Ventileigenschaften im Vergleich

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1 Ventileigenschaften im Vergleich Normgerechte Vermessung hydraulischer Wegeventile 1: Schaltplan des Messaufbaus [1] Marcell Meuser und Matthias Schmidt Hydraulische Wegeventile sind essenzielle Komponenten fluidtechnischer Systeme. Sie stellen die Wandlung des elektrischen Eingangssignals in einen korrespondierenden Durchfluss sicher. Um die wesentlichen Eigenschaften zu erfassen und die Vergleichbarkeit dieser Ventile sicherzustellen, existieren zwei ISO-Normen, die den Versuchsaufbau und die Durchführung von Messungen festlegen. Dabei handelt es sich um die ISO 4411 Hydraulic fluid power Valves Determination of pressure differential / flow characteristics von 1986 und die ISO Hydraulic fluid power Electrically modulated hydraulic control valves Part 1: Test methods for four-way directional flow control valves von Alle Anforderungen der ISO 4411 und Teile der Maßgaben der ISO wurden im neuen Ventilprüfstand des Instituts für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen umgesetzt. Der Prüfstand erlaubt die Vermessung von Wegeventilen bis zur Nenngröße 25. Im Folgenden sollen zunächst die Inhalte der beiden Normen vorgestellt werden. Anschließend wird der Aufbau des Ventilprüfstands erläutert und es werden exemplarisch Messergebnisse dargestellt. ISO 4411 Die ISO 4411 aus dem Jahre 1986 wurde vom technischen Komitee ISO/TC 131 Fluid Power Systems erarbeitet [1]. Sie legt fest, wie unter stationären Bedingungen die Druckdifferenz infolge eines Volumenstroms durch einen beliebigen Pfad innerhalb des zu untersuchenden Ventils bestit wird. Als Resultat ergibt sich der funktionale Zusaenhang zwischen der Druckdifferenz und dem Volumenstrom an einer konkreten Schieberposition. Messaufbau Gemäß ISO 4411 sind folgende Voraussetzungen zu erfüllen (vgl. Bild 1): 1. Es muss eine Druckversorgung (1) mit einstellbarem Volumenstrom genutzt werden. 2. Ein Druckbegrenzungsventil (2) muss in der Versorgungsleitung untergebracht werden, um den Kreislauf vor Druckspitzen zu schützen. 3. Um einen stationären Strömungszustand am Druckmesspunkt vor dem Ventil zu erzielen, muss die minimale Länge der geraden Beruhigungsstrecke zwischen Druckversorgung und Druckmesspunkt dem Fünfzigfachen (bei Messungen der Genauigkeitsklasse A) bzw. dem Zehnfachen (bei Messungen der Genauigkeitsklasse B oder C) des Innendurchmessers der Zuleitung betragen. 4. Zwischen dem ersten Druckmesspunkt und dem Ventil (5) muss für alle drei Messgenauigkeitsklassen die Länge der geraden Beruhigungsstrecke dem Fünffachen des Innendurchmessers 5. Zwischen dem Druckmesspunkt hinter dem Ventil und selbigem muss eine Länge der geraden Beruhigungsstrecke vom Zehnfachen des Innendurchmessers vorliegen. 6. Zwischen dem zweiten Druckmesspunkt und dem Temperaturmesspunkt (6) hinter dem Ventil muss eine Länge der geraden Beruhigungsstrecke vom Fünffachen des Innendurchmessers vorgesehen werden. 