Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Nachweis der Funktionsfähigkeit eines Flachschieberventils mit Keramikkomponenten für die

Hydraulik

Zur Steuerung hydraulischer Anlagen werden primär Rundschieberventile eingesetzt, die einen prinzipbedingten Ringspalt aufweisen, über den Leckage auftritt und Energie verloren geht. Zudem verschleißen die Steuerkanten der Ventile aus Stahl. Zur Kompensation beider Nachteile soll in diesem Projekt die Funktionsfähigkeit eines neuartigen Ventilkonzepts in Flachschieberbauart mit Keramikkomponenten nachgewiesen werden. Durch die Flachschieberbauart soll die Effizienz und durch die keramischen Bauteile die Lebensdauer gesteigert werden. Dabei harmonieren Keramik und Flachschieberbauart aufgrund der kostengünstigen Verfügbarkeit sehr präziser ebener Keramikhalbzeuge.

Das Projekt ist in Bauart- und Materialerprobung aufgeteilt. Die Flachschieberbauart wird zunächst simulativ ausgelegt und ein Testventil wird aus Stahl gefertigt. Hiermit kann die Druckkompensation erprobt werden, die bei Flachschieberventilen unter hohem Druck notwendig ist um Dichtspalte zu schließen ohne die Ventilbewegung mit hohen Anpresskräften zu behindern. Parallel zur Bauarterprobung werden geeignete keramische Materialpaarungen mit Materialprüfversuchen analysiert und Design-Richtlinien abgeleitet. Daraus wird das Ventil mit einem Schieber und den angrenzenden Steuerplatten aus Keramik konstruiert, sodass der Dichtkontakt und die Steuerkanten komplett mit keramischen Bauteilen gestaltet werden. Abschließend wird am Prüfstand die Funktionsfähigkeit des keramischen Flachschieberventils gezeigt.

Von den Projektergebnissen profitieren besonders KMU als flexible Unternehmen, die das neue Ventilkonzept schnell durchsetzen und sich so Marktanteile sichern können. Ohne die Unterstützung durch dieses Projekt wäre der Entwicklungsaufwand für KMU zu groß.

Für Anwender hydraulischer Ventile, meist KMU, verspricht das Projekt eine Senkung der Energiekosten und längere Ventilstandzeiten. Von der Erweiterung des Einsatzgebiets keramischer Werkstoffe profitieren zudem keramikherstellende Unternehmen, meist KMU.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes konnte gezeigt werden, dass das Konzept eines 4/3-Wege-Proportionalventils in Flachschieberbauweise, wie es von konventionellen Rundschieberventilen bekannt ist, erfolgreich umgesetzt werden kann.

Die, zusammen mit dem projektbegleitenden Ausschuss festgelegte, Strömungscharakteristik konnte ebenfalls erreicht werden. Die Strömungskanäle wurden mit CFD-Simulationen ausgelegt und zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den, im Rahmen der Erprobung, durchgeführten Prüfstandsversuchen. Neben der geforder-ten maximalen Durchströmung von 30 l/min bei 10 bar Druckdifferenz, konnte ein lineares Durchflussverhalten erreicht werden.

Im Vergleich zum Serienventil konnte die, in der Hauptstufe auftretende, Leckage halbiert werden. Dazu wurde ein Schieber verwendet, bei dem beidseitig Druckentlastungsnuten um die Strömungskanäle vorgesehen sind. Diese führen zu einer Reduzierung des, zwischen den Platten auftretenden, Druckfeldes und damit zu kleineren Kompensationskräften. Mit einer notwendigen Verstellkraft von ± 200 N sind im Vergleich zu Serienventilen höhere Kräfte zur Verstellung notwendig, welche aber durch, auf dem Markt erhältliche, Aktoren aufgebracht werden können.

Weitere Potentiale sind durch die Modifikation der Schieberplatte vorhanden. Durch eine Reduktion der in kontaktstehenden Flächen kann eine höhere Flächenpressung im zur Abdichtung relevanten Bereich erzielt werden. Dadurch ist potentiell eine Reduzierung der Leckage und der notwendigen Kompensationskraft möglich. Die zur Aktuierung notwendige Verstellkraft kann hierdurch weiter reduziert werden.