Zmanjšanje izgub znotraj vodnega hidravličnega valja Franc MAJDIČ, Jožef PEZDIRNIK, Mitjan KALIN Izvleček: Predpisi o zaščiti naravnega okolja postajajo vedno strožji. Z uporabo vode namesto mineralnega hidravličnega olja v pogonsko-krmilni hidravliki lahko naredimo pozitiven korak v smeri teh predpisov. Prispevek predstavlja dva različna hidravlična valja. Prvi razviti hidravlični valj preproste konstrukcije je bil najprej merjen z uporabo mineralnega hidravličnega olja in nato, pri enakih parametrih, še z uporabo vode brez dodatkov. Izkazalo se je, da je trenje v obeh primerih uporabljenih hidravličnih kapljevin visoko, zato je bil zasnovan in izdelan modularni hidravlični valj. Zaradi raziskave tribološko-hidravličnih drsnih kontaktov je konstrukcija novega hidravličnega valja taka, da lahko enostavno zamenjamo njegova tesnila in/ali vodila. Na omenjenem hidravličnem valju so bile izvedene meritve z dvema različnima serijsko izdelanima kombinacijama tesnil. Ugotovljeno je, da je trenje pri tesnilih iz PTFE (poli-tetraflor-etilena) z dodatkom brona izrazito nižje kot pri tesnilih iz PU (poliuretana). Ključne besede: hidravlični valj, konstrukcija, oljna, vodna pogonsko-krmilna hidravlika, vrste tesnil ■ 1 Uvod Ena izmed možnih alternativ glede zaščite naravnega okolja v pogon-sko-krmilni hidravliki je uporaba vode kot hidravlične kapljevine. Ko govorimo o vodni hidravliki, imamo v mislih uporabo vode brez dodatkov. Problem uporabe mineralnega olja je v nevarnosti onesnaževanja okolja, predvsem pitne vode in zemlje. Dosedanje stanje tehnike glede razpoložljivosti sestavin vodne hidravlike še vedno ne prepriča uporabnikov, da bi jih začeli širše uporabljati [1]. Da bi raziskali in razvili vodno hidravliko, je bilo v preteklosti razvito in izdelano dvojno hidravlično pre-izkuševališče, vodno in oljno [2-4]. Prav tako je bil razvit, izdelan in dinamično ter trajnostno preizkušen nov vodni proporcionalni 4/3-potni ventil [5]. V nadaljevanju raziskav je bilo eksperimentalno in analitično primerjano obnašanje vodnega in ekvivalentnega oljnega hidravličnega sistema [6]. V prispevku najprej prikazujemo dve različni konstrukcijski izvedbi hidravličnih valjev s skoznjo batni- co. Sledijo rezultati uporabe različnih elastičnih tesnil in vodil iz različnih materialov, ki igrajo eno bistvenih vlog pri izkoristkih hidravličnih valjev. Meritve so se izvajale pri različnih pretokih (1, 11 in 22 l/min) in raz- ličnih tlakih varnostnega ventila (70, 110 in 150/160 bar). Pri meritvah se je uporabljala demineralizirana voda brez dodatkov. Temperatura vode med meritvami je znašala med 30 in 35 °C. ■ 2 Hidravlični valj s skoznjo batnico 2.1 Prva konstrukcija vodnega in oljnega hidravličnega valja Pri začetnih raziskavah na področju vodne hidravlike smo poleg omenjenega vodnega in oljnega preiz-kuševališča razvili tudi preprost vodni in ekvivalentni oljni hidravlični valj [4]. Hidravlična valja sta konstrukcijsko podobna, razlika je le v materialih. Vodni hidravlični valj je izdelan iz nerjavnega jekla. Tesnila in vodila so bila enaka, podobna je bila tudi hrapavost drsnih površin. V prvi konstrukciji vodnega in oljnega hidravličnega valja smo uporabili standardna tesnila. Slika 1 prikazuje prerez hidravličnega valja, uporabljena tesnila in vodila. Po kataloških podatkih proizvajalca so vsa v tem hidravličnem valju uporabljena te- Slika 1. Prva