Vodno-hidravlični trajnostni test natisnjenega proporcionalnega potnega ventila

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vodno-hidravlični trajnostni test natisnjenega proporcionalnega potnega ventila

Primož Cizl

Ljubljana, september 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Vodno-hidravlični trajnostni test natisnjenega proporcionalnega potnega ventila

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

Primož Cizl

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

Ljubljana, september 2021

(4)

(5)

Zahvala

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Francu Majdiču za vzbuditev zanimanja o hidravliki na splošno in za usmerjanje ob pisanju zaključne naloge. Zahvala gre tudi dipl. inž. str. Roku Jelovčanu za pomoč in dobro vzdušje ob praktičnem delu zaključne naloge. Staršema se zahvaljujem za finančno podporo pri študiju.

(6)

vi

(7)

Izvleček

UDK 621.22:621.646.2:004.925.84(043.2) Tek. štev.: UN I/1593

Vodno-hidravlični trajnostni test natisnjenega proporcionalnega potnega ventila

Primož Cizl

Ključne besede: vodna hidravlika 3D-tisk

trajnostni preizkus notranje puščanje proporcionalni ventil korozija

obraba

Hidravlični mediji fosilnega izvora kljub svojim dobrim protikorozijskim in protiobrabnim lastnostim predstavljajo preveliko okoljsko breme. Voda se zato zdi hidravlična kapljevina prihodnosti, zaradi pomanjkanja interesa ter posebne opreme pa ostaja neizkoriščena.

Preizkusili smo trajnostno obnašanje proporcionalnega potnega ventila, izdelanega s tehnologijo tridimenzionalnega tiska, z uporabo vode kot hidravličnega medija. Opazovali smo spreminjanje notranjega puščanja glede na število opravljenih preklopov. Rezultate meritev je težko pojasniti in so bili zaradi veliko spremenljivk nepredvidljivi. Končna obraba je bila na krmilnem batu jasno vidna. Korozijska erozija predstavlja pri izvajanju trajnostnega preizkusa največji problem.

(8)

viii

Abstract

UDC 621.22:621.646.2:004.925.84(043.2) No.: UN I/1593

Water-hydraulic durability test of printed proportional directional control valve

Primož Cizl

Key words: water hydraulics 3D print

sustainability test internal leakage proportional valve corrosion

wear

Hydraulic liquids made from fossil fuels are a major ecological burden, despite their good corrosion and wear properties. Water seems to be the future of hydraulic fluids, but due to lack of interest and specialised equipment, it remains undervalued. We have sustainably tested a proportional directional control valve produced by threedimensional printing, using water as the hydraulic fluid. We observed the change in internal leakage as a function of the number of cycles. The measurement results are unexpected and difficult to explain. The final stage of wear on the spool was clearly visible. Corrosion erosion is the biggest problem in performing the sustainability test.

(9)

Kazalo

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Tridimenzionalni tisk ... 3

2.1.1 Tehnika spajanja slojev praškastega materiala ... 4

2.1.2 Direktno kovinsko lasersko sintranje (DMLS) ... 5

2.2 Hidravlični krmilni ventili ... 5

2.3 Hidravlične kapljevine ... 6

2.3.1 Voda kot hidravlična kapljevina ... 7

2.3.2 Primerjava vode z oljem ... 7

2.4 Trajnostno testiranje proporcionalnih potnih ventilov ... 8

2.5 Določitev notranjega puščanja ... 8

3 Metodologija raziskave ... 9

3.1 Obravnavani ventil ... 9

3.2 Vodno preizkuševališče ... 10

3.3 Postopek merjenja ... 12

3.4 Parametri merjenja ... 12

4 Rezultati ... 14

4.1 Prve meritve z vodo kot hidravličnim medijem ... 14

4.2 Stanje ventila po dneh neuporabe ... 16

4.3 Meritve po 477 000 ciklih ... 17

4.4 Meritve po 1 500 000 ciklih ... 17

4.7 Primerjava meritev notranjega puščanja... 23

(10)

x

5 Diskusija ... 26

6 Zaključki ... 29

Literatura ... 30

(11)

Kazalo slik

Slika 2.1: Shematski prikaz tehnologije PBF z laserjem kot virom energije [1]... 4 Slika 2.2: Simbol za proporcionalni elektromagnetni 4/3 potni ventil v skladu z ISO 1219-1 (2006-

10-15) [15] ... 6 Slika 3.1: Komponente AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 pred začetkom vodnega testiranja

... 10 Slika 3.2: (a) Vodno preizkuševališče za prvo merjenje izteka. (b) Ventil s priključenimi vodi ter

kolenoma za zaslonkama na delovnih vodih A in B... 11 Slika 3.3: Shema hidravličnega preizkuševališča za izvedbo trajnostnega testiranja ventila... 12 Slika 3.4: Izmerjen tlak v odvisnosti od časa v posameznih vodih B, P in A pri frekvenci 5 Hz .... 13 Slika 4.1: Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 pred začetkom trajnostnega

preizkusa z vodo ... 15 Slika 4.2: Ohišje s pritrdilnimi vijaki AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 pred začetkom

trajnostnega preizkusa z vodo... 15 Slika 4.3: (a) Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po štirih dneh neuporabe. (b) Detajl

notranjosti ohišja ventila po štirih dneh neuporabe ... 16 Slika 4.4: Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po štirih dneh neuporabe ... 17 Slika 4.5: (a) Del kolena z vidno poškodbo nastalo zaradi vodnega curka. (b) Ohišje AIDRO

ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po skupno 1 500 000 ciklih ... 18 Slika 4.6: Spodnji del ohišja brez O-tesnil, krmilni bat, podložki in originalni vzmeti AIDRO

ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po 1 500 000 ciklih ... 19 Slika 4.7: Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po 2 000 000 ciklih ... 21 Slika 4.8: (a) Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 z zagozdeno originalno vzmetjo. (b)

Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po skupno 2 000 000 ciklih ... 21 Slika 4.9: Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po skupno 3 390 000 ciklih pred

čiščenjem ... 22 Slika 4.10: Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po 3 390 000 ciklih pred

čiščenjem ... 23 Slika 4.11: Spreminjanje notranjega puščanja AIDRO ventila v odvisnosti od opravljenih ciklov s

tlakom 300 bar na P vodu ... 24 Slika 4.12: Spreminjanje notranjega puščanja AIDRO ventila v odvisnosti od opravljenih ciklov s

tlakom 300 bar na A vodu ... 24 Slika 4.13: Spreminjanje notranjega puščanja AIDRO ventila v odvisnosti od opravljenih ciklov s

tlakom 300 bar na B vodu ... 25 Slika 5.1: Poenostavljen prikaz radialne ekscentričnosti krmilnega bata (obarvan sivo) glede na

skoznjo luknjo v ohišju (obarvana črno) ... 27 Slika 5.2: Oksidacijske posledice na očiščenem krmilnem batu AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-

R4/10 po 3 390 000 ciklih ... 27 Slika 5.3: (a) Spodnji del ohišja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po 3 390 000 ciklih. (b)

Korozijsko načeta nadomestna vzmet uporabljena v ventilu AIDRO HD3-AMPS-1PC-R4/10 ob podložki ... 28

(12)

xii

Kazalo preglednic

Preglednica 4.1: Rezultati meritev notranjega puščanja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 pred začetkom trajnostnega preizkusa ... 14 Preglednica 4.2: Rezultati meritev notranjega puščanja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po 477 000 ciklih ... 17 Preglednica 4.3: Rezultati meritev notranjega puščanja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po opravljenih 1 500 000 ciklih ... 19 Preglednica 4.4: Rezultati meritev notranjega puščanja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po

opravljenih 2 000 000 ciklih ... 20 Preglednica 4.5: Rezultati meritev notranjega puščanja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po

opravljenih 3 390 000 ciklih ... 23

(13)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

A mm² površina

𝐷_𝑠𝑟 m srednji premer v reži

𝑓_{𝑖𝑧𝑠𝑟} / faktor srednosti / izsrednosti

k / koeficient zaslonke

L m dolžina prekritja bata z ohišjem

𝑛_{š𝑡,𝑖𝑧𝑡}

∆𝑝

∆𝑝_𝑟 𝑄 𝑄_{𝑛𝑝,𝑛𝑎𝑗𝑣} 𝑠

/ bar Pa l/min m³/s m

število iztekajočih presekov tlačni padec

tlačni padec v reži pretok

največji volumski tok notranjega puščanja povprečna višina reže

𝜌 kg/m³ specifična gostota hidravlične kapljevine 𝜐 m²/s kinematična viskoznost hidravlične kapljevine

(14)

xiv

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

3D tridimenzionalnost

AM ASTM CAD DED DMLS FDM PBF STL

aditivna proizvodnja (ang. additive manifacturing)

Ameriško združenje za testiranje in materiale (ang. American Society for Testing and Materials)

računalniško podprto oblikovanje (ang. computer aided design) lasersko navarjanje (ang. direct energy deposition)

direktno kovinsko lasersko sintranje (ang. direct metal laser sintering)

ekstrudiranje materiala blagovne znamke Stratasys (ang. fuse deposition modeling)

spajanje slojev praškastega materiala (ang. powder bed fusion) standardni trikotniški jezik (ang. standard tessellation language)

(15)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Hidravlika je, kot pomembna veja strojništva, dandanes zelo razširjena. Področja uporabe so raznolika in zahteve vedno večje. S tem se veča tudi breme hidravličnih kapljevin na okolje.

