Keramisches Flachschieberventil

 

Nachweis der Funktionsfähigkeit eines Flachschieberventils mit Keramikkomponenten für die Hydraulik

Laufzeit: 06/2017 – 06/2020

Problemstellung

Zur Steuerung von Fluidströmungen werden in hydraulischen Systemen vor allem herkömmliche Kolbenschieberventil mit metallischen zylindrischen Spulen verwendet. Diese Art von Ventil weist jedoch typische Korrosions- und Verschleißprobleme an den Spulenkanten auf, die zur Verrundung der Kanten führen. Darüber hinaus führt der Hauptspalt zwischen Spule und Hülse zu einem Ringspalt mit einer Höhe von etwa 3 bis 10 Mikrometern. Die Kantenverrundung und der Ringspalt ergeben eine unvermeidliche Leckage zwischen den Kammern, wenn eine Druckdifferenz angelegt wird. Dies führt zu einem Leistungsverlust und einer Verringerung des Wirkungsgrades der Ventile.

Hochleistungskeramiken weisen im Vergleich zu Metallen eine deutlich höhere Korrosions- und Verschleißfestigkeit auf. Zudem erlaubt die hohe mögliche Parallelität der Keramikplatten nahezu geschlossene Lücken. Daher können die Kantenverrundung und der Ringspalt der Kolbenschieberventile beim Aufbringen des Flachschieberventils mit Hochleistungskeramikplatten erheblich reduziert werden.

 

Abbildung 1: Verschleiß am Spulenkanten und Ringspalt zwischen Spule und Hülse führen zur Anwendung der Keramiken im Flachschieberventil.

 

Zielstellung

• Auswahl des besten geeigneten Keramikpaares für die Anwendung von Flachschieberventilen
• Verringerung der Bruchwahrscheinlichkeit durch Optimierung der Geometrie von Keramikplatten

Vorgehensweise

• Charakterisierung verschiedener Hochleistungskeramiken
• Untersuchung des Reibungsverhaltens von Keramikpaaren
• Bestimmung der Biegefestigkeit und der Weibull-Parameter durch Biegeversuche
• Vorhersage der kurzfristigen Bruchwahrscheinlichkeit keramischer Bauteile

 

Ergebnisse

• Alle drei beteiligten Werkstoffkandidaten Al₂O₃, SiC und Si₃N₄ sind als feinkörnige, dichtgesinterte Keramiken mit vernachlässigbarer Porosität zu bewerten (Beispiel von Al₂O₃ sieht Abbildung 1).

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Abbildung 1 : a) Lichtmikroskop-Aufnahme von Al₂O₃ b) Korngrößenverteilungen c) XRD Phasenanalyse

 

• Die Abbildung 2 zeigt die gemittelten Haftreibungskoeffizienten mit Standardabweichungen der gleichartigen und ungleichartigen Keramikpaarungen in den verschiedenen Messsituationen. Der niedrigste Reibungskoeffizient mit einem Wert von nur 0,042 wurde in der ungleichartigen Paarung von Al₂O₃ (LS137) mit Si₃N₄ (poliert) unter Verwendung von HLP 46 Schmieröl gemessen.

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Abbildung 2: a) Haftreibungskoeffizienten von Al₂O₃-Al₂O₃ unter unterschiedlichem Anpressdruck; b) Durchschnittliche Haftreibungskoeffizienten von gleichartigen Keramikpaarungen; c) Durchschnittliche Haftreibungskoeffizienten von ungleichartigen Keramikpaarungen

 

• Laser Strukturierung erhöht die Biegefestigkeit von Keramiken und verringert ihre Festigkeitsstreuung, die ‚wirtschaftliche‘ LS68 ist eine potenzielle Methode in Zukunft (sieht Abbildung 3).

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Abbildung 3 : a) Si₃N₄-Probe mit drei verschiedener lasertexturierter Oberfläche im mittleren Bereich, die für den B3B-Test vorbereitet wurde; b) Weibull Diagramm von Al₂O₃; c) Weibull Diagramm von Si₃N₄

 

• Risse beginnt an der hoch-belasteten Position am Schieber, wie in der FE-Simulation vorhergesagt. Die kurzzeit-Bruchwahrscheinlichkeit wurde basiert auf Weibull-Theorie, Principle of Independent Action (PIA) und Weakest-Link-Theorie (WLT) berechnet (sieht Abbildung 4).

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Abbildung 4: a) Spannungsverteilungen am Al₂O₃ Schieber und Steuerplatte; b) Bruch des Al₂O₃-Schiebers nach 5 min unter 225 bar

 

Publikationen

Chao Liu, Stefan Aengenheister, Simone Herzog, Yuanbin Deng, Anke Kaletsch, Katharina Schmitz, Christoph Broeckmann: Application of Weibull theory to laser surface textured Al₂O₃, Journal of the European Ceramic Society, Volume 41, Issue 2, 2021,1415-1426,https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.10.003.

Chao Liu, Simone Herzog, Yuanbin Deng, Anke Kaletsch, Philip Oster, Christoph Broeckmann: Influence of laser surface texturing on the flexural strength of Al₂O₃ and Si₃N₄, Journal of the European Ceramic Society, Volume 42, Issue 10, 2022, 4286-4295, https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.04.013.

 

Förderung: IGF – AiF: 19576 N/2