Ventil 1 / 2024 • Letnik 30 1 Splošno o hidravličnih čepih Z vidika hidravlike se čepi večinoma uporabljajo za zapiranje tehnoloških izvrtin (t. i. zapirni čepi) in drugih pretočnih kanalov ter tako preprečujejo puščanje tekočine navzven. Med drugim se čepi uporabljajo tudi za omejevanje giba bata (t. i. ome- jevalniki giba). Za podrobnosti glej sliko 1. Standardni čepi se navadno izberejo na osnovi ponudbe v katalogu dobavitelja (poz. 1 na sliki 1), nestandardni čepi pa so običajno plod lastnega ra- zvoja (poz. 2 na sliki 1). Za slednje se v fazi razvoja večinoma uporablja teorija vijačnega spoja. Obstaja več različnih standardov (npr. ASTM, ISO, SAE …) in smernic (npr. VDI 2230), ki podpirajo in vodijo kon- strukterja med razvojem komponente ([1], [2], [3]). 1.1 Hidravlični čepi in njihova uporaba v podjetju Standardni čepi se uporabljajo v številnih različnih hidravličnih komponentah (npr. hidravlični motorji, črpalke, ventili …). Za zadovoljevanje proizvodnih potreb se uporabljajo različni dobavitelji čepov. Iz- bira standardnega čepa je relativno preprosta. Kon- strukter ga izbere na podlagi kataloških podatkov dobavitelja (primer na sliki 2). Glavni konstrukcijski parametri so sledeči: velikost čepa, delovni/nazivni tlak in površinska zaščita. Konstrukterju ni potrebno določiti oz. izbrati vrste materiala in izvesti končne validacije (če so obre- menitve v predpisanem območju). To je odgovor- nost proizvajalca čepa. Nestandardni čepi (slika 3) pa so povsem prilagoje- ne konstrukcijske rešitve, ki jih načeloma ni možno kupiti na tržišču. Konstruiranje poteka z upošteva- njem prej omenjenih norm in smernic. Izpolnjeva- nje konstrukcijskih zahtev glede trajnosti, funkcio- nalnosti, zakonodaje in predpisov je torej povsem na strani razvojne ekipe podjetja. Konstrukter ima Slika 1 : Čepi v različnih funkcijah (Vir: Poclain Hydraulics) 28 HIDRAVLIČNI ČEPI mag. Anže Čelik, univ. dipl. inž., Poclain Hydraulics, d. o. o., Žiri; prof. dr. Boris Jerman, univ. dipl. inž., izr. prof. dr. Franc Majdič, univ. dipl. inž., oba Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo s mernIce za KonstruIranje nestandardnIh čepo V Anže Čelik, Boris Jerman, Franc Majdič Izvleček: Prispevek prikazuje in pojasnjuje eksperimentalne aktivnosti, izvedene z namenom vrednotenja mehan- skega odziva nestandardnega čepa kot posledice različnih vrst obremenitev. Poglobljeno razumevanje mehanskega odziva pripomore k pravilni določitvi smernic za načrtovanje tovrstnih komponent. V prvem koraku so bile izbrane različne velikosti obstoječih nestandardnih čepov (upoštevanje učinka velikosti). Izbrani so bili tudi različni materiali, in sicer z namenom analize vpliva vrste materiala. Za eks- perimentalno vrednotenje (vgradnja merilnih lističev) in primerjave z numeričnim pristopom so bili čepi konstrukcijsko nekoliko spremenjeni. Številne eksperimentalne aktivnosti so bile izvedene zaradi vrednotenja notranjih napetosti in spenjalnih sil (kot posledice zateznega momenta), kontaktnih sil in krmilnega tlaka, ki služi za aktivacijo bata itd. Analiza je razkrila številne podrobnosti glede mehanskega odziva čepa, ki prej niso bile poznane. Novo pridobljeno znanje tako pripomore k ustreznejši postavitvi smernic za konstruiranje čepov. Ključne besede: nestandardni čep, eksperimentalni pristop, spenjalna sila, zatezni moment, smernice za konstruiranje Ventil 1 / 2024 • Letnik 30 sicer precej več svobode oblikovanja, a tudi veliko več odgovornosti, primerjajoč z uporabo standar- dnih čepov. Nestandardni čepi so izdelani iz različnih, toda stan- dardiziranih materialov različnih velikosti (npr. M8– M33), različnih vrst navojev (npr. metrični, UNF), različnih oblik tesnjenja (npr. O-tesnilo, ED-tesnilo) in z različno površinsko zaščito (npr. cinkanje, bar- vanje). Za namene te raziskave so bile uporabljene naslednje velikosti čepov: M19x1, M27x1.5 in M33x2. Material se običajno izbere glede na nivo obremeni- tve: za visoke obremenitve se uporablja predvsem 42CrMo4, za srednje pa se običajno izbere 11SMn30 ali ETG100. Omenjeni materiali so uporabljeni tudi za to študijo. 