Te so namreč najpogosteje hidravlična olja, ki so bila zadnja desetletja in predvsem do devetdesetih let prejšnjega stoletja brez konkurence zaradi svojih odličnih korozijsko in obrabno odpornih lastnosti [1]. Z vse večjo industrializacijo sveta je varstvo okolja postalo glavna tema prihodnosti industrijskega razvoja. Ker je večina hidravličnih medijev še vedno fosilnega izvora, so težko razgradljivi in toksični.

Ena od rešitev problema je voda, več tisočletij stara hidravlična kapljevina, ki je zelo dostopna in nima škodljivih posledic na okolje. Temu navkljub pa motivacije za njeno uporabo ni. Razvojne smernice narekujejo vodilna podjetja tega področja, ki (še) niso dovolj okoljsko osveščena in se jim ne izplača vlagati sredstev v razvoj posebne opreme, ki jo vodna hidravlika zahteva [1]. Na neki točki v prihodnosti bo tak preskok verjetno nujen.

Druga tehnologija, ki pridobiva večjo pozornost, je aditivna tehnologija izdelave. V zadnjih letih je vedno več pozornosti in raziskav usmerjenih v to tehnologijo mnogih prednosti, tudi okoljskih, glede učinkovitosti uporabe materiala, lažjega izdelka in prilagodljivosti zahtevam [2]. Uporaba aditivne tehnologije tridimenzionalnega tiska za izdelavo novih vodnih hidravličnih ventilov lahko pospeši ter olajša njihov prodor na trg.

1.2 Cilji

Cilj zaključne naloge je opazovanje notranjega puščanja in obnašanja ventila HD3-AMPS- 1PC-R4/10 proizvajalca AIDRO med trajnostnim preizkušanjem do vsaj dveh milijonov ciklov. Pred tem bomo zagotovili primerno okolje in pripravili preizkuševališče. Puščanje bomo ocenili relativno glede na izmerjeno puščanje pred začetkom preizkusa. Teoretični pretok aktivnega delovnega voda naj bi bil 20 l/min, v praksi se bomo tej številki skušali čimbolj približali. Tlak vode kot hidravličnega medija bo 300 bar. Puščanje bomo merili s tlačno obremenitvijo vsakega voda posebej. Ventil je izdelan z aditivno tehnologijo ter namenjen za mineralna olja, zato nas bo zanimala tudi primerjava relativnega notranjega

(16)

Uvod

2 puščanja pri uporabi vode z že izmerjenim puščanjem v olju. Skušali bomo ovrednotiti čistočo vode in njen vpliv na rezultate.

Glede na pretekle znane preizkuse utegnejo biti rezultati nepričakovani in nezvezni. Ker ne bomo poznali vseh razlogov za odstopanja od pričakovanih rezultatov, bo vrednotenje težje ter manj zanesljivo. Pričakujemo večanje notranjega puščanja s številom preklopov ventila in ob zadostni čistoči vode minimalno erozijsko obrabo površin pod tlakom.

(17)

2 Teoretične osnove in pregled literature

Poglavje predstavlja že raziskana področja glede obravnavane tematike. Podpoglavja se neposredno nanašajo na predstavljen problem in omogočajo objektivnejšo oceno rezultatov dela.

2.1 Tridimenzionalni tisk

Tridimenzionalni (3D) tisk temelji na aditivni proizvodnji (ang. additive manufacturing, AM) [3, 4, 5]. Snovanje izdelka s to tehnologijo se prične s stvaritvijo 3D modela s programom za računalniško podprto načrtovanje in oblikovanje - CAD (ang. computer aided design) [3, 5]. Druga možnost je vzvratno inženirstvo (ang. reverse engineering) z npr.

laserskim skeniranjem izdelka. Model CAD je v drugem koraku pretvorjen v eno izmed standardnih datotek za izdelavo z aditivno tehnologijo, ki je najpogosteje STL datoteka.

Njena značilnost je digitalna pretvorba v dvodimenzionalne sloje. Tretji korak je prenos STL datoteke in nastavljanje parametrov stroja za 3D tiskanje. Za večjo stroškovno in materialno ekonomičnost je priporočljiva prostorsko učinkovita razporeditev modelov, da jih stroj izdela vse v enem ciklu. V četrtem koraku stroj natisne željen model s postopnim dodajanjem slojev, ki so določeni v STL datoteki. Končna hrapavost in ločljivost izdelave zavisita od debeline posameznega sloja, ki je odvisna od zmogljivosti stroja in vnešenih parametrov.

Tipični debelini posameznega sloja sta 0,254 mm za modeliranje s spajanjem slojev (ang.

fused deposition modelling) in od 0,05 do 0,10 mm za stereolitografijo (ang.

stereolithography). Ko je zadnji sloj končan je izdelek po potrebi ohlajen in izstavljen is stroja. Za zahtevnejše aplikacije sledijo dodatni procesi končne obdelave kot so čiščenje, poliranje, barvanje in naknadne obdelave oblike [2, 3].

Razlogi za vedno bolj razširjeno uporabo aditivnih tehnologij v zadnjih desetletjih so enostavnejša zadostitev kompleksnejšim oblikam, omogočeno tiskanje sestavov v enem procesu, manjši delež odpadnega materiala, ki se ga lahko ponovno uporabi v naslednjih procesih, velika prilagodljivost, saj ni potrebe po unikatnem modelu kot v primeru injekcijskega brizganja, hitrejši cikel izdelave v primerjavi s konvencionalnimi tehnikami, uporaba mnogih materialov od polimerov do kovin, manjše finančno tveganje v procesu minimaliziranega razvoja od virtualne zasnove do izdelave, globalna dostopnost, ki omogoča enostavnejše deljenje CAD modela in njegovo realizacijo na željeni lokaciji, itd.

(18)

Teoretične osnove in pregled literature

4 Mnogi problemi konvencionalnih tehnologij so izločeni ali zmanjšani, kar znižuje lastno ceno izdelka [2, 3, 6].

Ameriško združenje za testiranje in materiale (ang. American Society for Testing and Materials- ASTM) je leta 2012 [5] s standardom podalo sedem kategorij aditivne proizvodnje [7], posplošeno pa se za vse te uporablja izraz ‘3D-tiskanje’: spajanje slojev praškastega materiala (ang. powder bed fusion - PBF), lasersko navarjanje (ang. direct energy deposition - DED), laminacija pol (ang. sheet lamination), ekstrudiranje materiala (ang. material extrusion) oziroma (ang. fuse deposition modelling - FDM) kot blagovna znamka podjetja Stratasys [3], fotopolimerizacija v kadi (ang. vat photopolymerization), kapljično nanašanje ali brizganje materiala (ang. material jetting) in kapljično nanašanje ali brizganje veziva (ang. binder jetting) [3, 5].

2.1.1 Tehnika spajanja slojev praškastega materiala

Proces tehnike spajanja slojev praškastega materiala – PBF (slika 2.1) je razdeljen na glavne stopnje: plast, najpogosteje debeline 0,1 mm, je razdeljena po osnovni površini, laser oz. vir energije stali in zlije prvo plast preseka željenega modela, nova plast materiala v praškasti obliki je porazdeljena po prejšnji z uporabo valjarja, naslednje plasti, določene z zapisom v datoteki pretvorjenega CAD modela, so izdelane po ponavljajočih korakih 1, 2 in 3.

