Materialni pari za vodno-hidravlični 2/2 potni ventil

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Materialni pari za vodno-hidravlični 2/2 potni ventil

Benjamin Alibegić

Ljubljana, september 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Materialni pari za vodno-hidravlični 2/2 potni ventil

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

Benjamin Alibegić

Mentor: doc. dr. Franc Majdič, univ. dipl. inž.

Ljubljana, september 2021

(4)

(5)

Zahvala

Najprej bi se iskreno zahvalil mentorju, doc. dr. Francu Majdiču, ki mi je v času pisanja zaključne naloge vseskozi nudil strokovno pomoč ter odlične napotke za pisanje, tudi v poznih večernih urah, če se je kaj zalomilo. Zahvalil bi se mu rad tudi za zanimiva predavanja, ki so v meni vzbudila zanimanje za hidravliko. Prav tako gre zahvala laboratoriju LFT ter asistentu Roku Jelovčanu za pomoč pri izvedbi meritev.

Za konec bi se iskreno zahvalil tudi družini in najbližjim prijateljem, ki so me tekom celotnega študija podpirali in mi omogočali mirno študijsko okolje, hkrati pa pestro študentsko življenje.

(6)

vi

(7)

Izvleček

UDK 621.22.011:621.646.2(043.2) Tek. štev.: UN I/1489

Materialni pari za vodno-hidravlični 2/2 potni ventil

Benjamin Alibegić

Ključne besede: vodna hidravlika oljna hidravlika potni ventil 2/2 notranje puščanje preračuni

meritve

V strojništvu je uporaba hitro odzivnih ventilov za raznovrstne aplikacije vse pogostejša.

Na trgu prevladujejo oljno-hidravlični hitro odzivni ventili, vodno-hidravličnih pa primanjkuje. Namen zaključne naloge je predelava obstoječega oljno-hidravličnega ventila v ventil s podobno odzivnostjo v vodi. Na podlagi meritev smo pokazali, da je izdelava hitro odzivnega vodno-hidravličnega ventila mogoča.

(8)

viii

Abstract

UDC 621.22.011:621.646.2(043.2) No.: UN I/1489

Material pairs for water hydraulic 2/2 directional control valve

Benjamin Alibegić

Key words: water hydraulics oil hydraulics

directional control valve 2/2 internal leakage

calculations measurements

In the mechanical engineering industry, especially in the sub-sector of hydraulics, the use and application of rapid response valves is becoming more and more common every day.

They are operated with oil as the main pressure medium. However, there is an alternative fluid that can be used as a potentially cheaper and more effective substitute – water. The main objective of this thesis was to attempt to convert an existing oil pressure valve into a water pressure valve to achieve a similar response. Based on extensive measurement and test experiments, we can conclude that the fabrication of such valves is possible.

(9)

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 2

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Voda kot hidravlična kapljevina ... 3

2.2 Digitalni ventili v hidravliki ... 5

3 Metodologija raziskave ... 8

3.1 Obstoječi hidravlični 2/2 potni ventil ... 8

3.2 Predelava obstoječega oljno-hidravličnega ventila za uporabo v vodi ... 10

3.3 Opis preizkuševališča in eksperimentalnega dela ... 13

3.3.1 Merjenje notranjega puščanja vode v ventilu ... 13

3.3.2 Merjenje odzivnosti ventila v olju ... 14

3.3.3 Merjenje odzivnosti ventila v vodi ... 15

3.4 Preračuni ... 16

4 Rezultati ... 19

4.1 Pospešek krmilnega bata ... 19

4.2 Merjenje notranjega puščanja vode v ventilu ... 20

4.3 Merjenje odzivnosti ventila... 20

4.3.1 Mineralno hidravlično olje ... 20

4.3.2 Voda iz pipe ... 22

4.4 Izračun pretakanja skozi režo in izvrtino v batu ... 25

4.4.1 Notranje puščanje skozi hidrostatično režo ... 26

4.4.2 Pretok skozi izvrtino v batu ... 27

5 Diskusija ... 29

5.1 Pospešek krmilnega bata ... 29

5.2 Merjenje notranjega puščanja vode v ventilu ... 29

(10)

x

5.3 Merjenje odzivnosti ventila... 30

5.4 Izračun pretakanja skozi režo in izvrtino v batu ... 31

5.4.1 Notranje puščanje skozi hidrostatično režo ... 31

5.4.2 Pretok skozi izvrtino v batu ... 31

5.5 Vrednotenje hipotez ... 32

6 Zaključki ... 33

Literatura ... 35

(11)

Kazalo slik

Slika 2.1: Primerjava različnih hidravličnih kapljevin [5] ... 4

Slika 2.2: Vpliv temperature na kinematično viskoznost vode in običajnega mineralnega olja [6] .. 4

Slika 2.3: Krmiljenje [5]... 6

Slika 2.4: Regulacija [5] ... 6

Slika 2.5 Simbol in pretočna odzivnost DFCU [10] ... 7

Slika 3.1: Simbol, izgled ter prečni perez ventila EVC.34. [11] ... 9

Slika 3.2: Graf padca tlaka (Δp) skozi ventil v odvisnosti od pretoka (Q) [11] ... 9

Slika 3.3: Vgradne dimenzije ventila ter izvrtine v hidravličnem bloku [11] ... 10

Slika 3.4: Razstavljen ventil EVC.34. z označenimi sestavnimi deli ... 10

Slika 3.5: Poenostavljena sestavna risba ventila EVC.34. ... 11

Slika 3.6: Poenostavljena delavniška risba krmilnega bata ... 12

Slika 3.7: Merjenje premera krmilnega bata Dbat z mikrometrom... 12

Slika 3.8: Hidravlična shema preizkuševališča za merjenje notranjega puščanja ... 14

Slika 3.9: Hidravlična shema preizkuševališča za merjenje odzivnosti ventila v olju ... 15

Slika 3.10: Hidravlična shema preizkuševališča za merjenje odzivnosti ventila v vodi ... 16

Slika 3.11: Primer notranjega puščanja skozi reže med batom in pušo v potnem ventilu [6] ... 17

Slika 4.1: Izračunan pospešek (a) v odvisnosti od sile (F) za originalen in predelan krmilni bat ... 19

Slika 4.2: Izmerjen odziv nepredelanega ventila v olju pri vstopnem tlaku (p) 100 bar ... 21

Slika 4.3: Izmerjen odziv nepredelanega ventila v olju pri vstopnem tlaku (p) 300 bar ... 21

Slika 4.4: Izmerjen odziv ventila s krmilnim batom 3, v vodi, pri vstopnem tlaku (p) 100 bar ... 22

Slika 4.6: Detajlni prikaz izvrtine B na krmilnem batu ... 23

Slika 4.9: Ventil v prerezu z označenima mestoma, kjer prihaja do notranjega puščanja skozi hidrostatično režo (A) ter pretoka skozi izvrtino v batu (B). ... 26

Slika 4.10: Izračunano notranje puščanje skozi hidrostatično režo pri posameznem batu ... 27

Slika 4.11: Izračunan pretok skozi izvrtino v posameznih krmilnih batih ... 28

(12)

xii

Kazalo preglednic

Preglednica 3.1: Izmerjeni premeri krmilnega bata Dbat ... 13 Preglednica 4.1: Izmerjeni in izračunani podatki, dobljeni pri merjenju notranjega puščanja... 20 Preglednica 4.2: Izmerjeni vklopni ter izklopni časi ventilov z razlinimi krmilnimi bati v vodi ter

originalnega ventila v olju pri tlaku (p) 100 bar ... 24 Preglednica 4.3: Izmerjeni vklopni ter izklopni časi ventilov z razlinimi krmilnimi bati v vodi ter

originalnega ventila v olju pri tlaku (p) 300 bar ... 25 Preglednica 4.4: Parametri potrebni za izračun notranjega puščanja skozi hidrostatično režo pri

posameznem krmilnem batu ... 26 Preglednica 4.5: Potrebni parametri za izračun pretoka skozi izvrtino v krmilnem batu ... 27

