Die Grundlagen der Anwendung elektrohydraulischer Ventile

Die Grundlagen elektrohydraulischer Ventile sind leicht zu verstehen – es handelt sich um elektrisch betätigte Ventile, die steuern, wie Hydraulikflüssigkeit zu den Aktoren geleitet wird. Um jedoch elektrohydraulische Ventile für effiziente und effektive Hydrauliksysteme einzusetzen, müssen Konstrukteure mehrere Faktoren berücksichtigen. In diesem Artikel werden sieben wichtige Designüberlegungen für den Einsatz elektrohydraulischer Ventile untersucht.

Ein/Aus-Ventile sind im Grunde die Ein/Aus-Schalter für hydraulische Systeme. Ein/Aus-Ventile werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, in denen keine präzise Positions- oder Geschwindigkeitsregelung erforderlich ist. Proportionalventile bieten eine variablere Steuerung der Durchflussmengen für Hydrauliksysteme.

Diese Ventile werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen mehr Steuerung als ein Standard-Wegeventil erforderlich ist. Zu den Anwendungen, die eine variable Durchflussregelung erfordern und bei denen Proportionalventile glänzen, gehören die Pitchregelung von Windkraftanlagen, die Holzverarbeitung, Werkzeugmaschinen und die Metallumformung. Wenn ein bestimmtes Timing und/oder eine bestimmte Positionierung erforderlich ist, denken Sie proportional.

Um festzustellen, ob ein Ventil mit Onboard- oder Offboard-Elektronik die beste Wahl ist, ist eine eingehende Bewertung der Anwendung erforderlich. Im Allgemeinen wird die Bordelektronik verwendet, um die Steuerung am Ventil zu lokalisieren und die Verkabelung am Controller zu vereinfachen. Offboard-Elektronik wird häufig in Bereichen mit hohen Vibrationen und Temperaturen eingesetzt, die die Leistung der Elektronik beeinträchtigen können.

Der Antrieb eines Offboard-Elektronikventils erfordert den Einsatz eines Elektronikmoduls, das auf benutzerdefinierte Parameter wie den gewünschten Magnetantriebsstrom und Rampenraten konfiguriert werden kann. Integrierte elektronische Ventile können direkt mit einem Standardbefehl gesteuert werden, einschließlich 4–20 mA oder ±10 VDC und Durchfluss für den gleichen Grad an Anpassungsmöglichkeiten.

Für hydraulische Systeme gibt es zwei Steuerungsmöglichkeiten: Open-Loop und Closed-Loop. Allgemein gesprochen kann ein Open-Loop-System keine Störungen kompensieren, die das Ansteuersignal des Reglers verändern. Bei Systemen mit geschlossenem Regelkreis besteht dieser Mangel nicht; Störungen im System werden kompensiert, indem die Ausgangsreaktion gemessen und mit der Eingabe verglichen wird. Wenn eine beobachtete Differenz vorliegt (sogenanntes Fehlersignal), wird der Fehler an die Steuerung zurückgemeldet, um den Ausgang auf den gewünschten Wert anzupassen.

Beispielsweise gibt es Ventile, die mit Proportionalmagneten betrieben werden und den Kreislauf um die Spule intern nicht schließen. Sie werden für Beschleunigungs- und Dosieranwendungen eingesetzt.

Andere Ventile schließen den Kreislauf intern um die Position des Schiebers herum, können aber in ein geschlossenes Kreislaufsystem integriert werden. Der Fehler im System wird von einem Wandler gemessen; dh ein Positions- oder Geschwindigkeitssensor an einem Aktuator, ein Druckwandler oder ein Durchflussmesser für noch größere Genauigkeit. Elektrohydraulische Servoventile, die in Regelsystemen mit geschlossenem Regelkreis arbeiten, sind so konzipiert, dass sie mit geringer Leistung und mechanischer Rückmeldung eine präzise Steuerung ermöglichen.

Zu den Parametern, die bei der Spezifikation von Steuer- und Regelsystemen berücksichtigt werden müssen, gehören:

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

Sprungantwort: Die Zeit, die vom ersten Befehl bis zur Stabilisierung des Ventils auf dem gewünschten Ausgang benötigt wird.

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

Interne Leckage: Bypassströmung, die den Schieberventilen aufgrund mechanischer Spiele innewohnt.

Durchflusskapazität: Die Flüssigkeitsmenge, die durch das Ventil fließen kann.

Proportionalventilschieber sind typischerweise für einen Nenndurchfluss bei einem Differenzdruck von 10 bar ausgelegt, während Servoventilschieber typischerweise für einen Nenndurchfluss bei einem Differenzdruck von 70 bar ausgelegt sind. Gleiche Dosierspulen sorgen für einen symmetrischen Durchfluss zu jedem Arbeitsanschluss. Dies kann beim Antrieb eines Motors oder eines Doppelstangenzylinders mit gleichen Wirkflächen nützlich sein. Gleiche Dosierspulen führen aufgrund der unterschiedlichen Fläche zwischen der Stange und dem Kolben zu einer verringerten Geschwindigkeit beim Einfahren eines Einstangenzylinders.