konstrukcijska izvedba vodnega in oljnega hidravličnega valja Dr. Franc Majdič, univ. dipl. inž., doc. dr. Jožef Pezdirnik, univ. dipl. inž., prof. dr. Mitjan Kalin, univ. dipl. inž., vsi Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo Slika 2. Prerez izboljšane konstrukcije vodnega hidravličnega valja snila in vodilni obroči primerni za uporabo tako v oljni kot tudi v vodni hidravliki. Tesnilo bata (sl. 1, poz. 1) je izdelano iz oljeodporne sintetične gume (NBR). Oblikovano je tako, da služi tudi kot vodilo bata. Vodilna obroča batnice (sl. 1, poz. 2) sta iz trde tkanine, tesnilo batnice (sl. 1, poz. 3) in posnemalni obroč (sl. 1, poz. 4) pa sta iz poliuretana (PU). 2.2 Izboljšana konstrukcija vodnega hidravličnega valja Prve raziskave delovanja vodne hidravlike so pokazale, da enostavna izvedba hidravličnega valja ni najboljša za nadaljnje raziskave, zato smo zasnovali in izdelali modularni vodni hidravlični valj (slika 2 in 3), ki je bil zasnovan tako, da je mogoča enostavna menjava tesnil na batu in v prirobnicah. Ta prispevek prikazuje rezultate raziskav na izboljšanem hidravličnem valju z dvema različnima kombinacijama tesnil/vodil, A oz. B (preglednica 1). V kombinaciji tesnil/vodil A so tesnila iz poliuretana (94 AU 925) s trdoto 94 Sh, v kombinaciji tesnil/vodil B pa so tesnila iz poli-tetraflor-eti-lena z dodatkom brona (PTFE B602). Kataloško podana dopustna hitrost za prva (poliuretanska) tesnila znaša 0,5 m/s, za druga (poli-tetraflor-eti-lenska) tesnila pa je dopustna hitrost desetkrat večja (5 m/s). ■ 3 Eksperimentalni del raziskav 3.1 Preizkuševališče Meritve na prvem hidravličnem valju (sl. 1) so se izvajale na vodnem in oljnem preizkuševališču [2-4], na izboljšanem vodnem hidravličnem valju (sl. 2 in 3) pa le na vodnem preizkuševališču. Glavne sestavine vodnega hidravličnega preizkuše-vališča so: visokotlačna črpalka, varnostni ventil, tokovni ventil s tlačno kompenzacijo, proporcionalni potni ventil, tlačni senzorji, rezervoar, cevni razvod in hidravlični valj (preizkuša-nec). Za konstantno temperaturo in ustrezno čistočo hidravlične kaplje-vine skrbi obtočni filtrirno-hladilni sistem. Vodno in oljno preizkuševališče sta si med seboj funkcionalno podobni, zato oljnega preizkuševališča ne bomo posebej opisovali. Slika 3. Videz izboljšanega vodnega hidravličnega valja Preglednica 1. Različna kombinacija tesnil/vodil za hidravlični valj s skoznjo batnico I c I A ■ merilno mesto MM1 razlika tlakov —— iS merilno mesto MM2 V f M/ -\- i L —t— bi Slika 4. Merilna mesta za merjenje razlik tlakov med priključkoma hidravličnega valja na oljnem - a in vodnem preizkuševališču - b 3.2 Postopek merjenja Meritve za določitev razlike tlakov med priključkoma hidravličnega valja brez zunanje obremenitve v odvisnosti od različnih vstopnih tlakov in pretokov smo izvedli po sledečem postopku: • nastavitev ustreznega tlaka na varnostnem ventilu (70, 110 ali 150/160 bar); • nastavitev ustreznega pretoka na tokovnem ventilu s tlačno kompenzacijo (1, 11 ali 22 l/min); • samodejna izvedba meritve po zagonu krmilno-merilnega programa v programskem okolju LabView. Batnica se pri meritvi premakne iz notranjega izhodiščnega položaja navzven in se po preklopu ventila vrne nazaj v izhodiščni položaj; • zaradi doseganja ponovljivosti rezultatov se vsaka meritev izvede dva krat. 3.3 Vrednotenje rezultatov meritev Merili smo tlak na obeh