Ein Richtungssteuerventil besteht aus einem Ventilkörper mit internen Durchgängen und einem beweglichen Teil, dem Kolben. Der Kolben kann die internen Durchgänge verbinden oder sperren. Bei den meisten standardmäßigen industriellen Hydraulikventilen ist der Kolben zylindrisch – dieser Typ wird als Kolbentyp-Richtungsventil oder einfach als Kolbenventil bezeichnet. Kolbenventile sind die am weitesten verbreitete Art von Richtungsventilen in der industriellen Hydraulik. Dieses Kapitel erläutert ihre Typen, ihren Aufbau, ihre Funktionsweise und ihre Steuerungsmethoden.

Vierwege-Richtungsventil

Der erste zu betrachtende Richtungsventiltyp weist vier interne Durchgänge auf: einen Druckdurchgang, einen Rücklauf-(Tank-)Durchgang und zwei Arbeitsdurchgänge. Dies ist das Vierwege-Richtungsventil – benannt nach den vier unterschiedlichen Durchgängen in seinem Ventilkörper. Das Vierwege-Richtungsventil steuert hydraulische Zylinder oder hydraulische Motoren zur Richtungsumkehr.

Funktion des Vierwegeventils in einer Schaltung

Alle Richtungsventile bestehen aus einem Ventilkörper und einer inneren beweglichen Spule. Die Spule weist mindestens zwei Positionen – zwei Endpositionen – auf. Diese beiden Positionen werden im grafischen Symbol eines Richtungsventils durch zwei separate Kästen dargestellt. In jedem Kasten zeigen Pfeile an, wie die inneren Durchgänge des Ventilkörpers miteinander verbunden sind, wenn sich die Spule in dieser Position befindet. Bei der Darstellung eines Richtungsventils mittels grafischem Symbol müssen beide Kästen miteinander verbunden sein. Bei der Einbindung in einen Schaltplan muss genau ein Kasten in den Schaltplan eingebunden werden. Dadurch wird bei einer Bewegung des Stellglieds in eine Richtung der innere Strömungspfad im Richtungsventil eindeutig dargestellt. Wenn der andere Kasten des Symbols die Bewegung des Stellglieds in die entgegengesetzte Richtung darstellen soll, wird einfach der andere Kasten nahtlos in den Schaltplan eingefügt.

Ein Richtungsventil mit nur zwei Spulenpositionen wird als Zwei-Wege-Ventil bezeichnet.

Abbildung 10-1 Vierwege-Wegeventil. Das Zweikasten-Symbol stellt die beiden Kolbenpositionen dar. Nur einer der beiden Kästen ist jeweils mit dem Kreislauf verbunden; durch Verschieben des Kolbens wechselt der aktive Kasten, wodurch die Zylinderbewegung umgekehrt wird.

Funktion des Vierwegeventil-Kreislaufs

Wenn sich der Kolben in einer Endstellung befindet, ist der Druckanschluss mit dem Arbeitsanschluss A verbunden und der Rücklaufanschluss mit dem Arbeitsanschluss B. Wenn der Kolben in die andere Endstellung wechselt, ist der Druckanschluss mit dem Arbeitsanschluss B verbunden und der Rücklaufanschluss mit dem Arbeitsanschluss A. Durch Wechseln der Endstellung des Kolbens ändert sich die Richtung des Ölflusses in den Hydraulikzylinder, wodurch der Kolbenstange ausgefahren oder eingefahren wird.

Dreiwege-Wegeventil

Ein Drei-Wege-Richtungsventil verfügt über drei innere Durchgänge: einen Druckdurchgang, einen Rücklaufdurchgang und einen Arbeitsdurchgang. Seine Funktion besteht darin, dass bei einer Endstellung des Kolbens der Arbeitsanschluss unter Druck gesetzt wird; bei der anderen Endstellung wird der Arbeitsanschluss entlastet. Mit anderen Worten schaltet das Drei-Wege-Ventil zwischen Druckaufbau und Druckentlastung an einem einzigen Arbeitsanschluss um.

