Kugelventil:Kräfte
Planung des Versuchsaufbaus zum Messen der Betätigungsmomente
Bevor mit der Komponentenrecherche begonnen werden konnte, mussten zuerst die technischen Anforderungen an Ventil und Motor geklärt werden, die das System an die Komponenten stellt. So musste im Vornherein evaluiert werden, welche Momente benötigt werden, um die in Frage kommenden Ventile zu betätigen, sodass der Motor genügend Kraft zur vollständigen Öffnung und Schließung des Ventils aufbringen kann.
Dazu wurde ein Versuchsaufbau geplant, mit dem die benötigten Betätigungsmomente der Kugelventile gemessen werden können.
Einerseits muss das Kugelventil fixiert werden, sodass der Hahn zur Öffnung und Schließung der Durchgangsöffnung um 90° gedreht werden kann, ohne dass das Ventil selbst mitgedreht wird. Des Weiteren muss Kraft auf einen Hebel ausgeübt werden, der über eine Welle mit dem Ventil verbunden ist und das Moment auf den Hahn überträgt. Zusätzlich müssen diese Komponenten über der Arbeitsfläche mithilfe von Lagerböcken gelagert werden, sodass die Welle frei drehen kann und das Ventil je nach Bedarf ohne Beeinträchtigung geöffnet und wieder geschlossen werden kann. Nachdem der vorläufige Aufbau sowie die benötigten Komponenten definiert waren, wurde mit der Konstruktion der 3D-Druckteile fortgefahren. Im Laufe der Konstruktion wurde entschieden, anstelle des ursprünglich geplanten zusätzlichen 3DDruck-Teils direkt die Wägezelle als Hebel zu verwenden. Außerdem wurden die Gleitlager (4) als nicht benötigt betrachtet, sodass die Aluminiumwelle (1) im finalen Aufbau ausschließlich durch die 3D-gedruckten Lagerböcke (3) gelagert wird. Der zu messende Kugelhahn ist mithilfe des 3Dgedruckten Adapters (5) an der Welle (1) fixiert.
In der Abbildung oben ist das CAD-Modell des Versuchsaufbaus mit den 3D-gedruckten Adaptern für Wägezelle und Kugelventil zu sehen. Die Adapter sowie die Lagerböcke wurden mithilfe des FDM-3D-Drucks aus dem Kunststoff PLA gefertigt.
Im finalen Versuchsaufbau wurden die Lagerböcke (3) sowie der zu messende Kugelhahn mithilfe von Werkzeugklemmen auf der Arbeitsfläche fixiert. Während der Messungen wurde anschließend entsprechend Druck auf die Wägezelle ausgeübt, sodass sich die Welle samt im Adapter fixierten Kugelhahn dreht, bis das Kugelventil vollständig geöffnet und wieder geschlossen ist. Diese Prozedur wurde mit allen zu Auswahl stehenden Kugelhähnen drei Mal pro Teil durchgeführt, um verlässliche Messdaten zu bekommen. Es wurde dabei darauf geachtet, nach dem Erreichen des Anschlags nicht unproportional viel mehr Kraft aufzuwenden, um die Messdaten nicht zu verfälschen. Der Messvorgang wird über die Software MATLAB gesteuert. Auf diese Weise wurden die benötigten Betätigungsmomente herausgelesen und anschließend verglichen.
Übersicht möglicher Kugelventile und deren Betätigungsmomente
| Nr. | Lieferant | Art.-Nr. | Betätigungsmoment in Nm |
|---|---|---|---|
| 1 | LF Ersatzteile | 1411005 | 0,92 |
| 2 | LF Ersatzteile | 3526705 | 1,17 |
| 3 | LF Ersatzteile | 3526172 | 1,08 |
| 4 | LF Ersatzteile | 3526704 | 1,00 |
| 5 | LF Ersatzteile | 3526697 | 0,88 |
| 6 | LF Ersatzteile | 3526699 | 0,85 |
| 7 | RS Components | 486-350 | 1,31 |
| 8 | RS Components | 486-277 | 1,36 |
Anschließend wurde erst der Mittelwert je Messung gebildet und mithilfe dieser Daten anschließend der allgemeine Mittelwert berechnet, um sich dem durchschnittlich benötigtem Betätigungsmoment je Kugelventil anzunähern. Dieser allgemeine Mittelwert wurde für die weitere Komponentenrecherche verwendet. Die Messungen der Betätigungsmomente zeigen, dass im Durchschnitt rund 1 Nm benötigt wird, um die verschiedenen Kugelhähne vollständig zu öffnen bzw. zu schließen. Von daher wird 1 Nm als Orientierungswert für das erforderliche Drehmoment des Stellmotors verwendet.