Zaporedje naštetih stopenj se ponavlja, dokler željen model ni ustvarjen. Ostanek neobdelanega praška je ponovno uporabljen za naslednje serije. Omenjena tehnika se dalje deli glede na: vir energije za pretaljevanje in uporabljen material [3].

Slika 2.1: Shematski prikaz tehnologije PBF z laserjem kot virom energije [1]

(19)

2.1.2 Direktno kovinsko lasersko sintranje (DMLS)

Tehnika PBF z uporabo laserja kot vira energije in kovinskih praškov kot osnovo za pretaljevanje, je poznana kot direktno kovinsko lasersko sintranje (ang. direct metal laser sintering – DMLS). Najpogosteje uporabljeni in preučevani materiali tehnologije so nerjaveče jeklo, orodno jeklo, Ti6Al4V, AlSi10Mg, nedavno se pogosteje omenja magnezijeve zlitine, volfram, cinkove zlitine ter kovinske matrične kompozite (ang. metal matrix composites) [2]. Stroji, ki temeljijo na tej tehniki, imajo tri glavne komponente: vir toplote, ki tali prašek, metodo, ki nadzira vir toplote in mehanizem, ki čez prejšnje dodaja nove plasti materiala v prahu. Prednost je v tem, da metoda ne potrebuje unikatnih modelov ali struktur za podporo končnega modela, saj temu namenu služi ostanek nepretaljenega materiala. Gradbena platforma, kjer nastaja izdelek, je v kontrolirani temperaturni komori, kjer je temperatura glede na temperaturo tališča kovinskega praška najpogosteje za 10°C nižja [6], kar omogoča laserskemu žarku hitrejšo pretalitev praška. Komora ima tudi lastno atmosfero, pogosto napolnjeno z dušikom [3], ki je zaželen zaradi cenovne dostopnosti in predvsem lastnosti realnega plina - svoje skoraj popolne inertnosti [8], torej po celotni komori preprečuje oksidacijo ter posledično zagotavlja boljšo končno kvaliteto izdelka [9].

Pogosto je zahtevan določen čas ohlajanja pred izstavitvijo za zagotovitev visokih toleranc in kvalitete pretalitve osnovnih zrnc. Novejši stroji nadzorujejo temperature glede na določeno plast izdelka v nastajanju in s povratno zanko nastavljajo moč ter napetost laserja željeni temperaturi za boljšo kvaliteto spajanja [3].

Med najzmogljivejše stroje za DMLS spada EOS M 290. Velikost končnih izdelkov je omejena na dimenzije osnovne gradbene površine 250 x 250 x 325 mm. Vir toplote je itterbijev optični laser (ang. ytterbium fibre laser) moči 400 W. Optični laserji so zelo razširjeni zaradi svojih termično-optičnih lastnosti, velike kompaktnosti, visoke učinkovitosti in visoke kvalitete strnjenega laserskega žarka [10]. Hitrost skeniranja EOS M 290 doseže 7 m/s [11].

2.2 Hidravlični krmilni ventili

Krmilni ventili so razdeljeni na dve glavni skupini: konvencionalni in proporcionalni, ki so zvezno delujoči. Vsaka skupina se glede na funkcijo dodatno deli na: potne, protipovratne (obstajajo le kot zvezno delujoči), tlačne in tokovne ventile. Znana sta dva različna kontakta med gibajočim se krmilnim batom in ohišjem: sedežni (absolutno tesnjenje) in drsniški tip (za večje pretoke). V primeru večjih pretokov (od 100 l/min) in dimenzij ventila se uporablja dvostopenjski oz. predkrmiljeni ventil, ki ni direktno krmiljen. Ostali so enostopenjski oz.

direktno krmiljeni [12].

Proporcionalni ventili

Proporcionalni ventili, poleg regulacijskih (nem. regelventilov) in servoventilov, spadajo pod zvezno delujoče električno krmiljene ventile. Servo in proporcionalni ventili imajo glede na klasifikacijo, premo sorazmerno električnemu analognemu ali digitalnemu vhodnemu signalu nastavljive: položaj ventila, tlak ali tok. Po tem vrstnem redu se delijo v skupine:

potni, tlačni in tokovni ventili [13].

(20)

6 Dalje se proporcionalni ventili delijo na tiste z ali brez povratne zanke, ki omogoča povratno informacijo dejanskega stanja v ventilu s senzorjem poti in jo primerja s teoretičnimi zahtevami ter popravlja lego z iteracijami s povratno zanko. Značilnost proporcionalnih ventilov je krmilni bat s pozitivnim prekritjem ± 20 %. Tlačni udari so nižji kot pri konvencionalnih preklopnih ventilih. Posledično je uporaba takih ventilov prevladujoča za aplikacije z zahtevo po mehkejšem delovanju in ne za fino, hitro pozicioniranje [13].

Proporcionalni potni ventili

Potni ventili v svoji oznaki (X/Y) nosijo informacijo o številu priključkov (X) in številu položajev (Y) [14]. Slika 2.2 predstavlja simbol za proporcionalni elektromagnetni 4/3 potni ventil z označenimi priključki vodov. A in B sta priključka delovnih vodov, P predstavlja tlačni vod in T predstavlja povratnega. Na vsaki strani ima ventil vzmet in proporcionalni potisni elektromagnet, ki premika krmilni bat in ima lastnost zveznega gibanja ter konstantne sile ob gibanju jedra pri konstantnem toku hidravlične kapljevine. Umestitev potnega proporcionalnega ventila lahko znatno zmanjša število komponent konvencionalnega hidravličnega sistema. Tlačni padci so nizki (pribl. 8 bar), upori v ohišju ventila močno vplivajo na linearnost karakteristike pri večjem volumskem toku. Zaradi pozitivnega prekritja je v ničelni legi mrtva cona, kar je nezaželeno zaradi slabše odzivnosti in nihanja okoli stabilne lege. Tipična zračnost je od 2 do 5 μm, zato je priporočena nazivna prepustnost filtra med 3 in 6 μm [13].

Slika 2.2: Simbol za proporcionalni elektromagnetni 4/3 potni ventil v skladu z ISO 1219-1 (2006- 10-15) [15]

2.3 Hidravlične kapljevine

Najpogostejše bazne kapljevine so olja, ki se delijo glede na način izdelave na: mineralna, sintetična in biološko razgradljiva olja rastlinskega in živalskega izvora [16].

Okoljski problemi glede uporabe toksičnih in težko razgradljivih mineralnih olj v različnih industrijskih panogah so vzbudili zanimanje po uporabi okolju prijaznejših kapljevin. Olja rastlinskega izvora se tej problematiki izognejo a imajo tudi svoje slabosti kot so slaba oksidacijska odpornost, težnje k nalaganju sledi (ang. deposit forming tendency), strjevanje pri nižjih temperaturah in slaba hidrolitična odpornost. Raziskave tečejo v smeri izboljševanja toplotne in nizko temperaturne stabilnosti olj rastlinskega izvora z dodajanjem kemičnih modifikatorjev in mešanjem z drugimi tekočinami z željenimi lastnostmi [17].

(21)

2.3.1 Voda kot hidravlična kapljevina

Kot prva kapljevina se je v hidravliki že pred dvema tisočletjema uporabljala voda. Z dodatnimi prednostmi olja pa je bila izpodrinjena vse dokler zavedanje o varstvu okolja ni pridobilo pomena, kot ga ima danes. Na račun čistoče in dostopnosti te kapljevine se izgubijo dobre mazalne lastnosti, kar privede do povečane obrabe, velikega notranjega puščanja in korozije hidravličnih sestavin. Posledično uporaba pitne vode brez dodatkov zaradi neugodnih lastnosti zmanjšuje učinkovitost hidravličnega sistema [1]. Voda v odvisnosti od svojega vira vsebuje tudi trdne delce različnih velikosti, topne primesi, različne bakterije, vodikove ione in določeno stopnjo klora, kalcija ter magnezija, kar predstavlja dodatno krajšanje življenjske dobe obremenjenih komponent. Težave nalaganja apnenca so znane že v mnogo manj občutljivih cevovodih zato v finih hidravličnih okoljih predstavljajo mnogo večji problem. Delci in topne primesi postopoma erodirajo material ob katerem drsijo. Težko dostopne površine sistema pa postanejo gojišče vnesenih bakterij. Dodatna slabost je ledišče pod 0 °C, kar zahteva dodatke proti zmrzovanju (ang. anti-freeze additives). Vodno hidravlični sistemi so načeloma namenjeni obratovanju v temperaturnem razponu od 3 °C do 50 °C [18].