Funktion der Drei-Wege-Ventilschaltung

Ein Drei-Wege-Ventil kann einwirkende Stellglieder wie federbetätigte Kolbenzylinder steuern. Bei solchen Anwendungen führt das Drei-Wege-Ventil in einer Schaltstellung Drucköl in das kolbenstangenfreie Zylinderende; beim Umschalten in die andere Position wird der Zufluss zum Stellglied unterbrochen, und der Stellgliedanschluss wird innerhalb des Ventilkörpers mit dem Rücklaufdurchgang verbunden, sodass sich die Zylinderstange durch Schwerkraft oder Federkraft zurückziehen kann.

Wenn das Dreifachventil in der Position ist, bei der die Arbeitsleitung mit der Rückführungsleitung verbunden ist, kann ein vertikal montierter Kolbenzylinder aufgrund der Schwerkraft einfahren, während sich die Stange eines federbetätigten Zylinders durch die Federkraft einfährt.

In industriellen hydraulischen Anwendungen kommen Dreifachventile selten vor. Falls eine Dreifachfunktion erforderlich ist, wird üblicherweise ein Vierfachventil mit einem blockierten Arbeitsanschluss verwendet.

Abbildung 10-3: Dreifach-Richtungsventil zur Steuerung von einfachwirkenden (federbetätigten) Zylindern. In einer Position wird der Zylinder unter Druck gesetzt; in der anderen Position wird der Zylinder mit dem Tank verbunden, wodurch die Feder die Stange einfahren lässt.

Zweifach-Richtungsventil

Ein Zweifach-Richtungsventil besitzt nur zwei Durchgänge – diese beiden Durchgänge können durch den Schieberspul verschaltet oder getrennt werden. Wenn sich die Spule in einer Endposition befindet, ist die Durchflussleitung durch das Ventil geöffnet; befindet sie sich in der anderen Endposition, ist die Leitung geschlossen.

Funktion des Zweifachventil-Schaltkreises

Das zweirichtige Wegeventil fungiert als Ein-/Ausschalter in einem Stromkreis. Diese Funktion wird in vielen Systemen als Sicherheitsverriegelung oder zur Trennung und Verbindung verschiedener Komponenten innerhalb des Systems eingesetzt.

Kennwerte und Spezifikationen für Wegeventile

Wegeventile für die industrielle Hydraulik sind in mehreren Grundgrößen erhältlich: 1/4 Zoll, 3/8 Zoll, 1/2 Zoll, 3/4 Zoll und 1-1/4 Zoll (6,35 mm, 9,5 mm, 12,7 mm, 19,05 mm und 31,75 mm). In industriellen Anwendungen werden sie üblicherweise anhand ihrer durchschnittlichen Durchflusskapazität und nicht anhand der Anschlussgröße bewertet. Beispiele für Nenn-Durchflussraten sind: 3–10 gpm (11,37–37,9 l/min), 10–20 gpm (37,9–45,48 l/min), 40 gpm (75,8 l/min), 80 gpm (303,2 l/min) und 160 gpm (379 l/min). Bei der Nenndurchflussrate beträgt der Druckabfall von P nach A oder von B nach T etwa 40 psi (2,76 bar).

Wegeventil-Spule

Die vierwege Richtungsventilspule, die wir gesehen haben, ist eine Welle mit drei zylindrischen Abschnitten mit großem Durchmesser, die als „Lands“ bezeichnet werden. Der gleiche Abstand zwischen den drei Lands macht diese Spule zu einer Dreilands-Spule. Die meisten industriellen hydraulischen Richtungsventile besitzen entweder Zweilands- oder Vierlands-Spulen. Richtungsventile mit niedrigerer Durchflussrate verwenden typischerweise Zweilands-Spulen; Vierlands-Spulen kommen hingegen häufiger bei Ventilen mit höherer Durchflussrate zum Einsatz.

Abbildung 10-5: Richtungsventilspulen. Zweilands-Spulen sind bei kleineren Ventilen üblich; Vierlands-Spulen bei größeren Ventilen. Die Anzahl und Position der Lands bestimmt, welche Kanäle in jeder Spulenstellung verbunden oder gesperrt werden.

