Pilotgesteuerte Ventile: einfache Auswahl, starke Leistung

In diesem Artikel legt RS Components den Schwerpunkt auf pneumatisch pilotgesteuerte Regelventile und untersucht insbesondere deren Funktionsprinzip, ihren Anwendungsbereich und deren Spezifikation. Zunächst untersuchen wir, wie sie in Sicherheitsanwendungen eingesetzt werden.

 

Pilotgesteuerte Druckluftventile finden in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen Einsatz, angefangen bei einfachen ein/aus-Operationen bis hin zu Operationen mit mehreren Ein- und Auslässen für komplexere, logikbasierte Steuerungsarchitekturen. In vielen Fällen blieb ihre Betriebsmethode mehrere Jahre lang unverändert; dank ihrer Gehäuse- und Durchflusseigenschaften, kombiniert mit vorteilhaften Werkstoffen bieten sie entscheidende Faktoren.

Ein Bereich, in dem sie sehr erfolgreich eingesetzt werden, sind verarbeitende Umgebungen wie solche in der Öl,- Gas- und Chemieindustrie. Neben vielen physikalischen Vorteilen gegenüber etablierten und herkömmlichen Technologien ist ebenso ihre Betriebsmethode sicherer hinsichtlich Brandgefahr, was ihrer Verwendung einer pneumatischen Infrastruktur zu verdanken ist.

In fast jeder industriellen und verarbeitenden Umgebung stellt Überdruck eine große Gefahr dar, die sehr genau und in manchen Fällen sehr schnell unter Kontrolle gehalten werden muss. Selbst bei lockeren Sicherheitsfaktoren für Druck- und Speicherbehälter dürfen Drucküberschreitungen über die spezifischen Grenzwerte der Anlagen hinaus nicht zugelassen werden.

Traditionell übernahmen die Druckbegrenzungsventile die Drucksteuerung in Behältern oder Leitungen. Druckbegrenzungsventile in der Basisausführung sind sehr simpel: eine Feder hält das Ventil geschlossen, bis der im Medium herrschende Druck groß genug ist, um die Kraft der Feder zu überwinden und das Ventil zu öffnen. Dies geschieht solange, bis die Feder erneut stärker als der Gegendruck ist und somit in der Lage ist, das Ventil zu schließen.

Die Schließkraft in Begrenzungsventilen ist oft bis zu einem gewissen Grade einstellbar, was über die variable Federkompression erfolgt. Dies ist aber keine exakte Wissenschaft, da Federn sich während ihrer gesamten Lebensdauer entspannen oder komprimieren können, was durch variable Haltekräfte verursacht wird. Eine weitere Anforderung an Druckbegrenzungsventile ist eine physikalisch ausreichende Größe, um höheren Druckbelastungen gewachsen zu sein. Höhere Druckbelastungen bedeuten größere Federn, was im Gegenzug größere Ventilkörper bedeutet. In der heutigen modernen Industrieumgebung, in der Raum begrenzt ist und Unordnung nicht zulässig ist, sind geeignetere Optionen gefordert.

Hier kommen pilotgesteuerte Regel-/Begrenzungsventile voll zum Tragen. Durch die Nutzung des Drucks der von ihnen gesteuerten Flüssigkeit haben sie wesentlich kompaktere Maße; im Vergleich mit einigen Druckbegrenzungsventilen mit ähnlichen Leistungsmerkmalen sind sie in der Tat sehr klein.

Beim Betrieb wird eine kleine Förderleitung von der Seite der unter Druck stehenden Anlage aus über ein Pilotsteuerventil zu einem Kolben geführt, wodurch der Strom von der Druckseite unterbrochen wird. Die Abdichtung erfolgt dadurch, dass der kleine Förderdruck auf eine größere Fläche hinter dem Kolben wirkt, und zwar im Vergleich zu der unter Druck stehenden Flüssigkeit; dies bedeutet, dass eine größere Kraft auf der Zylinderrückseite angewendet wird, obwohl die Versorgungsdruck-Werte gleich sind.

Sobald das Vorsteuerventil einen festgelegten Druckpegel erreicht, öffnet es sich auf Atmosphärenniveau und entlüftet das kleine Zuleitungsrohr, welches den Schließdruck auf den Zylinder sofort aufhebt. Hierdurch kann das Hauptsystem belüftet werden. Sobald der Druck unter einen bestimmten Sicherheitsgrenzwert fällt, schließt das Vorsteuerventil wieder dicht ab und das System schließt das Ventil erneut.

