Entwicklung eines piezobetätigten Schaltventils mit Busanbindung für den untertägigen Einsatz in der Wasserhydraulik

Aus der industriellen Praxis - und seitens der Bergbautechnik im besonderen - kommt zunehmend die Forderung nach elektrohydraulischen Schaltventilen, die sich durch eine besonders geringe Leistungsaufnahme auszeichnen. Diese Anforderung kann durch die heute üblichen, elektromagnetisch angetriebenen Ventile nicht mehr erfüllt werden, da deren Leistungspotenzial ausgereizt zu sein scheint. Aus diesem Grund ist im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein piezobetätigtes Vorsteuerschaltventil für den untertägigen Einsatz entwickelt worden, mit dem - verglichen mit den marktüblichen elektromagnetisch betätigten Vorsteuerventilen aus der Bergbautechnik – eine Reduktion des elektrischen Energieverbrauchs in geschalteter Stellung um den Faktor 2,5 erzielt werden konnte. Durch den Einsatz modernster Fertigungsverfahren in Zusammenarbeit mit numerischer Festigkeits- und Strömungssimulation konnte im Rahmen der Forschungsarbeiten eine zufriedenstellend arbeitende Lösung auf Prototypenniveau erarbeitet und realisiert werden. Von zentraler Wichtigkeit für die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems Piezoventil ist in diesem Zusammenhang die Entwicklung einer Temperaturkompensation für den Piezoaktor, welche die thermische Kontraktion des Aktors über den gesamten Einsatztemperaturbereich ausgleicht sowie die Entwicklung einer hydraulischen Ventilstufe, welche bei gleichen hydraulischen Kenndaten gegenüber einem Magnetventil dem weitaus geringeren Nutzhub eines Piezoaktors Rechnung trägt. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Ventilstufe ist in der Lage, nach Ende des Schaltvorganges reproduzierbar Arbeitsdrücke zur Verfügung zu stellen, welche die Minimalanforderung übersteigen. Mit dem Funktionsprototypen war es möglich, einen Arbeitsdruck von 128 bar zu erzeugen. Dabei konnten die Durchflusswerte handelüblicher Vorsteuerventile übertroffen werden. Es konnte gezeigt werden, dass es mit dem gewählten Dichtsystem möglich ist, das entwickelte Ventil sowohl statisch als auch dynamisch gegenüber der Umgebung abzudichten. Durch die hier beschriebene Nutzung piezoelektrischer Antriebe zur Realisierung eines Vorsteuerschaltventils mit CAN-Busanbindung ist es gelungen, den Stand der Bergbautechnik weiter voranzutreiben. Somit wird es möglich, in naher Zukunft eine weitgreifende Flexibilisierung bergbautechnischer Anlagen hinsichtlich der Zusammenstellung ihrer elektrohydraulischen Steuerungskomponenten durchzuführen.