Unterplattenmontiertes Vierwege-Ventil

Das oben beschriebene Vierwege-Wegeventil verfügt über vier Anschlüsse. Üblicherweise befinden sich der Druck- und der Rücklaufanschluss auf einer Seite des Ventilkörpers, während sich die beiden Arbeitsanschlüsse auf der gegenüberliegenden Seite befinden. Diese Anordnung der Anschlüsse entspricht sehr stark dem grafischen Symbol für Wegeventile. Zur Vereinfachung der Montage verwenden die meisten industriellen hydraulischen Wegeventile ein Unterplatten-Montagedesign: Der Ventilkörper wird mit Schrauben an einer Unterplatte befestigt, die mit den Systemleitungen verbunden ist. Die Anschlüsse der unterplattenmontierten Ventile befinden sich auf der Unterseite des Ventilkörpers.

Betätigungsarten für Wegeventile

Wir haben gesehen, dass der Spule des Wegeventils entweder in eine oder in die andere Endstellung gebracht werden kann. Das Verschieben der Spule kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch, pneumatisch oder manuell erfolgen.

Manuelle Bedienung

Ein Richtungsventil, das durch Muskelkraft betätigt wird, wird als handbetätigtes Ventil bezeichnet. Es gibt viele Arten manueller Betätigungseinrichtungen, darunter Hebel, Druckknöpfe und Fußpedale. Der gebräuchlichste mechanische Betätigungsmechanismus ist ein Nockenstift, dessen obere Seite mit einer Rolle ausgestattet ist – wenn die Nockenwelle am Stellglied nach unten bewegt wird und die Rolle trifft, verschiebt sich der Kolben in eine andere Position. Bei manueller Betätigung muss die Ablaufsequenz und Steuerung des Richtungsventils durch die Absicht des Bedieners bestimmt werden. Falls das Richtungsventil bei einer bestimmten Stellgliedposition umschalten muss, kann ein mechanisch betätigtes Richtungsventil verwendet werden.

Pilotsteuerung

Richtungsventil-Kolben können auch mittels pneumatischem oder hydraulischem Pilotdruck verschoben werden. Bei Vier-Land-Kolben wirkt der Pilotdruck auf die Kolbenlandungen an beiden Endpositionen. Bei Zwei-Land-Kolben wirkt der Pilotdruck auf einen einzelnen Pilotkolben.

Magnetventilsteuerung (elektromagnetische Steuerung)

Die gebräuchlichste Methode zur Steuerung eines Richtungsventils ist die Verwendung eines Magnetventils (Elektromagneten). Ein Magnetventil ist ein elektromechanisches Gerät, das elektrische Energie in lineare mechanische Kraft und Bewegung umwandelt. Der entsprechende Aktuator in einem Hydrauliksystem ist der Hydraulikzylinder.

Trockenes Magnetventil

Von den beiden Schaltmagnettypen ist der Trockentyp die frühere Konstruktion. Er funktioniert nach grundlegenden elektromagnetischen Prinzipien und besteht aus einem eisenbasierten Kern in „T“-Form, einer Spule und einem Rahmen in „C“-Form. Aufgrund der Form des Eisenkerns und des die Spule umgebenden Rahmens wird dieser Typ manchmal als „CT“-Elektromagnet bezeichnet. Eisen ist ein guter magnetischer Leiter, während Luft eine schlechte magnetische Leitfähigkeit aufweist. Das Funktionsprinzip des Trockentyp-Schaltmagneten lautet: Das magnetische Feld zieht den Eisenkern in die Spule hinein und verringert damit den großen magnetischen Widerstand, der durch den Luftspalt in der Mitte der Spule verursacht wird. Während sich der Eisenkern hineinbewegt, nimmt der Luftspalt allmählich ab, die elektromagnetische Zugkraft steigt an, und die elektromagnetische Kraft ist, wenn sich der Eisenkern innerhalb der Spule befindet, größer als bei seiner Position außerhalb der Spule.

Nass-Typ-Schaltmagnet

Das Nassmagnetspulen-System ist eine relativ neuere Konstruktion im Bereich der industriellen Hydraulik. Im Vergleich zu Luftspalt-Systemen bietet die Nassmagnetspule den Vorteil einer besseren Wärmeableitung sowie die Eliminierung von Stößeldichtungen, die bei Trockenmagnetspulen Leckagen verursachen können, wodurch die Zuverlässigkeit verbessert wird.