1.2 O konstrukcijski metodi Nestandardni čepi so zasnovani v skladu s smerni- cami po VDI 2230 ter z nekaterimi spremembami in poenostavitvami za čep. Zaradi specifične geo- metrije čepa je izračun spenjalne sile F PM poenosta- vljen: 𝐹𝐹 𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑃𝑃 { 𝑑𝑑 2 2 ∙ t an ( 𝛼𝛼 + 𝜌𝜌 ` ) + 𝜇𝜇 𝑃𝑃 ∙ 𝑑𝑑 𝑚𝑚 2 } 𝜑𝜑 = 𝐹𝐹 𝑆𝑆𝑆𝑆 𝐹𝐹 𝑆𝑆 = 0 ,6 1 3 (1) kjer se parametri T PR , d 2 , α, ρ, μ P , d m nanašajo na za- tezni moment, premer navoja, kot navoja, torni kot, koeficient trenja pod glavo čepa (glej tabelo sl. 5) ter srednji premer navoja. Podrobnosti prikazuje slika 4. Pomen oznak na sliki 4: F trP je sila trenja naležne površine, F PN je sila privijanja navoja, F N je normalna sila, F R je rezultanta sil, F V pa je sila v vijaku. Poleg geometrijskih parametrov, ki so odvisni od HIDRAVLIČNI ČEPI 29 Slika 2 : Izbira čepa iz proizvajalčevega kataloga(Vir: [4]) Slika 3 : Tipičen primer nestandardnega čepa (Vir: Poclain Hydraulics) Slika 4 : Parametri za izračun sile prednapetja (faza privijanja) (Vir: [5]) Tabela 1 : Različni primeri koeficientov trenja (Vir: [6]) Material Koeficient trenja (brez dimenzijsko število) suho mazano statični dinamični statični dinamični jeklo (mehko) / jeklo (trdo) 0,74 0,57 - 0,09-0,19 jeklo (trdo) / jeklo (trdo) 0,78 0,42 0,05-0,11 0,029-0,12 jeklo / cink (prevleka) 0,50 0,45 - - Ventil 1 / 2024 • Letnik 30 30 HIDRAVLIČNI ČEPI dejanske konstrukcije čepa, obstajajo tudi kontaktni parametri (koeficient trenja pod glavo čepa in med navoji). Na splošno niso znani, vendar pomembno vplivajo na izračun spenjalne sile. Za nekatere vna- prej določene pare materialov so podatki podani v ustreznih tabelah (primer tabela 1). 1.3 Dogovorno poimenovanje delov na čepu V izogib zmedi in nepravilnemu razumevanju po- imenovanja sestavnih delov čepa, so ti v nadalje- vanju primerno označeni. Čep kot konstrukcijski element je mogoče razdeliti na različne geometrij- ske domene, in sicer: glava čepa, telo, vrat in koren čepa (slika 5). Odvisno od nestandardne konstrukcije čepa njego- vo telo v nekaterih primerih ni jasno prepoznavno. Za to študijo je izraz čep vedno mišljen kot hidra- vlični čep z navojem. 1.4 Obremenitve Na čep kot navojno zvezo so uvedene sledeče obremenitve:  spenjalna sila kot posledica zateznega momen- ta,  (notranji) torzijski moment kot posledica (zuna- njega) zateznega momenta,  časovno spremenljiva kontaktna sila kot posle- dica omejitve giba bata med prekrmiljenjem,  sila tlaka kot posledica krmilnega tlaka. Zgoraj omenjene obremenitve so bile uporablje- ne za potrebe eksperimentalnega, numeričnega in analitičnega pristopa. 2 Obseg raziskave Cilj te raziskave je razviti metodo za hitro (tj. pri- bližno oz. okvirno) dimenzioniranje nestandardnih čepov. Metoda mora upoštevati statični izračun in izračun z ozirom na utrujenost, ki sta podprta z razpoložljivimi standardi in smernicami. Razvojni ekipi v podjetju je potrebno zagotoviti metodo kot orodje, ki omogoča zanesljiv in enostaven pristop h konstruiranju. V ta namen je potrebno izvesti poglobljeno anali- zo vpliva obremenitev s pripadajočimi induciranimi mehanskimi napetostmi in pomiki, slonečo na eks- perimentalnem in/ali numeričnem pristopu. 