priključkih tik pred vstopom (slika 4, merilno mesto MM2 oz. B) in izstopom iz hidravličnega valja (sl. 4, merilno mesto MM1 oz. a). Razlika tlakov med priključkoma A in B je prikazana na sl. 4 in sl. 5 za križni delovni položaj ventila. Slika 5a prikazuje načelna poteka tlakov na priključkih A in B hidravličnega valja za celotno meritev. Slika 5b pa prikazuje povečana poteka tlakov na priključku A in B za začetni del meritve (križni položaj). Prvi tlačni skok pomeni potreben delovni tlak za speljevanje. Na sl. 5b je kotirana tlačna razlika, potrebna za konstantno gibanje batnice hidravličnega valja. Iz posameznih meritev smo odčitali ti dve prikazani vrednosti in vrednotili rezultate (pogl. 4). ■ 4 Rezultati meritev 4.1 Prva izvedba hidravličnega valja Rezultate meritev razlike tlakov med vtočnim in iztočnim priključkom hidravličnega valja s skoznjo batnico brez bremena v horizontalnem položaju, ob začetku gibanja oz. pospeševanju batnice iz mirujočega stanja do končne hitrosti, prikazuje slika 6. Na sliki 6a je prikazana razlika tlakov za oljni hidravlični valj v odvisnosti od pretoka in vstopnega tlaka. Razvidno je, da znaša najmanjša razlika tlakov ob začetku gibanja batnice oljnega hidravličnega valja 48 bar v primeru pretoka 11 l/min in pri vstopnem tlaku 70 bar, največja izmerjena razlika tlakov pri oljnem hidravličnem valju pa 100 bar pri pretoku 22 l/min in vstopnem tlaku 160 bar. Slika 6b pa prikazuje razlike tlakov pri vodnem hidravličnem valju s skoznjo batnico, ki je konstrukcijsko ekvivalenten oljnemu. Najmanjša razlika tlakov ob začetku gibanja ba-tnice vodnega hidravličnega valja 51 bar se je pojavila v primeru pretoka 11 l/min pri vstopnem tlaku 70 bar, največja izmerjena razlika tlakov pri vodnem hidravličnem valju pa je znašala 105,5 bar pri pretoku 22 l/min in vstopnem tlaku 160 bar. Če primerjamo rezultate meritev razlike tlakov med vtočnim in iztočnim priključkom oljnega in vodnega hidravličnega valja, ugotovimo, da je pri vodnem hidravličnem valju ob začetku gibanja (pospeševanju) neobremenjene batnice razlika tlakov, potrebna za pospeševanje med 3 in 6 bar, višja kot v primeru oljnega hidravličnega valja pri enakih parametrih. Razlog za višje tlačne razlike pri vodnem hidravličnem valju je verjetno v več- tlak na merilnem mestu MM1 Čas merjenja a) / merilno mesto MM2 V razlika tlakov ob \ začetku gibanja batnice OJx ¡sa / razlika tlakov pri konstantni i \K hitrosti gibanja batnice ^merilno mesto MM1 b) Čas merjenja Slika 5. Potrebni delovni tlak hidravličnega valja ob začetku gibanja in pri gibanju batnice s konstantno hitrostjo: a - celoten potek sprememb tlaka, b -podroben prikaz spremembe tlaka ob vklopu in izklopu križnega delovnega položaja ventila 12Q f g so s ij Ž 60 20 ,11, •22 1 .. .: a) 25 50 75 tOO 125 15D 175 Vstopni Ua k [bar] ISO _100 f 80 S S 60 a 40 ac 20 -11 Umiri •22 L'min b) 50 75 100 125 15« 175 Vstopni tlak I bnj I Slika 6. Rezultati meritev razlike tlakov med vstopnim in izstopnim priključkom prvega hidravličnega valja pri speljevanju batnice brez bremena v horizontalnem položaju v odvisnosti od pretoka in tlaka nastavitve varnostnega ventila (vstopni tlak); a - oljna hidravlika, b - vodna hidravlika jem trenju oziroma v izrazitejšem »lepljenju« tesnil pri začetku gibanja batnice (ang. »stick-slip« efekt). Rezultate meritev razlike tlakov med vtočnim in iztočnim priključkom