Hafen, Bild: © niemannfrank, fotolia

Grundlegende Kenntnisse über den Umgang mit Lasthalteventilen und deren Anwendung können Ingenieuren dabei helfen, die Stabilität mobiler Anlagen zu erhöhen und gleichzeitig Kosten zu senken. Bild: © niemannfrank, fotolia

Grundsätzlich erfüllen Lasthalteventile drei Grundfunktionen: Wenn eine Maschine einen Ausleger benötigt, um für längere Zeit in einer Position zu verharren, verhindert die Lasthaltung ungewollte Bewegungen des Aktors. Zum Beispiel wäre es bei der Arbeit mit einer Hubarbeitsbühne an Stromkabeln sehr frustrierend, wenn der Ausleger ständig nach unten sacken würde. Die Ventilkegelkonstruktion eines Lasthalteventils schränkt das Bewegungspotenzial auf fast Null ein, was der arbeitenden Person Sicherheit gibt, dass sie die Arbeit ohne ein Abdriften des Auslegers beenden kann. Die Laststeuerung bietet einen Ausgleich beim Absenken der Ladung und kann ein Vorauseilen der Aktoren verhindern, das zu unkontrollierten Bewegungen oder Pumpenkavitation führen könnte. Beim Absenken einer Last muss der Bedienende unbedingt die komplette Kontrolle über den Aktor behalten.

Wenn zum Beispiel eine Palette Ziegelsteine mit einem Teleskoplader abgesenkt wird, entsteht durch die Schwerkraft eine Beschleunigung der Ladung, wodurch diese instabil werden könnte. Ein richtig angebrachtes Lasthalteventil verhindert das. Außerdem verhindert die Lastsicherung eine unkontrollierte Bewegung des Aktors bei Schlauchleitungsbrüchen. Alle Schlauchleitungen haben eine begrenzte Lebensdauer und sind oft das erste Bauteil, das in einem Hydraulikkreislauf versagt. Ohne korrekte Ventilpositionierung und -einstellung könnten sehr gefährliche Situationen entstehen, wenn sich ein Ausleger oder eine Winde löst und die Last abstürzt.

Basis für die Sicherheit

Lasthaltventile und Senkbremsventile, Bild: Eaton
Lasthaltventile und Senkbremsventile wie diese von Eaton haben in Mobile Maschinen eine wichtige Aufgabe. Sie verhindern zum Beispiel ungewollte Bewegungen eines Aktors. Bild: Eaton

Grundsätzlich sind Lasthalteventile eine sehr wichtige Sicherheitsvorrichtung. Dadurch, dass sie verhindern, dass Ladungen fallen oder nicht mehr kontrollierbar werden – seien es Baumstämme, Schutt oder sogar ein Mensch – sorgen Lasthalteventile auf Baustellen für Sicherheit. Um zu verstehen, wie Lasthalteventile einzusetzen sind, muss der Konstrukteur zunächst unbedingt ihre Funktionsweise verstehen. Zum Beispiel kann ein Wegeventil einen sehr einfachen Hydraulikkreislauf bilden. Es wird dazu verwendet eine Ladung vertikal zu heben und zu senken. Zwischen den Leitungen vom Wegeventil zur Stangenseite des Zylinders wird ein Standardlasthalteventil angebracht. Obwohl es viele Bezeichnungen für Standardlasthalteventile gibt, kann ein als „vorgesteuertes“ Druckbegrenzungsventil mit freiem Umgehungs-Rückschlagventil bezeichnet werden.

Wenn der Bedienende eine Ladung anhebt, leitet er den Durchfluss zur Stangenseite des Zylinders. In der Aufwärtsbewegung wird direkt gegen die Schwerkraft gearbeitet, weshalb die Ladung nicht vorauseilen wird. Der Durchfluss aus dem Ventil wird also durch den Umgehungs-Rückschlagventilabschnitt des Lasthalteventils laufen und die Ladung wird durch Einfahren des Zylinders angehoben.

