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Die obigen Bilder sind einfache Querschnitte eines typischen Schieberventils (links) und eines Sitzventils (rechts). (Mit freundlicher Genehmigung von Unicontrols Signapore)

Die Entscheidung, welches Ventil für ein hydraulisches oder pneumatisches System verwendet werden soll, hängt von einigen Designfaktoren ab: dem internen Design Ihrer Schaltung und der Gesamtfunktion Ihrer Ventile. Die beiden am häufigsten verwendeten Hauptventile sind die Ventilkegel- und Kolbenschiebervarianten. Diese Ventile sind in erster Linie mit der Steuerung von Druckluft beteiligt.

„Der Hauptunterschied zwischen einem Kolben und einem Tellerventil ist die Konstruktion“, erklärt Daniella Gonzalez-Olgren, Produktspezialistin für Ventile bei Festo. „Aufgrund der Konstruktion eines Sitzventils ist keine Schmierung erforderlich, was Ihre Luftaufbereitungseinheiten vereinfacht. Jedoch haben Schieberventile normalerweise höhere Flüsse als Tellerventile innerhalb des gleichen Abdruckes. Dies liegt daran, dass ein Sitzventil eine große Sitzfläche benötigt, um eine ausreichend große Schaltkraft zu erzeugen, um den Druck zu überwinden.“

Beide Ventile haben ihre Vor- und Nachteile, aber der größte Faktor wird das Verständnis Ihrer Betriebsbedingungen sein.

Das Sitzventil

Sitzventile haben einen einfachen Aufbau und können mit jedem Material verwendet werden. Das Ventil fungiert als Flüssigkeit an der Einlassöffnung, die durch das Steuergerät fließt und die Rückseite des Tellers erreicht. Die Spitze des federbelasteten Ankers schließt die Ausströmöffnung, um die Flüssigkeit hinter dem Ventilkegel gefangen zu halten. Das Ventil ist ein Rückschlagventil, das den Fluss im Normalzustand vom Einlass zum Auslass stoppt. Die Strömung in die entgegengesetzte Richtung, von Auslass zu Einlass, erfolgt mit reduzierter Geschwindigkeit.

Die Magnetspule wird erregt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das den Anker anhebt, um die Ausströmöffnung zu öffnen. Diese Öffnung ist größer als die Steueröffnung, was einen größeren Durchfluss und einen Druckabfall hinter dem Sitz erzeugt. Der Einlassdruck auf den Ringraumbereich des Tellers außerhalb des Sitzdurchmessers verdrängt ihn, um Flüssigkeit zum Auslass des Tellers fließen zu lassen.

Wenn die Magnetspule stromlos ist, setzt die Federkraft die Ankerspitze wieder ein – und fängt die Flüssigkeit wieder hinter dem Ventilkegel ein und lässt sie schließen. Tellerventile werden typischerweise in Sortieranwendungen, Industrieumgebungen mit möglicher Kontamination und allen Anwendungen bevorzugt, die schnelle Schaltzeiten benötigen.

Vorteile

Im Gegensatz zu Schieberventilen öffnen Tellerventile einen unmittelbaren Strömungsweg zum Auslass. Dies führt zu einer schnellen Reaktionszeit. Tellerventile öffnen nur so viel, wie von der Durchströmung benötigt wird, und legen dazu einen Mindestabstand zurück, was die Ansprechzeit erhöht. Die große Oberfläche, die für Poppets wesentlich ist, führt zu einer höheren Durchflussrate. Sitzventile erfordern kleine Betätigungshübe, was kürzere Schaltzeiten ermöglicht.

Die Tatsache, dass Poppets mit jedem Material verwendet werden können, macht sie auch sehr kostengünstig und einfach zu bedienen. Weitere Vorteile von Tellerventilen sind, dass die verwendete Axialdichtung schmutzabweisend ist und keine Schmierung erforderlich ist. Dadurch sind sie chemisch verträglich mit geschmierter Druckluft. Poppets sind auch vorteilhaft, wenn es um Langlebigkeit geht, da weniger Verschleiß an den inneren Dichtungen zu einer längeren Produktlebensdauer führt.

Nachteile

Sitzventile sind aufgrund der konstruktiven Einschränkungen nicht vorteilhaft, wenn es um das Verhältnis zwischen Raum und Durchfluss geht. Der Nachteil von Sitzventilen besteht darin, dass die Luft beim Verschieben der Sitzventile von einem Strömungspfad in einen anderen in jede Richtung frei fließen kann. Dies wird als „Crossover“ bezeichnet.“ Bei druckunabhängigen Modellen bieten Sitzventile einen geringeren Durchfluss als Schieberventile.