(13)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

A mm² površina

a m/s² pospešek

D, d mm premer

F N sila

m g, kg masa

n min^-1 vrtilna hitrost črpalke

P kW moč pogonskega motorja

p MPa, bar tlak

Q l/min, ml/min pretok

s mm višina reže med krmilnim batom in ohišjem ventila

T °C temperatura

t S čas

V ml volumen

v m/s hitrost

β GPa adiabatni modul stisljivosti

Δp bar padec tlaka, razlika tlaka

ν mm² s^-1 kinematična viskoznost

ρ kg/m³, g/cm³ gostota

Indeksi

bat bata

izklop izklopa

L puščanja

maks največji

povp povprečni

sr srednji

v ventila

vv varnostni ventil

vklop vklopa

0 pretakanja

(14)

xiv

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

AC izmenični tok (angl. Alternating current)

CAD računalniško podprto konstruiranje (angl. Computer aided design) DC enosmerni tok (angl. Direct current)

PWM pulzno-širinska modulacija (angl. Pulse-width modulation) VI indeks viskoznosti (angl. Viscosity index)

(15)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

V svetu, ki se vedno hitreje spreminja in razvija si življenja brez tehnike ne moremo več predstavljati. Ljudje smo v želji po vedno večjem napredku in bolj lagodnemu življenju skozi celotno zgodovino izumljali, razvijali in izpopolnjevali načine, kako si olajšati vsakodnevne tegobe ter kako moč čim bolj učinkovito prenesti iz vira energije in jo pretvoriti v nam koristno delo. To lahko omogočimo z raznimi pogoni, ki lahko temeljijo na mehaniki, elektromehaniki, elektroniki, pnevmatiki in tudi hidravliki. S slednjo se danes zelo pogosto srečujemo pri številnih tehničnih aplikacijah, od gradbenih in osebnih vozil pa do uporabe znotraj proizvodnih obratov in letalske industrije.

Voda je bila sprva edini tlačni medij uporabljen v hidravliki, a z začetkom 20. stoletja je uporaba mineralnih olj, zaradi svojih boljših tehničnih lastnosti začela prevladovati [1].

Olja so v primerjavi z vodo bolj viskozna in nudijo boljše mazanje in posledično manjše trenje materialov, poleg tega pa je izdelava hidravličnih komponent, ki so namenjene za uporabo v oljni hidravliki navadno enostavnejša in posledično cenejša, saj je potrebna natančnost izdelave manjša kot v primeru vodne hidravlike. Po skoraj stoletju pretežne uporabe olj v hidravliki, so se s pojavom okoljevarstvenih problematik pojavile tudi prve težnje po ponovni vpeljavi vode kot tlačnega medija v hidravliki, saj voda za razliko od olj bistveno manj vpliva na okolje. Za dobro delovanje hidravličnih sistemov je izredno pomembna čistost tlačnega medija in ravno voda omogoča lažje zagotavljanje čistosti kot olje, poleg tega pa ima tudi manjšo stisljivost in posledično omogoča še bolj odzivne hidravlične sisteme, hkrati pa je bolj korozivna ter zaradi nižje viskoznosti pri enako velikih režah v primerjavi z oljem prispeva k večjim notranjim puščanjem [2].

Ena izmed glavnih sestavin hidravličnih sistemov so ventili, ki jih delimo na dve glavni skupini, in sicer na konvencionalne ter zvezno delujoče ventile. Pogosto uporabljeni so tudi digitalno krmiljeni konvencionalni ventili, s katerimi se lahko s hitrimi preklopi zelo dobro približamo zveznemu delovanju proporcionalnih ventilov. Osnovni gradniki digitalnih krmilnih sistemov so pogosto 2/2 vklopno-izklopni potni ventili. Pogosto želimo takšne ventile uporabiti za hitre preklope, hkrati pa zagotoviti čim daljše delovanje, a smo pri tem mnogokrat omejeni s samo konstrukcijo in zasnovo izbranega ventila. V teoriji lahko hitrejše preklapljanje dosežemo z zmanjšanjem mase pomikajočega se bata v 2/2 potnem ventilu. Zmanjšanje mase lahko dosežemo z uporabo različnih materialov, na primer

(16)

Uvod

2 polimernih, a se uporaba le-teh v hitro preklopnih ventilih za zdaj še ni izkazala za učinkovito [2].

1.2 Cilji

Glavni cilj je razložiti in opisati delovanje uporabljenega 2/2 potnega ventila ter nato z ustreznimi konstrukcijskimi rešitvami omogočiti hitro odzivno delovanje ventila v vodi za območje tlakov do 300 bar ter pretoke 30 l/min. Pri tem želimo uporabiti bat v ventilu izdelan iz različnih materialov in eksperimentalno določiti odzivnost in notranje puščanje v ventilu v odvisnosti od uporabljenega materiala ter števila preklopov ventila.

Hipoteze:

1. Izbrana hidravlična kapljevina in material krmilnega bata v ventilu vplivata na preklopni čas ventila.

2. Prevelika reža med batom in ohišjem ventila vpliva na njegovo nedelovanje.

3. Večja reža med batom in ohišjem vpliva na večje notranje puščanje v ventilu.

4. Krmilni bat, ki deluje v olju ne deluje s podobno zanesljivostjo tudi v vodi in obratno.

(17)

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Voda kot hidravlična kapljevina

Moč vode so ljudje s pridom začeli izkoriščati že nekaj tisočletij pred našim štetjem.

Ktezibij iz Aleksandrije, starogrški izumitelj in matematik, pa je eden tistih kateremu mnogi pripisujejo, da je z izumom prve hidravlične črpalke okoli leta 270 pred našim štetjem, prvi ki je uporabil vodo kot pogonsko kapljevino v industrijski hidravlični napravi [1]. Vse od takrat je bila voda glavna kapljevina, ki se je uporabljala v hidravličnih napravah. Proti koncu 19. stoletja so vodi, zaradi slabših mazalnih sposobnosti, povečane obrabe in korozivnosti hidravličnih komponent, začeli dodajati glicerin ter druge dodatke za izboljšanje mazalnih lastnosti, boljšo zaščito pred korozijo ter znižanje točke ledišča [3].

Leta 1906 sta Williams in Janney z uporabo olj v hidravličnih sistemih omilila probleme korozivnosti, mazanja, zmrzovanja pri nizkih temperaturah, kot tudi povečanega notranjega puščanja pri višjih temperaturah, ki so se pojavljali z uporabo vode. V prihajajočih letih je zato prišlo do skokovitega porasta uporabe olj v hidravliki [4].

Zgoraj omenjene prednosti so kljubovale temu, da so olja ostala eden glavnih tlačnih medijev v hidravliki vse do danes. Poznamo številna različna olja, v grobem pa hidravlične kapljevine delimo na mineralna hidravlična olja brez dodatkov ter z dodatki, težko vnetljive hidravlične kapljevine brez vode in z vodo, naravne in sintetične biološko hitro razgradljive hidravlične kapljevine ter ostale hidravlične kapljevine, kot so posebne kapljevine ter čista voda. Pri primerjavi omenjenih hidravličnih kapljevin na sliki 2.1, lahko opazimo dve glavni prednosti čiste vode pred drugimi olji in to sta negorljivost ter najmanjši vpliv na okolje [5].

Ena izmed glavnih razlik med vodo in olji je njuna viskoznost. Na sliki 2.2 lahko opazimo, da ima voda manjšo kinematično viskoznost od najpogosteje uporabljenih mineralnih olj.

Sklepamo lahko, da na račun manjše viskoznosti voda veliko lažje teče skozi reže kot olje in prav to je razlog, da je pri režah enake velikosti pretok vode do 35-krat večji kot pretok olja. Kinematična viskoznost vpliva tudi na mazanje ter posledično trenje in obrabo hidravličnih komponent, ki je pri uporabi vode praviloma večja kot pri uporabi olja, zato je pri izdelavi sestavin za vodno hidravlične sisteme pogosto potrebno posegati po novih konstrukcijskih rešitvah, kar pa nam omogoča razvoj tehnike ter novih materialov [2].

