Elektrohydraulische Ventile meistern: Wichtige Designprinzipien

Die Grundlagen elektrohydraulischer Ventile sind leicht zu verstehen – es sind elektrisch betätigte Ventile, die steuern, wie Hydraulikflüssigkeit zu Aktuatoren geleitet wird. Um elektrohydraulische Ventile jedoch für effiziente und effektive Hydrauliksysteme anzuwenden, müssen Designer mehrere Faktoren berücksichtigen. Dieser Artikel untersucht sieben wesentliche Designüberlegungen für die Anwendung elektrohydraulischer Ventile.

1. Ein/Aus- vs. Proportionalventile

Ein/Aus-Ventile sind im Grunde die Ein/Aus-Schalter für Hydrauliksysteme. Ein/Aus-Ventile werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, wo keine präzise Positions- oder Geschwindigkeitssteuerung erforderlich ist. Proportionalventile bieten eine variablere Steuerung der Durchflussraten für Hydrauliksysteme.

Diese Ventile werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, wo mehr Steuerung erforderlich ist als bei einem Standard-Richtungssteuerungsventil. Einige Anwendungen, die variable Durchflusssteuerung erfordern, wo Proportionalventile glänzen, sind Windkraftanlagen-Pitchsteuerung, Holzverarbeitung, Werkzeugmaschinen und Metallumformung. Wenn spezifisches Timing und/oder Positionierung erforderlich ist, denken Sie an proportional.

2. Onboard- vs. Offboard-Elektronik

Die Entscheidung, ob ein Ventil mit Onboard- oder Offboard-Elektronik die beste Wahl ist, erfordert eine eingehende Bewertung der Anwendung. Generell werden Onboard-Elektronik verwendet, um die Steuerung am Ventil zu lokalisieren und die Verkabelung am Controller zu vereinfachen. Offboard-Elektronik wird oft in Bereichen mit hoher Vibration und Temperaturen eingesetzt, die die Leistung der Elektronik beeinträchtigen können.

Das Ansteuern eines Offboard-Elektronik-Ventils erfordert den Einsatz eines elektronischen Moduls, das auf benutzerdefinierte Parameter wie gewünschten Magnetspulenstrom und Rampenraten konfiguriert werden kann. Onboard-Elektronik-Ventile können direkt mit einem Standardbefehl einschließlich 4–20 mA oder ±10 VDC und Durchfluss für das gleiche Maß an Anpassung angesteuert werden.

3. Offenkreis- vs. Geschlossener-Kreis-Regelung

Es gibt zwei Steuerungsoptionen für Hydrauliksysteme: Offenkreis und Geschlossener Kreis. Im allgemeinen Lehrbuchsinn kann ein Offenkreis-System keine Störungen kompensieren, die das Ansteuersignal des Controllers verändern. Geschlossene-Kreis-Systeme haben diesen Mangel nicht; Störungen im System werden kompensiert, indem die Ausgangsantwort gemessen und mit dem Eingang verglichen wird. Wenn ein beobachteter Unterschied festgestellt wird (bekannt als Fehlersignal), wird der Fehler an den Controller zurückgeführt, um den Ausgang auf den gewünschten Wert einzustellen.

Beispielsweise gibt es Ventile, die von proportionalen Magneten betrieben werden, die den Kreis nicht intern um den Schieber schließen. Sie werden für Beschleunigungs- und Dosieranwendungen eingesetzt.

Andere Ventile schließen den Kreis intern um die Position des Schiebers, können aber in ein geschlossenes-Kreis-System integriert werden. Der Fehler im System wird durch einen Wandler gemessen; d. h. einen Positions- oder Geschwindigkeitssensor an einem Aktuator, einen Druckwandler oder einen Durchflussmesser für noch höhere Genauigkeit. Elektrohydraulische Servoventile, die in geschlossenen-Kreis-Regelsystemen arbeiten, sind darauf ausgelegt, geringe Leistung und mechanische Rückführung für präzise Steuerung zu nutzen.

Parameter, die bei der Spezifikation von Offen- und Geschlossen-Kreis-Regelsystemen berücksichtigt werden müssen, umfassen:

• Hysterese: Der Unterschied im gemessenen Ausgang zwischen steigendem und fallendem Befehl.

• Sprunganstieg: Die vom initialen Befehl bis zur Stabilisierung des Ventils am gewünschten Ausgang benötigte Zeit.

• Frequenzgang: Die maximale Geschwindigkeit, mit der ein Ventil mit Genauigkeit arbeiten kann.

• Internes Leckage: Umgehungsströmung, die bei Schieberventilen aufgrund mechanischer Freiräume inhärent ist.

• Durchflusskapazität: Die Menge an Flüssigkeit, die durch das Ventil strömen kann.