Dies ist auf den größeren baulichen Bedarf zurückzuführen — bei druckabhängigen Ventilen hängt der Steuerdruck vom Betriebsdruck ab. Die Ventile sind unsymmetrisch und Druck muss unter dem Sitz zugeführt werden, um das Ventil in der unbetätigten Position zu halten. Um einen Luftstrom zu ermöglichen, ist eine höhere Kraft erforderlich, um die Ventile zu betätigen, da sie die Feder und den Luftdruck überwinden muss. Es ist auch möglich, dass das Ventil aufgrund von Gegendruck öffnet, wenn der Versorgungsdruck entfernt wird. Dies macht sie zu einer schlechten Wahl, um den Druck stromabwärts zu halten.

Sitzventile arbeiten typischerweise auch auf eine Weise. Beispielsweise kann ein normal geschlossenes Zweiwege-Sitzventil nicht in ein offenes Ventil umgewandelt werden. Poppets werden normalerweise nicht für Vakuumbedingungen empfohlen. Schließlich ist die Ventilkonstruktion nicht immer überlappungsfrei. Je nach Ausführung des Sitzventils kann das Umschalten der Positionen zu einem Überlaufen zwischen den Kanälen führen. Dies kann zu unnötigen Leckagen und Geräuschen führen.

Diese Tabelle zeigt die verschiedenen Ventiltechnologien und die Arten von Dichtungen, die sowohl für Sitz- als auch für Schieberventile verfügbar sind. (Mit freundlicher Genehmigung von Festo)

Kolbenschieber

Ein Schieberventil weist Dichtungen entlang seiner Oberfläche auf. Durch Betätigen des Ventils verschiebt sich der Schieber, wodurch die Dichtungen die Bohrung hinunterfahren und die Anschlüsse öffnen, um einen Luftstrom zu ermöglichen. Bei Systemen mit einem Durchfluss von 100 gpm oder weniger werden am häufigsten Schieberventile verwendet, um den Durchfluss zu lenken. Durch das Zählen der Anzahl der Anschlüsse, die Flüssigkeit in einem bestimmten Ventil durchlaufen kann, erhalten Sie eine Reihe von Möglichkeiten.

Ein Ventil mit zwei Anschlüssen ist beispielsweise auch ein Zweiwegeventil. Das Zweiwegeventil hat nur zwei Positionen, da es nur den Durchfluss stoppen oder zulassen kann. Andere Schieberventilkonfigurationen sind Drei-, Vier- und Fünfwege. Fünfwegeventile sind Sonderfälle in der Tatsache, dass ein Auslassanschluss kein Problem darstellt.

Ein Vierwegeventil kann fünf Anschlüsse haben, wobei seine Tankanschlüsse intern verbunden sind, um einen zusätzlichen Anschluss im Körper zu eliminieren. Diese Konfiguration ist für hydraulische Zwecke wichtig, da sie dazu beiträgt, Leckstellen und Rohrleitungen zu reduzieren. Schieberventile werden typischerweise in leichten Maschinen oder End-of-Arm-Roboterwerkzeugen bevorzugt; saubere Arbeitsumgebungen; und vor allem Schrankinstallationen oder wenn Platzbeschränkungen bestehen.

Spulenwerte können eine von zwei Arten von Dichtungssystemen annehmen: harte oder weiche Abdichtung. Hartdichtungssysteme sind haltbarer. Das Fehlen der Weichgummidichtelemente im Kolbenschieber macht sie haltbarer. Ein Ventil mit dieser Art von Dichtung ist sofort für einen vollständigen dynamischen Einsatz bereit, unabhängig davon, ob es längere Zeit inaktiv war. Dies macht harte Dichtungen jedoch anspruchsvoller.

Die Herausforderung besteht darin, dass der den beweglichen Kolben umgebende Luftspalt nicht größer als einige Mikrometer sein darf. Die häufig verwendete Metallhülse dient sowohl als Dichtung als auch als Führung für den Ventilschieber. Die Hülse und die Spule müssen aus demselben Material bestehen, da ein Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zu größeren Leckagen und sogar zu einem Verklemmen der Spule führen kann.

Schon eine kleine Verformung im Gehäuse kann die Hülse beschädigen und das Lebensdauerventil beeinträchtigen und die Leckage erhöhen. Hart abgedichtete Schieberventile sind robust und langlebig und weisen aufgrund des Luftspalts immer eine gewisse Leckage auf, und ihre Durchflusskapazität ist im Vergleich zu anderen Ventilen ähnlicher Abmessungen geringer.

Bei einem Sitzventil hängt der Steuerdruck vom Betriebsdruck ab. Dies liegt an der Luftströmung. Bei dem obigen druckabhängigen Sitzventil strömt die Luft durch das Ventil von Kanal 1 zu Kanal 2. Da die Fläche D2 größer als D1 ist, kommt es zu einem Kräfteungleichgewicht, da auf beide Flächen der gleiche Betriebsdruck ausgeübt wird. Dies muss kompensiert werden, um ein Gleichgewicht im Ventil aufrechtzuerhalten. (Mit freundlicher Genehmigung von Festo)

Weich abgedichtete Schieberventile verwenden Gummidichtungen (O-Ringe oder Elastomerformdichtungen) am Kolben. Durch die Verwendung von weich abgedichteten Schieberventilen vermeiden Sie die Komplikationen von Metall-auf-Metall-Konfigurationen. Weich abgedichtete Schieberventile verschleißen jedoch im Laufe der Zeit schnell, wenn sie mit der Kanalkante oder Steuerkante in Kontakt kommen. Eine optimale Planung der Steuerkante ist erforderlich, und die Elastomerformdichtung und die Kolbenführung müssen sorgfältig berücksichtigt werden, um einen weichen Durchgang mit minimalem Verschleiß zu gewährleisten.