(18)

Teoretične osnove in pregled literature

4 Slika 2.1: Primerjava različnih hidravličnih kapljevin [5]

Slika 2.2: Vpliv temperature na kinematično viskoznost vode in običajnega mineralnega olja [6]

(19)

Pomemben parameter pri izbiri hidravlične kapljevine je tudi indeks viskoznosti (VI), ki nam pove, kako se spreminja viskoznost kapljevine v odvisnosti s temperaturo. Višji, kot je VI, manj vpliva ima temperatura na spremembo viskoznosti kapljevine. Na sliki 2.2 opazimo, da ima voda večji VI od tipičnih mineralnih olj, kar pomeni, da se bo delovanje vodno hidravličnega sistema znotraj dovoljenega temperaturnega območja uporabe manj spreminjalo, kot pri uporabi olj. Pri tem se je potrebno zavedati, da je temperaturno območje v katerem lahko uporabljamo vodo manjše kot pri olju. Voda je namenjena uporabi v temperaturnem območju med 3 °C in 50 °C, medtem ko priporočljiva delovna temperatura za večino mineralnih olj znaša 50 °C. Temu je tako, zaradi nizkega uparjalnega tlaka vode, saj bi pri višji temperaturi prišlo do pojava kavitacije, kar pa je škodljivo za hidravlične komponente, saj močno povečuje obrabo in povzroča poškodbe [1, 5].

Omenjene prednosti olj so povzročile, da je razvoj oljne hidravlike dolgo prednjačil pred razvojem vodne, a potrebno se je zavedati tudi negativnih lastnosti olj, saj že ena kaplja olja lahko uniči približno 150 litrov pitne vode [7]. Številne predvsem ekološke ter ekonomske prednosti uporabe vode v hidravliki so kljubovale temu, da so leta 1994 v podjetju Danfoss predstavili številne nove izdelke, ki namesto olja kot hidravlično tekočino uporabljajo kar vodo iz pipe [3].

Modul stisljivosti nam pove, za koliko se posamezna kapljevina stisne pri določenem tlaku in temperaturi. Adiabatni modul stisljivosti (β), ki ga upoštevamo pri hitrih »dinamičnih«

spremembah, to so spremembe, ki trajajo manj kot 1 minuto, za olja znaša približno 1,6 GPa, za vodo pa 2,4 GPa [6]. Večji kot je modul stisljivosti, manj se kapljevina stiska z večanjem tlaka pri konstantni temperaturi in bolj odziven je lahko hidravlični sistem, zato je voda idealni tlačni medij za uporabo v visokofrekvenčnih hidravličnih sistemih, ki jih vse pogosteje razvijamo z uporabo digitalnih ventilov.

2.2 Digitalni ventili v hidravliki

Hidravlične sisteme pogosto krmilimo z visoko zmogljivimi proporcionalnimi ali servo ventili. Te ventili nudijo dobre krmilne lastnosti, a imajo poleg teh tudi številne negativne, kot so kavitacija, velike izgube pri prenosu moči, velika občutljivost na čistočo ter visoka cena [8]. Omenjene probleme se za potrebe industrije vse pogosteje rešuje z uporabo digitalnih hidravličnih sistemov, katerih glavni gradniki so 2/2 ali 3/2 vklopno-izklopni ventili, ki so lahko sedežne ali drsniške izvedbe. Prednost vklopno-izklopnih ventilov je, da so cenejši, zanesljivejši, manj občutljivi na čistočo hidravlične kapljevine, enostavnejši za krmiljenje ter v primeru sedežne izvedbe brez notranjega puščanja [2].

Digitalne tehnologije na področju hidravlike delimo na tri glavne razrede. Najpreprostejši razred predstavlja tradicionalna vklopno-izklopna tehnologija. Naslednji pomemben razred predstavljajo preklopne tehnologije, ki temeljijo na električnih preklopnih sistemih, kjer je najbolj znana pulzno-širinska modulacija (PWM) vklopno-izklopnih ventilov. Dobro delovanje preklopnih tehnologij je omogočeno zaradi možnosti zelo hitrega preklapljanja ter enostavnih hidravličnih sestavin. Namen PWM je z visoko frekvenco modulacije zagotoviti izhod podoben analognemu. V tretji razred, imenovan »digitalna hidravlika«

(20)

6 spada uporaba vzporedno povezanih sestavin. Ti sistemi so resnično digitalni, saj ima njihov izhod le diskretne vrednosti, ki pa so vsota izhodov vseh vključenih sestavin [9].

Izraz »digitalna hidravlika« uporabljamo za sisteme, ki so sestavljeni iz vklopno-izklopnih ventilov, kateri omogočajo podobno delovanje kot pri uporabi proporcionalnih in servo ventilov ter so podprti s krmilnim sistemom, zanesljivi in lahko v omejenem obsegu delujejo tudi v primeru okvare enega izmed ventilov [8].

Potrebno se je zavedati razlike med krmiljenjem in regulacijo:

O krmilnemu sistemu (slika 2.3) govorimo takrat, ko z neko vhodno veličino (X) vplivamo na neko izhodno veličino (Y). Pri krmiljenem sistemu zato nimamo podatkov o tem, kakšno je dejansko stanje krmiljene izhodne veličine, niti ne moremo vplivati na zunanje motnje (z) [5].

Slika 2.3: Krmiljenje [5]

Regulacija (slika 2.4) je proces pri katerem izmerjeno izhodno veličino (Y) s primerjanjem in povratnim delovanjem stalno nastavljamo in jo tako ohranjamo na predpisani željeni vrednosti (X). Regulacija zmanjša ali popolnoma odpravi vplive zunanjih motenj (z) [5].

Slika 2.4: Regulacija [5]

Z uporabo digitalne hidravlike želimo zamenjati tradicionalno uporabo proporcionalnih in servo ventilov, brez izgub pri preklopni zmogljivosti. Digitalna pretočna krmilna enota oziroma DFCU (angl. Digital Flow Control Unit) je ključna sestavina digitalne hidravlike.

(21)

Ta predstavlja število med seboj vzporedno vezanih vklopno-izklopnih ventilov. Primer digitalne pretočne enote je prikazan na sliki 2.5, kjer lahko opazimo tudi predpostavljeno risanje simbola in pretočno odzivnost glede na vstopni signal [10]. Za razliko od simbola za proporcionalne ventile, kjer je ventil zgoraj in spodaj obdan z neprekinjeno ravno črto, v primeru risanja poenostavljenega simbola digitalne pretočne enote, osnovni simbol vklopno-izklopnega ventila obdamo s prekinjeno črto, spremenljivka (n) pa predstavlja število ventilov na enoto.

Slika 2.5 Simbol in pretočna odzivnost DFCU [10]

Proporcionalni oziroma zvezno delujoči ventili imajo številne prednosti, kot so na primer:

- omogočajo kontrolirane prehode krmilnih batov hidravličnih komponent med različnimi delovnimi položaji,

- omogočajo zvezno nastavljanje želene vrednosti hidravlične veličine, - uporaba senzorske tehnike za krmiljenje in regulacijo hidravličnih veličin,

- manjše število hidravličnih komponent, kar zmanjšuje stroške sistema in vzdrževanja,

- upravljanje z elektronskimi ojačevalniki,

- vgradnja proporcionalnih ventilov neposredno na porabnika (hidravlični valj, hidravlični motor) in

- vpliv na okolje: manjša poraba energije, manjši hrup črpalk, manj težav s tesnjenjem in posledično manjša nevarnost izliva hidravličnega olja v okolje [5].

Prednosti digitalne hidravlike pred uporabo proporcionalnih in servo ventilov pa so sledeče:

- enostavnejši in cenejši ventili, - enostavnejše krmiljenje,

- enostavna povezav z računalnikom ter programabilnim logičnim krmilnikom oziroma PLC (angl. Programmable Logic Controller),

- visoka zanesljivost,

- manjša občutljivost na čistočo hidravlične kapljevine,

- pri uporabi sedežnega tipa digitalnih ventilov se izognemo notranjemu puščanju [10].

(22)

8

3 Metodologija raziskave

V tem poglavju bo predstavljen obstoječi 2/2 potni ventil, ki smo ga uporabili pri meritvah ter opis njegove predelave za potrebe uporabe v vodi. Predstavljen bo tudi potek vseh meritev, uporabljene hidravlične sestavine in materiali ter zasnova preizkuševališča.

3.1 Obstoječi hidravlični 2/2 potni ventil

Za raziskovanje smo uporabili hidravlični ventil (slika 3.1) proizvajalca »Aidro« s komercialno oznako »EVC.34.«. Gre za normalno zaprt 2/2 potni sedežni ventil, kar pomeni, da ima dva priključka in dva položaja; zaprtega in odprtega. Ventil je namenjen za uporabo v olju in je zasnovan, tako da je s priloženo tuljavo oziroma elektromagnetom uporaba možna pri izmeničnem (AC) ali enosmernem toku (DC) ob izključeni tuljavi pa je ventil zaprt [11].

