Analyse des dynamischen Verhaltens zweier gekoppelter Druckregelventile

In hydraulischen Systemen können Druckschwingungen aus unterschiedlichen Gründen und mit verschiedenen Amplituden und Frequenzen auftreten, zum Beispiel aufgrund von Pumpenpulsationen, hervorgerufen durch Instabilitäten hydraulischer Ventile oder durch externe Anregung. Die Reduktion dieser Druckschwingungen stellt somit bei der Konstruktion und Auslegung hydraulischer Systeme eine zentrale Herausforderung dar. Die gebräuchliche Lösung für diese Problematik besteht darin, hydraulische Widerstandselemente, welche die Schwingungen dämpfen sollen, zwischen verschiedenen Teilsystemen des hydraulischen Kreislaufs einzubringen. ... mehrDies ist energetisch ungünstig, da an jedem Widerstandselement Strömungs- und damit Leistungsverluste auftreten.

Dieser Beitrag behandelt die Modellbildung, Stabilitätsuntersuchung und dynamische Analyse eines Systems zweier gekoppelter Druckregelventile, wobei das erste Ventil als Druckbegrenzungsventil und das zweite als Druckminderventil fungiert. Das System stellt eine typische Konfiguration innerhalb eines hydraulischen Kreislaufs dar und beinhaltet die Problematik auftretender Druckschwingungen dadurch, dass die Gleichgewichtslagen der Ventile instabil werden können. Es wird gezeigt, dass bei dieser Ventilkonfiguration bei richtiger dynamischer Abstimmung die Ventilöffnung des Druckminderventils die Funktion einer sehr effizienten Dämpfungsblende erfüllen kann und in der Lage ist, Druckschwingungen, hervorgerufen durch das Druckbegrenzungsventil, signifikant zu reduzieren. Bei dieser Ventilkonfiguration kann somit auf zusätzliche Widerstandselemente verzichtet werden, weshalb sie energetisch besonders effizient ist.

In hydraulic systems, pressure oscillations can occur for different reasons and with different amplitudes and frequencies, for example due to pump pulsations, caused by instabilities of hydraulic valves or by external excitation. The reduction of these pressure oscillations thus represents a fundamental challenge in designing hydraulic systems. The most common solution to this problem is to introduce hydraulic resistance elements between different subsystems of the hydraulic circuit in order to damp the vibrations. This is energy inefficient, since power losses occur at each resistance element.
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This contribution deals with the modelling, stability investigation and dynamic analysis of a system consisting of two coupled pressure control valves, namely a pressure relief valve and a pressure reducing valve. The system represents a typical configuration within a hydraulic circuit. It includes the problem of occurring pressure oscillations caused by possibly unstable equilibrium positions of the valves. Within this valve configuration, it is shown that, in the case of appropriate dynamical calibration, the valve opening of the pressure reducing valve can fulfil the function of a very efficient damping orifice and is capable of significantly reducing the pressure oscillations caused by the pressure relief valve. This valve configuration therefore eliminates the need for additional resistance elements and because of that can be particularly energy efficient.