit Temperaturkompensation (Patentanmeldung DBT Automation GmbH)
Bild 3: Piezoaktor mit Temperaturkompensation (Patentanmeldung DBT Automation GmbH)

Die folgenden Bilder zeigen Hub-/Signalkennlinie und Druck-/Signalkennlinie des Ventilprototypen.

Hub-/Signalkennlinie
Bild 4: Hub-/Signalkennlinie
Druck-/Signalkennlinie
Bild 5: Druck-/Signalkennlinie
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