Proportional-Mengenregler

Stufenlos von schnell zu langsamer bis zum Stopp

| Autor / Redakteur: Markus von Niederhäusern, Wandfluh / Silvano Böni

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(Bild: onizu3d – Fotolia)

Variable Geschwindigkeiten waren noch bis vor 15 Jahren eine grosse Herausforderung. Nicht zuletzt dank der heutigen Möglichkeiten zur variablen Geschwindigkeitssteuerung werden automatische Prozesse für moderne Fertigungsanlagen erst realisierbar.

Während unsere Vorväter auf den wartungsanfälligen Variator zurückgreifen mussten, um die Drehgeschwindigkeit variabel zu steuern, stehen uns heute in verschiedenen technischen Disziplinen unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung, um eine lineare, aber auch eine rotative Bewegung stufenlos und bedürfnisgerecht einzustellen. Anwendungsbeispiele gibt es zuhauf: Senkbewegungen bei Staplern oder Kränen, automatisierte Prozesse in Produktionsmaschinen von der CNC-Drehbank bis zur Spritzgussmaschine, aber auch kontrollierte Streumengen im Kommunaleinsatz und in der Landwirtschaft gehören zu den typischen Applikationen.

Im hydraulischen Kreislauf lässt sich eine rotative und lineare Bewegung durch die geringe Mediumskompression und die hohe Energiedichte besonders effektiv regeln. Eine der Herausforderungen in der Hydraulik ist der Einsatz über einen grossen Geschwindigkeitsbereich mit der Möglichkeit, die Bewegung zum Stillstand zu bringen. Wandfluh bietet hier eine äusserst interessante Produktereihe, welche gezielt für den Einsatz vom Stopp bis zur Vollgeschwindigkeit und zurück entwickelt wurde. Für ihre Anwendung stehen zwei Lösungskonzepte (QN/QD) mit drei Konstruktionsvarianten, fünf unterschiedlichen Produktegrössen und zwölf Leistungsstufen zur Auswahl. Alle Komponenten von Wandfluh kontrollieren den gesamten Volumenstrombereich, vom Stillstand bis zur gewählten Nennvolumenstromstufe QN von minimal 0,1 bis 160 l/min.

Wie funktionieren Mengenregler?

Eine Geschwindigkeitssteuerung von Linear- und Drehbewegungen weist in der Gesamtheit eine hohe Komplexität auf, daher ist es für den Systemingenieur essentiell, den spezifischen Anwendungsfall genau zu kennen. Die verschiedenen Konstruktionsarten haben alle ihre Stärken für den richtigen Anwendungsfall. Im Umkehrschluss jedoch auch ihre Schwächen, wenn sie in der falschen Applikation Verwendung finden. Grundsätzlich ist bei der Auswahl der Komponenten darauf zu achten, dass diese die Anwendungsflexibilität ermöglicht und nicht von vornherein Einschränkungen mit noch höher werdender Komplexität mit sich bringt. Um individuellen Wünschen und Anforderungen gerecht zu werden, ist es wichtig, sich fachkundig und im Idealfall direkt vom Hersteller bei der Selektion beraten zu lassen.

Zwei unterschiedliche Typen

Es gibt grundsätzlich die beiden Grundtypen der lastabhängigen Mengenregler und der lastkompensierten Mengenregler. Erstgenannter wir oft auch Drossel genannt. Der Charakter einer lastabhängigen Drossel wird vom Eingangsdruck bestimmt. Bei verändertem Eingangsdruck verändert sich auch die Durchflussmenge mit ansteigendem Druckabfall. Die Drossel zeigt ihre Stärken in der Dynamik, zusätzlich auch monetär im Vergleich zum lastkompensierten Mengenregler. Grundsätzlich wird mit einer Drossel der Öffnungsquerschnitt proportional eingestellt. Sie besteht aus einer Büchse und einem Drosselkolben mit proportionalem Aktuator. Die Wiederholgenauigkeit und Hysterese hat einen direkten Zusammenhang mit der Leckage. Um in einem Ventil den ganzheitlichen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine sehr hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich. Eine direktgesteuerte Drossel hat ventilintern keine Regelungsmechanik, wodurch sie für hochdynamische Anwendungen geradezu ideale Bedingungen aufweist. Der Druckabfall ist durch den Durchfluss geprägt. Bei zu hohem Durchfluss zieht sich der Drosselkolben durch die Strömung zu.