7. Zwischen dem Temperaturmesspunkt (6) und dem Volumenstroessgerät (7) muss die Minimallänge der geraden Beruhigungsstrecke dem Fünffachen des Innendurchmessers 8. Die Durchmesser der Leitungen sollen der Nenngröße des untersuchten Ventils 9. Alle Leitungen sollen horizontal verlaufen. Ist dies nicht möglich, so wird den gemessenen Drücken ein Korrekturfaktor hinzugerechnet. Genauigkeitsklassen Die ISO 4411 legt drei Genauigkeitsklassen fest und gibt vor, welche Messfehler maximal für die einzelnen Sensoren zulässig sind (vgl. Tabelle 1). Dabei stellt die Klasse A die höchsten Anforderungen, während Klasse C die niedrigsten Anforderungen er- Autor: Dipl.-Ing. Marcell Meuser und Dipl.-Ing. Matthias Schmidt sind Wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen (IFAS) der RWTH Aachen, Leiter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Murrenhoff Parameter des Messinstruments Zulässiger systematischer Fehler für Messgenauigkeitsklassen A B C Volumenstrom ± 0,5 % ± 1,5 % ± 2,5 % Druckdifferenz im Bereich unter 2 bar ± 20 mbar ± 60 mbar ± 100 mbar Druckdifferenz im Bereich über 2 bar ± 1,0 % ± 3,0 % ± 5,0 % Temperatur ± 0,5 K ± 1,0 K ± 2,0 K Tabelle 1: Zulässige systematische Fehler der Messinstrumente für die verschiedenen Genauigkeitsklassen [1] 2 O+P 2/2006

2 hebt und für die meisten Anwendungsfälle ausreichend ist. Leitungsverluste Da die Druckdifferenz in einigem Abstand von den Steuerkanten des Ventils gemessen wird, sollten die Verluste durch die Rohrreibung berücksichtigt werden. Die ISO 4411 schlägt dazu für die Genauigkeitsklassen B und C folgende Vorgehensweise vor. Zunächst ist die Reynolds-Zahl Re zu bestien (vgl. Gleichung 1). 2 oben: Aufbau Druckmessring für Genauigkeitsklasse A [2] 3: Schaltplan für Messaufbau nach ISO [3] Bei allen aufgeführten Berechnungen sind die Angaben aus Tabelle 2 zu verwenden. Um die Berechnung kurz zu demonstrieren und zu zeigen, in welcher Größenordnung sich die Druckverluste durch die Leitungen bewegen, soll im Folgenden ein Ventil der Nenngröße 25, das bei einem Volumenstrom von 500 L/min einen Druckabfall von 10 bar aufweist, durchgerechnet werden. werden, es sei auf die Angaben in der Norm verwiesen (Anhang B.5). (1) Danach wird der Reibungsfaktor µ bestit. Dieser lässt sich für eine laminare Strömung (Re < 2300) nach Gleichung 2 und für eine turbulente Strömung (Re > 2300) nach Gleichung 3 bestien. (2) (3) Damit lässt sich dann der Druckverlust in den Leitungen (Gleichung 4) berechnen. (4) (5) Wie bei diesem großen Volumenstrom zu erwarten war, handelt es sich um eine turbulente Strömung. (6) (7) Damit liegt der Fehler durch die Leitungsverluste bei knapp 6 %. Dieser Fehler kann nicht vernachlässigt werden. Er sinkt erst dann in eine vernachlässigbare Größenordnung, wenn höhere Druckverluste, wie sie bei Proportional- oder Servoventilen in Zwischenstellungen vorkoen, auftreten. Zur Bestiung der Verluste bei Messungen nach Genauigkeitsklasse A muss der Zusaenhang zwischen der Reynolds-Zahl Re und dem Reibungskoeffizienten µ experimentell bestit werden. Dieses Vorgehen soll hier nicht erläutert Größe Symbol Einheit Volumenstrom Q l/min Druckdifferenz p bar Leitungslänge zwischen den Druckmesspunkten l m Innendurchmesser der Leitungen d kinematische Viskosität v ²/s Dichte ρ kg/l Tabelle 2: Verwendete Größen und ihre Einheiten