Die Dichtungen können direkt am Ventilgehäuse montiert werden. Auch hier sind die erforderlichen Ausnehmungen schwierig herzustellen, und der Bernoulli-Effekt führt dazu, dass sich die Dichtungen bei einem Druck von 8 bar oder höher lösen. Dies führt zu einem größeren Verschleiß der Dichtung.

Um dieses Problem zu lösen, kann man geformte Dichtungen in Metallkäfigen verwenden und sie daher in den Aussparungen halten. Dies wird als Cartridge Principal bezeichnet. Der Vorteil besteht darin, dass das Ventil auch bei hohen Betriebsdrücken nicht aus der Position gezogen wird. Die Dichtungen konnten in den Metallkäfigen mit Drücken von bis zu 16 bar halten. Diese Art der Konfiguration hat ein langes Ventilleben, und die Dichtung kann in den Vakuumoperationen benutzt werden.

Vorteile

Der Hauptvorteil von Schieberventilen besteht darin, dass die Bewegung des Schiebers nicht durch Flüssigkeit beeinflusst wird, die an einem Arbeitsanschluss in das Ventil eintritt. Der Druck wird immer auf zwei gleiche gegenüberliegende Bereiche ausgeübt. Infolgedessen kann der Druck die Spule nicht bewegen, weil sie aufgehoben werden. Schieberventile können entweder manuell, elektrisch, mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch mit der gleichen Kraft unabhängig vom Betriebsdruck innerhalb des Ventils schalten.

Magnetspulen mit geringer Kraft können in Verbindung mit Schieberventilen verwendet werden, da sie sich durch mechanische Reibung und leichte Federn leicht bewegen lassen. Wie bereits erwähnt, können Schieberventile im Vakuumbetrieb verwendet werden. Sie können auch in hohen und niedrigen Drücken als Wahlventile eingesetzt werden. Darüber hinaus können sie verwendet werden, um den Druck stromabwärts zu sperren.

Nachteile

Die Metall-Metall-Gleitbeschläge können dazu führen, dass Flüssigkeit die Dichtung umgeht, was, wie bereits erwähnt, zu Leckagen führt. Der Auslöser verliert Position, wenn äußere Kraft angewendet wird. Dies führt zu Ineffizienzen in Form von Energie- und Wärmeverschwendung. Um den Bypass zu reduzieren, haben Schieberventile typischerweise eine Überlappung, was jedoch zu einer Verzögerung vor dem Fluidfluss führt. Die Verzögerung ist klein — nur wenige Millisekunden – kann aber ein Problem verursachen, wenn die Zyklen sehr schnell sind und / oder wenn es mehrere Ventilschaltungen pro Zyklus gibt.

Eine Zeitverzögerung tritt auch auf, wenn sich die Spule bis zum Ende ihres Hubs zurückbewegt. Das Schieberventil bewegt sich mehr, als es für den erforderlichen Durchfluss benötigt. Infolgedessen nimmt es mehr Zeit in Anspruch, sich wieder in die Mitte oder in den entgegengesetzten Strömungspfad zu verschieben. Wenn mehrere Ventile beteiligt sind, verlangsamt dies die Zykluszeit erheblich.

Die Verwendung von Hubbegrenzern hilft, die Verzögerung zu beseitigen, aber der üblichere Ansatz besteht darin, die Pumpengröße zu erhöhen. Obwohl Sie durch die Installation einer größeren Pumpe einen höheren Energieeintrag und eine schnellere Aktorbewegung erzielen, kann dies dem System Schock und Wärme hinzufügen. Ein weiterer Nachteil von Schieberventilen besteht darin, dass eine offene Überkreuzung auftritt, wenn alle Anschlüsse während der Betätigung vorübergehend für den Durchfluss geöffnet sind.

Wie man das richtige Ventil für den Job auswählt

Die beiliegende Tabelle ist eine Ventilauswahl-Hilfe. Sowohl Kolben- als auch Tellerventile haben Vor- und Nachteile, aber diejenige, die am besten zu Ihrer Anwendung passt, hängt von Ihren Betriebsbedingungen ab. Man muss zum Beispiel überlegen, ob niedrige Leckagewerte und Doppeldruckbetrieb mit Vakuum und Ejektorimpuls Ihre Konstruktionsprioritäten sind. Oder wenn Sie mehr mit hohen Betriebsdrücken zu tun haben, kann eine Leckage zulässig sein. Ein besseres Verständnis Ihrer Betriebsbedingungen hilft Ihnen bei der Auswahl des richtigen Ventils für den Job.

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