hidravličnega valja s skoznjo batnico brez bremena v horizontalnem položaju pri konstantni hitrosti gibanja batnice prikazuje slika 7. Na sliki 7a je prikazana razlika tlakov za oljni hidravlični valj v odvisnosti od pretoka in vstopnega tlaka. Najmanjša razlika tlakov na oljnem hidravličnem valju 1,6 bar je bila izmerjena pri pretoku 11 l/min in vstopnem tlaku 70 bar, največja razlika pa je znašala 18,5 bar. Pojavila se je pri pretoku 22 l/ min in vstopnem tlaku 160 bar. V primeru ekvivalentnega vodnega hidravličnega valja je najmanjša izmerjena razlika tlakov znašala 11 bar pri pretoku 11 l/ min in vstopnem tlaku 70 bar, največja pa 30 bar pri pretoku 22 l/ min in vstopnem tlaku 160 bar. Pri vodnem hidravličnem valju so razlike tlakov pri konstantni hitrosti gibanja neobremenjene batnice za 7 do 11 bar višje kot v primeru oljnega hidravličnega valja pri enakih pogojih. Tudi v tem primeru je verjetno glavni razlog vsem v primeru pospeševanja batnice in so verjetno posledica slabše konstrukcijske zasnove in neustreznih tesnil hidravličnega valja, smo se v teku raziskav odločili za novo, izboljšano zasnovo hidravličnega valja. 4.2 Izboljšani vodni hidravlični valj Pri prvi konstrukcijski zasnovi hidravličnega valja s skoznjo batnico je bilo ugotovljeno, da je pri vodnem hidravličnem valju sicer potrebna večja razlika tlakov za gibanje batnice kot pri oljnem, vendar ta ne vpliva pomembneje na samo funkcional- -11 Limn •22 Vmo _ 120 »11 Unin •22 lAnin m d 1. 80 | 60 S 40 1 20 a t 50 D 1 « a 20 5 5 H o C b) < a) 25 50 75 100 125 150 13 Vilopnntak (l>ar| 25 50 75 IGO 125 150 11 Vstopni Hak |!)af| Slika 7. Rezultati meritev razlike tlakov med vstopnim in izstopnim priključkom prvega hidravličnega valja pri konstantni hitrosti batnice, brez bremena, v horizontalnem položaju, v odvisnosti od pretoka in tlaka nastavitve varnostnega ventila (vstopni tlak); a - oljna hidravlika, b - vodna hidravlika za večjo tlačno razliko pri vodnem hidravličnem valju večje trenje. Na podlagi izmerjenih relativno visokih tlačnih razlik, ki se pojavljajo pred- nost. To je bil tudi razlog, da smo v nadaljevanju preizkušali samo vodni hidravlični valj, pri različnih parametrih in z dvema različnima kombinacijama tesnil (preglednica 1). 120 100 jI so 1 ^ 60 - 40 of 20 0 -1 -11 l/rnift -22 l/min 120 100 -11 l/min 22 l/miri 1 H JK ^ 40 n J; 20 0 b) j - - 1 0 25 50 75 100 125 150 175 a) ) 2S 5C 75 100 12 S 150 175 Vstop ni t lak [bar] Slika 8. Rezultati meritev razlike tlakov med vstopnim in izstopnim priključkom izboljšanega vodnega hidravličnega valja ob začetku gibanja batnice, brez bremena, v horizontalnem položaju, v odvisnosti od pretoka in tlaka nastavitve varnostnega ventila (vstopni tlak); a - kombinacija tesnil A, b - kombinacija tesnil B Slika 8 prikazuje rezultate meritev razlike tlakov med vtočnim in iztočnim priključkom izboljšanega vodnega hidravličnega valja s skoznjo batnico ob začetku gibanja batnice v odvisnosti od pretoka in vstopnega tlaka. Slika 8a prikazuje rezultate meritev za vodni hidravlični valj s kombinacijo tesnil A. Najmanjša razlika tlakov 28 bar se je pojavila v primeru pretoka 1 l/min in vstopnem tlaku 70 bar, največja razlika 79 bar pa pri pretoku 22 l/min in pri vstopnem tlaku 150 bar. V primeru uporabe kombinacije tesnil B pa so potrebne razlike tlakov ob začetku gibanja batnice izrazito nižje kot pri tesnilih kombinacije