Konstruktive Ausführung der Druckmesspunkte Soll die Druckmessung mit einer Genauigkeit gemäß Klasse A durchgeführt werden, müssen die Druckmesspunkte mit Druckmessringen (engl.: piezometer rings) ausgestattet werden (vgl. Bild 2). Diese Ringe weisen einen Innendurchmesser auf, der mit der Nenngröße des Ventils übereinstien muss. Daneben besitzen sie eine umlaufende Nut, von der Messbohrungen zur inneren Bohrung führen. Bei einem Innendurchmesser von 6 oder weniger reichen 2 Messbohrungen aus, bei größeren Innendurchmessern empfiehlt die Norm 3 oder mehr Messbohrungen. Die geometrischen Angaben des Bildes sind Empfehlungen wie sie 2003 vom technischen Komitee ISO/TC 131 für die Überarbeitung der ISO 4411 vorgeschlagen wurden [2]. Für Messungen gemäß den Genauigkeitsklassen B und C können die Druckmessringe entfallen. Für diese gelten nur folgende Vorgaben: 1. Die Achse der Messbohrung muss die Achse der Leitung schneiden und senkrecht zu dieser stehen. 2. Die Messbohrung darf sich nicht am tiefsten Punkt der Leitung befinden. 3. Die Messbohrungen aller Druckmesspunkte haben identische Durchmesser. Dieser sollte kleiner oder gleich einem Zehntel des Innendurchmessers der Leitung sein, muss aber zwischen 1 und 6 liegen. 4. Die Länge der Messbohrung muss mindestens dem Zweifachen ihres Durchmessers O+P 2/2006 3

3 Nenngröße nach DIN max. Durchmesser in in Klaern Nenngröße nach ISO : Schaltplan des IFAS-Ventilprüfstands 5. Die Querschnittsfläche der Verbindungsleitung, die die Messbohrung mit dem Drucksensor verbindet, muss größer sein als die Hälfte der Gesamtfläche der Messbohrung. Für übliche Nenngrößen sind mögliche Abmaße gemäß den Forderungen der ISO 4411 in Tabelle 3 aufgeführt. Zur Bestiung des Durchmessers der Verbindungsleitung wurde die 5. Forderung Durchmesser Messbohrung Länge Messbohrung 4 (4) 4, (6,3) , (9) (11,2) 11, (17,5) 17,5 1,6 3, (23,4) (32) ,5 Tabelle 3: Vorschläge für geometrische Abmaße am Druckmesspunkt mathematisch umgeformt: Durchmesser Verbindungsleitung (8) Wobei A Q,V die Querschnittsfläche der Verbindungsbohrung, A G,M die Gesamtfläche der Messbohrung und n M die Anzahl der Messbohrungen bezeichnet. Dies lässt sich auflösen zu: Umgebungstemperatur 20 ± 5 C Filtrierung Angabe der Festkörperverschmutzung nach ISO 4406 Art des Fluids mineralölbasiertes Hydraulikfluid gemäß ISO oder alternative Fluide so weit vom Ventilhersteller zugelassen Fluidtemperatur 40 ± 6 C am Ventileinlass Viskositätsklasse VG 32 gemäß ISO 3448 Versorgungsdruck In Übereinstiung mit den relevanten Testanforderungen ± 2,5 % Rückleitungsdruck In Übereinstiung mit Herstellerempfehlungen Hinweis Wenn ein alternatives Hydraulikfluid eingesetzt wird, müssen die Art des Fluids und seine Viskositätsklasse angegeben werden. Tabelle 4: Standardisierte Testbedingungen Damit ergibt sich schließlich als Berechnungsvorschrift für den Durchmesser der Verbindungsleitung: Weitere Forderungen Neben den bisher aufgeführten Forderungen der ISO 4411 gibt es noch eine Reihe von Bedingungen die hier in loser Folge aufgeführt werden sollen: 1. Es soll ein Filter eingesetzt werden, der eine Reinheitsklasse gemäß den Angaben des Ventilherstellers sicherstellen kann. 2. Die Position und eine genaue Beschreibung jedes Filters, der im Messaufbau verwendet wird, muss angegeben werden. 