Konstruktion einer Nassmagnetspule

Eine Nassmagnetspule besteht aus einer Spule, einem rechteckigen Rahmen, einem Stößel, einem Anker (Eisenkern) und einer Führungshülse. Die Spule ist im rechteckigen Rahmen eingeschlossen; beide Teile sind gemeinsam mit Kunststoff versiegelt. Diese Baugruppe weist ein Durchgangsloch auf, das durch die Mitte der Spule sowie durch beide Seiten des Rahmens verläuft – dieses Loch passt über die Führungshülse. Die Führungshülse enthält den Anker. Die Führungshülse wird mittels Presspassung am Wegeventilkörper befestigt; der innere Hohlraum der Führungshülse steht mit dem Rücklaufkanal des Wegeventils in Verbindung, sodass der Anker in Systemöl eingetaucht ist – daher stammt die Bezeichnung „Nassanker“.

Funktionsweise der Nassmagnetspule

Wenn Strom durch die Spule fließt, erzeugt diese ein magnetisches Feld, das durch den rechteckigen Eisenmagnetpfad um die Spule und den Anker in der Mitte der Spule verstärkt wird. Wenn Strom an die Nassanker-Spule angelegt wird, befindet sich der bewegliche Anker teilweise außerhalb der Spule. Das vom Strom erzeugte magnetische Feld zieht den Anker hinein und bewirkt dadurch eine mechanische Betätigung der Schubstange, die mit dem Ventilspool verbunden ist, wodurch das Richtungsventil geschaltet wird. Während der Spool wechselt, tritt der Anker vollständig in die Spule ein und konzentriert das magnetische Feld der Spule vollständig im Eisenmagnetpfad.

Eisen ist ein guter magnetischer Leiter, während das Öl, das Anker und Schubstange umgibt, eine sehr schlechte magnetische Leitfähigkeit aufweist. Das Funktionsprinzip des nassen Magnetschalters lautet: Das Magnetfeld zieht den Anker hinein, um den großen Luftspalt in der Spulenmitte zu verringern. Während sich der Anker hineinbewegt, nimmt der Spalt allmählich ab, die elektromagnetische Schubkraft steigt an, und wenn der Anker vollständig in der Spule sitzt, ist die elektromagnetische Kraft größer als außerhalb.

Abbildung 10-9: Nasser Magnetschalter. Der Anker ist in Hydrauliköl eingetaucht (daher „nass“), wodurch die dynamische Dichtung der Schubstange entfällt. Bessere Wärmeableitung und Zuverlässigkeit im Vergleich zum trockenen Typ.

Wechselstrom-Brummen

In den Vereinigten Staaten ist die industrielle Steuerleistung typischerweise Wechselstrom (AC). Der US-Wechselstrom durchläuft pro Sekunde 60 Zyklen (60 Hz), wobei er von null zum positiven Maximalwert steigt, wieder durch null zum negativen Maximalwert fällt und schließlich zurück zu null kehrt. Wenn der Strom am positiven oder negativen Maximalwert liegt, sind auch das magnetische Feld und die elektromagnetische Kraft maximal. Während der Strom durch null fällt, verringern sich auch das magnetische Feld und die Kraft, wodurch die federbelastete Magnetventil-Last (üblicherweise die federbelastete Ventilspule) den Eisenkern oder Anker nach außen drückt. Sobald das Feld und die Kraft erneut aufgebaut werden, ziehen sie den Eisenkern oder Anker wieder hinein. Diese Bewegung erzeugt das Summen, Brummen oder Vibrieren des Magnetventils – den sogenannten Wechselstrom-Brummton.

Kurzschlussring (Schattenspule)

Um das Wechselstrom-Brummen zu reduzieren und die Anzugskraft des Magnetschalters zu erhöhen, wird ein Kurzschlussring (Schattierungsring) zur Kompensation eingesetzt. Bei trockenen Magnetschaltern ist der Kurzschlussring ein Kupferring, der am C-förmigen Rahmen befestigt ist. Bei nassen Magnetschaltern befindet sich der Ring am Stößelende der Führungshülse. Beim Betrieb des Magnetschalters induziert der Ring einen Strom, der gegenüber dem angelegten Arbeitsstrom phasenverzögert ist. Auf diese Weise ist das magnetische Feld des Kurzschlussrings bei minimalem Hauptmagnetfeld der Spule ausreichend, um den Eisenkern oder Anker zu halten, wodurch das Wechselstrom-Brummen erheblich verringert wird.