Der lastkompensierte Mengenregler zeichnet sich durch die Durchflussstabilität bei wechselnden Eingangsdruckbedingungen aus. Die Grundkonstruktion basiert auf dem zuvor erklärten Drosselprinzip. Durch Ergänzung der Druckwaagefunktion kann ein stabiler Volumenstrom erreicht werden. Die genannte Druckwaage stabilisiert den Druckabfall über die Drossel, wodurch die Durchflussmenge konstant gehalten wird. Ein lastkompensierter Mengenregler besteht somit faktisch immer aus zwei Ventilen kombiniert in einem Ventil. Die Hydraulikspezialisten der Wandfluh AG haben sich auf die «Hülse in Hülse»-Konstruktion konzentriert. Die genannte Konstruktionsart erlaubt eine hohe Durchflussgenauigkeit über den gesamten Druckbereich. Entscheidend für eine hohe Wiederholgenauigkeit mit geringer Hysterese und Durchflussstabilität ist eine hohe Produktionsgenauigkeit mit Fokus auf die interne Leckage. Die Hülse der Druckwaage läuft in der Steuerhülse, in welcher sich wiederum der Drosselkolben bewegt. Die Herausforderung dabei liegt im Zusammenspiel der drei Funktionsteile. Die Haft- und Gleitreibung sind entscheidende Faktoren. Einerseits müssen die Funktionsteile gut geschmiert werden, um den Widerstand zu minimieren. Dabei darf aber das Spiel nicht zu gross sein, da ansonsten die Leckage erhöht und die Stabilität markant verschlechtert wird. Das System ist nur mit kleinen Toleranzen und engen Formtoleranzen zu betreiben, für Wandfluh alltägliche Präzisionsarbeit. Durch die clevere Konstruktion konnte eine Lösung gefunden werden, die über einen hohen Viskositäts- und Temperaturbereich eingesetzt werden kann.

Die Anwendung der «Hülse-in-Hülse-Konstruktion» ermöglicht zudem eine hohe Durchflussleistung bei kompakter Bauweise. Der Anwender profitiert in der Applikation von Platz- und Gewichtseinsparungen bei der Blockkonstruktion. Durch die optimale Abströmrichtung können die Mengenregler von Wandfluh in Stahl-, Guss- und Aluminium-Blockmaterial eingebaut werden.

Proportionale Mengenregler gibt es in verschiedenen Baugrössen und Durchflussbereichen. Der kleinste Mengenregler von Wandfluh kontrolliert den Volumenstrombereich von 5…100 ml/min, der grösste Bruder 0,3 bis 160 l/min bei einer fixen Druckwaage von 10 bar. Durch kundenspezifische Lösungen ist eine grosse Auswahl an Versionen entstanden – da lässt sich eine passende Version für jedes Projekt finden.

3 in 1 – Proportionaler Mengenregler

Aus Sicherheitsgründen ist in Fahrzeugen mit Hubbewegungen eine Senkabsicherung nötig. Die Kombination dieses Bedürfnisses mit einer proportional geregelten Absenkgeschwindigkeit im Anwendungsfall ermöglicht der speziell konzipierte proportionale und lastkompensierte Mengenregler mit sitzdichter Funktion. Das Ventil der Baureihe QS ist im eigentlichen Sinne die eierlegende Wollmilchsau unter den Hydraulikventilen, kombiniert es doch drei Funktionen in einem Ventil. Die Funktionen Drossel, Druckwaage und Sitzventil werden auf engstem Raum eingebettet. Es ist für die Ansprüche von Mobilanwendungen geradezu ideal für kompakte Absenklösungen. Das Ventil kann sowohl in normal offener als auch in normal geschlossener Ausführung geliefert werden.

Wozu lastkompensierte Mengenregler?

Lasten sind in der Praxis häufig nicht konstant. Auf der Werkzeugmaschine ist es der Sprung von Haft­reibung auf ausschliesslich Gleitreibung, bei Con­tainerstaplern ist die Last der Container unterschiedlich, bei einem Windgenerator herrschen wechselnde Windverhältnisse – alles Situationen mit unterschiedlichen Lastsituationen. Ein lastkompensierter Mengenregler ist genau für solche Anwendungen gemacht. Schnelle Ansprechzeiten und gleichbleibender Durchfluss bei plötzlichen Lastwechseln zeichnen einen Qualitätslieferanten für Mengenregler aus. Qualitativ hochwertigen Mengenreglern werden verantwortungsvolle Aufgaben zugeteilt. Der Streuer kontrolliert die Menge des Streuguts durch proportionale Mengenregler und übernimmt somit indirekt das gesetzeskonforme Ausbringen von Streusalz, Splitt oder Dünger. Durch die intelligente Vernetzung mit GPS-Tracking kann die Menge der Situation vor Ort angepasst werden, womit der Salzstreuer auf gefährlichen Stellen automatisch die Streumenge variiert. Oder der Düngerstreuer aus der Ernteanalyse weiss, wo die Bodenverhältnisse besonders gut sind, um die Ernte zu optimieren. Durch solche Systeme werden ökologische und ökonomische Verbesserungen durch den Einsatz von proportionalen Mengenreglern erreicht.

