Logikventile statt Wegeventile

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1 Logikventile statt Wegeventile Neuentwicklungen von Einschraubventilen mit geringen Druckverlusten Kevin Cochran, Jürgen Poscher, Stephanie Stiber, Bernd Zähe Der Beitrag beschreibt die Funktion von Logikventilen und einige übliche Schaltungen. Es werden einfache /-Wege-Logikventile (Öffner und Schließer) und Logikventile mit positiver Überdeckung und Stellungsüberwachung gezeigt. Eine Schaltung wird beschrieben, mit der ein Zylinder oder Motor sanft angefahren und schlagfrei druckentlastet werden kann. Darüber hinaus werden neue Logikventile vorgestellt, die bei gleicher Baugröße einen um 50 bis 80 % höheren Volumenstrom bei gleichem Druckabfall ermöglichen. Bei 700 L/min ergibt sich ein Druckabfall von bar. Autoren: K. Cochran, J. Poscher, S. Stiber und Dr.-Ing. B. Zähe sind Mitarbeiter der SUN Hydraulik GmbH in Erkelenz bzw. der SUN Hydraulics Corporation in Sarasota (USA) Der Artikel beschreibt Funktion und Einsatz von Logikventilen, insbesondere schaltenden /-Wege-Logikelementen. Der Einsatz der Ventile ist oft schwierig, weil die Ventile nicht nur auf den hydraulischen Steuerdruck reagieren, sondern auch abhängig von Lastdruck und Versorgungsdruck schalten. Deshalb sollen kurz Hinweise zur Verschaltung gegeben werden. Neue Logikventile sind mit Sensoren ausgestattet, die elektrisch anzeigen, ob die Schaltventile geöffnet oder geschlossen sind. Auch für diese Ventile sollen Hinweise zur Verschaltung gegeben werden. Wegen der Schaltüberdeckung der Ventile ist die Schließzeit besonders zu beachten. Abschließend sollen neuentwickelte Logikventile vorgestellt werden, die so optimiert wurden, dass bei gleichen äußeren Abmessungen der Nennvolumenstrom um 50 bis 80 % gesteigert wurde. Bei der Entwicklung wurden Programme zur dreidimensionalen Berechnung der Strömung im Ventil und im angeschlossenen Steuerblock eingesetzt. 6 O+P /0

2 Titel I steuerungen und regelungen -WEGE-LOGIKELEMENT SPERRBAR DURCH STEUERDRUCK DIN DIN ISO 9 : Schnittbild eines normal geöffneten /-Wege- Logikelements : /-Wege- Logikventile angesteuert von einem /- Wegeventil Die neuen Einschraubventile haben eine Kapazität, die vergleichbar ist mit der von -Wege-Einbauventilen nach DIN NG 5 und NG. Funktionsweise eines normal geöffneten Logikelements Zunächst soll die Funktionsweise eines Standard-Logikventils beschrieben werden, um zu klären, wann die Ventile öffnen und wann sie schließen. Bild zeigt das Schnittbild eines Ventils mit drei Anschlüssen. Das Ventil wird durch Federkraft und Steuerdruck an geschlossen. Der Druck an wirkt auf eine Kolbenfläche, die,8-mal so groß ist wie die wirksame Fläche für Anschluss. Die Federkraft entspricht einem Druck von,5 bar an Anschluss. Die Drücke an Anschluss und wirken öffnend. Das Ventil ist also nur dann geschlossen, wenn (Gl. ). Häufig sind die Arbeitsdrücke an Anschluss und nicht bekannt, so dass unsicher ist, ob der Steuerdruck an ausreicht, das Ventil zu schließen. Der Druck an oder kann durchaus auch höher sein als der Versorgungsdruck des Antriebs. Das ist z.b. dann der Fall, wenn der Zylinder als Druckübersetzer arbeitet. Aus diesem Grund werden Wechselventile eingesetzt, die den höheren Druck aus Anschluss und auf den Anschluss des Logikventils leiten. Bild zeigt zwei von vielen möglichen Schaltungen. Folgende Punkte sind bei den Schaltungen zu beachten: n Das Wegeventil zur Ansteuerung muss ein Sitzventil sein, wenn der Anschluss, der abgesperrt werden soll, auch mit dem Wegeventil verbunden ist. n Das Logikventil sollte vorzugsweise Anschluss, also den Durchfluss von nach, sperren. Wenn das Ventil von nach sperren soll, muss der Druck von Anschluss z.b. über das /-Wegeventil auf Anschluss geleitet werden. Bei Ausfall der Weichdichtung am Kolben des Logikventils (siehe Schnitt in Bild ) würde Öl von nach fließen. Diese mögliche Schwachstelle wird vermieden, wenn das Ventil von nach sperrt. n Die Schaltzeiten sind zu beachten. Der Hersteller kann das Volumen angeben, das beim Schalten über Anschluss der Logikventile fließt. Die Schaltzeiten sind abhängig von anliegenden Lastdrücken, vom Steuerdruck und möglichen Begrenzungen des Steuerölstromes (Blenden, Kapazität des Vorsteuerventils). Bild zeigt ein Logikventil mit integriertem Wechselventil. Das Ventil spart das oft zusätzlich erforderliche Wechselventil. Logikventile mit druckausgeglichenen Kolben Die Schwierigkeiten mit dem Einfluss unbekannter Lastdrücke auf das Schaltverhalten von Logikventilen können ganz vermieden werden, indem Ventile mit druckausgelichenen Kolben verwendet werden. Bild zeigt die Schnittbilder eines normal geöffneten und eines normal geschlossenen /-Wegeventils. Diese Ventile werden durch die Druckdifferenz von nach geschaltet und zwar unabhängig von Drücken an den Arbeitsanschlüssen und, auch unabhängig von der Durchflussrichtung zwischen diesen beiden Anschlüssen. Die Drücke an den Anschlüssen und haben keinen Einfluss auf die Schaltstellung des Ventils. Deshalb können diese Ventile einfach in unübersichtlichen Schaltungen eingesetzt werden, außerdem sind die Schaltzeiten einfacher vorhersehbar als bei anderen Logikventilen. Logikventile mit Stellungsüberwachung Logikventile werden häufig mit elektrischer Überwachung der Schaltstellung eingesetzt. Die bisher gezeigten Ventile können nicht einfach mit einem zusätzlichen Sensor versehen werden, da nur ein sehr kurzer (theoretisch unendlich kurzer) Kolbenhub darüber entscheidet, ob das Ventil geöffnet oder geschlossen ist. Die Logikventile mit Überwachung der Schaltstellung haben einen anderen Kolben (siehe Bild 5). Der vordere Zapfen dieses Kolbens taucht, wenn das Ventil schließt, in den Sitz ein. Das elektrische Signal wird ausgegeben, wenn der Zapfen eingetaucht, das Ventil aber noch nicht ganz geschlossen ist. Bei der Gestaltung des Kolbens muss ein Kom- DO*S-XHN Normal geöffnet DK*S-XHN Normal geschlossen : /-Wege-Logikventil trennt den Zylinder von der Druckversorgung : /-Logikventil mit druckausgeglichenem Kolben O+P /0 6

3 steuerungen und Regelungen I titel Modell LOHC-ZDN Modell LKHC-ZDN 5: Kolben mit positiver Überdeckung für Ventile mit Schaltstellungsüberwachung 6: Logikventile mit Stellungsüberwachung. Oben: durch Steuerdruck zu schließen. Unten: durch Steuerdruck zu öffnen promiss gefunden werden zwischen der Leckage bei Ausgabe des elektrischen Signals und der Schließzeit des Ventils. Wenn die Leckage des Ventils schon sehr gering ist, bevor der Kolben auf dem Sitz aufliegt, ist das elektrische Signal sehr aussagekräftig. Der Kunde kann von einer sehr geringen Leckage ausgehen, sobald das Signal ausgegeben wird. Der Nachteil ist eine lange Schließzeit, wenn der Zapfen in ein Totvolumen eintaucht. Das Öl an Anschluss oder kann nur sehr langsam verdrängt werden, wenn kein Öl in den Anschluss oder verdrängt werden kann. Das ist z.b. dann der Fall, wenn zwei Logikventile in Reihe geschaltet sind. Das Ventil, das später schließt, wird langsamer schließen und das Schließsignal wird später ausgegeben. U.U. kann der Betreiber nicht so lange auf das Signal warten und muss die schnell laufende Maschine vorher abschalten. In diesen Fällen müssen Blenden gesetzt werden, über die Öl verdrängt werden kann. Bild 6 zeigt Logikventile mit Stellungs-überwachung. Das obere Ventil (LO-) wird durch den Steuerdruck an Anschluss geschlossen. Es gelten die gleichen Verhältnisse wirksamer Flächen wie in Gleichung beschrieben. Das