3. Das eingesetzte Fluid muss den Bedingungen des Ventilherstellers genügen. 4. Für Messungen der Genauigkeitsklassen A und B muss die Dichte und die kinematische Viskosität des Fluids unmittelbar vor dem Versuchslauf analytisch bestit werden. Für Messungen gemäß Genauigkeitsklasse C reichen die Angaben des Fluidherstellers aus. 5. Die kinematische Viskosität und die Dichte des Fluids müssen für die bei den Messungen eingestellten Temperaturbereiche genannt werden. 6. Bei der Durchführung einer Messung muss die Temperatur in einem konstanten Bereich gehalten werden. Die zulässige Amplitude der Temperaturschwankungen beträgt für die Messgenauigkeitsklasse A 1 C, für B 2 C und für C 4 C. 7. Messergebnisse dürfen erst dann aufgezeichnet werden, wenn stationäre Bedingungen vorliegen. 8. Die Anzahl der Messreihen und ihre Verteilung muss so gewählt werden, dass eine repräsentative Aussage über die Eigenschaften des Ventils getroffen werden kann. ISO (9) (10) Die ISO Teil 1 aus dem Jahre 1998 wurde ebenso wie die ISO 4411 vom technischen Komitee ISO/TC 131 Fluid Power Systems erarbeitet [3]. Sie ersetzte die ISO 6404 aus dem Jahre 1985 und beschreibt Methoden, wie elektrisch angesteuerte 4-Wegeventile getestet werden können. Während bei der ISO 4411 die Bestiung von Kennwerten bzw. des für die Leistungsfähigkeit des Ventils entscheidenden Zusaenhangs zwischen Volumenstrom und Druckdifferenz im Vordergrund steht, liegt der Fokus bei der ISO auf verschiedenen Testmethoden, um die Marktreife des Ventils festzustellen. Dennoch kann sie als Ergänzung zur ISO 4411 aufgefasst werden, da sie zum einen konkrete Vorschläge für den hydraulischen Auf- 4 O+P 2/2006

4 bau einer Messeinrichtung liefert und zum anderen die Feststellung weiterer Ventileigenschaften erlaubt. Alle nach ISO Teil 1 durchgeführten Tests müssen den Bedingungen nach Tabelle 4 genügen. Testmethoden Die ISO unterscheidet folgende Arten von Tests: 1. Statische hydraulische Tests, 2. Dynamische hydraulische Tests, 3.Elektrische Tests (Spulenwiderstand, Spuleninduktivität und Isolationswiderstand), 4. Lebensdauertests, 5. Druckimpuls-Tests und 6. Tests unter besonderen Umgebungsbedingungen. Die Testverfahren 2 bis 6 sollen hier ausgeklaert werden. Die statischen hydraulischen Tests umfassen 1. Messung des Volumenstroms als Funktion des Eingangssignals, 2. Messung des Drucks als Funktion des Eingangssignals, 3. Messung des Volumenstroms als Funktion des Druckabfalls über dem Ventil, 4. Messung des Volumenstroms als Funktion der Belastungsdruckdifferenz und 5. Messung des Volumenstroms als Funktion der Temperatur. Die genaue Vorgehensweise bei den einzelnen Testmethoden soll hier nicht näher ausgeführt werden, es sei dazu auf den Text der ISO Teil 1 verwiesen [3]. Messaufbau Für alle statischen Tests empfiehlt die ISO einen Messaufbau wie in Bild 3 dargestellt. Durch die Verwendung von 11 Schaltventilen lassen sich gezielt alle statischen Tests auf das Gesamtventil wie auch auf einzelne Steuerkanten anwenden, ohne dass