White Paper: Kolbenschieberventil, Sitzventil- mögliche
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White Paper: Kolbenschieberventil, Sitzventil- mögliche
White Paper Kolbenschieberventil, Sitzventil – mögliche Magnetventile im technischen Vergleich Warum lohnt es sich, bei der Ventiltechnik genau hinzuschauen? Mit den gestiegenen Anforderungen an die Ventiltechnik hat sich in den vergangenen Jahren die Palette der Technologien, Bauformen, Varianten und Eigenschaften der Ventile stark verbreitert. Meist kommen Sitzventile oder Kolbenschieberventile zum Einsatz. Für die erfolgreiche Gestaltung eines Projektes steht damit wesentlich mehr und passgenaue Ventiltechnik zur Verfügung. Die richtige Auswahl aber setzt umfangreiche Kenntnisse und eine exakte Bewertung durch den Fachberater oder Techniker voraus. Wir geben Ihnen hierzu einen kurzen Ausblick. Dieses White Paper informiert Sie über: • • • Übersicht Ventiltechnologien Sitzventil, Kolbenschieberventil und das Patronenprinzip? – Was Sie hierzu wissen sollten Der Kurzcheck: Entscheidungs-/ Auswahlhilfe Übersicht Ventiltechnologien Sitz- und Kolbenschieberventile sind die am häufigsten eingesetzten Technologien, um Druckluft in einem Ventil zu steuern. Flachschieberventile, Drehschieberventile, Piezoventile und weitere Technologien sind tendenziell seltener. Abbildung 1 zeigt, wie diese zwei weit verbreiteten Technologien weiter untergliedert werden können. Besonders interessant bei den Kolbenschieberventilen sind Ventile mit Patronendichtung. Diese Ventile überzeugen durch geringere Leckagewerte und deutlich höhere Arbeitsdrücke. Ventiltechnologien Kolbenschieberventile Sitzventile druckunabhängig druckabhängig hart dichtend weich dichtend Dichtung auf Kolben aufgezogen Dichtung im Gehäuse Stapeldichtung Beispiel: MHA2-... Beispiel: VUVB -ST-... Beispiel: J-... (Tiger 2000) weitere Technologien Patronendichtung Beispiel: VUVB-S-... Beispiel: CPE 18-... Abbildung 1: Beispiele für Ventiltechnologien Sitzventil, Kolbenschieberventil und das Patronenprinzip? – Was Sie hierzu wissen sollten Das Sitzventil Durchströmen des Ventils, in Abbildung 2 von Kanal 1 nach Kanal 2, die Fläche D2 größer ist als die von D1. Da der gleiche Arbeitsdruck auf beide Flächen wirkt, entsteht so ein Ungleichgewicht der Kräfte, das ausgeglichen werden muss. Der sehr einfache Aufbau und die Möglichkeit, alle Materialien einzusetzen, macht Sitzventile heute oft preisgünstiger als Kolbenschieberventile. So werden beispielsweise für ein 5/2-Tellersitzventil (s. Abb. 2) nur 3 axiale Dichtungen benötigt. Weitere Vorteile dieser Technologie: Die Betätigungswege sind klein, kürzere Schaltzeiten damit möglich und die Axialdichtungstechnologie ist unempfindlich gegenüber Schmutz. Zudem benötigen Sitzventile prinzipiell kein Schmiermittel, was bei geölter Druckluft Vorteile in punkto chemischer Verträglichkeit bringt. Größtes Defizit von Sitzventilen ist das Platz-/Durchflussverhältnis. Dies ist bautechnisch bedingt. So haben druckunabhängige Sitzventile bei gleicher Baubreite immer einen geringeren Durchfluss als Schieberventile. Der Grund hierfür liegt in dem erhöhten konstruktiven Aufwand, mit dem das Ventil z.B. durch eine Federkonstruktion druckunabhängig gemacht wird. Bei druckabhängigen Ventilen ist nämlich der Steuerdruck vom Arbeitsdruck abhängig. Dies liegt daran, dass beim © Copyright 2013, Festo AG & Co. KG Abbildung 2: Druckabhängiges Tellersitzventil Sitzventile sind auch nicht immer überschneidungsfrei. Je nach Konstruktion kann es beim Schaltstellungswechsel zum Überströmen zwischen den Kanälen kommen. Unnötige Leckage und Geräusche sind die Folge. 