Kot vsi mediji tudi voda zahteva natančno filtriranje (najmanj 10-mikronski absolutni filter) pred pretakanjem v sistemu [18].

Zaradi trendov v zakonodajah, ki otežujejo uporabo do sedaj razširjenih olj, se voda zdi ena izmed boljših rešitev v bližnji prihodnosti. Temu navkljub pa je njena uporaba minimalna.

Kot vzrok ali posledico lahko naštejemo nedostopnost primernih sestavin na tržišču, majhno število proizvajalcev, kar šibi konkurenco, pomanjkanje ekološke osveščenosti investitorjev, itd. Tudi zaradi visokih cen je težko udejanjiti lokalni prehod z olja na vodo kot hidravlični medij, dokler ne bo interes globalen [1].

2.3.2 Primerjava vode z oljem

Kaplja olja onesnaži 150 litrov pitne vode, Velja tudi, da čiščenje tone z oljem onesnažene zemlje, odvisno od stopnje onesnaženja, lahko stane dobrih 2000 evrov.

Cena litra visoko rafiniranega mineralnega olja (ang. highly refined mineral oil) je bila v začetku 21. stoletja do 50 000-krat višja od enake količine vode. Kljub temu pa je bila takrat voda v hidravliki najbolj razširjena kot vodno-oljna emulzija.

Nezanemarljiva razlika med hidravličnima kapljevinama je tudi vnetljivost. Emulzije so manj nevarne, a vseeno okoljsko sporne.

Voda zagotavlja večjo togost sistema zaradi svoje skoraj zanemarljive stisljivosti, kar poveča odzivnost in učinkovitost. Nižja viskoznost vode (kinematična viskoznost vode pri temperaturi 20 °C je 1,01 mm²⁄s [8]) v primerjavi z oljem (kinematična viskoznost olja za mazanje pri temperaturi 20 °C je 15 mm²⁄s [8]) pa pomeni manjši tlačni padec.

V splošnem ni medija, ki bi imel vse prednosti, kot jih ima voda in bil cenovno konkurenčen v fazi nakupa, skladiščenja in odstranjevanja [18].

(22)

8

2.4 Trajnostno testiranje proporcionalnih potnih ventilov

Novi proporcionalni 4/3 potni ventil, razvit za namen raziskovanja vodne hidravlike, naj bi bil preprost za lažji popis in spremljanje tribološkega obnašanja v določenih delovnih pogojih. Za izdelavo najbolj izpostavljenih sestavnih delov ventila, kot so bat in izvrtina zanj, se uporablja posebno ojačana nerjaveča jekla, saj je v hidravličnih medijih vselej prisotna tudi voda, ki še pospešuje korozijo [19].

Rezultati trajnostnega testa se razlikujejo glede na režim filtriranja uporabljene vode. Pri manj finem filtriranju s 5 μm je bila zaznano puščanje v mejah dopustnega. Pri finejšem filtriranju 1 μm pa je bila sprememba puščanja še manjša. Potrjena je bila velika pomembnost finega filtriranja, saj je v nasprotnem primeru izpostavljene sestavne dele prizadela velika obraba. Glavni razlog za nezaželenost tudi manjših trdnih delcev je približno do 30 krat manjša kinematična viskoznost vode v primerjavi s hidravličnim oljem [20].

Vodni ventili zato zahtevajo manjše zračnosti med batom in ohišjem, da zagotavljajo ustrezno nizko puščanje, ki ga oljni ventili dosežejo že z večjo zračnostjo. Kljub vsemu pa je bila tudi po 10 milijonih ciklih neustrezna natančnost filtriranja glavni razlog za, sicer podkritično, abrazijo izpostavljenih površin. Takšno število ciklov pa presega pričakovano življenjsko dobo standardnih isto namenskih ventilov v tipičnih industrijskih aplikacijah [19].

V primeru trajnostnega testa izvedenega na 3D-tiskanem proporcionalnem 4/3 potnemu ventilu proizvajalca AIDRO s hidravličnim oljem, je bilo opravljenih 1 900 000 ciklov. V tej stopnji ventil ni utrpel opaznejših obrabnih poškodb. Sprememba puščanja po testiranju je bila zanemarljivo večja, z izjemo dovedenega pritiska na enega izmed vodov, kjer je bilo puščanje večje, a se kot pojasnilo navaja možna ekscentričnost bata [21].

2.5 Določitev notranjega puščanja

Notranje puščanje oziroma iztek kapljevine je odvisen od več dejavnikov. Splošni način za izračun volumskega toka notranjega puščanja v kolobarjasti reži je zapisan z enačbo (2.1) [19].

𝑄_np,najv= 𝑛_št,izt∙ [𝜋

12∙∆𝑝_r∙ 𝐷_sr∙ 𝑠³

𝜌 ∙ 𝜐 ∙ 𝐿 ∙ 𝑓_izsr] (2.1)

Največji volumski tok notranjega puščanja 𝑄_np,najv zavisi od števila iztekajočih presekov 𝑛_št,izt (v primeru 4/3 potnega ventila z blokiranimi vsemi štirimi priključki vodov ničelnem položaju in P vodom pod tlakom sta iztekajoča preseka dva), tlačnega padca v reži ∆𝑝_r, srednjega premera reže za teoretično idealni centrični poziciji bata 𝐷_sr, povprečne višine reže 𝑠, specifične gostote hidravlične kapljevine 𝜌 in njene kinematične viskoznosti 𝜐, dolžine prekritja ohišja čez bat 𝐿 in končno od faktorja srednosti oziroma izsrednosti krmilnega bata v izvrtini 𝑓_izsr (pri idealno centriranem batu glede na izvrtino: 𝑓_izsr = 1, pri maksimalno ekscentričnem batu: 𝑓_izsr = 2,5) [19].

(23)

3 Metodologija raziskave

Tretje poglavje predstavlja metodologijo, s katero smo dosegli končne rezultate ter opisuje preizkuševališče s ključnimi elementi za izvedbo raziskave.

3.1 Obravnavani ventil

Trajnostni preizkus smo opravili na proporcionalnem 4/3 potnem ventilu proizvajalca AIDRO z oznako HD3-AMPS-1PC-R4/10. Ker je bil z njim pred tem že opravljen trajnostni test z oljem, smo ga najprej razstavili in očistili. Popisali smo stanje komponent ventila s slike 3.1 za kasnejše ovrednotenje relativne obrabe glede na začetno stanje ter število ciklov.

Sledila je prva meritev notranjega puščanja z vodo kot hidravličnim medijem.

Ohišje je 3D-tiskano iz avstenitne nikelj-kromove superzlitine z imenom blagovne znamke Inconel. Ta je namenjena delovanju v ekstremnih okoljih, predvsem za visoko temperaturne aplikacije.

Ventil je zasnovan na 3D tiskanem ohišju s skoznjo luknjo in na spodnji strani štirimi vhodi za tlačni, povratni in dva delovna voda. Krmilni bat se previdno vstavi v namensko skoznjo luknjo s finimi tolerancami za minimalno zračnost. Na vsak konec bata se položi podložko, nato vzmet. Jedro oziroma ključ je vstavljen v elektromagnet, ta pa je privit na konec ohišja, da omogoča dotik ključa in krmilnega bata. Tuljavo se s pokrovom pritrdi na elektromagnet, O-tesnila pa previdno položi v namensko izdelane utore, da preprečujejo iztek kapljevine že pred ohišjem s tesnjenjem kontakta ob priključni plošči. Sestavljen ventil se nato previdno pritrdi na priključno ploščo, na katero privijemo cevne priključke za dovod hidravličnega medija. Paziti je treba, da štirje imbus vijaki za pritrditev ohišja niso prenapeti, saj lahko povzročijo trajne poškodbe ohišja in posledično nedelovanje celotnega ventila.

Ta postopek smo uporabili vsakič, ko sta nas ob nedelovanju ali po daljšem obratovanju zanimala novo stanje komponent in stopnja obrabe krmilnega bata in ohišja. Po oceni stanja smo ventil očistili in poskrbeli, da je bilo izhodiščno stanje pred novo stopnjo preizkušanja kar se da podobno izhodiščnemu. Po potrebi smo ob daljši neuporabi na hidravlični kapljevini izpostavljene površine nanesli mazivo za odstranjevanje vode.