Umbauarbeiten am Messaufbau durchgeführt werden müssen. Es kot ein Temperatursensor vor dem P-Anschluss des Ventils zum Einsatz. Drucksensoren sind jeweils nahe den vier Anschlüssen des Ventils anzubringen. Schließlich wird ein Volumenstroessgerät verwendet. Für die hier ausgeklaerten Leckagemessungen wäre ein weiteres Volumenstroessgerät erforderlich. Damit entspricht die sensorische Ausstattung weitgehend den Angaben nach ISO Da über geometrische Maße und Abstände in der ISO keine Aussagen getroffen werden, macht es Sinn, die Angaben aus ISO 4411 zu verwenden. 1 Druckversorgung 9 Leckage-Volumenstromsensor 2 Filter 10 Temperaturanzeige 3 Druckbegrenzungsventil 11 Volumenstromsensor 4 Druckspeicher 12 optionaler Bypass 5 Temperatursensor 13 Belastungsventil 6 Druckanzeige 14 Rückschlagventil 7 Drucksensoren 15 Druckversorgung für Pilotstufe 8 Testventil a bis k Schaltventile Tabelle 5: Bauteile des Messaufbaus nach ISO [3] Parameter des Messinstruments Zulässiger systematischer Fehler für Messgenauigkeitsklassen A B C Strom, Eingangssignal ± 0,5 % ± 1,5 % ± 2,5 % Volumenstrom ± 0,5 % ± 1,5 % ± 2,5 % Druck ± 0,5 % ± 1,5 % ± 2,5 % Temperatur ± 0,5 K ± 1,0 K ± 2,0 K Hinweis Die prozentualen Grenzwerte beziehen sich auf die maximal während der Messungen auftretenden Werte und nicht auf den Messbereich des Instruments. Tabelle 6: Zulässige systematische Fehler der Messinstrumente für die verschiedenen Genauigkeitsklassen [3] Kante 1 Kante 2 Kante 3 Kante 4 Ventil 1 Ventil 2 Ventil 3 Ventil 4 Ventil 5 A T 0 0 B A A P A B 0 A 0 A Genauigkeitsklassen Die ISO legt drei Genauigkeitsklassen fest und gibt vor, welche Messfehler maximal für die einzelnen Sensoren zulässig sind (vgl. Tabelle 6). Dabei stellt die Klasse A die höchsten Anforderungen, während Klasse C die niedrigsten Anforderungen erhebt und für die meisten Anwendungsfälle ausreichend ist. Ventilprüfstand am IFAS Aufbau Der in Bild 3 dargestellte Messaufbau gemäß ISO Teil 1 wurde am IFAS so weit vereinfacht, dass die oben aufgeführten statischen Testverfahren durchgeführt werden können. Zusätzlich besteht am Ventilprüfstand die Möglichkeit, die auf den Schieber wirkenden Strömungskräfte zu erfassen 5: IFAS-Ventilprüfstand P B B A 0 0 B B T 0 B 0 A A P A B T B A A B 0 A T P B B A A B 0 Tabelle 7: Schaltstellungen für unterschiedliche Durchströmungen und alle Tests auch in Abhängigkeit von der tatsächlichen Schieberposition auszuführen. Damit können alle wesentlichen das Ventil und seine Leistungsfähigkeit charakterisierenden Eigenschaften untersucht werden. Der Schaltplan des Messaufbaus ist in Bild 4 dargestellt. Der realisierte Prüfstandsaufbau wird in Bild 5 gezeigt. Das Druckversorgungs-Aggregat des Prüfstands verfügt über eine installierte elektrische Leistung von 245 kw. Mit Hilfe zweier Konstantpumpen und einer Verstellpumpe O+P 2/2006 5