Kataloški podatki EVC.34. ventila:

- proizvajalec: Aidro, - 2/2 potni sedežni ventil, - normalno zaprt,

- največji delovni tlak (p): 25 MPa (250 bar), - pretok (Q): 32 l/min,

- največji pretok (Qmaks): 40 l/min, - masa brez elektromagneta: 0,120 kg.

Ventil EVC.34. (slika 3.1) je normalno zaprt, saj krmilni bat (4) nalega na sedež (5). Ob vklopu tuljave (6) se puša (7) in igla (8) premakneta in krmilni bat se zaradi tlačne razlike odmakne od sedeža ter omogoči pretok kapljevine iz mesta 2 na mesto 1, kar je razvidno tudi iz hidravličnega simbola.

Ventili so pogost vir tlačnih izgub, ki naraščajo z večanjem pretoka. Na sliki 3.2 je predstavljen kataloški graf padca tlaka (Δp) v odvisnosti od pretoka (Q) pri kapljevini z viskoznostjo (ν) 42 mm²s^-1 in temperaturo (T) 50 °C. Iz slednjega lahko sklepamo, da je graf podan za olje z oznako »ISO VG 46«.

(23)

Metodologija raziskave

Slika 3.1: Simbol, izgled ter prečni perez ventila EVC.34. [11]

Slika 3.2: Graf padca tlaka (Δp) skozi ventil v odvisnosti od pretoka (Q) [11]

Ventil je namenjen za vgradnjo v hidravlični blok. Na sliki 3.3 so predstavljene vgradne dimenzije ventila ter potrebne izvrtine v bloku, kamor ventil privijemo z momentom okoli 45 Nm [11].

(24)

10 Slika 3.3: Vgradne dimenzije ventila ter izvrtine v hidravličnem bloku [11]

3.2 Predelava obstoječega oljno-hidravličnega ventila za uporabo v vodi

Eden izmed ciljev zaključne naloge je razviti hitro odzivno delovanje ventila v vodi pri tlaku 300 bar in pretoku 30 l/min. Iz kataloških podatkov predstavljenih v prejšnjem poglavju lahko razberemo, da je ventil v osnovi namenjen za delovanje v olju pri tlaku do 250 bar, zato je bilo za doseganje ciljev ključno poseči po novih konstrukcijskih rešitvah.

Proizvajalec v katalogu ne podaja dimenzij posameznih sestavnih delov ventila, zato smo ga razstavili (slika 3.4) in podrobneje preučili njegove dimenzije, notranjost in delovanje, da smo lahko ustvarili čim natančnejši CAD model ter nato sestavno risbo (slika 3.5).

Slika 3.4: Razstavljen ventil EVC.34. z označenimi sestavnimi deli

(25)

Slika 3.5: Poenostavljena sestavna risba ventila EVC.34.

Po tehtnem premisleku o tem kaj bi spremenili na ventilu, da bi omogočili hitro odzivno delovanje v vodi, smo se odločili za predelavo glavnega oziroma krmilnega bata. Ker tudi dimenzije krmilnega bata niso znane, smo ga sprva kar se da natančno pomerili, nato pa izdelali CAD model in delavniško risbo (slika 3.6). Material originalnega krmilnega bata ni podan, a glede na podobne ventile sklepamo, da je narejen iz jekla za poboljšanje z oznako C45, ohišje pa iz avtomatnega jekla.

Predelan bat smo izdelali iz aluminijaste EN AW-6082 palice premera Ø 10 mm na stružnici. Na sliki 3.6 sta z oznakama B in C prikazani izvrtini, ki smo ju opazili in izmerili na originalnem krmilnem batu. Izvrtino B smo izdelali, izvrtine C pa ne in smo jo dodali po potrebi tekom meritev. Razlog za izbiro drugega materiala je cilj izdelave hitro odzivnega ventila v vodi, kar bi lahko dosegli z zmanjšanjem mase (m) krmilnega bata.

Gostota (ρ) jekla za poboljšanje C45 znaša 7,8 g/cm³, aluminija z oznako EN AW-6082 pa 2,7 g/cm³. Narejen CAD model krmilnega bata nam omogoča, da mu določimo maso glede na izbran material v programu, tako smo določili, da je masa originalnega bata enaka 4,40 g, masa predelanega bata pa 1,50 g.

(26)

12 Slika 3.6: Poenostavljena delavniška risba krmilnega bata

Izdelali smo 11 različnih krmilnih batov ter izmerili njihov največji premer s pomočjo mikrometra (slika 3.7), dobljene mere pa vpisali v preglednico 3.1.

Slika 3.7: Merjenje premera krmilnega bata Dbat z mikrometrom

(27)

Preglednica 3.1: Izmerjeni premeri krmilnega bata Dbat

Oznaka krmilnega bata

Premer Dbat, mm Originalen bat Ø 9,100

1 Ø 9,118

2 Ø 9,120

3 Ø 9,117

4 Ø 9,121

5 Ø 9,119

6 Ø 9,120

7 Ø 9,125

8 Ø 9,124

9 Ø 9,126

10 Ø 9,126

11 Ø 9,140

3.3 Opis preizkuševališča in eksperimentalnega dela

Meritve smo izvedli na treh različnih preizkuševališčih, ki pa so si po zgradbi precej podobni. Zasnovali smo preizkuševališče za merjenje notranjega puščanja v ventilu, ter preizkuševališče za merjenje odziva ter tlaka na vstopni in izstopni strani ventila pri uporabi v olju in vodi.

3.3.1 Merjenje notranjega puščanja vode v ventilu

Meritve smo izvedli na preizkuševališču za merjenje notranjega puščanja v ventilu pri uporabi v vodi. V ventil EVC.34. smo sprva vstavili ustrezen krmilni bat (preglednica 3.1) ter nastavili varnostni ventil na 300 bar. Nato smo vklopili črpalko ter nekajkrat vključili in izključili ventil, da smo preverili ali deluje. Meritve smo izvedli zgolj na delujočih ventilih.

Ventil smo nato izklopili, kar pomeni, da smo želeli onemogočiti pretok vode iz vstopne oziroma tlačne strani ventila na izstopno stran. Cev smo od ventila napeljali do merilnega valja in izmerili čas ter volumen vode, ki se je v tem času nabrala v merilnem valju.

Na hidravlični shemi preizkuševališča (slika 3.8) so s številkami označene vse uporabljene hidravlične sestavine:

1. rezervoar za vodo,

2. varnostni ventil z nastavljivo vzmetjo, 3. črpalka s pogonskim motorjem, 4. zapiralni krogelni 2/2 ventil, 5. razbremenilni ventil,

6. sedežni potni 2/2 ventil EVC.34., 7. merilni valj.

(28)

14 Slika 3.8: Hidravlična shema preizkuševališča za merjenje notranjega puščanja

3.3.2 Merjenje odzivnosti ventila v olju

Ventil EVC.34. je v osnovi oljno-hidravličen ventil. Ker želimo obstoječ ventil predelati, tako da ga bo mogoče uporabljati v vodi moramo sprva razumeti in dobro preučiti njegovo delovanje v kapljevini, za katero je namenjen. S tem namenom smo zasnovali novo preizkuševališče v olju. Uporabili smo olje z oznako ISO VG 46. Na povratni vod, ki vodi od opazovanega ventila v rezervoar smo namestili zaslonko z izvrtino Ø 1,2 mm ter med zaslonko in ventil namestili merilnik tlaka in ga povezali z računalnikom. Prav tako smo merilnik tlaka namestili na tlačni vod, ki vodi od črpalke do ventila. Po vklopu črpalke smo izvedli poljubno število vklopov in izklopov opazovanega ventila ter na računalniku izmerili odziv. Meritev smo ponovil pri nastavitvi varnostnega venila na tlak (pvv)100 bar ter 300 bar.

1. rezervoar za olje ISO VG 46,

2. varnostni ventil z nastavljivo vzmetjo, 3. črpalka s pogonskim motorjem, 4. merilnik tlaka na vhodni strani, 5. merilnik tlaka na izhodni strani, 6. sedežni potni 2/2 ventil EVC.34., 7. zaslonka.

(29)

Slika 3.9: Hidravlična shema preizkuševališča za merjenje odzivnosti ventila v olju

3.3.3 Merjenje odzivnosti ventila v vodi

V tem delu meritev smo opazovali delovanje ventila v vodi. Na podoben način kot pri merjenju odzivnosti v olju, smo tudi tukaj uporabili zaslonko ter merilnike tlaka povezane z računalnikom. Vsak krmilni bat zabeležen v preglednici 3.1 smo vstavili v ventil ter nato pomerili odziv pri tlaku (pvv) 100 bar in 300 bar.