Wirbelströme

Das pulsierende Wechselstrom-Magnetfeld kann kleine Streuströme in der Magnetspule erzeugen — dies sind Wirbelströme, die in kleinen Schleifen innerhalb des eisernen magnetischen Pfads fließen, Leistung verbrauchen und Wärme erzeugen, wodurch die Ausgangsschubkraft der Magnetspule verringert wird. Um die Wirbelstromwirkung zu minimieren, werden dünne metallische Bleche (Laminierungen) zur Herstellung des trockenen Magnetspulen-C-Rahmens und des Eisenkerns verwendet. Die metallischen Laminierungen sind durch Oxidschichten gegeneinander isoliert. Das Magnetfeld durchdringt problemlos den normalen magnetischen Pfad der Laminierungen, doch aufgrund der isolierenden Schichten können Wirbelströme nicht zwischen den einzelnen Laminierungen fließen. Da der C-Rahmen durch Stapeln isolierter Laminierungen hergestellt wird, wird er üblicherweise als „C-Rahmen-Stapel“ bezeichnet. Bei nassen Magnetspulen erfolgt die Minimierung von Wirbelströmen mittels isolierter Eisenlaminierungen für den rechteckigen Rahmen; für das Ankerstück ist dies jedoch nicht anwendbar, da nasse Magnetspulen leistungsstärker als trockene sind. Aus Gründen der Dauerfestigkeit ist die Herstellung des Ankers aus Laminierungen nicht praktikabel – bei nassen Magnetspulen besteht der Anker aus einem massiven Stück.

Einschaltstrom der Magnetspule

Wechselstrom in Magnetspulen erzeugt eine elektromagnetische Kraft, die den Steuerventilspül verschiebt, erzeugt jedoch auch Wärme und kann schließlich zur Zerstörung der Magnetspule führen. Je höher der Strom durch die Magnetspule ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der Magnetspule. Wenn die Magnetspule nicht bewegt wird, um den Luftspalt zu schließen, fließt ein sehr hoher Strom durch die Spule und verursacht eine Überhitzung. Im Gegensatz zu hydraulischen Systemen, bei denen der Durchfluss relativ konstant ist, hängt der Strom in normalen elektrischen Systemen vom Widerstand ab: Ein höherer Widerstand bedeutet einen geringeren Strom und weniger Wärmeentwicklung. Da Wärme die Lebensdauer der Magnetspule erheblich beeinflusst, besteht das Ziel darin, möglichst wenig Strom zu verwenden, während gleichzeitig ausreichend Verschiebekraft erzeugt wird. Dies wird erreicht, indem Spulen mit ausreichender Wechselstromimpedanz (reaktiver Widerstand) ausgelegt werden.

Die Impedanz besteht aus zwei Komponenten: dem reinen Widerstand des Leitermaterials gegenüber dem Elektronenfluss – Kupfer weist einen geringeren Widerstand als Aluminium auf – und dem Impedanzeffekt, der durch das elektromagnetische Feld um die Spulenumwindungen erzeugt wird. Dieses magnetische Feld behindert oder begrenzt den Strom, der in die Spule eintritt. Je stärker das Feld ist, desto geringer ist der Strom in den Magnetventilspulenumwindungen.

Wenn das Magnetventil zunächst mit Strom versorgt wird, befindet sich der bewegliche Eisenkern oder Anker teilweise außerhalb der Spule, wodurch im Zentrum der Spule ein großer Luftspalt entsteht. Das magnetische Feld ist an dieser Stelle nicht sehr stark; der Stromwiderstand resultiert hauptsächlich aus dem reinen Leiterwiderstand und führt zu einem großen Einschaltstrom in den Spulenumwindungen. Während sich der Eisenkern oder Anker nach innen bewegt, schließt sich der Luftspalt allmählich, und der Strom nimmt ab. Wenn der Eisenkern oder Anker vollständig eingerastet ist, erreicht die Impedanz ihren Maximalwert und der Wechselstrom seinen Minimalwert.

Der Spitzen-Einschaltstrom beim ersten Einschalten des Magnetschalters ist mehrere Male so hoch wie der Haltestrom im vollständig eingerasteten Zustand. Wenn eine mechanische Behinderung verhindert, dass der Eisenkern oder Anker vollständig einrastet, fließt ein sehr hoher Strom durch die Spule – wodurch enorme Wärme entsteht. Bei nicht gekapselten trockenen Magnetschaltern schmilzt dies die Kunststoffkomponenten am Spulenende; bei gekapselten trockenen oder nassen Magnetschaltern führt dies zum Aufblähen der Kunststoffdichtung. Bei beiden Typen brennt die Drahtisolierung unverzüglich durch, und innerhalb einer bis zwei Minuten kommt es zum Kurzschluss der Spule – genau das geschieht, wenn ein verklemmter Steuerkolben das Schalten des Magnetschalters verhindert.