3 Eksperimentalni pristop Kljub večletnim izkušnjam konstruiranja čepov še vedno ostajajo nekateri fizikalni fenomeni, ki niso bili podrobno raziskani niti niso dostopni v javno objavljeni literaturi. Na podlagi izkušenj obstoječa teorija vijačnih spojev precenjuje razmerje oz. po- vezavo med zateznim momentom in pripadajočo spenjalno silo v čepu. Posledično je konstrukcija čepa običajno predimenzionirana, in sicer z name- nom, da bi zadostila teoretičnim in/ali numeričnim napovedim (npr. lokalne koncentracije napetosti). Zato je bilo vloženega veliko truda v ustrezno in na- tančno oceno mehanskega odziva čepa z ozirom na predpisane obremenitve. Izvedenih je bilo več različnih eksperimentov. 3.1 Merjenje spenjalne sile Eden od nepoznanih konstrukcijskih parametrov je spenjalna sila. Pojavi se kot posledica uvedbe zate- znega momenta na glavi čepa. Zatorej je za potre- be natančnega vrednotenja spenjalne sile bistvene- ga pomena pravilna in natančna izmera zateznega momenta. 3.1.1 Konstrukcija momentnega ključa Za pravilno in natančno izmero zateznega mo- menta je bilo skonstruirano namensko orodje (t. i. Slika 5 : Dogovorno poimenovanje delov čepa (Vir: Poclain Hydraulics) Slika 6 : Namensko razvit momentni ključ (Vir: Poclain Hydraulics) Ventil 1 / 2024 • Letnik 30 momentni ključ). Merjenje zateznega momenta je mogoče na osnovi vgrajenih merilnih lističev. Za po- drobnosti glej sliki 6 in 7. Pozicije na sliki 6 se nanašajo na: (1) modularni na- stavek ključa, (2) distančnik, (3) vzvod, (4) pritrdilni vijak, (5) matica, (6) merilni lističi. Merilni lističi so bili povezani v polno mostično ve- zavo, pri kateri sta dva merilnika napetosti obre- menjena natezno, dva pa tlačno. Vsi senzorji so bili nadalje povezani s sistemom za zajemanje podat- kov in merilno postajo (oboje proizvajalca National Instruments Corporation). 3.1.2 Modifikacija nestandardnega čepa Zaradi pomanjkanja prostora za pritrditev merilnih lističev in dosego ustreznih jakosti izmerjenih si- gnalov na merilnih lističih, so bili nestandardni čepi dodatno spremenjeni. Vrat čepa je bil podaljšan v aksialni smeri, da se pridobi prostor za merilne li- stiče (slika 8 – levo). Modificirani vratovi so bili pre- kriti z distančniki, ki omogočajo zajem aksialnih sil, vključno s silo prednapetja. Za zaščito senzorjev pred mehanskimi poškodbami so bili merilni lističi prekriti z namensko oblikovano silikonsko gumo (slika 8 – desno). Ustrezne dimenzije spremenjenih čepov so bile pri- dobljene na osnovi številnih trdnostnih analiz po metodi končnih elementov (MKE), kjer so bila simu- lirana napetostno-deformacijska stanja čepov pri maksimalnih pričakovanih obremenitvah. Pri spre- membi geometrije čepa je bila posebna pozornost namenjena temu, da konstrukcijske spremembe bi- stveno ne vplivajo na mehanske lastnosti spreme- njenih konfiguracij čepov glede na izvirne. 3.1.3 Kalibracija merilnika sile Za kalibracijo senzorja sile v čepu je bil zasnovan poseben sistem, ki omogoča simulacijo natezne aksialne sile v čepu (slika 9). Omenjeni sistem je se- stavljen iz ročice oz. vzvoda in puše za pritrditev čepa. Slika 9a prikazuje sistem za kalibracijo senzorja sile. Spremenjeni čep M33x2 z vstavljeno obremenitve- no osjo in jekleno kroglico je prikazan na sliki 9c. Ležajna kroglica omogoča pravilen prenos sile z ro- čice na obremenitveno os. Primer kalibracije merilnika sile na čepu M33x2 je prikazan na sliki 10, vključno s pripadajočim približ- kom (t. i. trendna črta) in vrednostmi R-kvadrata, ki odražajo visoko stopnjo linearnosti (saj je vrednost R 2 ≈ 1). Omenjeni koeficient (R 2 ) se uporablja kot kazalnik ustreznosti uporabljene (linearne) regresije. V da- HIDRAVLIČNI ČEPI 31 Slika 7 : Merilni lističi na momentnem ključu (Vir: Po- clain Hydraulics) Slika 8 : Modificiran čep M33x2, opremljen z merilnimi lističi (Vir: Poclain Hydraulics) Ventil 1 / 2024 • Letnik 30 nem primeru je torej 99,97 % točk na grafu popisa- nih z linearno regresijo. 