print Seite drucken

Verschleißverhalten von pneumatischen Sitzventilen

Kontext

Die Ausführung als Sitzventil ist eine weit verbreitete Bauform pneumatischer Ventile. Die Eigenschaften von Sitzventilen werden in besonders starkem Umfang durch die Ausführung des Sitzes und die Gestaltung der Dichtelemente bestimmt. Der Verschleiß dieser Komponenten begrenzt in der überwiegenden Zahl der Fälle die Lebensdauer von Sitzventilen bzw. führt zu unerwünschter Leckage. Der Schwerpunkt des Projektes liegt in der systematischen Untersuchung der Belastungen und der hieraus hervorgehenden Verschleißmechanismen von Dichtungen in Sitzventilen. Zielsetzung ist die Schaffung neuer Konstruktionsrichtlinien zur Erhöhung der Lebensdauer und Zuverlässigkeit pneumatischer Sitzventile.

Aufbau und Funktion

Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines industrieüblichen 3/2-Wegeventils. Dabei wird in der geschlossenen Stellung der Druckluftsitz durch ein Elastomer verschlossen. Die nötige Anpresskraft wird durch eine vorgespannte Schließfeder auf den Magnetanker ausgeübt.

Aufbau eines 3/2-Wege-Sitzventils
Bild 1: Aufbau eines 3/2-Wege-Sitzventils

Zum Öffnen wird der Magnet bestromt. Das Magnetfeld erzeugt eine Kraft auf den Magnetanker, die diesen gegen die Kraft der Schließfeder anzieht und die Druckluftbohrung freigibt. Gleichzeitig wird der Entlüftungsanschluss vom kernseitigen Elastomer verschlossen. Zum Schließen wird der Magnetstrom unterbrochen, der Anker wird nun durch die Schließfeder beschleunigt und trifft mit einem hohen Impuls auf den Dichtsitz auf. Dieser Stoß bewirkt kurzzeitig hohe Spannungen und Dehnungen im Elastomer, die die Dichtung nach mehreren Millionen Schaltzyklen beschädigen und die Funktion des Ventils beeinträchtigen.

FEM-Simulation

Zur Verbesserung des Verschleißverhaltens wurde die Dichtpaarung Elastomer/Ventilsitz mit Hilfe einer dynamischen FEM-Simulation analysiert und optimiert. Bild 2 gibt einen animierten Ausschnitt aus der FEM-Simulation eines Sitzventils wieder. Der Film zeigt das zweidimensionale rotationssymmetrische Modell im Halbschnitt, bestehend aus dem deformatiosstarren Ventilsitz, der Elastomerdichtung, die vom Ventilanker umfaßt wird und einer Scheibe, über die das Dichtungselastomer vorgespannt wird. Die Farbgebung verdeutlicht die Spannungsverteilung in der Dichtung während des Schließvorgangs.

FEM-Simulation des Schließvorgangs (animierte Filmsequenz)
Bild 2: FEM-Simulation des Schließvorgangs (animierte Filmsequenz)

Zur Verifizierung der Simulationsergebnisse wurde der simulierte Bewegungsablauf mit Messungen am Originalventil verglichen. Dazu wurde ein Sitzventilprüfstand aufgebaut, der Aufschluß über die physikalischen Eigenschaften, wie Stoßkräfte, Beschleunigungen und Bewegungsverhalten der Ventilaktoren gibt. Bild 3 zeigt die gute Übereinstimmung zwischen Simulation und realem Ventil anhand der Weg- und Geschwindigkeitsverläufe beim Schließvorgang. Dabei ist in blau der gemessene und in rot der simulierte Wegverlauf aufgetragen. Auch die Geschwindigkeitsverläufe zeigen eine sehr gute Übereinstimmung (grün: Simulation, magenta: Messung).

Vergleich zwischen Messung und Simulation beim Schließvorgang der Ventile
Bild 3: Vergleich zwischen Messung und Simulation beim Schließvorgang der Ventile

Mit Hilfe des FEM-Simulation konnten Maßnahmen erarbeitet werden, um die Kontaktpaarung Elastomer/Ventilsitz belastungsoptimiert auszulegen. Dazu wurde der Ventilsitz umgestaltet und auf das Deformationsverhalten der Dichtung angepaßt. Ziel der Simulation war es, über die Optimierung der Kontaktpaarung die aufgrund der stoßartigen Belastung auftretenden hohen Spannungen und Dehnungen im Material möglichst weit zu reduzieren. Um ein leckagefreies Abdichten des geschlossenen Ventils zu ermöglichen, durften hierbei jedoch die zum Abdichten notwendigen Kontaktspannungen zwischen Sitz und Elastomer nicht zu sehr abnehmen. Bild 4 zeigt den Spannungsverlauf des am höchsten belasteten Bereichs der Dichtung. Wie zu erkennen ist, konnten die maximalen Spannungen in der Dichtung von über 40 N/mm2 auf 25 N/mm2 gesenkt werden.

Spannungsverlauf im Elastomer beim Originalventil (blau) und beim optimierten Sitzventil (rot) während 
				des Schließvorgangs
Bild 4: Spannungsverlauf im Elastomer beim Originalventil (blau) und beim optimierten Sitzventil (rot) während des Schließvorgangs

Um zu zeigen, dass die über die Simulation getroffenen Maßnahmen auch eine Verlängerung der Lebensdauer der Ventile bewirken, wurden umfangreiche Dauerversuche durchgeführt. Dazu wurde ein Dauerversuchsprüfstand aufgebaut, mit dem 20 Ventile parallel betrieben werden können. Mit diesem Dauerversuchsprüfstand wurden mehrere Versuchsreihen gefahren, die eine deutliche Steigerung der Lebensdauer der optimierten Ventile nachwiesen.

Seite drucken print