Abbildung 10-10: Einschaltstrom vs. Haltestrom eines Wechselstrom-Magnetschalters. Beim ersten Einschalten ermöglicht der große Luftspalt einen hohen Einschaltstrom (mehrere Male höher als der Haltestrom). Sobald der Anker vollständig eingerastet ist, steigt die Impedanz an und der Strom sinkt. Ein verklemmter Steuerkolben (Luftspalt bleibt offen) führt zu einem dauerhaften Einschaltstrom – mit sicherem Spulendurchbrennen.

Dauerbetriebstaugliche Magnetschalter

Ein kontinuierlich bemessener Magnetventil kann über einen langen Zeitraum erregt bleiben, ohne zu überhitzen. Die Wärmeabfuhrfähigkeit des Magnetventils ist ausreichend, um den größten Teil der durch den geringeren Haltestrom in der Spule erzeugten Wärme abzuführen. Die meisten industriellen hydraulischen Wegeventile verwenden kontinuierlich bemessene Magnetventile.

Einschränkungen des Magnetventils

Magnetventilgesteuerte Wegeventile weisen einige Einschränkungen auf. Erstens können herkömmliche Magnetventile nicht in feuchten oder explosionsgefährdeten Umgebungen eingesetzt werden. Zweitens werden elektrisch gesteuerte Magnetventile üblicherweise ebenfalls vermieden, wenn die Einsatzdauer des Wegeventils besonders lang sein muss. Vielleicht der größte Nachteil von Magnetventilen ist, dass die Schaltkraft, die sie erzeugen können, begrenzt ist. Tatsächlich ist für größere Wegeventile eine recht hohe Schaltkraft erforderlich. Bei größeren Ventilen (1/4" oder 3/8" / 6,35 mm oder 9,5 mm) wird üblicherweise ein Magnetventil-Wegeventil oben montiert; während des Schaltvorgangs wird der Durchfluss vom kleinen Ventil auf die entsprechende Seite des großen Ventilspools geleitet. Diese Bauart wird als magnetbetätigtes Vorsteuerventil bezeichnet.

Magnetventildefekt

Wärme ist die Hauptursache für Ausfälle von direktwirkenden Wegeventil-Magnetventilen, meist verursacht durch Magnetventil-Klemmung, hohe Umgebungstemperatur oder zu niedrige Spannung (unzureichende Schaltkraft, um den Eisenkern oder Anker vollständig einzusetzen).

Magnetventil-Klemmung

Ein verklemmter Kolben verhindert, dass der Eisenkern oder Anker vollständig einrastet, wodurch die Magnetventilspule kontinuierlich einen sehr hohen Einschaltstrom zieht. Das Magnetventil kann die enorme entstehende Wärme nicht ableiten und überhitzt schließlich, wodurch die Spule durchbrennt. Obwohl ein übermäßiger Durchfluss durch das Ventil eine Verklemmung des Magnetventils verursachen kann, ist mechanische Behinderung der Kolbenbewegung die häufigere Ursache für eine Verklemmung. Verunreinigungen (wie Schlamm, Metallspäne, Kernsand und PTFE-Band) können den Kolben verklemmen, ebenso wie Gratstellen zwischen Kolben und Ventilgehäuse. Oxidationspartikel und Lackablagerungen im Öl können sich am Kolben ansammeln und den Spalt zwischen Kolben und Ventilgehäuse verschwinden lassen – Öllack lässt sich mit Lösungsmittel entfernen. Eine verformte Montageplatte kann ebenfalls zu einer Verklemmung des Magnetventils führen: Beim Anziehen der Montageschrauben kann sich das Ventilgehäuse geringfügig verformen, wodurch die Kolbenbewegung eingeschränkt und die Spule durchgebrannt wird. Die Flachheitsanforderungen an die Montageplatte liegen typischerweise innerhalb von 0,0003–0,0005 Zoll (0,00762–0,0127 mm).