3.1.4 Karakteristika sile prednapetja Slika 11 prikazuje silo prednapetja (F PM ) v odvisnosti od zateznega momenta (T PR ) na čepu M27x1,5, in sicer za več zaporednih meritev ter za mazan in suh kontakt. V primeru mazanega kontakta so bile iz- vedene štiri ponovitve, v primeru suhega kontakta pa tri. Pomembna lastnost, ki jo je mogoče opaziti na sliki 11: majhna razlika v spenjalni sili za mazane in suhe (tj. nemazane) pogoje. To je bistvena razlika v pri- merjavi z rezultati enačbe (1), kjer se spenjalna sila bistveno spreminja s spreminjanjem tornih razmer v kontaktu. Prav tako je smiselno omeniti, da se pri drugih dveh čepih (M19x1 in M33x2) opazi večji raztros rezulta- tov meritev (slednje niso zajete v tem članku). Ven- dar je potrebno upoštevati, da evropski standard EN 13001 predpostavlja raztros sile prednapetja za ±23 %, kadar zategovanje poteka s predpisanim momentom ali kotom privijanja. Mazani kontakt je bil vzpostavljen na osnovi nanosa hidravličnega olja na področje stičnih površin (na- voji, glava čepa). 3.2 Merjenje kontaktne (dinamične) sile Naslednji korak študije se nanaša na merjenje dina- mičnih kontaktnih sil, ki delujejo na čep med gibom bata. Vrednotena sta bila dva scenarija: dinamična sila na glavi in v korenu čepa (slika 5). 3.2.1 O hidravličnem preizkuševališču Sile, ki delujejo na čep, so bile izmerjene pri petih različnih pilotnih tlakih (20, 30, 40, 60 in 80 barov, dobljenih z nastavitvijo varnostnega ventila) in za dva primera povratnega tlaka: s povratnim tlakom 32 HIDRAVLIČNI ČEPI Slika 9 : Sistem za kalibracijo merilna sile (Vir: Poclain Hydraulics) Slika 10 : Karakteristika senzorja sile na čepu M33x2 (Vir: Poclain Hydraulics) Ventil 1 / 2024 • Letnik 30 v vzmetni komori ali brez njega (v velikosti enega bara, slika 12). Frekvenca vzorčenja za vse merjene količine je bila 10 kHz. Hidravlično olje, uporabljeno na preizkuše- vališču (slika 13), je ISO VG 46. 3.2.2 Dinamične sile na glavi čepa Meritev kontaktnih sil na čepu je bila mogoča na osnovi vgraditve merilnih lističev. Slika 14 prikazuje pet zaporednih vklopov in izklopov potnega ventila (poz. 1, slika 12), ki krmili glavni ventil (poz. 2, slika 12). Med vsako aktivacijo se spenjalna sila v čepu poveča s statične vrednosti (tj. sila prednapetja) do najvišje vrednosti (kontakt bata) in se nato zmanjša na akti- virano statično vrednost (sila krmilnega tlaka) ter se končno vrne na svojo začetno statično vrednost (iz- klop potnega ventila). Med vsakim aktiviranjem ven- tila se sila v glavi čepa spremeni na podoben način. Iz grafa na sliki 14 je mogoče opaziti različne preho- dne pojave in na osnovi dobljenih vrednosti meri- tev je možno določiti nekatere pomembne faktorje. Eden od teh je faktor obremenitve ϕ. Z ozirom na smernice po VDI 2230 je delovna sila v prednapeti vijačni zvezi F SA znižana za omenjeni faktor ϕ glede na zunanjo obremenitev F A . Relacija je sledeča: F SA = ϕ ∙ F A (2) kjer se sila F SA nanaša na razliko obremenjenosti vi- jačne zveze po aktivaciji in pred aktivacijo zunanje sile F A . Slednja je dobljena kot produkt krmilnega tlaka in površine bata ter nato znižana za silo pred- napetja vzmeti. HIDRAVLIČNI ČEPI 33 Slika 11 : Sile prednapetja na čepu M27x1,5 (Vir: Po- clain Hydraulics) Slika 12 : Shema (Vir: Poclain Hydraulics) Slika 13 : Slika preizkuševališča (Vir: Poclain Hydraulics) Ventil 1 / 2024 • Letnik 30 V danem primeru je faktor obremenitve ϕ izračunan sledeče: 𝐹𝐹 𝑃𝑃𝑃𝑃 = 𝑇𝑇 𝑃𝑃𝑃𝑃 { 𝑑𝑑 2 2 ∙ t an ( 𝛼𝛼 + 𝜌𝜌 ` ) + 𝜇𝜇 𝑃𝑃 ∙ 𝑑𝑑 𝑚𝑚 2 } 𝜑𝜑 = 𝐹𝐹 𝑆𝑆𝑆𝑆 𝐹𝐹 𝑆𝑆 = 0 ,6 1 3 (3) Vrednost, dobljena z enačbo (3), se precej razlikuje od tipičnih vrednosti za vijačni spoj; te so običajno med 0,1 in 0,4. 