2 Das Kolbenschieberventil sie z.B. durch das Festziehen von Schraubenbeim Befestigen des Ventils auf einer Anschlussplatte entstehen, können Hülsen verformen und sich auf Lebensdauer und Leckagewerte auswirken. Im Vergleich zu Sitzventilen sind die Betätigungskräfte bei Kolbenschieberventilen deutlich geringer. Kolbenschieberventile werden nicht gegen Kräfte geschaltet, die durch den Arbeitsdruck entstehen. Das Problem von Überschneidungen ist – wie in Abbildung 3 gezeigt – auf überzeugende Art und Weise gelöst. Metallhülse mit Dichtungen Durchgangsbohrungen in der Hülse Abbildung 3: Kolbenschieberventil Abbildung 4: Hart dichtendes System Den Vorteilen stehen jedoch auch Nachteile gegenüber. So sind die Stellwege zum Umschalten der Arbeitsstellungen länger als bei Sitzventilen. Die längeren Wege und die Anordnung mehrerer Kolben führen insgesamt zu längeren Abmaßen bei den Kolbenschieberventilen. Auch aus fertigungstechnischer Sicht sind Kolbenschieberventile anspruchsvoller. Das trifft insbesondere auf die Dichtungstechnik zu. Hier haben sich im Laufe der Zeit zwei Kategorien herausgebildet: Zusammengefasst lässt sich sagen, dass hart dichtende Systeme sehr haltbar und robust sind. Nachteilig ist jedoch, dass dieses System aufgrund des Luftspaltes immer eine gewisse Leckage aufweist und ihr Druchflussvermögen geringer ist als bei anderen Ventilen mit gleichen Baugrößen. • Kategorie 2: Weich dichtende Systeme Eine technische Alternative zum hartdichtenden System ist es, Kunststoffdichtungen (O-Ringe oder Elastomer-Formdichtungen) auf den Kolben anzubringen. • Kategorie 1: Hart dichtende Systeme Dieses Dichtungssystem zählt zu den langlebigsten, aber auch zu den aufwendigsten. Die Langlebigkeit resultiert daraus, dass der Kolbenschieber ohne weiche Kunststoffdichtungselemente auskommt. Auch nach längerem Stillstand können hart dichtende Ventile beispielsweise sofort mit voller Dynamik geschaltet werden. Bei weich dichtenden Systemen kann es hier zu Hafteffekten kommen, die die Dichtungselemente schneller verschleißen lassen. Aufwendig ist das Dichtungssystem, da der Luftspalt um den beweglichen Kolben nur wenige Mikrometer groß sein darf. Hierzu wird oft eine Metallhülse genutzt, in der sich der Steuerkolben bewegt. Die Hülse übernimmt dabei die Dichtungsaufgabe und dient gleichzeitig als Führung für den Steuerkolben. Hülse und Steuerkolben müssen dabei aus dem gleichen Material gefertigt sein, da unterschiedliche Materialien verschiedene Temperaturausdehnungskoeffizienten haben. Wird dies nicht berücksichtigt, kommt es zu höheren Leckagen oder zum Verklemmen des Steuerkolbens. Die Paarung Hülse und Steuerkolben muss somit vielen technischen Anforderungen gerecht werden, denn schon kleinste Belastungen im Gehäuse, wie © Copyright 2013, Festo AG & Co. KG Metallischer Kontrollschieber Elastomer-Formdichtung auf dem Kolben Steuerkante Abbildung 5: Weich dichtendes System mit Dichtung auf dem Kolben Beim Überfahren der Kanalkanten – der sogenannten Steuerkanten – kann es allerdings zu einem schnellen Verschleiß der Kunststoffdichtungen kommen. Dem Design der Steuerkanten kommt daher eine besondere Bedeutung zu: Nur eine optimale Abstimmung zwischen Steuerkante, Elastomer-Formdichtung und Kolbenführung gewährleistet ein weiches Überfahren mit minimalem Verschleiß. 