Mit der Baureihe CL04 ergänzt Claas sein Ventilspektrum um Wegesitzventile für einen Betriebsdruck

Mit der Baureihe CL04 ergänzt Claas sein Ventilspektrum um Wegesitzventile für einen Betriebsdruck bis 350 bar. (fluid)

Mit der Baureihe CL04 ergänzt Claas sein Ventilspektrum um Wegesitzventile für einen Betriebsdruck bis 350 bar. Claas bietet die Einschraubventile zunächst als 2/2-Wege- und 3/2-Wege-Cartridges sowie kombiniert in Wegeventilscheiben an. Bei der Entwicklung wurde mit Strömungssimulation gearbeitet, durchgeführt vom CAE-Dienstleister Tecosim.

Die Entwicklung von hydraulischen Komponenten wie Wege- oder Schaltventilen ist eine komplexe Aufgabenstellung. Insbesondere wenn kompakte Abmessungen mit hohen Leistungen kombiniert werden sollen, wie es zum Beispiel für die Mobilhydraulik notwendig ist, stellt eine präzise Auslegung der Komponenten eine große Herausforderung dar.

Mit den Wegesitzventilen der CL04-Ventilfamilie, neu entwickelt für Anwendungen der Mobil- und Stationärhydraulik, bietet Claas zunächst die Einschraubventile als 2/2-Wege- und 3/2-Wege-Cartridges, sowie funktional kombiniert in Wegeventilscheiben an. Die 3/2-Wege-Ventile werden in zwei Ausführungen, mit negativer und positiver Schaltüberdeckung – für den Einsatz in Konstantdrucksystemen – angeboten. In Kürze werden weitere Wege-Strom- und Druckventile die Baureihe komplettieren.

Die CL04-Baureihe ergänzt als weiteres Grundelement den Claas Mobilbaukasten. Auch in diesem Fall wurde konsequent die Modulstrategie verfolgt, die uneingeschränkte Kompatibilität zu den weiteren Ventilen der Claas Industrietechnik garantiert. So entstehen umfangreiche Kombinationsmöglichkeiten für kundenspezifische Gesamtsysteme.

Einsatz unter rauen Bedingungen
Hohe Korrosionsbeständigkeit der Außenteile und Abdichtungen gegen das Ein-dringen aggressiver Flüssigkeiten in den Innenbereich des Magneten ermöglichen den Einsatz auch unter rauen Umgebungsbedingungen. So reicht das Anwendungsspektrum der Cartridges von der Mobilhydraulik über Stationäranwendungen der Industrie bis hin zu Sonderanwendungen als Vorsteuerung von Großventilen im Marine-Offshoresektor.

Besonderer Fokus lag bei der Entwicklung dieser Baureihe darauf, die hohe Schalteckleistung des Ventils mit zum Beispiel 50 L/min bei 350 bar beim 2/2-Wege-Ventil unter allen Betriebsbedingungen sicherzustellen.

Im Zuge der Entwicklung der neuen Baureihe ist die numerische Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) konsequent zum Einsatz gebracht worden – und zwar bereits in den frühen Phasen des Engineering-Prozesses. Für die Durchführung der Simulationen hat der CAE-Entwicklungsdienstleister Tecosim verantwortlich gezeichnet. Durch die intensive Zusammenarbeit der beiden Projektpartner konnte der Entstehungszyklus spürbar verkürzt, und eine Vielzahl von Prototypen eingespart werden.

Numerische Strömungssimulation
Erstmalig ist bei der Ventilfamilie CL04 bereits in der Konzeptentwicklungs-Phase die numerische Strömungssimulation konsequent eingesetzt worden, um so etwa die Schiebergeometrie, basierend auf den berechneten Werten, gezielt optimieren zu können. Hierzu hat Claas dem Projektpartner Tecosim Designentwürfe zur Verfügung gestellt, die aus bestehenden Ventilen abgeleitet worden waren, um das Schaltverhalten simulieren zu können.

Da bei den Simulationen nicht nur das stationäre Strömungsverhalten in einem dedizierten Zustand, sondern der komplette Schaltvorgang im Fokus steht, galt es, den Ventilschieber auch während der Berechnungen zu bewegen. Hierzu sind in den Simulationen deformierbare Berechnungsgitter eingesetzt worden, um den Öffnungs- und Schließvorgang des Ventils exakt abbilden zu können.