1. rezervoar za vodo,

2. varnostni ventil z nastavljivo vzmetjo, 3. črpalka s pogonskim motorjem, 4. zapiralni krogelni 2/2 ventil, 5. razbremenilni ventil,

6. merilnik tlaka na vhodni strani, 7. merilnik tlaka na izhodni strani, 8. sedežni potni 2/2 ventil EVC.34., 9. zaslonka.

(30)

16 Slika 3.10: Hidravlična shema preizkuševališča za merjenje odzivnosti ventila v vodi

3.4 Preračuni

V tem podpoglavju so predstavljene enačbe, ki smo jih uporabili tekom meritev. Vektorske količine, omenjene v besedilu, so pisane s krepkimi črkami.

Izračun pospeška krmilnega bata

Drugi Newtonov zakon (enačba 3.1) pravi, da je sila enaka produktu mase in pospeška. Pri tem je F sila, ki deluje na telo z maso m, ki se pod vplivom te sile giblje s pospeškom a.

𝑭⃑⃑ = 𝒎 ∙ 𝒂⃑⃑ (3.1)

(31)

Pretok skozi ventil

Pretok skozi ventil (Q) lahko ob poznanem volumnu iztečene kapljevine (V) v času (t) izračunamo s pomočjo enačbe (3.2).

𝑸 =𝑽

𝒕 (3.2)

Izračun notranjega puščanja v hidrostatični reži

Na sliki 3.11 je prikazan primer notranjega puščanja skozi reže med batom in pušo v potnem ventilu [12].

Slika 3.11: Primer notranjega puščanja skozi reže med batom in pušo v potnem ventilu [6]

Notranje puščanje skozi reže lahko izračunamo z enačbo (3.3).

𝑸_𝑳= 𝒏_{š𝒕,𝒊𝒛𝒕}[𝝅 ∙ 𝜟𝒑 ∙ 𝑫_𝒔𝒓∙ 𝒔^𝟑

𝟏𝟐 ∙ 𝝆 ∙ 𝝂 ∙ 𝑳 𝒇_{𝒆𝒌𝒔𝒄}] (3.3)

Δp Pa tlačna razlika v reži, Dsr m sredni premer v reži, s m povprečna višina reže,

ρ kg/m³ gostota hidravlične kapljevine,

ν m²/s kinematična viskoznost hidravlične kapljevine,

L m dolžina prekritja bat/ohišje (za naš primer znaša 7,55 mm), feksc / faktor ekscentričnosti bata v izvrtini (f = 1 za centriran bat),

nšt,izt / število iztekajočih prerezov.

Srednji premer (Dsr) izračunamo po enačbi (3.4), kjer upoštevamo, da je notranji premer ventila (Dv) enak 9,150 mm.

(32)

18 𝑫_𝒔𝒓=𝑫_𝒃𝒂𝒕+ 𝑫_𝒗

𝟐 (3.4)

Podobno z enačbo (3.5) izračunamo tudi velikost reže (s), kjer prav tako upoštevamo, da je notranji premer ventila (Dv) enak 9,150 mm.

𝒔 =𝑫_𝒗− 𝑫_𝒃𝒂𝒕

𝟐 (3.5)

Pretakanje skozi zaslonko

Vsak uporabljen krmilni bat ima izdelano izvrtino, ki smo jo označili kot detajl B. Izvrtina je bila prikazana na sliki 3.6, ki se nahaja pod poglavjem 3.2. Originalen bat ima izvrtino s premerom Ø 0,5 mm, a tekom meritev smo posameznim krmilnim batom premer izvrtine povečali na Ø 0,8 mm ter na Ø 1,0 mm. Za potrebe naših meritev smo izvrtino obravnavali kot zaslonko, skozi katero lahko pretok (Q) izračunamo po kontinuitetni enačbi (3.6)

𝑸 = 𝑨 ∙ 𝒗_𝟎 (3.6)

Površino (A) izračunamo po enačbi (3.7), kjer je d premer izvrtine skozi katero se pretaka kapljevina.

𝑨 = 𝝅 ∙ (𝒅 𝟐)

𝟐

(3.7)

Hitrost pretakanja (v0) izračunamo po enačbi (3.8)

𝒗_𝟎= 𝒌 ∙ √𝟐 ∙ 𝜟𝒑

𝝆 ∙ (3.8)

Za izračun pretakanja skozi zaslonko sprva izračunamo površino pretočne izvrtine po enačbi (3.7), nato pa ob upoštevanju ustrezne gostote pretočne kapljevine (ρ), tlačnega padca (Δp) ter korekturnega faktorja pretoka zaslonke (k), ki je 0,95 izračunamo tudi hitrost pretakanja po enačbi (3.8). Oba rezultata nato po enačbi (3.6) pomnožimo in tako dobimo izračunan pretok kapljevine skozi zaslonko.

(33)

4 Rezultati

4.1 Pospešek krmilnega bata

Vzmet pri delovanju ventila povzroča silo na krmilni bat v velikosti do 10 N, odvisno od raztezka ali skrčka vzmeti. Iz enačbe (3.1) je razvidno, da se ob konstantni masi m pospešek a krmilnega bata veča s silo F. Na sliki 4.1 smo prikazali pospešek krmilnega bata v odvisnosti od sile, ki nanj deluje, za originalen bat iz jekla z oznako C45 ter predelan bat iz aluminija z oznako EN AW-6082. Originalen bat ima maso (m) 4,4 g, predelan pa 1,5 g.

Slika 4.1: Izračunan pospešek (a) v odvisnosti od sile (F) za originalen in predelan krmilni bat 0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

0 2 4 6 8 10

Pospešek a, m/s2

SilaF, N

Originalen bat 4,4 g Predelan bat 1,5 g

(34)

Rezultati

20

4.2 Merjenje notranjega puščanja vode v ventilu

Merjenje notranjega puščanja v ventilu smo izvedli, pri tlaku (p) 300 bar, zgolj z uporabo tistih batov, pri katerih je ventil deloval, torej se je vklopil in izklopil. V preglednici 4.1 so posamezni krmilni bati označeni enako kot v preglednici 3.1, ki je predstavljena v poglavju 3.2. Izmerjen volumen (V) ter čas (t), smo za vsako meritev vstavili v enačbo (3.2) ter tako izračunali pretok (Q) skozi opazovan ventil, nato pa izračunali še povprečno vrednost pretoka (Qpovp).

Preglednica 4.1: Izmerjeni in izračunani podatki, dobljeni pri merjenju notranjega puščanja.

Volumen V, ml

Čas t, s

Pretok Q, l/min

Povprečen pretok Qpovp,

l/min

2

470 19,34 1,46

0,80

350 50,31 0,42

420 47,90 0,53

3

230 58,97 0,23

0,26

230 44,94 0,31

170 45,34 0,22

4

400 28,44 0,84

0,79

305 25,28 0,72

350 25,87 0,81

4.3 Merjenje odzivnosti ventila

V nadaljevanju so predstavljeni rezultati izmerjene odzivnosti ventila, najprej z mineralnim hidravličnim oljem nato pa še z vodo iz pipe.

4.3.1 Mineralno hidravlično olje

Pri merjenju odzivnosti ventila z oljem ISO VG 46, smo lahko meritev izvedli le na originalnem ventilu EVC.34., kajti ob menjavi originalnega krmilnega bata za predelanega, ventil v nobenem primeru ni deloval. Meritve smo izvedli po postopku opisanem v poglavju 3.3.2 in rezultate prikazali na sliki 4.2 in 4.3.

(35)

Rezultati

Slika 4.2: Izmerjen odziv nepredelanega ventila v olju pri vstopnem tlaku (p) 100 bar

Slika 4.3: Izmerjen odziv nepredelanega ventila v olju pri vstopnem tlaku (p) 300 bar 0

20 40 60 80 100 120 140

0 5 10 15 20 25

Tlakp, bar

Čas t, s

Vklop/izklop Vstopni tlak Izstopni tlak

0 50 100 150 200 250 300 350

0 2 4 6 8 10 12 14

Tlakp, bar

Čas t, s

(36)

Rezultati

22

4.3.2 Voda iz pipe

Ventil z originalnim krmilnim batom v vodi ni deloval, zato smo izmerili le odzive delujočih ventilov v katere smo namestili predelan krmilni bat. Pri vstopnem tlaku (p) 100 bar in 300 bar sta delovala zgolj ventila s krmilnima batoma, ki v preglednici 3.1 nosita oznako 3 in 4. Ventila s krmilnim batom z oznako 2 in 8 pa sta delovala le pri vstopnem tlaku (p) 100 bar, ne pa tudi pri 300 bar.

