Fast-Screening-Test für tribologische Kontakte in Pneumatikventilen
Für pneumatische Schaltventile werden primär weichdichtende Ventile verwendet, die während des Betriebes einem Verschleißprozess unterliegen. Dieser Verschleiß limitiert die Lebensdauer der Ventile und kann aktuell nur durch zeit- und kostenintensive Versuche ermittelt werden. Ziel des Forschungsprojektes ist es einen Prüfstand zu entwickeln und zu erproben, mit dem es möglich ist das tribologische Verhalten der Ventile innerhalb eines Monats auf die Gesamtlebensdauer abschätzbar zu machen.
| Nutzen | Vorgehen |
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Reduzierung der Erprobungszeiten |
Ermittlung von Referenzgrößen |
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Einfachere und günstigere Neuentwicklung und Optimierung pneumatischer Ventile |
Entwicklung und Aufbau eines Prüfstands zur beschleunigten Verschleißuntersuchung |
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Charakterisierung des tribologischen Systems (Reibung, Leckage & Verschleiß) |
Durchführung von Versuchen und tribologischen Analysen |
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Validierung des Prüfstandes |
Verschleißverhalten von pneumatischen Schaltventilen
Für die Zwecke der Automatisierung großer Anlagen werden primär weich gedichtete Ventile verwendet. Sie besitzen entweder in der Buchse oder auf dem Schieber Elastomer-Formdichtungen (z.B. HNBR oder Polyurethan) und gewährleisten so eine bessere Dichtwirkung.
Nachteilig ist, dass die Dichtungen bei jedem Schaltvorgang über die Steuerkanten fahren müssen und es dadurch zu einem erhöhten Verschleiß der Dichtung kommt, welcher letztendlich die Lebensdauer der Ventile begrenzt. Da bei pneumatischen Ventilen das Verhältnis zwischen Druck- und Reibungskräften meist deutlich ungünstiger als in der Hydraulik ist, kommt der Gestaltung des Tribokontaktes zwischen Ventilschieber und Buchse besondere Bedeutung zu. Die Güte seiner Auslegung ist maßgeblich für Dynamik, Leckage und Verschleiß verantwortlich. Des Weiteren gehen die Entwicklungstendenzen in der Pneumatik auch in Richtung Taktzeitverkürzung. Bei den zu handhabenden hohen Stückzahlen wirkt sich jede Millisekunde Zeiteinsparung pro Zyklus auf die Prozesskosten aus.
Dies erfordert, dass sämtliche tribologische Kontakte über der Gebrauchsdauer eine möglichst konstante geringe Reibung und Leckage erzielen, was zusätzlich auch einen geringen Verschleiß erfordert. Doch selbst bei idealer Auslegung und idealen Betriebsbedingungen ist die Lebensdauer der Dichtungen begrenzt. Eine Änderung der Verfahrgeschwindigkeit der pneumatischen Schieber oder eine Änderung der Temperatur des Systems führt zu einer Änderung des Verhaltens von Elastomer und Schmierfett. Das Elastizitätsmodul der Schieber steigt mit steigender Verfahrgeschwindigkeit oder mit sinkender Temperatur. Aufgrund der Vielzahl von Einflussparametern auf das Tribosystem Dichtung ist das Ausfallverhalten dabei aktuell nicht berechenbar, es kann vielmehr nur geschätzt oder in Versuchen ermittelt werden. Zugleich kann aber ein Dichtungsversagen zum Stillstand einer gesamten Produktionsanlage und somit zu erheblichen Kosten führen.
Die Lebensdauer von pneumatischen Ventilen wird mit dem B10-Wert definiert. Dieser Wert gibt an bei wie vielen Schaltspielen es zu einem Ausfall von 10 % der Ventile gekommen ist. Bei pneumatischen Schaltventilen sind dabei B10-Werte von 65 Mio. Zyklen üblich. Bei einer angenommenen Versuchsdauer von 0,5s pro Zyklus entspricht dies einer Versuchsdauer von ca. 1 Jahr. Diese vergleichsweise langen Versuchsdauern führen zu Verzögerungen im Entwicklungs- oder Optimierungsprozess von Pneumatikventilen und binden Prüfstandskapazitäten.
Beschleunigter Verschleißtest für pneumatische Schaltventile
Aus den aktuell langen, notwendigen Versuchszeiten resultiert der Bedarf für eine Versuchsmethodik, mit der es möglich ist, schnell das Potential pneumatischer Ventile, bzw. deren Tribologiesystemen, bewerten zu können. Das Verschleißverhalten soll dabei innerhalb eines Monats auf die Gesamtlebensdauer abschätzbar sein und dadurch die Entwicklung von pneumatischen Ventilen einfacher und kostengünstiger realisierbar machen. Dabei muss sichergestellt werden, dass die gewonnenen Ergebnisse der beschleunigten Testausführung mit dem Referenztest vergleichbar sind. Dies bedingt, dass die Bedingungen im Gleitkontakt vergleichbar sein müssen. Zum einen muss eine vergleichbare Kinematik und Oberflächencharakteristik vorliegen, zum anderen müssen aber auch die Einflussfaktoren auf die Deformation der Dichtung vergleichbar sein. Dies beinhaltet die eingestellte Vorspannkraft, die auftretende Reibung und der hydrostatische Druckabfall.
Der Versuchsaufbau, der im Rahmen des Projektes aufgebaut wird, soll eine Lebensdauerabschätzung von pneumatischen Ventilen und deren tribologisches Verhalten innerhalb eines Monats auf die Gesamtlebensdauer ermöglichen. Während der Durchführung der Verschleißtests werden dabei die Leckage, Reibung und die zur Verstellung des Schiebers notwendige Kraft aufgezeichnet.
Die nachfolgende Abbildung zeigt einen vereinfachten Schaltplan des Prüfstands, welcher zur Vermessung von 5/2-Wegeventilen genutzt werden soll.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 21028 N/1 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 Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.