Verhältnisschieber sorgen für einen asymmetrischen Durchfluss zwischen den Arbeitsanschlüssen; Am häufigsten wird ein Design mit einem Verhältnis von 2:1 verwendet. Wenn es beispielsweise zum Antrieb eines Zylinders mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 verwendet wird, wird aufgrund der Anpassung der Unwuchtbereiche eine gleiche Geschwindigkeit zwischen dem Aus- und Einfahren des Zylinders erreicht. 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 allgemeine Faustregel besteht darin, eine Spule auszuwählen, die 90–95 Prozent der maximalen Durchflussleistung nutzt. Die Auswahl einer Spule mit einer zu großen Durchflusskapazität kann zu einer Instabilität des Systems führen.

Konsultieren Sie bei der Auswahl der Mischung für die Elastomerdichtungen in einem Wegeventil die Ressourcen des Herstellers für Informationen zur Flüssigkeits- und Mischungskompatibilität. Standardmäßige Industrieanwendungen mit Mineralöl verwenden typischerweise eine Nitrildichtung, die auch bei der Steuerung von Wasser-Glykol empfohlen wird.

Bei Anwendungen mit erhöhten Temperaturen oder seltener verwendeten Flüssigkeiten kann eine von vielen Arten von Fluorkohlenstoffdichtungen verwendet werden. Im Zweifelsfall wenden Sie sich an das Werk, um Hilfe bei der Auswahl einer Dichtungsmasse zu erhalten.

Ein regenerativer Kreislauf leitet vom Stangenende eines Zylinders evakuierte Flüssigkeit zurück zum Kolbenende statt zum Tank, um das Ausfahren des Aktuators zu beschleunigen. Der Einsatz eines regenerativen Kreislaufs kann es einem Systementwickler ermöglichen, eine kleinere Pumpe zu verwenden, um Designanforderungen zu erfüllen, wenn schnelle Bewegungen nur in eine Richtung erforderlich sind. Regenerative Wegeventile für Ein/Aus und Proportionalsteuerung (R-Durchflusscode) ermöglichen Systementwicklern die Erzielung einer regenerativen Funktion, ohne dass dem Kreislauf zusätzliche Ventile hinzugefügt werden müssen.

Hybrid-Regenerativventile bieten Systementwicklern die Möglichkeit, die regenerative Steuerung über ein vom Befehlssignal getrenntes elektrisches Signal zu ermöglichen. Bei der Nutzung der regenerativen Steuerung wird Kraft zugunsten der Geschwindigkeit geopfert. Mit der Hybridfunktion (Z-Flow-Code) können Konstrukteure zwischen der Standard-Hydraulikfunktion zum Kraftaufbau und der Regenerationsfunktion zum schnellen Beschleunigen der Last wählen.

Montagekonfigurationen für elektrohydraulische Ventile richten sich nach NFPA/ISO-Standards – die Serienbezeichnungen D03, D05, D07, D08 und D10 weisen auf die Einhaltung der Standards hin. Vorgesteuerte Ventile sind in einem breiten Durchflussbereich stabiler und ermöglichen den Betrieb von Systemen mit größerer Durchflusskapazität. Der hydraulische Steuerdruck, der zur Steuerung des Hauptstufenkolbens verwendet wird, stellt häufig eine größere Kraft bereit als der eines Magneten an einem Wegeventil, was zu einer vorhersehbareren Leistung für den Benutzer führt.

Bei der Spezifizierung von Komponenten für Systeme stehen Konstrukteuren viele Ressourcen zur Verfügung: Referenzblätter, Rechner, Konfigurationstools und mehr. Erfahrung und tiefes Anwendungswissen sind jedoch durch nichts zu ersetzen.

Profitieren Sie von der Erfahrung, „da gewesen und gesehen zu haben“, die die Anwendungstechniker Ihres Lieferanten bieten können. Sie verstehen nicht nur, wie die von ihrem Unternehmen angebotenen Komponenten funktionieren, sondern haben auch den Vorteil, anderen in der gleichen Situation geholfen zu haben, Konstruktionsfehler zu korrigieren, und sie haben Probleme für einige der einzigartigsten Anwendungen gelöst.

Dieser Artikel wurde von Matthew Davis, Produktverkaufsleiter, verfasst. Mitch Eichler, Anwendungsingenieur; und Tom Gimben, Produktverkaufsleiter bei Parker Hannifin Corp., Hydraulic Valve Division, Elyria, OH. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Oktoberausgabe 2021 des Motion Design Magazine.

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