untere Ventil (LK-) ist ein normal geschlossenes Ventil, das durch Steuerdruck an geöffnet werden kann. Ohne diesen Steuerdruck ist das Ventil von nach und von nach sitzdicht geschlossen. Das Ventil öffnet, wenn (Gl. ). Ein Vorteil des geöffneten Ventils (LK-) ist, dass keine Mindestdruckdifferenz von nach oder nach nötig ist, um das Ventil zu durchströmen. Es wird daher z.b. bei geschlossenen Regelkreisen eingesetzt. Ganz geöffnet stört es die Regelung nicht. Außerdem ist es ohne Steuerdruck durch Federkraft in beide Richtungen geschlossen. Die Funktion kann einfach unter Proportional- oder Servoventilen nachgerüstet werden, indem die Logikventile in Zwi- P /bar P T /bar P P T T/ms 7: Logikventil mit Stellungsüberwachung und Dekompressionsventil 6 O+P /0

4 Versorgung Tank 9: Simulation des Volumenstroms durch das bestehende Logikventil (Querschnitt) FQCA XAN LO_C XDN Nebenantrieb 8: Logikventil zum Schutz eines Nebenantriebs. Diese Schaltung schützt die Maschine vor Schäden, die auftreten können, wenn der Nebenantrieb zwar an den Systemdruck, aber nicht an den Tank angeschlossen ist. In diesem Fall steht der gesamte Nebenantrieb unter Druck. Diese Schaltung setzt den Nebenantrieb erst dann unter Druck, wenn auch die Tankleitung richtig angeschlossen ist schenplatten eingebaut werden. Die Baugrößen der Logikventile sind angemessen bei Nennweiten von NG 0 bis NG. Logikventile anstelle von Wegeventilen Logikventile sind schaltende Elemente, die bei größeren Volumenströmen oft preiswerter sind als /-Wegeventile. Auch wenn mehrere Logikventile zur Ansteuerung von Zylindern nötig sind, können sie insgesamt preiswerter sein, weil sie auf die unterschiedlichen Volumenströme an den beiden Seiten eines Differentialzylinders angepasst werden können. Ein kleines Logikventil kann auf der Stangenseite und ein größeres auf der Kolbenseite des Zylinders eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil der Logikventile ist, dass meist keine zusätzlichen Sperrventile zur leckölfreien Absperrung des Zylinders nötig sind. Ein Nachteil der Logikventile kann ein hartes Öffnen und Schließen sein. Eine Bedämpfung der Ventile ist möglich, aber schwieriger als bei Wegeventilen, die durch niedrige Magnetkräfte oder durch immer gleiche Steuerdrücke schalten. Die beschriebenen Logikventile öffnen und schließen auch aufgrund der anliegenden Lastdrücke. Bild 7 zeigt eine Schaltung, in der ein schaltendes Logikventil die Kolbenseite des 0: Simulation des Volumenstroms durch das bestehende Logikventil (Längsschnitt) Zylinders mit der Versorgung verbindet. Wenn das eingespannte Volumen im Zylinderboden mit dem Tank verbunden wird, kommt es häufig zu Druckentlastungsschlägen (Dekompression). In der Schaltung wird das durch ein entlastbares Druckbegrenzungsventil vermieden, dessen Einstellung rampenförmig innerhalb von etwa 00 ms auf einen niedrigen Wert fällt, wenn das Magnetventil schaltet. Das Logikventil schließt also schnell und trennt den Zylinder von der Versorgung. Gleichzeitig öffnet das Druckbegrenzungsventil langsam. D.h., die Einstellung des Druckbegrenzungsventils fällt langsam. Es fließen automatisch die Volumenströme vom Zylinder zum Tank, die für den gewünschten schlagfreien Druckabbau nötig sind. Ein letztes Beispiel für den Einsatz von Logikventilen zeigt Bild 8. Wenn Nebenantriebe mit Schnellverschlusskupplungen an eine Versorgung angeschlossen werden, ist es oft wichtig, zuerst die Tankleitung und erst dann die Versorgung anzuschließen. Wenn die Tankleitung nicht angeschlossen ist, kann der hohe Versorgungsdruck im Nebenantrieb z.b. Motorengehäuse beschädigen. Die Schaltung in Bild 8 sorgt nun dafür, dass der Versorgungsdruck erst dann an den Nebenantrieb weitergeleitet wird, wenn auch die Tankleitung angeschlossen ist: Wenn nur die Versorgung angeschlossen Weitere Informationen

