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Druckentlastungsnuten an hydraulischen Ventilschiebern

Ein weit verbreitetes und den Konstrukteuren von hydraulischen Ventilen seit jeher bekanntes Problem ist das so genannte "hydraulische Kleben" (engl. "hydraulic lock") des Ventilschiebers. Dabei kommt es zu einem Verklemmen des Ventilschiebers im Gehäuse, hervorgerufen durch unausgeglichene Druckfelder (s. Bild 1). Durch diese Druckfelder wird der Ventilschieber aus der Mittellage gedrückt, der Schieber liegt in der Hülse an, wodurch sich der Effekt noch verstärkt. Hierdurch kommt es schließlich zu einem Blockieren des Ventilschiebers und somit zum Funktionsausfall des Ventils. Gemeinhin versucht man diese Effekte durch Einbringen von Umfangsnuten am Schieber - den sogenannten Druckentlastungsnuten - zu verhindern. Durch die Entlastungsnuten soll ein Druckausgleich entlang des Schieberumfangs ermöglicht werden, wodurch die Querkräfte in radialer Richtung deutlich reduziert werden. Die Auslegung dieser Nuten basiert in der Regel auf Gewohnheit und Erfahrung der Konstrukteure oder aufwändigen Versuchsreihen an Prototypen.

Entstehung von Querkräften im Spalt zwischen Ventilschieber und Hülse
Bild 1: Entstehung von Querkräften im Spalt zwischen Ventilschieber und Hülse

Die Untersuchung der ursächlichen Vorgänge in hydraulischen Wegeventilen und die Entwicklung eines geeigneten Simulationswerkzeugs im Rahmen des abgeschlossenen Projekts ermöglicht eine methodische und einfachere Auslegung von Druckentlastungsnuten. Die so verbesserte Kontrollierbarkeit der Reib- und Klemmkräfte durch Umfangsnuten trägt dazu bei, den Aufwand zur Sicherung der Zuverlässigkeit von Schieberwegeventilen zu senken. Es wurde zunächst ein Simulationsmodell aufgestellt, um den Einfluss der verschiedenen Konstruktionsparameter auf die Ventilspaltströmung durch Berechnungen untersuchen zu können. Das Modell basiert auf der zweidimensionalen Reynoldsgleichung für laminare Strömung im engen Spalt und bezieht auch die Druck- und Temperaturabhängigkeit der Viskosität sowie Mischreibungseffekte ein. Umfangsnuten werden als widerstandslose Volumina behandelt, die mit den Spalten in einer Reihenschaltung kombiniert werden. Die iterative Lösung mittels finiter Differenzen liefert die Kennwerte Querkraft, Kippmoment und Leckvolumenstrom, die zur Beurteilung der Parameterkonfiguration herangezogen werden.

Das Ziel dieses Projektes ist die Erarbeitung von Grundlagen für Konstruktionsrichtlinien, die den Entwicklern von Ventilen die Möglichkeit geben, die Anzahl, die Lage und die Kontur der Entlastungsnuten an einem Ventilschieber in Abhängigkeit der gegebenen Randbedingungen während der Konstruktion nach gesicherten Erkenntnissen optimal festzulegen. Die Einsparung aufwendiger Versuchsreihen ist vor allem für kleine und mittelständische Unternehmen von großer Bedeutung, da die Versuchskosten einen nicht unerheblichen Anteil an den gesamten Entwicklungskosten eines Ventils haben und wesentlich das "Time to Market" bestimmen. Letztendlich erfahren auch alle Anwender von hydraulischen Ventilen einen Vorteil aus diesem Projekt, da die Zuverlässigkeit von hydraulischen Ventilen verbessert wird und somit Anlagen, die solche Ventile beinhalten, eine Steigerung der Prozesssicherheit erfahren.

Screenshot der entwickelten Software SPASS Spaltströmungssimulation
Bild 2: Screenshot der entwickelten Software „SPASS Spaltströmungssimulation“

Es wurde eine eigenständige Simulationssoftware, „SPASS Spaltströmungssimulation“, entwickelt (s. Bild 2), die dazu verwendet wird, eine automatische Variation der relevanten Parameter durchzuführen. Diese setzt sich zusammen aus der Variati¬on der Nutkonfiguration und einer überlagerten Variation der Form- und Lageabweichungen der Komponenten, um durch eine statistische Mittelung robuste Aussagen treffen zu können, die von den tatsächlichen, unbekannten Verhältnissen unabhängig sind (s. Bild 3).

Variation von Nutz- und Geometrieparametern unter Berücksichtigung der Toleranzen
Bild 3: Variation von Nutz- und Geometrieparametern unter Berücksichtigung der Toleranzen

Das entworfene Werkzeug wurde eingesetzt, um für ein exemplarisch untersuchtes Ventil eine Optimierung durchzuführen, die als Leitfaden für eine individuelle Anwendung des Programms zu verwenden ist (vgl. Bild 4). Im Rahmen dieser Optimierung wurden folgende Tendenzen festgestellt:

  • Der größte Effekt stellt sich bei axial zentrierter Lage der Nuten ein
  • Viele schmale Nuten sind wirksamer als wenige breite
  • Eine gleichmäßige Anordnung der Nuten erzeugt die besten Ergebnisse
  • Die Entlastungswirkung steigt mit sinkender Überdeckung, jedoch auch der Leckvolumenstrom

Die tatsächliche Auslegung der Nutgeometrien stellt daher letztlich einen Kompromiss zwischen der gewünschten Reduzierung von Querkräften und Momenten sowie der nachteiligen Leckage dar. Das erstellte Simulationstool eröffnet dazu eine sehr flexible Möglichkeit, die an die unterschiedlichsten Problemstellungen angepasst werden kann.

Ergebnisfelder der zweidimensionalen Parametervariation
Bild 4: Ergebnisfelder der zweidimensionalen Parametervariation

Zum Vergleich der berechneten Ergebnisse mit Messwerten wurde ein Ventilprüfstand ausgelegt, konstruiert und aufgebaut, an dem die bei unterschiedlichen Konfigurationen der Entlastungsnuten benötigten axialen Betätigungskräfte gemessen werden können. Eine Reihe von acht unterschiedlichen Schiebervarianten in je drei Exemplaren wurde gefertigt und Messungen auf dem Prüfstand durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass allein durch unterschiedliche, nicht erkennbare bzw. beeinflussbare Einbauverhältnisse eine merkliche Streuung der Reibkraftwerte entsteht, die durch Druckentlastungsnuten stark verringert wird. Auch das Reibkraftniveau wird durch Nuteinbringung positiv beeinflusst. Die im Experiment beobachtete Wirkung unterschiedlicher Nutkonfigurationen deckt sich tendenziell mit den simulierten Verhältnissen.

Die beschriebenen Arbeiten entstanden im Rahmen des Forschungsvorhabens „Analyse der Strömungs- und Druckfelder sowie der Gestaltung der Nuten an hydraulischen Schiebern“, das durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen unterstützt wurde (AiF-Nr. 13978 N/1).

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