Mit den Strömungsberechnungen stehen jetzt fundierte Kenntnisse über Geschwindigkeits-, Druck- und Kräfteverteilungen zu jedem Zeitpunkt des Schaltvorganges zur Verfügung. Anders als auf dem Prüfstand lässt sich das Ventil im Computer immer schalten, auch wenn die auftretenden Kräfte eine Aktuierung des realen Ventils gar nicht zulassen würden. Somit können auch Aussagen darüber getroffen werden, ob zu große Gegenkräfte durch die entstehende Strömung nur in bestimmten Positionen auftreten, und an welchen Stellen eine Modifizierung der Ventilgeometrie sinnvoll erscheint.

Auf Basis dieser Ergebnisse haben beide Projektpartner in enger Zusammenarbeit Geometrieparameter identifiziert, die sich sowohl fertigungstechnisch mit vertretbarem Aufwand realisieren lassen, als auch eine positive Beeinflussung der Schaltleistung versprochen haben. Unter Berücksichtigung dieser Bedingungen galt es dann für Tecosim, parametrische Rechenmodelle der Ventile und einen Prozess zu erstellen, der die Simulation verschiedener Modelle in kürzester Zeit, unter minimalem Bearbeitungsaufwand ermöglicht. Da die Ergebnisse vorheriger Berechnungen direkt in die weiteren Varianten eingeflossen sind, konnte das Ventil gezielt und dadurch auch kostengünstig optimiert -werden.

Gute Ergebnisse dank Simulation
Bereits vor der Entwicklung der CL04-Baureihe hatten die beiden Projektpartner bei Ventilentwicklungen zusammengearbeitet. Dabei handelte es sich vorrangig um die Absicherung bestehender Konzepte und um punktuelle Untersuchungen, die einen tiefergehenden Einblick in die Gegebenheiten der Ventile gewährleisteten. Diese Berechnungen waren durch zeitnahe Messungen von Prototypen am Versuchsstand begleitet worden, um so die Berechnungsergebnisse validieren zu können. Dank der präzisen Übereinstimmungen zwischen Messungen und Rechnungen wuchs das Vertrauen in die Berechnungsmethode kontinuierlich.

In Konsequenz wurde bei der CAE-gestützten Entwicklung der CL04-Ventilfamilie weitgehend auf begleitende Messungen verzichtet. Insbesondere die Schiebergeometrie konnte nahezu vollständig virtuell abgesichert werden. Kleinserien-Tests haben bestätigt: Die geforderten und durch die Simulationen vorhergesagten Schaltleistungen wurden erfüllt.

Die erzielten Erfolge lassen die Erwartungshaltung an die CFD-Simulation steigen. So sollen entsprechende Berechnungen einen immer weiteren Raum einnehmen, sowohl bei der Weiterentwicklung der Claas-Ventilreihen, aber auch bei anderen hydraulischen Komponenten. Auch hier wird Tecosim mit simulationsgetriebenem Engineering unterstützen. Die Weichen dazu sind bereits gestellt.

Technik im Detail
Die numerische Strömungssimulation
Im Zuge der Entwicklung der CL04-Baureihe ist die numerische Strömungssimulation (CFD = Computational Fluid Dynamics) konsequent zum Einsatz gebracht worden – und zwar bereits in den frühen Phasen des Engineering-Prozesses. CFD ist eine etablierte Methode der Strömungsmechanik. Sie hat das Ziel, strömungsmechanische Probleme approximativ mit numerischen Methoden zu lösen. Die benutzten Modellgleichungen sind meist Navier-Stokes-Gleichungen, Euler-Gleichungen oder Potenzialgleichungen. Motivation hierzu ist, dass wichtige Probleme wie die Berechnung des Widerstandsbeiwerts sehr schnell zu nichtlinearen Problemen führen, die nur in Spezialfällen exakt lösbar sind. Die numerische Strömungsmechanik bietet dann eine kostengünstige Alternative zu Windkanal-Versuchen.