(24)

Metodologija raziskave

10

Slika 3.1: Komponente AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 pred začetkom vodnega testiranja

3.2 Vodno preizkuševališče

Pred začetkom izvedbe trajnostnega testa smo morali zagotoviti ustrezne pogoje delovanja vodnega preizkuševališča (slika 3.2). Začeli smo z montažo krogotoka za hladilno tekočino.

Ker je bila frekvenca preklapljanja ventila visoka, smo z dodatno, na ohišje privarjeno nosilno površino zagotovili togo vpetje plošče uporabljenega ventila. Preizkuševališče smo zaščitili z močnejšim kartonom, ki bi v primeru zatajitve katere izmed komponent vodo usmeril v zbiralnik. Tekom uporabe smo preizkuševališče izboljševali z odpravljanjem napak, ki so se pojavile. Nekatere, kot je namestitev jeklenih kolen vidnih na sliki 3.2 namesto gibkih cevi v izogib poškodbi gume zaradi močnega curka čez zaslonko, smo predhodno že predvideli. Preizkuševališče ni bilo opremljeno s filtrom.

Na cevi povratnih vodov smo namestili 1,2-milimetrski zaslonki glede na željen ciljni pretok čim bližje 20 l/min glede na enačbo (3.1).

𝑄 = 𝐴 ∙ 𝑘 ∙ √2 ∙ ∆𝑝

𝜌 (3.1)

Pretok 𝑄 je odvisen od pretočne površine 𝐴, koeficienta zaslonke k (predstavlja hidravlični izkoristek zaslonke glede na njeno geometrijo), tlačnega padca ∆𝑝, gostote vode 𝜌 in se ne spreminja z njeno temperaturo, torej ni odvisen od viskoznosti.

(25)

Trajnostni test smo nadzorovali preko vmesnika s programom za vnos parametrov in z njimi povezanim režimom delovanja elektromagnetov ter zagona črpalke.

(a) (b)

Slika 3.2: (a) Vodno preizkuševališče za prvo merjenje izteka. (b) Ventil s priključenimi vodi ter kolenoma za zaslonkama na delovnih vodih A in B

Celotno preizkuševališče je torej obsegalo voziček z vodnim rezervoarjem ter glavno krmilno postajo, togim cevnim sistemom za hlajenje hladilne tekočine in vmesnik z naloženim programom za nadzor parametrov.

Slika 3.3 prikazuje shemo preizkuševališča, ki ima tri črpalke, vsako za svoj krogotok. Prva, najmočnejša črpalka (1) ustvarja željen tlak za izvajanje trajnostnega preizkusa proporcionalnega ventila (2). Na P vodu z manometrom (3) opazujemo tlak obremenitve ventila. V primeru preobremenitve je s P voda preko varnostnega ventila (4) speljan dodaten povratni vod nazaj v glavni rezervoar (5). Iz tega nizkotlačna centrifugalna črpalka (6) z velikim pretokom (iztisnino) dovaja toplo vodo v izmenjevalnik toplote (7). Slednji toploto odda hladilni tekočini tretjega krogotoka iz manjšega rezervoarja (8), ki se hladi v hladilniku z ventilatorjem (9). Hladilno tekočino prečrpava podobna centrifugalna črpalka (10), kot je črpalka (6).

(26)

12 Slika 3.3: Shema hidravličnega preizkuševališča za izvedbo trajnostnega testiranja ventila

3.3 Postopek merjenja

Merjenja notranjega puščanja smo opravljali v nekajdnevnih intervalih. Ob vsakem merjenju, ki je potekalo pri delujočih črpalkah in neaktivnih elektromagnetih, smo tlačno cev pritrdili zaporedno na P, A in B vod in na sosednjih vodih (A in B, T in P, T in P glede na prejšnje zaporedje), ki niso bili povezani s skupnim povratnim vodom, opazovali notranje puščanje v dva ločena merilna valja. Normirano odčitano puščanje vode za posamezen vod glede na pretečen čas nam je dalo vrednost izteka kapljevine. Vsako meritev smo izvedli tri do štirikrat zaporedoma in povprečili vrednosti za izločitev naključnih rezultatov in preverjanje ustreznosti odstopajočih meritev.

Pri vsaki meritvi smo zagotovili tlak P voda 300 bar in odčitali temperaturo vode v sistemu.

3.4 Parametri merjenja

Pred začetkom trajnostnega testa smo določili glavna neodvisna procesna parametra, ki sta tekom izvajanja ostala enaka. Tlak P voda je bil 300 bar in frekvenca preklapljanja 5 Hz s preklopom vsakih 0,2 s.

(27)

Slika 3.4 prikazuje tlačne razmere v ohišju ventila ob premikanju bata v obe skrajni legi s frekvenco 5 Hz. P vod je stalno obremenjen s tlakom, ki niha okoli povprečnega tlaka 300 bar. Glede na skrajno lego bat zapira dotok kapljevine delovnima vodoma enkrat A, drugič B. Delovna voda sta v izmeničnih nasprotnih stanjih 0 bar in 300 bar. Med premikanjem bata tlak P voda naraste, saj premikajoči bat predstavlja tlačno oviro s pripiranjem izhodnih vodov.

Slika 3.4: Izmerjen tlak v odvisnosti od časa v posameznih vodih B, P in A pri frekvenci 5 Hz

Odvisni merjeni parametri, pomembni za interpretacijo rezultatov so bile vrednosti notranjega puščanja na posameznih vodih in temperatura vode.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

5 5.1 5.2 5.3 5.4

𝑝, bar

𝑡, s

B vod P vod A vod

(28)

14

4 Rezultati

Za boljšo preglednost so rezultati predstavljeni v podpoglavjih glede na opravljeno število ciklov oziroma pretečenega časa med meritvami.

Pomembno dejstvo je izhodiščno stanje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10, ki je bil predhodno že uporabljen za trajnostni test z oljem pri tlaku 350 bar, povprečno temperaturo olja 70° C in opravljenimi 1,9 milijona cikli [21].

4.1 Prve meritve z vodo kot hidravličnim medijem

Za lažje ovrednotenje končnih ter vmesnih rezultatov smo z očiščenim ventilom opravili meritve notranjega puščanja brez predhodnega trajnostnega preklapljanja.

Izvedba meritev pri tlaku 300 bar in temperaturo vode 36 °C (meritvi prvih dveh vrstic preglednice 4.1) ter 40 °C (meritve zadnje vrstice preglednice 4.1).

Preglednica 4.1: Rezultati meritev notranjega puščanja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 pred začetkom trajnostnega preizkusa

Notranje puščanje merjenih vodov [ml/min]

Tlačno obremenjeni vodi

P A B T

P / 801,72 803,36 /

A 147,50 / / 904,13

B 474,05 / / 506,64

Krmilni bat ventila je bil kljub 1 900 000 ciklih v olju pred začetkom našega preizkušanja z vodo v odličnem stanju glede korozijske obrabe in rjavenja, ki ju s prostim očesom ni bilo opaziti. Slika 4.1 ga prikazuje po čiščenju in pred začetkom preizkušanja.

(29)

Rezultati

Slika 4.1: Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 pred začetkom trajnostnega preizkusa z vodo

Poleg krmilnega bata je najbolj občutljiva drsna površina notranjost ohišja. Slika 4.2 prikazuje sprednji pogled pod kotom, ki omogoča oceno površine kolobarjev med komorami ohišja. Podobno kot pri krmilnem batu je tudi notranjost ohišja odlično ohranjena, vidnih znakov rjavenja in drugih mehanizmov obrabe ni.

Slika 4.2: Ohišje s pritrdilnimi vijaki AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 pred začetkom trajnostnega preizkusa z vodo

(30)

Rezultati

16

4.2 Stanje ventila po dneh neuporabe

Za vzpostavitev pogojev trajnostnega preizkusa smo potrebovali tudi delujoči vmesnik s programom preklapljanja. Ker je postopek trajal nekaj dni, je bila notranjost ventila ves čas omočena z vodo (v obdobju štirih dni), ki je tam ostala od prvega merjenja notranjega puščanja. Ob preizkušanju vklopa elektromagnetov za premik krmilnega bata se ta ni odzival kljub delujočemu programu.

Sliki 4.3 prikazujeta neočiščeno ohišje ventila in njegovo notranjost. Iz detajla so razvidne sledi korozijskega erodiranja, na to nas opozarja predvsem drastična sprememba barve na prizadetih površinah. Krmilni bat smo s težavo ločili od ohišja. Na sliki 4.4 je prikazan pred čiščenjem. Vidna je spremenjena barva zaradi korozije ter posledično večja hrapavost površin. Podobno velja za notranjost ohišja.