In industriellen Anwendungen verhilft der Mengenregler zu einem prozessoptimierten Einsatz eines Produktionszyklus auch für die Schwerindustrie. Durch die variable Geschwindigkeitsgestaltung kann die Zeit zwischen den Produktionsschritten schneller und damit effizienter ausgeführt werden.

Ideal für extrem dynamische Druckregelung

Es klingt paradox, doch mit proportionalen Drosselventilen können äusserst dynamische Druckregelkreise aufgebaut werden, welche jeglicher Situationsänderung mit unmittelbarer Reaktion begegnen. Hochdynamische Druckregelungen finden in der Textilindustrie, jedoch auch immer häufiger im Pressenbau Anwendung. Das Funktionsprinzip basiert auf einer leistungsstarken, simpel gehaltenen Reglerelektronik mit autarken Steuerkreisen für jedes proportionale Drosselventil. Die Drosselventile kontrollieren den Eingangs- und den Ausgangsvolumenstrom und damit indirekt auch den aufgebauten Druck im nachfolgenden Druckraum eines Zylinders oder Hydraulikmotors. Durch den geschlossenen elektronischen Regelkreis weiss die Reglerelektronik über den Drucktransmitter immer, ob Volumen zu- oder abgegeben werden muss. Hydraulisch funktioniert die Druckregelung unter stetiger Bewegung der Ventile. Der Vorteil dieser Anwendung liegt in der autarken Ventilansteuerung, welche faktisch einer überdeckungsfreien Technik ohne Reaktionszeit gleichkommt.

In einem hydraulischen System mit einem stetigen Abfluss, wie es zum Beispiel bei der Zugkraftlimitierung einer Seilwinde durch die Leckage im Hydraulikmotor der Fall ist, kann der Regelkreislauf vereinfacht werden. In einem solchen Anwendungsfall kann die Druckregelung mit ausschliesslich einem Ventil und deren elektronischem Regelkreis mit Druck-Feedback und Reglerelektronik ausgeführt werden. In Kombination mit einer variablen Pumpe besticht das System durch eine hohe Energieeffizienz und längere Wartungsintervalle.

Die hohe Dynamik erlaubt eine hohe Genauigkeit und bei idealen Bedingungen eine Druckstabilität innerhalb von 0,2 bar. Die typischen proportionalen Begleiteigenschaften wie Hysterese und Wiederholgenauigkeit werden durch die ständige Bewegung eliminiert.

Inklusive ATEX- und IECEx-Zertifikat

Die Gerätefamilie der proportionalen Drosseln und Mengenregler findet durch Verwendung der mehrfach zertifizierten MKY45-Magnetspule auch Anwendung in explosionsgeschützten Bereichen. Durch das erfolgreich angewandte Baukastenprinzip von Wandfluh unterscheidet sich die Leistung der «normalen» und der explosionsgeschützten Ventile nur marginal. Die Gerätefamilie steht somit mit IECEx-, ATEX-, EAC-, Inmetro-, UL-, CSA-, Nepsi-, MA- und Australia-Zertifikaten zur Auswahl. Auf Wunsch kann auch die Verstärkerelektronik direkt in der Magnetspule verbaut werden.

Die lastkompensierten Mengenregler erreichen in der Nenngrösse M33 einen Nennvolumenstrom von 55 l/min. Die M42-Nenngrösse erreicht sogar 160 l/min und damit die gleiche Leistung der nicht explosionsgeschützten Variante.

Neben der Spule bestehen im explosionsgeschützten Einsatz oft noch weitere Kriterien wie erhöhte Korrosionsbeständigkeit, Tieftemperaturanwendungen und Einsatz von niedrig viskosen Flüssigkeiten. Die hohe Flexibilität der Schweizer erlaubt auch Lösungen für solch spezifische Fälle. SMM

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