Bei trockenen Magnetspulen tritt beim Einziehen des Eisenkerns in die Spule Verschleiß zwischen dem Eisenkern und dem C-Rahmen auf. Bei der Demontage dieses Solenoidtyps wird empfohlen, den Eisenkern wieder an seiner ursprünglichen Position einzubauen. Andernfalls kann die abgenutzte Stelle nicht korrekt ausgerichtet werden, der Eisenkern sitzt nicht vollständig ein, und die Magnetspule erzeugt ein Summgeräusch – ein Hinweis auf bevorstehenden Ausfall.

Manchmal können beide Magnetspulen eines zweifach bestückten Richtungsventils gleichzeitig erregt werden – dies bedeutet, dass ein Eisenkern oder Anker vollständig einrastet, während der andere klemmt. Die Folge ist, dass eine der Magnetspulenspulen durchbrennt. Eine gleichzeitige Erregung beider Magnetspulen wird meist durch einen Fehler des elektrischen Steuergeräts oder durch eine Verdrahtungsfehler verursacht.

Hohe Umgebungstemperatur

Wenn der Strom den Eisenkern oder Anker des Magnetschalters zieht, muss die dabei entstehende Wärme aus der Spule abgeführt werden. Ist die Umgebungstemperatur zu hoch, ist die Wärmeabfuhr erschwert und die Spule kann durchbrennen. Dies kann eintreten, wenn die Lüftung unzureichend ist oder die Ausrüstung in der Nähe von Wärmequellen betrieben wird.

Niederspannung

Bei einem Magnetschalter für 110 V, 60 Hz führt ein Spannungsabfall der Netzspannung auf etwa 100 V dazu, dass die erzeugte elektromagnetische Kraft nicht ausreicht, um den Eisenkern oder Anker innerhalb der vorgesehenen Zeit vollständig einzuziehen. Aufgrund der verlängerten Einschaltstromdauer arbeitet der Magnetschalter bei höherer Temperatur und versagt schließlich. Frühe Anzeichen eines Spulendurchbruchs sind manchmal ein Summen oder Vibrieren. Probleme mit niedriger Spannung treten häufig in vielen industriellen Anlagen mit hohem Stromverbrauch auf. Falls ein Spannungsabfall vermutet wird, kann das Energieversorgungsunternehmen ein 24-Stunden-Aufzeichnungsgerät installieren, um die tatsächlichen Bedingungen zu überprüfen.

Dreipositions-Wegeventil

In vorherigen Beispielen wurde ein zweistelliges Wegeventil (mit zwei Endstellungen) behandelt. In einigen Anwendungen wird ein dreistelliges Wegeventil verwendet. Die dritte, mittlere Stellung stellt eine neutrale oder Übergangsstellung dar. Das grafische Symbol eines dreistelligen Wegeventils besteht aus drei Kästen – der mittlere Kasten stellt die Mittelstellung und die internen Verbindungen dar, wenn sich der Kolben in Mittelstellung befindet.

Federzentriertes dreistelliges Ventil

Der am häufigsten verwendete Typ eines dreistelligen Wegeventils ist der federzentrierte Typ. Dieses Ventil verfügt an beiden Enden über Federn, die den Kolben in Mittelstellung halten, solange keiner der Magnetspulen Strom zugeführt wird.

Abbildung 10-12: Dreistelliges, federzentriertes Wegeventil. Federn halten den Kolben in Mittelstellung, wenn beide Magnetspulen stromlos sind. Die Mittelstellung bestimmt, was mit der Zylinderlast geschieht, wenn die Maschine angehalten wird.

Mittelstellbedingungen

Es existieren vier gängige Mittelstellkonfigurationen. Die Wahl der Mittelstellung bestimmt das Verhalten des Kreises, wenn das Richtungsventil in Mittelstellung ist (keine Magnetspule erregt):

Abbildung 10-13: Vier Mittelstellkonfigurationen. Die Wahl hängt von den Anforderungen des Kreises ab: ob der Zylinder seine Position halten, frei schweben oder ob die Pumpe entlastet werden soll, wenn das Ventil in Mittelstellung ist.