3.2.3 Dinamične sile v korenu čepa Podobno so bile detajlno preučene tudi dinamične sile v korenu čepa. V nadaljevanju rezultati niso po- drobno predstavljeni. Vendar so bili opaženi podobni trendi in podatki so bili prav tako obdelani na podoben način (glej sliko 15). Očitno je, da so rezultati pri vseh zaporednih aktivacijah ventila približno enaki. 4 Zaključek Cilj celotne raziskave je razviti konstrukcijsko me- todo za hitro dimenzioniranje hidravličnih čepov. V prvem koraku so bile izvedene obsežne meritve na čepih velikosti M19x1, M27x1,5 in M33x2 (le del teh meritev je prikazan v tem članku). Razvite in uporabljene so bile nekatere inovativne rešitve (npr. momentni ključ, spremembe konfigu- racij čepov …), ki omogočajo natančne in ponovljive meritve različnih spremenljivk. Uporaba merilnih lističev omogoča merjenje sil, po- mikov in napetosti na vratu, glavi in v korenu čepa. Ustrezen sistem zajemanja podatkov je omogočal natančno zajemanje prehodnih pojavov med fazo gibanja bata. T o je obstoječemu znanju in izkušnjam razvojne skupine Poclain prineslo nova spoznanja oz. dodano vrednost. Rezultati teh aktivnosti bodo v nadaljevanju omo- gočili razvoj potrebnega orodja za konstruiranje. 34 HIDRAVLIČNI ČEPI Slika 14 : Dinamične sile na glavi čepa M33x2 (Vir: Poclain Hydraulics) Slika 15 : Dinamične sile v korenu čepa M33x2 (Vir: Poclain Hydraulics) Ventil 1 / 2024 • Letnik 30 Reference [1] https:/ /www.boltscience.com/, nazadnje ogle- dano 14. 1. 2024. [2] https://www.bossard.com/global-en/assem- bly-technology-expert/expert-design/calcu- lation-of-bolted-joint/, nazadnje ogledano 26. 7. 2023. [3] http://www.vdi2230.de/, nazadnje ogledano 16. 1. 2024. [4] https://www.parker.com/parkerimages/euro_ tfd/cat/english/C150.PDF, nazadnje ogledano 26. 7. 2023. [5] https://www.scribd.com/doc/257813953/6- -Vijacne-zveze#, nazadnje ogledano 26. 7. 2023. [6] Simcenter Amesim Help, rev. 2021.2 . Design guidelines for non-standard plugs Abstract: The paper shows and explains mechanical response of non-standard plug as a consequence of different load- ing type. In-depth understanding of plug behavior helps to setup design guidelines for such components. In the first step, different sizes of existing non-standard plugs have been selected in order to take into ac- count the size effect. Then, three different materials have been selected in order to evaluate effect of plug material. For the purposes of experimental evaluation and comparison with numerical approach, selected plugs have been additionally modified to allow installation of strain gauges. Numerous experimental activities have been performed with the aim to evaluate induced stresses and preload forces due to tightening torque, contact forces and piloting pressure due to spool shifting, etc. Tests have unrevealed several details regarding mechanical response on plug that have not been known previously. New obtained knowledge helps to define plug design guidelines more appropriately. Keywords: non-standard plug, experimental investigation, preload force, tightening torque, design guidelines HIDRAVLIČNI ČEPI