3 Aber auch hier gibt es eine Alternative. So können die Dichtungen, wie in Abbildung 6 gezeigt, direkt im Ventilgehäuse montiert werden. Auf den ersten Blick sieht dies recht gut aus, hat jedoch zwei Nachteile. • Das Patronenprinzip für Kolbenschieberventile Eine Lösung für das in Abbildung 7 beschriebene Problem ist der Einsatz von Formdichtungen in Metallkäfigen. Hierbei wird die Dichtung über Hinterschneidungen im Metallgehäuse festgehalten: das sogenannte Patronenprinzip (Abbildungen 8, 9). Dichtungen im Gehäuse Der Vorteil: Durch die Hinterschneidungen im Metallkäfig wird die Dichtung selbst bei Arbeitsdrücken von bis zu 16 bar nicht aus ihrem Sitz gezogen, was zu einer deutlich höheren Lebensdauer führt. Dieses weichdichtende System kann somit bezüglich der Lebensdauer sehr gut mit einem hartdichtenden konkurrieren. Zudem ist die Abdichtung zwischen Kolben und Elastomerdichtung so gut, dass Ventile mit Partonenprinzip problemlos auch mit Vakuum arbeiten können. Abbildung 6: Weich dichtendes System mit Dichtung im Gehäuse Erstens sind entsprechende Einstiche fertigungstechnisch problematisch und zweitens führt der Bernoulli-Effekt bei Drücken ab ca. 8 bar zu einem Herausziehen der Dichtung, eine Belastung, die erhöhten Verschleiß nach sich zieht. Abbildung 7 zeigt den Vorgang im Detail: Abbildung 8: Kolbenschieberventil mit Patronenprinzip Elastomer-Formdichtung Abbildung 7: Erhöhter Dichtungsverschleiß aufgrund des Bernoulli-Effekt bei Drücken ab ca. 8 bar. 1. Der hohe Druck und die Kanalverengung führen zu einer erhöhten Luftströmungsgeschwindigkeit über der Dichtung. Metallgehäuse Abbildung 9: Patronendichtung 2. Der Druck über der Dichtung verringert sich aufgrund der steigenden Strömungsgeschwindigkeit. 3. Der größere statische Druck am Nutgrund drückt die Dichtung leicht nach oben. 4. Beim Schaltstellungswechsel wird die Dichtung stärker gequetscht, was zu schnellerem Verschleiß führt. © Copyright 2013, Festo AG & Co. KG 4 Welcher Ventiltyp ist der richtige für Sie? Der Kurzcheck Ob Kolbenschieber oder Sitzventile: Beide Ventiltypen haben ihre Stärken und Schwächen. Sollten Sie jedoch besonderen Wert auf geringste Leckagewerte und möglichen Zweidruckbetrieb1 mit Vakuum und Abblasimpuls legen oder hohe Arbeitsdrücke benötigen, empfehlen sich Kolbenschieberventile mit Patronendichttechnik. Kolbenschieberventil (Dichtung auf Kolben) Kolbenschieberventil mit Patronenprinzip Gängiges Sitzventil (druckabhängig) ++ +++ + Nicht möglich +++ ++ ++/+++2 +++ ++ Reversbetrieb ++ +++ Nicht möglich Robustheit bei „unsauberer“ Luft ++ ++ +++ Geringe Leckagewerte ++ +++ +++ Schaltzeit ++ ++ +++ Schmierölverträglichkeit3 + + +++ Verhältnis Ventilgröße zu Durchfluss Hohe Arbeitsdrücke bis 16 bar Vakuumbetrieb Tabelle 1: Kurzcheckliste +++ ++ + = Sehr gut = gut = befriedigend Herausgeber/Autor: Festo AG & Co. KG Herr Philipp Wahl Marketing Concepts E-Mail: [email protected] Ihr lokaler Ansprechpartner: Ihren lokalen Ansprechpartner finden Sie auf der Festo Webseite Ihrer Landesgesellschaft. 1) Druckausgeglichene Sitzventile ermöglichen ebenfalls den Zweidruckbetrieb. 2) Hängt vom konstruktiven Aufbau ab. 3) Sofern bei der Drucklufterzeugung mit Schmierstoffen gearbeitet wird, hat dies kaum Auswirkungen auf Sitzventile da diese in der Regel „trocken“ laufen. Bei Kolbenschieberventilen kann es aber zu chemischen Prozessen mit dem Schmierstoff im Ventil kommen. © Copyright 2013, Festo AG & Co. KG 5