A. Razlike tlakov v primeru uporabe kombinacije tesnil B se ob začetku gibanja neobremenjene batnice zelo malo spreminjajo s pretokom in vstopnim tlakom in znašajo okoli 12 bar (±2 bar). Slika 9 prikazuje izmerjene razlike tlakov med vtočnim in iztočnim priključkom izboljšanega vodnega hidravličnega valja s skoznjo batnico za primer gibanja batnice s konstantno hitrostjo v odvisnosti od pretoka in vstopnega tlaka. Slika 9a prikazuje rezultate meritev za vodni hidravlični valj s kombinacijo tesnil A. Najmanjša razlika tlakov 10 bar se je v tem primeru pojavila pri pretoku 1 l/min in vstopnem tlaku 70 bar, največja razlika 73 bar pa pri pretoku 22 l/min in vstopnem tlaku 150 bar. V primeru uporabe kombinacije tesnil B so, po- dobno kot v primeru pospeševanja batnice, tudi v primeru gibanja batnice s konstantno hitrostjo razlike tlakov ob začetku gibanja batnice izrazito nižje kot pri tesnilih kombinacije A. Razlike tlakov v primeru uporabe kombinacije tesnil B se pri konstantni hitrosti gibanja batnice zelo malo spreminjajo s pretokom in vstopnim tlakom in znašajo okoli 5 bar (±2 bar). ■ 5 Zaključki Zasnovana, izdelana in testirana sta bila dva konstrukcijsko različna hidravlična valja. Izkazalo se je, da je v primeru prve, običajne konstrukcijske rešitve hidravličnega valja razlika tlakov, potrebna tako za pospeševanje kot tudi gibanje batnice s konstantno hitrostjo, nesprejemljivo visoka tako v primeru oljnega kot tudi vodnega hidravličnega valja. Rezultati raziskav novega, modularnega vodnega hidravličnega valja kažejo, da je mogoče tudi v primeru vodnega hidravličnega valja z izbiro ustreznih tesnil zmanjšati izgube, tj. potrebno tlačno razliko na 3 do 8 % od nazivnega tlaka pri premeru bata 32 in batnice 22 mm. Pri uporabljenih tesnilih iz poli-tetraflor-etilena z dodatkom brona so za naš primer vodnega hidravličnega valja s skoznjo batnico znašale tlačne izgube med 3 in 14 bar, karje nekajkrat manj kot v primeru uporabe poliuretanskih tesnil. Literatura [1] K. Koskinen, T. Leino & H. Riipi-nen. Sustainable development with water hydraulics - possibilities and challenges, Proceedings of the 7th JFPS International Symposium in Fluid Power, Toyama, Japan (1) (2008) 11-18. [2] F. Majdic & J. Pezdirnik. Advances in Water Power-Control Hydraulics Experimental Research, Journal of Mechanical Engineering 54 (12) (2008) 841-849. [3] F. Majdic, J. Pezdirnik & M. Kalin. Experimental validation of the life-time performance of a proportional 4/3 hydraulic valve operating in water, Tribology International 44 (2011) 20132021. [4] F. Majdic. Voda kot kapljevina v pogonsko-krmilni hidravliki, doktorska disertacija, Ljubljana 2010. [5] F. Majdic, J. Pezdirnik & M. Kalin. Lifetime test of new water hydraulic proportional directional control valve, The Seventh International Conference on Fluid Power, Aachen, Germany, 7th IFK (2010). [6] F. Majdic & J. Pezdirnik. Oscillations of Cylinder Piston Rod -Comparison of Amplitudes and Frequences Resulting the Transient Phenomena in Tap Waterand Oil-based PCHS, Journal of Vibroengineering 14 (1) (2012) 352-362. —1 f/min - It 1/min 22 l/mir -""i - 120 100 1 so > o j§ 60 ■g AO to e£ 20 0 O & SO 75 too 12$ ISO 175 a) 120 100 | ao > b jf 60 IB DC 20 0 b) • 1 l/mm - 11 l/min 21 l/ffl h | B - __i 25 50 75 100 125 150 175 _Vstopni 11? k [bar]_ Slika 9. Rezultati meritev razlike tlakov med vstopnim in