Merjenje pri tlaku (p) 100 bar

Na sliki 4.4 lahko opazimo odzivni čas vklopa (tvklop) in izklopa (tizklop) ventila s krmilnim batom 3, ki je pri vstopnem tlaku (p) 100 bar deloval z najmanjšim notranjim puščanjem.

Opazimo tudi tlačne padce (Δp), do katerih pride pri vklopu ventila. Na enak način smo opazovali tudi odziv ventila s krmilnim batom 4 na sliki 4.5.

Slika 4.4: Izmerjen odziv ventila s krmilnim batom 3, v vodi, pri vstopnem tlaku (p) 100 bar

0 20 40 60 80 100 120

0 5 10 15 20 25

Tlakp, bar

Čas t, s

t_vklop t_izklop

Δp

(37)

Rezultati

Tekom izvajanja meritev smo krmilnemu batu 2 razširili izvrtino, ki je na sliki 4.6 označena s črko B. Izvrtino smo sprva povečali na premer Ø 0,8 mm, nato pa še na Ø 1,0 mm. Krmilni bat 2 z izvrtino premera Ø 0,8 mm smo poimenovali 2A, s premerom Ø 1,0 mm pa 2B. Na enak način smo tudi krmilnemu batu 8 povečali izvrtino na premer Ø 0,8 mm in ga poimenovali 8A. Krmilni bat 8 brez povečane izvrtine ni deloval, tako da je v nadaljevanju omenjen zgolj 8A.

Slika 4.6: Detajlni prikaz izvrtine B na krmilnem batu

0 20 40 60 80 100 120

0 5 10 15 20 25 30

Tlakp, bar

Čas t, s

Vklop/izklop Vstopni Izstopni tlak

(38)

Rezultati

24 Meritev izvedenih na krmilnih batih 2, 2A, 2B ter 8A nismo posebej prikazovali, saj je graf njihovega odziva zelo podoben tistemu s krmilnim batom 4, ki je predstavljen na sliki 4.5.

V preglednici 4.2 so zbrani povprečni časi vklopa (tvklop) in izklopa (tizklop) ventila za vse krmilne bate na katerih smo izvedli meritev. Za primerjavo smo preglednici 4.2 dodali tudi izmerjen odziv v olju pri ventilu z originalnim krmilnim batom in vstopnim tlakom (p) 100 bar (poglavje 4.3.1).

Preglednica 4.2: Izmerjeni vklopni ter izklopni časi ventilov z razlinimi krmilnimi bati v vodi ter originalnega ventila v olju pri tlaku (p) 100 bar

tvklop, s

tizklop, s

2 0,023 2,510

2A 0,030 0,340

2B 0,022 0,553

3 0,063 0,461

4 0,024 1,435

8A 0,029 0,105

Originalen bat -

olje 0,041 0,248

Pri tlaku (p) 300 bar sta delovala zgolj ventila s krmilnima batoma 3 in 4. Na sliki 4.7 je prikazan izmerjen odziv krmilnega bata 3 na sliki 4.8 pa krmilnega bata 4.

0 50 100 150 200 250 300 350

0 10 20 30 40 50

Tlakp, bar

Čas t, s

(39)

Rezultati

Na enak način kot prej smo v preglednici 4.3 zbrali povprečne čase vklopa (tvklop) in izklopa (tizklop) za krmilna bata 3 in 4, zraven pa smo za primerjavo dodali tudi izmerjen odziv ventila z originalnim krmilnim batom v olju, ki smo ga izmerili pri vstopnem tlaku (p) 300 bar.

Preglednica 4.3: Izmerjeni vklopni ter izklopni časi ventilov z razlinimi krmilnimi bati v vodi ter originalnega ventila v olju pri tlaku (p) 300 bar

Oznaka

krmilnega bata tvklop,

s tizklop,

s

3 4,831 0,248

4 2,886 0,244

Originalen bat 0,068 0,216

4.4 Izračun pretakanja skozi režo in izvrtino v batu

Na sliki 4.9 je prikazan ventil v prerezu, na njemu pa sta označeni dve mesti na katerih prihaja do pretoka kapljevine. Mesto A predstavlja notranje puščanje skozi hidrostatično režo med krmilnim batom in ohišjem ventila. Mesto B pa predstavlja pretakanje skozi izvrtino v batu, ki jo lahko obravnavamo kot zaslonko.

0 50 100 150 200 250 300 350

0 5 10 15 20 25

Tlakp, bar

Čas t, s

(40)

Rezultati

26 Slika 4.9: Ventil v prerezu z označenima mestoma, kjer prihaja do notranjega puščanja skozi

hidrostatično režo (A) ter pretoka skozi izvrtino v batu (B).

4.4.1 Notranje puščanje skozi hidrostatično režo

Po enačbi (3.3) lahko izračunamo notranje puščanje (QL) skozi hidrostatično režo. Pri tem za izračun srednjega premera (Dsr) ter reže s upoštevamo premer notranjosti ohišja 9,150 mm. Podatki o srednjem premeru ter reži med ohišjem in batom so podani v preglednici 4.4.

Preglednica 4.4: Parametri potrebni za izračun notranjega puščanja skozi hidrostatično režo pri posameznem krmilnem batu

Dbat, mm

Dsr, mm

s, mm

Uporabljena kapljevina

Originalen bat Ø 9,100 Ø 9,125 0,0250 ISO VG 46

2 Ø 9,120 Ø 9,135 0,0150 Voda

3 Ø 9,117 Ø 9,134 0,0165 Voda

4 Ø 9,121 Ø 9,136 0,0145 Voda

8A Ø 9,124 Ø 9,137 0,0130 Voda

Upoštevamo, da je kinematična viskoznost olja ISO VG 46 pri 40 °C enaka 46 mm²/s, za vodo pa 0,65 mm²/s. Prav tako upoštevamo, da je gostota olja 870 kg/m³, vode pa 1000 kg/m³. Opazili smo, da pri nobeni meritvi iz poglavja 4.3 ni prišlo do tlačnega padca (Δp) večjega od 25 bar, zato smo na sliki 4.10 prikazali notranje puščanje skozi hidravlično režo (QL) v odvisnosti od padca tlaka (Δp) med 0 bar in 25 bar.

Na sliki 4.10 smo združili izračunano notranje puščanje originalnega bata, ki deluje v olju ter notranje puščanje krmilnih batov 2, 3, 4 in 8, ki so delovali v vodi.

(41)

Rezultati

Slika 4.10: Izračunano notranje puščanje skozi hidrostatično režo pri posameznem batu

4.4.2 Pretok skozi izvrtino v batu

Pretok (Q) skozi izvrtino v batu, ki jo obravnavamo kot zaslonko lahko izračunamo po enačbi (3.6). Pretok smo izračunali pri treh različnih premerih zaslonke (d), in sicer pri premeru Ø 0,5 mm; Ø 0,8 mm ter Ø 1,0 mm. Enako kot v prejšnjem poglavju smo tudi tokrat upoštevali, da je gostota olja ISO VG 46 enaka 870 kg/m³, vode pa 1000 kg/m³. Tudi tu upoštevamo tlačni padec Δp med 0 in 25 bar. Izračunali smo pretok skozi režo v batih z oznakami 2, 2A, 2B in 8A, ki so delovali v vodi ter tudi pretok skozi režo v originalnem batu, ki pa je deloval v olju. V preglednici 4.5 so za posamezen bat zbrani podatki o premeru izvrtine (d), površini (A) izračunani po enačbi (3.7) ter uporabljeni kapljevini. Krmilna bata z oznakama 2A in 8A, ki sta delovala v vodi, imata izvrtino enakega premera (d), zato smo ju v preglednici 4.5 ter na sliki 4.11 obravnavali skupaj.

