Nachweis der Funktionsfähigkeit eines Flachschieberventils mit Keramikkomponenten für die Hydraulik

  Konzept eines Flachschieberventils

Flachschieberventile weisen Potentiale in Hinblick auf eine Reduzierung der Leckage und eine Steigerung der Lebensdauer, im Vergleich zu herkömmlich in der Industrie genutzten Ventilen, auf. Zum Nachweis der Funktionsfähigkeit eines Flachschieberventils wurde ein Demonstrator aufgebaut und erprobt. Dazu fand zunächst eine Erprobung der Druckkompensation mit einer Hauptstufe, welche aus Stahl gefertigt wurde, statt. Im Anschluss wurde die metallische Hauptstufe ausgebaut und zwei keramische Hauptstufen aus Al2O3 und Si3N4 wurden ersetzt. Nach der Erprobung der Druckkompensation wurde die auftretende Leckage und die notwendigen Verstellkräfte für verschiedene Kompensationsgrade ermittelt.

 
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

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Vorteile des keramischen Flachschieberventils

Verrundung an der Steuerkante (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.

  Konzept des Flachschieberventils mit Druckkompensation Urheberrecht: © ifas Konzept des Flachschieberventils mit Druckkompensation

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

Wie in der Abbildung dargestellt, befasste sich das IWM mit der Bestimmung von geeigneten Keramiken durch Materialuntersuchungen. Am ifas wurde ein Demonstrator des Flachschieberventils, bei welchem die hydraulische Stufe (Steuerplatten & Schieberplatte) zunächst aus Stahl realisiert wurde, aufgebaut. Mit Hilfe des Demonstrators wurde die zuvor erarbeitete Druckkompensation validiert und optimiert. Die Erkenntnisse aus der Entwicklung und Erprobung des Demonstrators wurden zusammen mit den vom IWM gewonnenen Erkenntnissen der Materialuntersuchung genutzt, um einen Demonstrator, bei welchem die hydraulische Stufe aus keramischen Komponenten besteht, aufzubauen. Mit diesem Demonstrator erfolgte der Funktionsnachweis des keramischen Flachschieberventils.

 

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 Urheberrecht: © ifas 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.

 
 

Erprobung des Demonstrators

Volumenstromcharakteristik des Flachschieberventils Urheberrecht: © ifas Volumenstromcharakteristik des Flachschieberventils

Die bei der Erprobung des Flachschieberventils gemessene Volumenstromcharakteristik zeigt eine gute Übereinstimmung zu den durchgeführten Simulationen. Darüber hinaus konnte ein annähernd lineares Verhalten zwischen Schieberauslenkung und resultierenden Volumenstrom realisiert werden. Die Messungen wurden, wie auch die Simulationen, mit einem Mineralöl vom Typ HLP 46 bei 40°C und einer konstanten Druckdifferenz von 10 bar pro Steuerkante durchgeführt.

 

Danksagung

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Das IGF-Vorhaben 19576 N / 1 und 19576 N / 2 der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. – FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Veröffentlichungen

Titel Autor(en)
A 4/3-Way Flat Slide Valve With a Metallic Main Stage
Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2020)
Aengenheister, Stefan
Figge, Felix
Chao, Liu
Broeckmann, Christoph
Schmitz, Katharina
Functional proof of a flat slide valve as a 4/3-way proportional valve
Beitrag zu einem Tagungsband (2020)
Aengenheister, Stefan (Corresponding author)
Liu, Chao
Broeckmann, Christoph
Schmitz, Katharina
A Ceramic Flat Slide Valve for Hydraulic Applications
Buchbeitrag, Beitrag zu einem Tagungsband (2019)
Aengenheister, Stefan
Liu, Chao
Broeckmann, Christoph
Schmitz, Katharina
Tribological Qualification and Prediction of Fracture Probability of High-Performance Ceramics for Application in Flat Sliding Valves
Fachzeitschriftenartikel (2019)
Liu, Chao (Corresponding author)
Aengenheister, Stefan
Herzog, Simone
Deng, Yuanbin
Kaletsch, Anke
Bezold, Alexander
Schmitz, Katharina
Broeckmann, Christoph