Die Verwendung eines Ventils dieser Bauart bringt viele Vorteile mit sich, einschließlich seiner geringeren Abmessungen und der höheren Flexibilität hinsichtlich Steuerungsoptionen und Ferneinbau. Zudem bietet es eine bessere Abdichtung, da der Anlagendruck den Schließdruck nie ganz erreichen wird, da dieser in direktem Zusammenhang steht, aber stets niedriger ist. 

Bei vorgesteuerten Druckluftsteuerventilen aus dem zentralen Bereich vieler Druckluftsteuerungslösungen haben Konstrukteure "die Qual der Wahl", wenn es um Varianten und Zulieferer geht. Zu den führenden Anbietern gehören Asco Joucomatic, Bosch Rexroth, Crouzet, Legris, Norgren, Parker und SMC. Beim Stichwort Varianten bestätigt ein Blick auf die Internetpräsenz von RS, dass über 4.780 Produkte von jenen Anbietern und anderen erhältlich sind.

Allerdings hilft die Anzahl der verfügbaren Optionen automatisch dabei, diese riesige Auswahl auf überschaubarere Einheiten zu reduzieren, wodurch Konstrukteure die Freiheit bekommen, sich auf ihre exakten Bedürfnisse aus einer kleineren Auswahl an Einheiten zu beschränken. 

In erster Linie ist die Montagelösung aus der Liste der Optionen wahrscheinlich am besten geeignet, da sich die Ventile auf ihren eigenen Sockeln oder auf Anschlussstücken/Grundplatten – an der Maschine oder aus der Ferne – montieren lassen. In zweiter Linie sollten die Materialarten für alle Ventilteile betrachtet werden, da dies bis zu einem gewissen Grad von der Anwendung und deren Umgebung festgelegt wird. Als Beispiel für die Reduzierung der Optionen, verringert sich durch die Auswahl eines anschlussplattenmontierten Ventils mit Aluminium-Körper die Liste der 4.780 Varianten auf nur 31 Produkte.

Sobald Sie wissen, dass Montage-Art und Materialauswahl verfügbar sind, steht als nächste Option die Hauptfunktion des Ventils an, basierend auf der Anzahl von Wegen (Pfade) und Anschlüsse. Hier stehen mehrere Optionen zur Auswahl, einschließlich 2-,3-,4- und 5-Wege-Ventile mit unterschiedlichen Anschlusskonfigurationen, abhängig vom erforderlichen Belüftungs-/Versorgungstyp.

Verbindungstypen und Betriebsdruck-Werte stehen als nächstes auf der Liste, aber da diese in der Regel über die internationalen Grenzen hinweg standardmäßig sind, bestehen die Chancen, dass es wenig Spezialgrößen gibt und dass Standard-Größen/-Druckwerte ausreichen.

Die Gehäusematerialien geben uns einige Hinweise auf Profi-Anwendungen, bei denen die Nutzer Basis-Stahl- oder Aluminium-Metallkonstruktionen über Optionen für spezielle Legierungen und Beschichtungen auswählen können. Danach können wir zu Messing und Messing/Legierungskombinationen übergehen, bevor wir den Bereich für hochfeste technische Profi-Kunststoffe für sehr spezifische Anwendungsanforderungen betreten.

Interne Komponenten können auch eine große Rolle bei der Funktionalität und der Langlebigkeit der Ventile spielen. Spulen und Dichtmaterialien können eine Wirkung auf Arbeitsgeschwindigkeit und die Wirksamkeit der Dichtung haben, kombiniert mit der Beständigkeit gegenüber aggressiven Substanzen – wodurch ihre Lebensdauer erhöht wird.

In allen Fällen kann eine Auswahl sehr unkompliziert sein, solange Sie die Leistungsanforderungen des Ventils, dessen gewünschten Arbeitsbereich und Montageart sowie Ihre Anschlussparameter kennen. Alle Anbieter können Ihnen mit exakten Spezifikationen weiterhelfen. Selbst Profi-Anwendungen werden oftmals vorgeschlagen, da die Chancen bestehen, dass Ihre Profi-Anwendung kein Unikat ist. Anbieter wie RS sind ebenso in der Lage, 3D CAD-Modelle zu liefern, was den Konstruktionsvorgang noch einmal mehr vereinfacht.