5 Drucksensoren RMP p20v Messbereich: Hochdruck: 500 bar Tankdruck: 50 bar Messgenauigkeit: Linearitätsfehler (v.e.): < 0,5% Hysteresefehler (v.e.): < 0,5% Temperatursensoren Infineon KTY 150 Messbereich: -50 bis 150 C Messgenauigkeit: ± 1% Volumenstromsensor Kracht VC 12 F1 PS Messbereich: ± L/min Messgenauigkeit: ± 0,3% vom Messwert Auflösung: 83,33 Imp/l Kraftsensor Burster 8523 / 8531 Messbereich: NG 16: ± 500 N NG 25: ± 1000 N Messgenauigkeit: < 0,25% (v.e.) Wegsensor Burster Messbereich: 0 bis 50 Messgenauigkeit: Auflösung: 0,01 Linearitätsfehler (v.e.): 0,1% (v.e.) Tabelle 8: Messmittel des Ventilprüfstands Nullpunktfehler: < 1% kann ein Volumenstrom von bis zu 600 L/min erzeugt werden. Der höchste zu erreichende Betriebsdruck beträgt ca. 300 bar. Aufgrund der begrenzten elektrischen Leistung und Verlusten im Prüfstand ist es jedoch nicht möglich, gleichzeitig den maximalen Druck und den maximalen Volumenstrom am Testventil zu erreichen. In Bild 4 sind die drei installierten Pumpen in einem Symbol zusaengefasst. Mit den Anschlüssen P, T, A und B wird das Testventil verbunden. Die Abstände der Drucksensoranschlüsse befinden sich entsprechend den Angaben in ISO 4411 im Abstand von fünf- bzw. zehnmal der Nenngröße D des Testventils während die Einschraubmöglichkeiten für die Temperatursensoren einen Abstand von 15 D aufweisen. Die möglichen Durchströmungen des Prüfstands mit den zugehörigen Schaltstellungen sind in Tabelle 7 angegeben. Wird eine Kante vermessen, so wird der Volumenstrom nach dem Durchströmen des Ventils durch den Volumenstromzähler geleitet. Beim kombinierten Vermessen zweier Kanten werden die Arbeitsanschlüsse des Testventils durch den Volumenstromzähler verbunden (vgl. [3]). Messmittel Tabelle 8 listet die verwendeten Messmittel mit ihren jeweils erreichbaren Genauigkeiten auf. Der 500 bar-drucksensor ist in den Messpunkt am P-Anschluss eingeschraubt, der 50 bar-drucksensor in den Messpunkt am T-Anschluss (vgl. Bild 4). Messergebnisse Die folgenden beiden Diagrae (Bild 6 und 7) zeigen beispielhaft Messergebnisse, die mit dem Ventilprüfstand gewonnen wurden. Zusaenfassung Die grundlegenden Anforderungen der beiden Normen ISO 4411 und ISO wurden dargestellt. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen für den Aufbau eines Ventilprüfstandes wurden anschließend dargelegt. Ein Vorschlag für einen Messaufbau wurde anschließend konkretisiert und seine Realisierung gezeigt. Zwei beispielhafte Messergebnisse spiegeln wider, dass mit einem solchen Prüfstand Ventile bis zu einer Nenngröße von 25 zeitnah und unkompliziert hinsichtlich ihrer wesentlichen Eigenschaften vermessen werden können. Literatur [1] N.N.: ISO Hydraulic fluid power - Valves - Determination of pressure differential / flow characteristics [2] N.N.: ISO/TC 131/SC 5/WG 2 N 347 USA proposal for the revision of ISO 4411: [3] N.N.: ISO Hydraulic fluid power - Electrically modulated hydraulic control valves - Part 1: Test methods for four-way directional flow control valves Download Diesen Beitrag können Sie gegen eine kleine Gebühr auch als pdf-file aus dem Internet laden: vfmz_cms/industrie-service/oup_ content.nsf Für O+P-Abonnenten ist dieser Service kostenfrei. Bitte senden Sie dazu Ihre Abo-Schlüsselnuer an w.bork@vfmz.de 6: Druckdifferenz als Funktion des Volumenstroms für zwei Ventile 7: Volumenstrom und Schieberkraft als Funktion der Schieberposition bei konstanter Druckdifferenz von 50 bar Bildnachweis: Verfasser 6 O+P 2/2006