Ladung absenken ist eine große Herausforderung

Grafik Hydraulikkreislauf, Bild: Eaton
Darstellung eines einfachen Hydraulikkreislaufs, bestehend aus einem Wegeventil. Dieses hebt und senkt eine Ladung. Bild: Eaton

Das Absenken der Ladung stellt eine größere Herausforderung dar, weil der Bedienende dabei versucht, die Ladung kontrolliert in Zugrichtung der Schwerkraft zu bewegen. Durch die zusätzliche Beschleunigung durch die Schwerkraft neigt die Ladung dazu, der Steuerung und der Pumpe vorauszueilen. Ohne Lasthalteventil könnte der Bediener die Kontrolle über die Ladung verlieren oder der Ausleger könnte instabil werden. Ein Lasthalteventil sorgt für die benötigte Kontrolle, indem es den Durchfluss von der Stangenseite des Zylinders entlastet. Wenn der Bedienende die Ladung ruhig halten will und die Richtungssteuerung auf neutral stellt, verhindert das Rückschlagventil, dass Flüssigkeit von der Stangenseite des Zylinders zum Tank fließt – die Ladung wird in Position gehalten.

Sowie der Bedienende die Ladung absenkt und den Durchfluss zur Bodenseite des Zylinders lenkt, wird durch die Vorsteuerleitung Druck auf das Laststeuerungsventil ausgeübt. Das Lasthalteventil wird durch den kombinierten Druck vom Piloten auf den Zylinderboden und den Lastdruck von der Stangenseite des Zylinders geöffnet, was den Durchfluss vom Zylinder zum Tank und das Absenken des Zylinders ermöglicht. Wenn der Druck beginnt sich zu senken und zu beschleunigen, nimmt der Vorsteuerleitungsdruck ab und das Lasthalteventil schließt. Dadurch wird ein Vorauseilen der Last verhindert. Mit geschlossenem Ventil steigt der Vorsteuerdruck und das Lasthalteventil öffnet sich wieder, wodurch die Ladung kontrolliert abgesenkt werden kann.

Die Verwendung eines Lasthalteventils, das diesen Druck dosieren kann, ist für den Entwurf eines stabilen Lasthaltesystems absolut unverzichtbar. Ingenieure können mit Standardlasthalteventilen die Anforderungen in einer großen Bandbreite an Lasthalteanwendungen erfüllen. Auf dem Markt sind jedoch Standardlasthalteventile in zwei sehr unterschiedlichen Ausführungen, der so genannten direktwirkenden Ausführung und der Differenzialflächenausführung, erhältlich.

Schließen des Ventils

Bei beiden Ausführungen hat das Ventil nur einen Ventilkegel, um den Durchfluss vom Zylinder zum Wegeventil zu dosieren, und der Lastdruck wirkt gegen diesen Ventilkegel. Der Unterschied zwischen beiden Konstruktionsformen, der entscheidend für die Stabilität des Auslegers ist, besteht in der zum Schließen des Ventils benötigten Federkraft. Direktwirkende Ventile haben eine große Ventilkegelfläche, gegen die der Lastdruck wirkt. Weil die Ventilkegelfläche groß ist, wird auch eine größere Federkraft benötigt, um den Ventilkegel wieder zu schließen. Diese direkt wirkende Ausführung wird in Millionen von Lasthalteventil- / Senkbremsventiltypen in Standardhydraulikkreisläufen verwendet.

direktwirkenden Lasthalteventil, Bild: Eaton
Bei einem direktwirkenden Lasthalteventil kann der Lastdruck gegen die Gesamtfläche des Ventiltellers wirken. Bild: Eaton

Im Gegensatz dazu wird bei einem Differenzialflächenlasthalteventil Gegendruck auf den Ventilkegel ausgeübt, der den Lastdruck ausgleicht. Daher wird weniger Federkraft benötigt, um den Ventilkegel wieder zu schließen.

Die Höhe der Federkraft ist wichtig, weil sie direkten Einfluss auf die Stabilität des Ventils hat. Eine höhere Federrate ist bei vielen Anwendungen von Vorteil, wenn bei instabilen Lasten variable induzierte Belastungen auftreten. Die höhere Federrate verhindert, dass das Ventil zu schnell reagiert und sich zu weit öffnet, was ein Ruckeln des Auslegers oder eine hörbare Instabilität zur Folge haben könnte.

Differenzialflächenlasthalteventil, Bild: Eaton
Bei einem Differenzialflächenlasthalteventil wirkt der Lastdruck gegen eine ringförmige Fläche des Ventilkegels. Bild: Eaton

Differenzialventile mit niedriger Federrate tendieren dazu, sich schneller zu öffnen. Obwohl dies bei einigen Anwendungen mit höherem Durchfluss von Vorteil sein kann, führt das schnelle Öffnen häufig zu Instabilität in Form eines Springens des Auslegers oder eines hohen Quietschtons. Durch das schnelle Öffnen werden die Ventile auch empfindlicher gegenüber Temperaturveränderungen, Abnutzung und mechanisch induzierter Reibung.