4. Dimensionierung von Schiebern

Proportionalventil-Schieber werden typischerweise für einen Nenn-Durchfluss bei einem Differenzdruck von 10 bar bewertet, während Servoventil-Schieber typischerweise für einen Nenn-Durchfluss bei einem Differenzdruck von 70 bar bewertet werden. Gleichmessende Schieber bieten symmetrischen Durchfluss an jeden Arbeitsanschluss. Dies kann nützlich sein, wenn ein Motor oder ein Doppelstangenzylinder mit gleichen wirksamen Flächen angetrieben wird. Gleichmessende Schieber führen zu reduzierter Geschwindigkeit beim Einfahren eines Einstangenzylinders aufgrund des Flächenunterschieds zwischen Stange und Kolben.

Verhältnis-Schieber bieten asymmetrischen Durchfluss zwischen den Arbeitsanschlüssen; das am häufigsten verwendete ist ein 2:1-Verhältnis-Design. Wenn er zum Antrieb eines 2:1-Verhältnis-Zylinders verwendet wird, wird beispielsweise gleiche Geschwindigkeit zwischen Ausfahren und Einfahren des Zylinders erreicht, aufgrund der Anpassung der unausgeglichenen Flächen. Es wird empfohlen, Proportionalventile so klein wie möglich zu dimensionieren, um die Last zu steuern. Um die Kontrolle zu behalten, muss jederzeit Gegendruck gegen die Last ausgeübt werden. Eine Faustregel ist, einen Schieber auszuwählen, der 90–95 % der maximalen Durchflussbewertung nutzt. Die Auswahl eines Schiebers mit zu großer Durchflusskapazität kann zu Instabilität des Systems führen.

5. Dichtungsmaterialien

Bei der Auswahl der Verbindung für die elastomeren Dichtungen in jedem Richtungssteuerungsventil konsultieren Sie die Herstellerressourcen für Flüssigkeits- und Verbindungsverträglichkeitsinformationen. Standard-Industrieanwendungen mit Mineralöl verwenden typischerweise eine Nitril-Dichtung, die auch bei der Steuerung von Wasser-Glykol empfohlen wird.

Anwendungen mit erhöhten Temperaturen oder seltener verwendeten Flüssigkeiten können eine der vielen Fluorcarbon-Dichtungsgrade nutzen. Im Zweifelsfall konsultieren Sie das Werk für Unterstützung bei der Auswahl eines Dichtungsmaterials.

6. Regenerative Schaltungen und Hybridfunktionen

Eine regenerative Schaltung leitet Flüssigkeit, die vom Stangenende eines Zylinders evakuiert wird, zurück zum Kolbenende statt zum Tank für beschleunigte Ausdehnung des Aktuators. Der Einsatz einer regenerativen Schaltung kann es einem Systemdesigner ermöglichen, eine kleinere Pumpe zu verwenden, um Designanforderungen zu erfüllen, wenn schnelle Bewegung nur in eine Richtung benötigt wird. Regenerative Richtungssteuerungsventile für Ein/Aus- und Proportionalsteuerung (R-Flow-Code) ermöglichen Systemdesignern, regenerative Funktion zu erreichen, ohne zusätzliche Ventile in den Schaltkreis hinzufügen zu müssen.

Hybrid-regenerative Ventile bieten Systemdesignern die Möglichkeit, regenerative Steuerung über ein separates elektrisches Signal als das Befehlssignal zu aktivieren. Bei Nutzung regenerativer Steuerung wird Kraft für Geschwindigkeit geopfert. Die Hybridfunktion (Z-Flow-Code) ermöglicht Designern die Wahl zwischen der standardmäßigen hydraulischen Funktion zum Kraftaufbau und der regenerativen Funktion zur schnellen Beschleunigung der Last.

7. Montagemuster

Montagekonfigurationen für elektrohydraulische Ventile werden durch NFPA/ISO-Standards geleitet – D03, D05, D07, D08 und D10 Serienbezeichnungen zeigen die Einhaltung der Standards an. Pilotgesteuerte Ventile sind über einen weiten Durchflussbereich stabiler und ermöglichen Systeme, mit größerer Durchflusskapazität zu arbeiten. Oft liefert der hydraulische Pilotdruck, der zum Steuern des Hauptstufen-Schiebers verwendet wird, größere Kraft als die eines Magneten an einem Richtungsantriebsventil, was zu vorhersehbarerer Leistung für den Benutzer führt.

Fazit

Es gibt viele Ressourcen für Designingenieure bei der Spezifikation von Komponenten für Systeme: Referenzblätter, Rechner, Konfigurationstools und mehr. Es gibt jedoch keinen Ersatz für Erfahrung und tiefes Anwendungswissen.

Nutzen Sie die „been there and seen that“-Erfahrung, die die Anwendungsingenieure Ihres Lieferanten bieten können. Nicht nur verstehen sie, wie die Komponenten, die ihr Unternehmen anbietet, performen, sondern sie haben auch den Vorteil, anderen in derselben Situation geholfen zu haben, Designfehler zu korrigieren, und sie haben für einige der einzigartigsten Anwendungen Problemlösungen gefunden.

Dieser Artikel wurde von Matthew Davis, Product Sales Manager; Mitch Eichler, Applications Engineer; und Tom Gimben, Product Sales Manager bei Parker Hannifin Corp., Hydraulic Valve Division, Elyria, OH verfasst. Für weitere Informationen besuchen Sie hier .