Preglednica 4.5: Potrebni parametri za izračun pretoka skozi izvrtino v krmilnem batu Oznaka krmilnega

bata

d, mm

A, mm²

Uporabljena kapljevina

Originalen bat Ø 0,5 0,196 ISO VG 46

2 Ø 0,5 0,196 Voda

2A in 8A Ø 0,8 0,503 Voda

2B Ø 1,0 0,785 Voda

0 50 100 150 200 250 300 350

0 5 10 15 20 25

Notranje puščanje QL, ml/min

Padec tlaka Δp, bar

Originalen bat Bat 2 Bat 3 Bat 4 Bat 8

(42)

Rezultati

28 Ob upoštevanju zgornjih parametrov smo izračunali pretok (Q) skozi izvrtino v odvisnosti od tlačnega padca (Δp) med 0 in 25 bar.

Slika 4.11: Izračunan pretok skozi izvrtino v posameznih krmilnih batih

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 5 10 15 20 25

Pretok Q, ml/min

Tlačni padec Δp, bar

Originalni bat Bat 2 Bat 2A in 8A Bat 2B

(43)

Diskusija

5 Diskusija

V tem poglavju so podrobneje opisani rezultati posameznih meritev ter izračunov. Prav tako smo podrobneje predstavili hipoteze zapisane v poglavju 1.2 ter jih ovrgli oziroma potrdili.

5.1 Pospešek krmilnega bata

Pri računanju pospeška krmilnega bata ni prišlo do večjih presenečenj. Iz grafa na sliki 4.1 je jasno razvidno, da se zmanjšanje mase krmilnega bata pri enaki sili pokaže kot povečanje pospeška tega bata. Ta ugotovitev kaže na to, da bi krmilni bati izdelani iz aluminija EN AW-6082 teoretično lahko dosegli hitrejšo odzivnost pri vklopu in izklopu ventila, ko se bat pomika iz ene lege v drugo, kot pa tisti izdelani iz jekla z oznako C45, ki ima večjo maso. Pri tem je potrebno poudariti, da smo pri računanju pospeška zanemarili silo trenja, ki se pojavi med krmilnim batom in ohišjem ventila, zato bi bilo za natančnejše računanje pospeška potrebno izvesti tudi tribološke meritve materialnih parov, a zaradi obsežnosti naloge tega v našem primeru nismo naredili.

5.2 Merjenje notranjega puščanja vode v ventilu

Prva izmed opravljenih meritev je bila merjenje notranjega puščanja vode v ventilu. Tako smo lahko že takoj na začetku ugotovili kateri izmed izdelanih krmilnih batov ventilu omogočajo delovanje v vodi. Za delujoč ventil smo šteli vse tiste, ki so omogočili vklapljanje in izklapljanje ventila, tudi če se je pri izklopljenem ventilu pojavilo notranje puščanje, ki ga pri originalnem ne bi smelo biti, saj gre za sedežni ventil. Opazimo lahko, da je bat z oznako 3 imel najmanjše puščanje, kljub temu da ima najmanjši premer (preglednica 3.1) in je zato reža med krmilnim batom in ohišjem ventila v tem primeru največja. Zanimiva je tudi ugotovitev, da je ventil s krmilnim batom 2 deloval, tisti s krmilnim batom 6 pa ne, kljub temu da imata enak premer (Dbat) Ø 9,120 mm. Sklepamo, da je razlog za omenjeno v izdelavi krmilnega bata, a za potrditev tega suma bi bilo

(44)

Diskusija

30 potrebno izvesti meritve odstopanj geometrijskih toleranc za krožnost, obliko valja, sosrednost in soosnost ter opletanje krožnice.

5.3 Merjenje odzivnosti ventila

Merjenje odzivnosti smo sprva izvedli na originalnem ventilu pri uporabi v hidravličnem olju, da smo pridobili referenčni graf odziva in boljšo predstavo o tem kako deluje nepredelan ventil. Meritve smo nato ponovili tudi s predelanimi ventili in odzive pri delovanju v olju in vodi med seboj primerjali.

V preglednici 4.2, kjer so zbrani rezultati meritev, lahko opazimo, da smo pri vseh krmilnih batih, razen pri batu z oznako 3, v vodi dosegli hitrejši čas vklopa ventila (tvklop), kot pri originalnem ventilu namenjenem za uporabo v olju. To lahko skoraj zagotovo pripišemo lastnosti vode, ki zaradi manjše stisljivosti kot olje nudi boljšo odzivnost ter zmanjšanju mase, ki smo jo dosegli z uporabo aluminija EN AW-6082 namesto jekla C45, saj so ventili s krmilnimi bati 2, 3 in 4 dosegli podoben odziv, kljub različnemu premeru bata (Dbat). Posebno izstopata krmilna bata 3 in 8A. Bat 8A je imel od originalnega hitrejši odziv pri vklopu, kot tudi pri izklopu. Bat 3 je potrebno omeniti, kljub temu da se po času odzivnosti pri vklopu in izklopu originalnemu batu ni približal tako kot na primer bat 8A.

Iz slike 4.4 je razvidno, da je pri ventilu z batom 3, ob izklopu ventila, izstopni tlak padel skoraj na 0 bar, kar pomeni, da je bilo notranje puščanje skozi ventil pri tem batu najmanjše, to pa smo tudi izmerili pri merjenju notranjega puščanja v poglavju 4.2. Bat 8A je imel sicer najboljšo odzivnost, a je bil njegov odziv zelo podoben tistemu na sliki 4.5, kjer lahko opazimo, da izstopni tlak pri izklopu ventila pade zgolj na približno 15 bar, kar pa nakazuje na večje notranje puščanje.

Zaključimo lahko, da je pri tlaku (p) 100 bar ventil s krmilnim batom 8A v vodi najbolj odziven, a se pri tem pojavi bistveno večje notranje puščanje kot pri ventilu s krmilnim batom 3, ki pa je vseeno dobro odziven, a pušča bistveno manj.

Pri tlaku (p) 300 bar sta v vodi delovala zgolj ventila s krmilnima batoma 3 in 4. Na sliki 4.7 lahko opazimo, da se ob vklopu tuljave krmilni bat 3 ni takoj prekrmilil. Ker ne vidimo v notranjost ventila predvidevamo, da se je ob vklopu tuljave igla odmaknila od krmilnega bata, kar je omogočilo pretakanje kapljevine skozi izvrtino v batu proti izstopnemu vodu.

Na sliki 4.7 lahko ob vklopu tuljave opazimo tlačni padec na vstopni strani v velikosti približno 10 bar, hkrati pa tudi izstopni tlak naraste na približno 10 bar. To nam pove, da je prišlo do notranjega puščanja v ventilu skozi hidrostatično režo med batom in ohišjem, ob odmiku igle pa tudi skozi izvrtino v batu ter na mestu sedeža krmilnega bata, saj predvidevamo, da se je le delno prekrmilil. Puščanje skozi izvrtino v batu (slika 4.11) je manjše od puščanja skozi hidrostatično režo med batom in ohišjem ventila (slika 4.10), zato predvidevamo, da je puščanje skozi izvrtino, povzročilo zakasnjeno razliko v tlaku

(45)

Diskusija

med notranjo stranjo ventila in izstopnim vodom in je zato do popolnega preklopa prišlo šele po 4,831 s. Menimo, da je do podobnega odziva prišlo na ventilu z batom 4, a na sliki 4.8 pred preklopom ne opazimo zmanjšanja vstopnega tlaka ter povišanja izstopnega, kot to opazimo pri batu 3. Iz tega lahko sklepamo, da je ob vklopu tuljave in posledičnim odmikom igle krmilni bat ostal na sedežu, pojavilo pa se je puščanje skozi izvrtino v batu (slika 4.11), ki pa je manjše od puščanja skozi hidrostatično režo (slika 4.10), zato je bil pretok tako majhen, da povišanja izstopnega tlaka nismo zaznali dokler ni prišlo do preklopa krmilnega bata po 2,886 s.

Kljub večjemu času odpiranja (tvklop) lahko v preglednici 4.3 opazimo, da smo z obema krmilnima batoma dosegli čas zapiranja (tizklop), ki se zelo približa času zapiranja originalnega ventila, kateri deluje v olju pri tlaku (p) 300 bar.

5.4 Izračun pretakanja skozi režo in izvrtino v batu

Kot lahko opazimo tekom meritev in dobljenih rezultatov ima hidrostatična reža med krmilnim batom in ohišjem ventila, kot tudi izvrtina krmilnega bata, velik vpliv na pretakanje kapljevine skozi ventil ter posledično na njegovo odzivnost in delovanje.