izstopnim priključkom izboljšanega vodnega hidravličnega valja pri konstanti hitrosti batnice, brez bremena, v horizontalnem položaju, v odvisnosti od pretoka in tlaka nastavitve varnostnega ventila (vstopni tlak); a - kombinacija tesnil A, b - kombinacija tesnil B Zahvala Raziskave je delno sofinancirala Slovenska raziskovalna agencija (ARRS), proj. L2-9407. Reduction of the losses inside a water power-control hydraulic cylinder Abstract: Environmental protection regulations are becoming increasingly strict. By using water instead of a hydraulic mineral oil in power-control hydraulic systems we can make a very positive step towards complying with these regulations. However, introducing water instead of oil in power-control hydraulics is a rather novel and difficult task. The reason and risk lie in several specifics of water compared to the relatively well-known properties of hydraulic mineral oil. A combined, water and oil, test rig was built up and used in our laboratory (Laboratory for Power-Control Hydraulics (LPCH)) for the comparative tests of a water and an oil hydraulic system. The combined test rig and the two functionally adequate valves, using two different fluids, served for an analytical comparison of the parameters and properties. In this paper we present the measurement results of two different, newly designed water hydraulic cylinders developed and researched in our LPCH. The first design of the water hydraulic cylinder is simple, it has standard, on the marked accessible sealings and guidings which allowed to use both, with water and with mineral hydraulic oil. The main piston sealing and guiding was from nitrile rubber (NBR) with a fabric reinforcement. The first type of water hydraulic cylinder was tested and compared with a similar oil hydraulic cylinder at the same tested parameters. The first results were not very promising, owing to a too high pressure drop as a consequence of probably too high friction. This was the reason for a redesign of the hydraulic cylinder. The second, modular water hydraulic cylinder was developed and tested. Its construction was such that we could simply exchange its sealings and/or guiding to investigate the tribological and hydraulic behaviour of the sliding contacts. Combinations of two different types of special, serial produced sealings for the water hydraulic cylinder were tested and compared. The first sealing combination contains sealings from Polyurethane (94 AU 925) with a hardness of 94 Sh, the second was from Polytetrafluoroethylene with a bronze compound (PTFE B602). The results show significant differences between the different sealings in the water hydraulic cylinder. The most promising sealing is the second one. Its behaviour is acceptable for use in a water hydraulic cylinder and it is comparable to those generally used in oil hydraulic cylinders. Keywords: Hydraulic Cylinder, Design, Oil, Water Power-Control Hydraulics, Sealings type DONieL Ustvarjamo gibanje DOMEL d.o.o., Otoki 21,4228 Železniki, Slovenija T: +386 (0)4 51 17 358; F: +386 (0)4 51 17 357; E: brane.ozebek@domel.si; I: http://ozi.domel.si/sl/pc_ozi Rexroth Bosch Group Zastopamo in prodajamo proizvode podjetja Bosch Rexroth s področja servo pogonov in krmilne tehnike. Nudimo: - servo pogone - krmilnike - SPS IndraLogic sisteme - avtomatizirane sisteme - varnostno tehniko - servis in pomoč pri zagonu