Da se podobne težave ne bi ponovile, smo ventil spihali in očistili ter razstavljene sestavne dele, namenjene stiku s hidravlično kapljevino, shranili ločeno v zaprtem okolju z nižjo vlažnostjo do naslednje uporabe.

(a) (b)

Slika 4.3: (a) Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po štirih dneh neuporabe. (b) Detajl notranjosti ohišja ventila po štirih dneh neuporabe

(31)

Rezultati

Slika 4.4: Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po štirih dneh neuporabe

4.3 Meritve po 477 000 ciklih

Obravnavani ventil smo sestavili šele pred zagonom preizkuševališča. Očiščen ventil je bil dobro ohranjen, a kljub temu drugače obarvan glede na začetno stanje. S prostim očesom ostalih sprememb nismo opazili.

Druge meritve notranjega puščanja vode smo opravili po 477 000 zaporedno opravljenih ciklih. Neprekinjeno delovanje je trajalo 25,5 ur. Izvedba meritev pri tlaku 300 bar in temperaturo vode 35 °C je dala rezultate predstavljene v preglednici 4.2. Pri meritvah tlačno obremenjenega P voda smo izločili meritev, ki je drastično odstopala od povprečja ostalih.

Pretečen čas je bil namreč še enkrat večji, vrednost relativnega izteka pa enkrat manjša. Pred nadaljevanjem meritev smo bat nekajkrat preklopili, kar je vplivalo na enotnejše rezultate.

Preglednica 4.2: Rezultati meritev notranjega puščanja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po 477 000 ciklih

P A B T

P / 1309,00 1379,67 /

A 246,76 / / 1392,02

B 750,23 / / 820,70

4.4 Meritve po 1 500 000 ciklih

V tej fazi je preizkuševališče delovalo dodatnih neprekinjenih 80 ur v katerih naj bi ventil poleg dosedanjih 477 000 naredil dodatnih 1 500 000 ciklov. Ker pa je imel curek skozi zaslonko toliko energije, je prebil koleno, slika 3.2. Del tako poškodovanega kolena je viden na sliki 4.5. Krmilni bat se je med preizkusom kljub delovanju elektromagnetov v tej fazi

(32)

Rezultati

18 ustavil. Prebito koleno z A voda smo nadomestili s togo cevjo s postopnim 90-stopinjskim zavojem v izogib točkovni preobremenitvi cevi zaradi kinetične energije vode in kavitacije.

Enako zamenjavo smo preventivno izvedli tudi na mestu drugega kolena.

Da bi ugotovili razlog zaustavitve ventila, smo ga razstavili. Opazili smo, da je bila ena izmed vzmeti med elektromagnetom in podložko trajno poškodovana. Vzmet, ki sicer služi kot protisila elektromagnetni sili ter posledično preprečuje poškodbe konca elektromagneta, je ob porušitvi povzročila neravnovesje aksialnih sil in s tem nezmožnost krmiljenja bata.

Ta je bil v dobrem stanju, saj poleg temnejšega obarvanja s prostim očesom nismo opazili dodatne korozijske obrabe. Podobno velja za notranjost ohišja (slika 4.5), kjer sicer opazimo malenkostne posledice korozijske erozije glede na tiste, opisane v podpoglavju 4.2. Slika 4.6 prikazuje stanje krmilnega bata in obe originalni vzmeti, delujočo in zlomljeno.

Skupno opravljene cikle obremenjevanja smo zaradi pomanjkanja informacij o času zaustavitve krmilnega bata zmanjšali za pol milijona na do sedaj skupnih 1 500 000.

Pred izvedbo meritev notranjega puščanja vode v tej fazi smo počeno vzmet nadomestili z novo, ki je imela zelo podobno togost in osnovne mere.

(a) (b)

Slika 4.5: (a) Del kolena z vidno poškodbo nastalo zaradi vodnega curka. (b) Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po skupno 1 500 000 ciklih

(33)

Rezultati

Slika 4.6: Spodnji del ohišja brez O-tesnil, krmilni bat, podložki in originalni vzmeti AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po 1 500 000 ciklih

Meritve te faze smo izvajali s tlakom 300 bar in povprečno temperaturo vode 25 °C.

Rezultati meritev notranjega puščanja so predstavljeni v preglednici 4.3.

Preglednica 4.3: Rezultati meritev notranjega puščanja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po opravljenih 1 500 000 ciklih

P A B T

P / 957,22 928,08 /

A 384,74 / / 861, 08

B 565,81 / / 522,50

4.5 Meritve po 2 000 000 ciklih

Pri delovanju sistema za izvajanje novih pol milijona ciklov so ponovno nastopile težave zaradi vodne erozije in zelo verjetno tudi zaradi kavitacije. Ena izmed togih cevi novega para za pravokotni zavoj vodov A in B (podpoglavje 4.4) je utrpela poškodbo na dveh bližnjih točkah, kjer se je vodni curek iz zaslonke upiral spremembi smeri toka. Ponovno smo nadomestili oba omenjena dela tokrat s parom togih daljših cevi z večjim radijem ukrivljenosti. S tem smo povečali razdaljo med zaslonko in stikom curka s cevjo, tako da je imel vodni curek manj razpoložljive energije za odnašanje materiala ob prisilni spremembi smeri v cevi. Nova sestavna dela sta bila potrebna zaradi nujne spremembe smeri toka vode do vodnega rezervoarja in črpalke.

(34)

Rezultati

20 Po zabeleženih 577 000 ciklih nadaljevanega testiranja (od tega upoštevanih 500 000 zaradi problematične določitve točnejšega časa prekinitve preklapljanja) se je trajnostno utrudila in zlomila tudi druga vzmet. Ob razstavljanju ventila krmilni bat ni več prosto padel iz ohišja.

Razlog je bila še zadnja originalna počena vzmet, ki se je zagozdila med ohišje in bat.

Poškodovano vzmet smo previdno odstranili iz ohišja. Za ločitev krmilnega bata od ohišja je bila potrebna malo večja sila, saj je bila minimalna zračnost zapolnjena z drobnimi delci nastalimi ob utrujanju in koroziji vzmeti. To smo zamenjali z, glede togosti in dimenzij, zelo podobno novo neoriginalno vzmetjo, ki ni bila povsem identična že prej zamenjani vzmeti z druge strani ventila. Razlike so bile sicer minimalne, a smo bili ob vsakem razstavljanju vseeno pozorni, da smo pri ponovnem sestavljanju ločevali med komponentami z ene in druge strani.

Na tej stopnji je bil krmilni bat že bolj izrazito obarvan, kar prikazuje slika 4.7. Opazijo se lisasti vzorci kot posledice obrabe zaradi radialne ekscentričnosti oziroma dolgotrajne blage korozije, ki zaradi stalnega pretoka in spreminjanja lege krmilnega ventila nima tako velikega vpliva kot v mirovanju, predstavljenem v podpoglavju 4.2. Največja sprememba pa se pozna na površinah bata, ki so najbližje ohišju.

Slika 4.7 jasno kaže stopnjo obrabe, ki je cilindrično obliko teh delov bata spremenila v sodčasto. Ob taki spremembi imajo cilindrične zareze, ki omogočajo natančnejše krmiljenje sistema manjši vpliv, saj sodčasta oblika omogoča dotok vode ne le v zareze, ampak tudi v del erozijsko posnetega bata. Ta pojav smo na tej stopnji tako izrazito opazili prvič.

Specifični so bili tudi pogoji, v katerih se je preklapljanje v tej stopnji izvajalo. Zaradi počene erozijsko načete vzmeti so bili v obtoku drobni trdni delci. Poleg tega se je krmilni bat premikal še nekaj časa po poškodbi vzmeti in sicer v ekscentrični legi. Vse te nepravilnosti so se s trajnostnega vidika odrazile z drastično spremembo oblike krmilnega bata.

Slika 4.8 (a) prikazuje v ohišju zagozdeno vzmet od katere so med preizkušanjem zaradi utrujanja odpadali drobni delci, ki so pospeševali obrabo krmilnega bata ter ohišja na sliki 4.8 (b), kjer opazimo rjavkaste sledi. Po čiščenju omenjenih sestavnih delov ventila smo opazili, da sta oba v dobrem stanju, obarvana pa sta bila predvsem zaradi korozijsko razjedene počene vzmeti.