5.4.1 Notranje puščanje skozi hidrostatično režo

Na sliki 4.10 je prikazano izračunano notranje puščanje v ventilu skozi hidrostatično režo med krmilnim batom in ohišjem ventila za različne delujoče bate. Dobljen rezultat je bil pričakovan, a je potrebno poudariti, da proizvajalec ne podaja notranjega premera ohišja.

Za natančnejše rezultate bi bilo potrebno dobiti točen podatek o notranjem premeru, saj bi tako z natančnejšim izračunom srednjega premera (Dsr) ter reže (s) bolje določili notranje puščanje (QL) v odvisnosti od padca tlaka (Δp).

Opazimo, da se največje puščanje skozi režo pojavi pri krmilnem batu 3, ki je imel izmed vseh delujočih tudi najmanjši premer (Dbat) in posledično največjo režo (s) z ohišjem. Hitro bi lahko sklepali, da so rezultati meritev notranjega puščanja pod poglavjem 4.2 napačni, saj je imel ventil z batom 3 najmanjše notranje puščanje, a temu ni tako. V tem primeru smo izračunali notranje puščanje skozi hidrostatično režo, ki pa se pojavi, ko je krmilni bat odmaknjen od sedeža v ohišju, zato lahko sklepamo, da je krmilni bat 3 najbolje nalegal na sedež v ventilu in smo mu zato izmerili najmanjše notranje puščanje.

5.4.2 Pretok skozi izvrtino v batu

Tekom meritev smo nekaterim krmilnim batom sredinsko izvrtino premera (d) Ø 0,5 mm povečali na premer Ø 0,8 mm ter Ø 1,0 mm. Izračunali smo pretok (QL) kapljevine skozi izvrtino v odvisnosti od tlačnega padca (Δp) za bate z različnim premerom izvrtine (slika 4.11). Pri računanju pretoka smo izvrtino obravnavali kot zaslonko. Iz slike 4.6 je razvidno, da je izvrtina dolga 4,0 mm, kar pa za zaslonke ni običajno. Izvrtina z dolžino

(46)

Diskusija

32 4,0 mm je zato bolj podobna dušilki kot zaslonki. Enačbe za preračun pretakanja skozi dušilko so precej kompleksnejše hkrati pa nenatančne, zato smo se odločili, da je za primerjavo in osnovno razumevanje pretakanja kapljevine skozi izvrtino v tej fazi meritev dovolj, da jo obravnavamo kot zaslonko.

Na sliki 4.11 lahko opazimo, da s krmilnimi bati, ki imajo premer izvrtine (d) Ø 0,5 mm, dosežemo pri delovanju v vodi pretok skozi izvrtino, ki je najbolj podoben pretoku skozi izvrtino originalnega bata, ki deluje v olju.

5.5 Vrednotenje hipotez

Pred izvedbo meritev smo na podlagi razumevanja teoretičnega ozadja postavili 4 hipoteze.

Izbrana hidravlična kapljevina in material krmilnega bata v ventilu vplivata na preklopni čas ventila.

To hipotezo lahko potrdimo, saj smo v poglavju 4.1 računsko pokazali, da izbran material vpliva na maso krmilnega bata, le-ta pa vpliva na pospešek pri preklapljanju. Hipotezo smo podkrepili tudi z rezultati meritev v poglavju 4.3.2, kjer smo pri nekaterih predelanih krmilnih batih iz aluminija EN AW-6082 v vodi dosegli krajši odzivni čas, kot pri originalnem oljno-hidravličnem ventilu.

Prevelika reža med batom in ohišjem ventila vpliva na njegovo delovanje.

Hipotezo lahko potrdimo, saj originalen krmilni bat, ki ima največjo režo med ohišjem in batom, v vodi ni deloval, predelani krmilni bati z manjšo režo pa so.

Večja reža med batom in ohišjem vpliva na večje notranje puščanje v ventilu.

To hipotezo lahko potrdimo glede na fizikalno ozadje in preračun notranjega puščanja v poglavju 4.4.1 in hkrati ovržemo glede na izvedene meritve. V poglavju 4.2 smo izmerili najmanjše puščanje v ventilu s krmilnim batom 3, ki ima premer (Dbat) Ø 9,117 mm in zato tvori z ohišjem večjo režo kot bata 2 in 4 s premerom (Dbat) Ø 9,120 mm ter Ø 9,121 mm.

Za natančnejšo razlago nerazumljivega izmerjenega manjšega notranjega puščanja pri večjih režah (manjši premer krmilnega bata) bo v nadaljevanju treba izvesti natančne meritve geometrije krmilnega bata in izvrtine.

Krmilni bat, ki deluje v olju ne deluje s podobno zanesljivostjo tudi v vodi in obratno.

To hipotezo lahko potrdimo, saj noben izmed uporabljenih krmilnih batov, vključno z originalnim, ni deloval v vodi in tudi v olju.

(47)

6 Zaključki

V zaključni nalogi smo merili in opazovali odzivnost ter obnašanje ventila pri uporabi različnih krmilnih batov. Tekom pisanja smo izvedli vrsto preizkusov in izračunov, pri katerih smo spreminjali različne vplivne parametre, ki so pomembni za delovanje ventila.

Ventil je v osnovni namenjen za uporabo v oljno-hidravličnih sistemih, želeli pa smo ga predelati tako, da bi deloval tudi v vodno-hidravličnih. V okviru zaključne naloge smo ugotovili in naredili sledeče.

1) Pregledali smo obstoječo literaturo, pomembno za razumevanje obravnavane tematike.

2) Zasnovali smo preizkuševališče ter izdelali različne krmilne bate iz aluminija z oznako EN AW-6082.

3) Izvedli smo preizkuse in meritve, s katerimi smo želeli ugotoviti notranje puščanje v ventilu ter izmeriti odzivnost ventila v vodi in jo primerjati z nepredelanim oljno- hidravličnim ventilom.

4) Natančno smo opisali delovanje in obnašanje ventila tako v olju kot v vodi.

5) Dokazali smo, da je izdelava hitro odzivnega vodno-hidravličnega ventila za vstopni tlak (p) 100 bar mogoča, a se pri tem pojavi notranje puščanje, katerega pa pri originalnem oljno-hidravličnem ventilu ne zaznamo. Izračunali smo, da lahko z uporabo aluminija EN AW-6082, v teoriji, odzivnost pri ustreznih parametrih povečamo za skoraj 3-krat. Pri vstopnem tlaku 100 bar smo s predelanim krmilnim batom v vodi uspeli doseči kar 1,4-krat krajši vklopni čas ter 2,4-krat krajši izklopni čas od nepredelanega oljno-hidravličnega ventila.

6) Dokazali smo, da je pri uporabljenih krmilnih batih delovanje ventila v vodi, pri tlaku (p) 300 bar, ob vklopu nezanesljivo. Kljub temu pa smo izmerili kratek odzivni čas ob izklopu, ki od nespremenjenega oljno-hidravličnega ventila odstopa le 13 %.

Po preizkusih smo ugotovili, da je obstoječi oljno-hidravlični ventil možno predelati v vodno-hidravličnega, ki bo pod določenimi pogoji deloval zanesljivo ter s podobno odzivnostjo kot nepredelan oljno-hidravlični ventil.

(48)

Zaključki

34 Predlogi za nadaljnje delo

V nadaljevanju dela bi bilo potrebno pridobiti natančnejše notranje dimenzije ohišja, idealno kar od proizvajalca. Prav tako bi bilo potrebno izvesti tribološke meritve trenja med ohišjem in originalnim krmilnim batom, kot tudi med ohišjem in predelanim krmilnim batom. Zagotoviti bi bilo potrebno tudi natančnejšo izdelavo krmilnih batov ter izmeriti njihove geometrijske tolerance. Zasnovati bi bilo potrebno tudi novo preizkuševališče, kjer bi merili spreminjanje tlaka v notranjosti ventila, saj bi tako natančneje lahko izmerili do kakšnih tlačnih padcev prihaja na posamezni strani krmilnega bata. Prav tako bi za natančnejši izračun pretoka skozi izvrtino krmilnega bata morali uporabiti enačbe za računanje pretoka skozi dušilko. Za konec pa bi bilo potrebno izvesti še trajnostne teste, da bi ugotovili koliko časa lahko predelan ventil deluje.