Proportional-Richtungsventile

Standard-Richtungsventile schalten zwischen diskreten Positionen (geöffnet/geschlossen). Proportional-Richtungsventile ermöglichen es, den Kolben an jeder beliebigen Stelle zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen zu positionieren, wobei ein kontinuierlicher Zusammenhang zwischen dem elektrischen Eingangssignal und der Kolbenposition sowie dem Durchfluss besteht. Dadurch wird eine stufenlos variable Steuerung sowohl der Richtung als auch der Durchflussmenge mit nur einem Ventil ermöglicht.

Hydraulisch betätigte Richtungsventile

Für Anwendungen mit hohem Durchfluss, bei denen die Magnetkraft nicht ausreicht, um den Hauptspulenkolben direkt zu verschieben, wird eine pilotgesteuerte Ausführung verwendet. Ein kleines, magnetbetätigtes Pilotventil leitet Pilotdruck zur Verschiebung des größeren Hauptspulenkolbens. Diese zweistufige Konstruktion ermöglicht es kleinen Magneten, sehr hohe Durchflussraten zu steuern – das Pilotventil übernimmt die Schaltfunktion, während der Pilotdruck die Arbeit verrichtet, den Hauptspulenkolben zu bewegen.

Abbildung 10-14: Pilotgesteuertes Wegeventil. Das kleine, magnetbetätigte Pilotventil (oben) leitet Pilotdruck zur Verschiebung des großen Hauptspulenkolbens (unten). Diese Konstruktion ermöglicht es kleinen Magneten, Hochdurchfluss-Hauptventile zu steuern.

Proportionale magnetbetätigte Wegeventile

Im Steuergerät treten das Rückwärtssignal und das Eingangssignal gleichzeitig ein. Das zwischen den beiden erzeugte „Fehlersignal“ steuert das Steuergerät an, um proportional eines der Magnetspulenventile „A“ oder „B“ zu bestromen. Sobald die Magnetspule bestromt wird, wandelt sie das Signal in eine Kraft um. Die proportional wirkende Magnetspule, die in dem Ventilkörper zentriert ist, sowie die Vorspannfeder des Vorsteuerventils wandeln diesen Steuerdruck in eine Position der Vorsteuerschieberstange um. Der Positionsgeber LVDT ist direkt mit dem Hauptventilschieber verbunden; seine Funktion besteht darin, automatisch Rückmeldung an den Vorsteuerschieber zu liefern.

Druckdifferenz-Richtungsventil (Drehmomentmotor-Steuerung)

Das Druckdifferenz-Richtungsventil ist ein dreistufiges Ventil – wobei das Vorsteuerventil die erste Stufe und das Hauptventil die zweite Stufe darstellt. Das Vorsteuerventil ist komplexer aufgebaut und besteht aus einem Drehmomentmotor, Federn, Düsenrohren sowie einem einstellbaren Schieber mit Vorsteuer-Endkappen und einem LVDT. Die zweite Stufe (Hauptventil) ähnelt anderen vorgesteuerten Richtungsventilen.

Konstruktion des Pilotventils erster Stufe

Das Pilotventil besteht aus einem Drehmomentmotor, einer Düsenrohrleitung, einem Kolben mit linken und rechten Federn sowie ähnlichen Komponenten. Die Düsenrohrleitung leitet den Steuerdruck an jeweils ein Ende des Kolbens. Das Pilotventil ist vom Typ her vergleichbar mit dem federzentrierten Wegeventil.

Hauptventil zweiter Stufe

Die zweite Stufe (Hauptventil) entspricht anderen proportionalen Wegeventiltypen und wird hier nicht erneut beschrieben.

Betrieb des Pilotventils

Das elektrische Steuersignalstrom fließt durch die Wicklungen des Drehmomentmotors zwischen den beiden Magnetschaltern. Der Vergleich und die Differenz der elektrischen Signale bestimmen die Richtung des magnetischen Feldes des Drehmomentmotors. Je nachdem, welcher Magnetschalter das stärkere Signal aufweist, wird das Düsenrohr so gesteuert, dass es ein Ende der Pilot-Steuerspule beaufschlagt. Gleichzeitig erhöht die Ausgabe des Steuergeräts den Durchfluss zu einer Seite der Wegeventilspule bis zum proportionalen Wert, wobei der Durchfluss zu dieser Seite schrittweise bis zum Erreichen des proportionalen Werts gesteigert wird.

Schlüsselkonzepte — Kapitel 10