V preglednici 4.4 so predstavljene meritve po 2 000 000 ciklih pri tlaku 300 bar in temperaturi 40 °C.

P A B T

P / 2752,47 2819,12 /

A 1096,10 / / 2565,65

B 1408, 27 / / 1140, 80

(35)

Rezultati

Slika 4.7: Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po 2 000 000 ciklih

(a) (b)

Slika 4.8: (a) Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 z zagozdeno originalno vzmetjo. (b) Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po skupno 2 000 000 ciklih

4.6 Meritve po 3 390 000 ciklih

V treh dneh neprekinjenega delovanja je ventil opravil dodatnih 1 390 000 ciklov. V tem času je zaradi visokih temperatur in izhlapevanja v prostoru, kjer se preizkuševališče nahaja nivo vode v rezervoarju padel do te mere, da je ventil del preklopov opravil brez pretoka vode med ohišjem. Ob ponovnem zagonu se krmilni bat ni odzival, zato smo ga razstavili in preučili.

(36)

Rezultati

22 Pri ločevanju krmilnega bata od ohišja smo morali uporabiti večjo silo, saj je bil bat zagozden na mestu, brez možnosti pomikov po ohišju ali rotacije okoli svoje osi. Na sliki 4.9 opazimo bolj agresivne poškodbe notranjosti ohišja. Neočiščen krmilni bat na sliki 4.10 je na zožitvah prekrit z drobnimi trdnimi delci, ki so povzročali upor ob drsenju bata skozi ohišje.

Merjenje notranjega puščanja je bilo zato na tej stopnji neuspešno. Po čiščenju ventila se je ta ob vklopu elektromagnetov odzival. Takoj ko smo ventil izpostavili vodnemu tlaku 300 bar pri prostih delovnih vodih, pa se krmilni bat ni več premaknil. Čiščenje ventila smo ponovili z alkoholom in tlačnim zračnim curkom, a je bil rezultat enak. Notranjega puščanje v takih pogojih je bilo več kot desetkrat manjše od prejšnjih meritev.

V rezervoarju smo zamenjali vso vodo in s tem usedline, da kapljevina ni bila več motna. S sprejem za odstranjevanje vode in preprečevanje korozije smo premazali za nekaj ur razstavljene oksidacijsko občutljive sestavne dele ventila. Sledeče meritve so bile uspešnejše, saj je ventil deloval tudi po tlačni obremenitvi z vodo.

Slika 4.9: Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po skupno 3 390 000 ciklih pred čiščenjem

(37)

Rezultati

Slika 4.10: Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po 3 390 000 ciklih pred čiščenjem

V preglednici 4.5 so predstavljene meritve po 3 390 000 ciklih pri tlaku 300 bar in temperaturi 40 °C.

P A B T

P / 1394,50 1526,15 /

A 1230,68 / / 2071,03

B 1356,20 / / 5066,25

Opomba: Meritve puščanja pri tlačnih obremenitvah na A in B temeljijo na krajših merjenih časih kot meritve iz vrstice

Pretok vode pri meritvah notranjega puščanja v primeru tlačno obremenjenih vodov A in kasneje B je bil po nekaj sekundah predvsem na P vodu skoraj ničen, zato smo predpostavili puščanje ob stalnem začetnem pretoku.

4.7 Primerjava meritev notranjega puščanja

Skupni končni rezultati meritev notranjega puščanja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC- R4/10 v odvisnosti od opravljenih ciklov krmilnega bata so predstavljeni z grafi na slikah 4.11, 4.12 in 4.13.

(38)

Rezultati

24 Slika 4.11: Spreminjanje notranjega puščanja AIDRO ventila v odvisnosti od opravljenih ciklov s

tlakom 300 bar na P vodu

Slika 4.12: Spreminjanje notranjega puščanja AIDRO ventila v odvisnosti od opravljenih ciklov s tlakom 300 bar na A vodu

0 477000 1500000 2000000 3390000

A 801.72 1309 957.22 2752.47 1394.5

B 803.36 1379.67 928.08 2819.12 1526.15

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

𝑄, ml/min

𝑛

0 477000 1500000 2000000 3390000

P 147.5 246.76 384.74 1096.1 1230.68

T 904.13 1392.02 861.08 2565.65 2071.03

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

𝑄, ml/min

𝑛

(39)

Rezultati

Slika 4.13: Spreminjanje notranjega puščanja AIDRO ventila v odvisnosti od opravljenih ciklov s tlakom 300 bar na B vodu

0 477000 1500000 2000000 3390000

P 474.05 750.23 565.81 1408.27 1356.2

T 506.64 820.7 522.5 1140.8 5066.25

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

𝑄, ml/min

𝑛

(40)

26

5 Diskusija

Z večjim številom opravljenih ciklov je notranje puščanje hitro naraščalo. Ventil je bil v osnovi zasnovan za potrebe oljne hidravlike. Ker pa se hidravlična oprema glede na uporabljen hidravlični medij razlikuje, smo lahko v našem primeru pričakovali nestabilne rezultate.

Voda ima nižjo viskoznost kot hidravlična olja, zato se lažje pretaka med ohišjem in krmilnim batom z večjo zračnostjo, ki sicer ustreza bolj viskoznim kapljevinam. Ta fizikalna veličina se spreminja z višanjem temperature, kar je bil pomemben dejavnik za količino notranjega puščanja pri različnih meritvah. V nekaterih primerih smo izmerili 40 °C v drugih pa sobne temperature. Skladno s tem smo imeli v primerih z višjo temperaturo večje vrednosti notranjega puščanja tudi ob zanemarjanju vpliva trajnostne obrabe. Med trajnostnim preizkusom pa je temperatura narasla nad 50 °C, kar je vplivalo na nižjo viskoznost vode in manjše pretočne upore.

Mirovanje po uporabi v vodi je bilo za ventil kot celoto najmanj ugodno. Vlažnost je povzročala površinske korozijske poškodbe notranjosti ohišja in predvsem krmilnega bata.

V aktivnem stanju je voda neprestano spirala erodirane delce in imela učinek mazanja ventila. Poleg tega so bile površine bata zaradi stalnega premikanja in rotacije enakomerneje izpostavljene obrabnim mehanizmom.

Nekatere izmed zaporednih meritev za izračun povprečja notranjega puščanja smo izločili zaradi prevelikih odstopanj, ki so bila posledica aksialnega položaja bata in zaostalih premikov vzmeti (predvsem pri uporabi obeh neoriginalnih vzmeti). Velik vpliv na nestanovitnost notranjega puščanja ima tudi radialna ekscentričnost krmilnega bata, upoštevana v enačbi notranjega puščanja (2.1), ki se ob pretakanju kapljevine pri merjenju spreminja. Shematski prikaz primera radialne ekscentričnosti krmilnega bata je prikazan na sliki 5.1. Kljub izločanju opaznejših odstopanj, so ti dejavniki vplivali na naše rezultate, saj ne vemo, kakšne bi bile vrednosti brez njih.

Kot omenjeno smo ob odpovedi komponent te nadomestili z novimi. Navkljub naši oceni o primernosti nadomestnih dveh vzmeti, sta zagotovo imeli drugačno togost, kar je vplivalo na hitrost odziva krmilnega bata glede na premik ključa v magnetnem polju. Tudi minimalna razlika med obema vzmetema je pomenila stalen nagib od aksialno nevtralnega položaja tudi v ničelni legi.

(41)

Diskusija

Slika 5.1: Poenostavljen prikaz radialne ekscentričnosti krmilnega bata (obarvan sivo) glede na skoznjo luknjo v ohišju (obarvana črno)

Nestalnost zunanjih pogojev je imela večji vpliv na rezultate, kot človeška napaka pri merjenju notranjega puščanja in odčitavanju vrednosti z merilnih valjev.

Proti koncu trajnostnega preizkusa smo lahko posplošili glavni razlog za mikroskopske trdne delce, ki so se nabirali v ohišju in motno rjavkasto obarvali uporabljeno vodo. Originalne, kot tudi zamenjane vzmeti, so zaradi velike površine glede na svoj volumen hitro korodirale.

Poleg tega so bile dolgoročno natezno in tlačno izmenično obremenjene. Drobni delci so bili postopoma odplaknjeni do ohišja in med kolobarje, kjer so povzročali škodo na stičnih površinah krmilnega bata in ohišja. Vzmeti so bile šibki člen, vpliv vode kot hidravlične kapljevine pa jih je najbolj prizadel. Nefiltrirana voda pa je imela zaradi kumulativnega učinka kopičenja trdnih delcev velik vpliv na obrabo ventila. Ta vpliv se je še povečal zaradi nizkega nivoja vode, zaradi katerega so v obtok prišle tudi usedline iz dna rezervoarja. Slika 5.2 prikazuje hidravlični kapljevini in tlačnim razmeram najbolj izpostavljen sestavni del.