5 steuerungen und Re g e l u n g e n I t it e l : Bohrung für das neue Logikventil. Rechts mit größerer Ringkammer : Modifiziertes Logikventil für 700 L/min bei bar Standardbohrung und Einschraubventil Standardbohrung und Einschraubventil mit hohem Durchfluss Druck (MPa) Bohrung mit hohem Durchfluss und Einschraubventil Bohrung und Einschraubventil mit hohem Durchfluss Durchfluss (l/min) ist, pflanzt sich über ein Rohrbruchventil FQCA der Druck bis zum Anschluss des Logikventils fort und schließt es. Wenn der Tank angeschlossen ist, fällt der Druck am Anschluss des Logikventils. Es öffnet und lässt Öl zum Nebenantrieb fließen. Das Rohrbruchventil schließt und bleibt ganz geschlossen, wenn kurzfristig Öl zum Tank geflossen ist. Durchflussoptimierte Logikventile für höhere Volumenströme Einschraubventile sind in ihrer Baugröße durch das Außengewinde begrenzt, da bei der manuellen Montage Drehmomente über etwa 500 Nm nur : Druckverlust über ein Logikventil bei Durchfluss - (StirnSeite) sehr schwer möglich sind. Einschraubventile mit einem Außengewinde von M 8 sind noch montierbar. Größere Gewinde werden auch bei Verschraubungen normalerweise vermieden. Stattdessen werden SAE-Verschraubungen mit vier einzelnen Schrauben verwendet. Wenn Einschraubventile für einen größeren Volumenstrom entwickelt werden sollen, kann also nur der gegebene Bauraum besser ausgenutzt werden. Strömungsverluste können durch größere Bohrungen verringert werden, die aber das Ventil zu sehr schwächen. Es war das Ziel bei der Entwicklung, weiterhin einen Betriebsdruck von 50 bar und kurzfristig 0 bar zuzulassen. Bild 9 zeigt das Ergebnis einer Simulation des Volumenstromes durch ein bestehendes Logikventil. Öl fließt von innen nach außen durch acht Querbohrungen in der Hülse des Ventils. Dann verteilt sich der Volumenstrom in einer Ringkammer zwischen Einschraubventil und Gehäuse. Das Gehäuse hat im vorliegenden Fall nur eine Querbohrung. : Einschraubventil im Vergleich zu einem /-Wege-DIN-Element Die Stellung des Logikventils zu dieser Querbohrung hat Einfluss auf die Druckverluste. Die Simulation lässt erkennen, dass eine größere Ringnut Druckverluste reduzieren kann. Bild 0 zeigt die Simulationsergebnisse in einem anderen Schnitt. Wieder fließt Öl stirnseitig in den Anschluss des Logikventils. Man erkennt, dass die Öffnung des Ventils im Zulauf wie eine Blende wirkt. Verwirbelungen hinter einer Kante führen zu Druckverlusten. Aufgrund der Simulationsergebnisse wurde die Geometrie eines bestehenden Logikventils geändert. Weichere Übergänge im Ventilgehäuse an Anschluss und ein Kolben mit einer spitzeren Nase reduzieren die Verluste innerhalb des Ventils. Außerdem wird die Bohrung für das Einschraubventil mit einer größeren umlaufenden Nut (Hinterschneidung) gefertigt. Bild zeigt die Bohrung links ohne und rechts mit der zusätzlichen Nut. Das Formwerkzeug für die Bohrung kann aber weiter benutzt werden. Die Änderungen am Ventil und in der Bohrung reduzieren den Druckabfall von bar auf bar bei 700 L/min (Bild ). Bild zeigt neben der Kurve des alten Ventils in der alten Bohrung (oberste Kurve) und dem neuen Ventil in der neuen Bohrung (unterste Kurve) auch die beiden anderen möglichen Kombinationen: altes Ventil in neuer Bohrung, neues Ventil in alter Bohrung. Ein Vorteil des Logikelementes als Einschraubventil gegenüber einem /-WegeDIN-Cartridge-Ventil wird in Bild deutlich. Das Einschraubventil braucht weniger Bauraum bei vergleichbarem Nennvolumenstrom, weil es nicht durch einen Flansch befestigt wird, der eine größere Oberfläche des Steuerblockes braucht. SUN Hydraulik Weitere Informationen 66 O+P /0