Obraba je neprimerljivo manjša glede na korozijsko najbolj prizadeti mesti s slike 5.3.

Opazili smo zanimivo spreminjanje cilindrične oblike krmilnega bata. Na sliki 4.7 je, kot že omenjeno, vidna sodčasta oblika, ki pa ni ostala enaka do konca preizkusa. Na sliki 5.2 ima ponovno obliko podobno izhodiščni. Možna interpretacija je postopna obraba v dveh delih glede na značilnosti posamezne stopnje preizkusa. V prvem kot posnetje robov ob cilindričnih zarezah in v zadnji fazi obraba srednjega dela do enakega nivoja.

Slika 5.2: Oksidacijske posledice na očiščenem krmilnem batu AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC- R4/10 po 3 390 000 ciklih

(42)

Diskusija

28 (a) (b)

Slika 5.3: (a) Spodnji del ohišja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po 3 390 000 ciklih. (b) Korozijsko načeta nadomestna vzmet uporabljena v ventilu AIDRO HD3-AMPS-1PC-R4/10 ob

podložki

Presegli smo zadano število opravljenih preklopov in preučili obnašanje proporcionalnega 4/3 ventila AIDRO HD3-AMPS-1PC-R4/10 ob trajnostnem preizkusu z vodo. Kljub odpovedi komponent smo jih nadomestili, da smo lahko nadaljevali z opazovanjem ostalih manj opaznih sprememb. Ker se ob interpretaciji rezultatov odpirajo nova vprašanja, je prostora za razširitev raziskave še veliko.

(43)

6 Zaključki

Ob zaključni nalogi tematike trajnostnega preizkusa proporcionalnega hidravličnega potnega ventila izdelanega s sodobno tehnologijo, smo ugotovili sledeče.

1) Uspešno smo postavili krogotok za hlajenje hladilne tekočine.

2) Izmerili smo notranje puščanje ventila po več kot treh milijonih ciklov, ki je bilo med 0,8 in 5 l/min.

3) Pokazali smo kateri sestavni deli so najbolj občutljivi pri uporabi vodne hidravlike.

4) Rezultati so pokazali, da je obnašanje ventila v obravnavanih pogojih nestabilno.

5) Ugotovili smo nekatere pomanjkljivosti preizkuševališča.

6) Pokazali smo, da je razlogov za različno izmerjeno notranje puščanje veliko, od ekscentričnosti do temperature kapljevine.

7) Dosegli smo več kot 3 390 000 ciklov z istim krmilnim batom in ohišjem.

8) Pokazali smo, da je daljša prekinitev delovanja ventila v vodnem krogotoku neprimerna in povzroča največ nevšečnosti.

Glavni doprinos zaključnega dela so rezultati, ki omogočajo boljše predvidevanje podobnih trajnostnih preizkusov ob izločitvi zaviralnih dejavnikov. Prikazali smo del problematike, ki v večjem obsegu onemogoča hitrejši prehod hidravlike na uporabo potencialnega hidravličnega medija prihodnosti.

Predlogi za nadaljnje delo

Prvi predlog je uporaba ustrezno finega vodnega filtra. Ob uporabi vzmeti iz nerjavnega jekla bi preizkušanje teklo bolj nemoteno, predvsem če se zavedamo, da so bile standardne vzmeti glavni razlog težav. Trajnostne preizkuse bi lahko izvajali pri več stalnih temperaturah za določitev širšega vpliva temperature. Enako bi lahko storili z več različnimi frekvencami preklapljanja bata. Predlog za nadaljnje delo bi bila tudi različna montaža ventila ob izvajanju preizkusa (priključna plošča nad ventilom, vodoravna montaža, itd.) Za natančnejšo interpretacijo rezultatov, bi lahko s točnimi merilnimi napravami pomerili spremembe največjega zunanjega premera bata po vsaki stopnji.

(44)

30

Literatura

[1] F. Majdič, J. Pezdirnik, M. Kalin: Razvojno preizkušanje vodnega zvezno delujočega drsniškega potnega ventila. Ventil (2009), letnik 15, številka 6, str. 516-524.

URN:NBN:SI:doc-DJDONXPF from http://www.dlib.si

[2] S. L. Sing, W. Y. Yeong: Laser powder bed fusion for metal additive manufacturing:

perspectives on recent developments, Virtual and Physical Prototyping, vol. 15, no.

3, pp. 359–370, 2020, doi: 10.1080/17452759.2020.1779999.

[3] Additive Manufacturing Research Group - Loughborough University : Powder Bed Fusion. Dostopno na:

https://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/the7categoriesofadditivemanufacturing /powderbedfusion/, ogled: 22. 7. 2021.

[4] ISO/ASTM 52900:2015(en): Additive manifacturing – General principles - Terminology.

[5] Tadeja Muck, Igor Križanovskij: 3D-tisk. Založba Pasadena, Ljubljana 2015.

[6] Kate Cummins: The rise of additive manifacturing. Dostopno na:

https://www.theengineer.co.uk/the-rise-of-additive-manufacturing/, ogled: 23. 7.

2021.

[7] J. Scott, N. Gupta, C. Wember, S. Newsom, T. Wohlers, T. Caffrey: Additive Manufacturing: Status and Opportunities, no. March, pp. 935–940, 1998.

[8] B. Kraut: Krautov strojniški priročnik (šestnajsta slovenska popravljena izdaja).

Knjigotrštvo Buča, Ljubljana, 2017.

[9] J. Ning, S. J. Na, C. Hong Wang, L. J. Zhang: A comparison of laser-metal inert gas hybrid welding and metal inert gas welding of high-nitrogen austenitic stainless steel, Journal of Materials Research and Technology, vol. 13, pp. 1841–1854, Jul.

2021, doi: 10.1016/J.JMRT.2021.05.113.

[10] Q. Hu, X. Zhao, X. Tian, M. Wang, Z. Wang, X. Xu: Raman suppression in high- power fiber laser oscillator by long period fiber grating, Results in Physics, vol. 26, p. 104460, Jul. 2021, doi: 10.1016/J.RINP.2021.104460.

(45)

[11] Katalog EOS: EOS M 290. Dostopno na: https://www.eos.info/03_system-related- assets/system-related-contents/_pdf_system-data-

sheets/eos_system_data_sheet_eos_m_290_en.pdf, ogled: 24. 7. 2021

[12] F. Majdič: Hidravlika in pnevmatika: konvencionalni potni ventili (predloga za predavanja). Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2021.

[13] N. Herakovič: Proporcionalna hidravlika: uvod (zapiski in predloga za predavanja).

Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2021.

[14] N. Herakovič: Hidravlika in pnevmatika: uvod (zapiski in predloga za predavanja).

[15] F. Majdič: Hidravlični simboli: povzeto po standardu ISO 1219-1 (2006-10-15).

[16] M. Kalin: Tribologija: maziva (predloga za predavanja). Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2021.

[17] S. Z. Erhan: Vegetable Oils as Lubricants, Hydraulic Fluids, and Inks, in Bailey’s Industrial Oil and Fat Products, American Cancer Society, 2005. doi:

https://doi.org/10.1002/047167849X.bio055.

[18] E. Trostmann: Tap Water as a Hydraulic Pressure Medium, CRC Press, Boca Raton, 2018, str. 1–9.

[19] F. Majdič, J. Pezdirnik, M. Kalin: Experimental validation of the lifetime

performance of a proportional 4/3 hydraulic valve operating in water, Tribology International, vol. 44, no. 12, pp. 2013–2021, Nov. 2011, doi:

10.1016/J.TRIBOINT.2011.08.020.

[20] F. Majdič, J. Pezdirnik, M. Kalin: Primerjava sistemov vodne in oljne pogonsko- krmilne hidravlike. V: KASTREVC, Mitja (ur.), LOVREC, Darko (ur.): Zbornik prispevkov Strokovne konference Fluidna tehnika 2007, Maribor, Slovenija, 2007, str. 81-92.

[21] F. Majdič: Pressure test of Aidro valves. Laboratorij za fluidno tehniko (LFT), Fakulteta za strojništvo univerze v Ljubljani, Ljubljana, 2020.