Ventil 6 / 2024 • Letnik 30 Zaradi zaslonke to povzroči padec tlaka za glavnim batom in posledično odprtje glavnotočnega dela ventila. Posebnost tega ventila je vodenje in duše- nje glavnega bata [3]. Znanstveni članki na področju vode se ukvarjajo predvsem z zmanjšanjem dinamičnega delovanja varnostnih ventilov za vodo. Eden izmed njih [4] predlaga rešitev, prikazano na sliki 2. Ta deluje tako, da ob odprtju ventila voda nemoteno polni dušilno komoro pri nizkih tlakih V primeru, ko pa se ven- til želi zapreti, to opravi protipovratni ventil. Zaradi tega se iztok iz dušilne komore zmanjša, kar pov- zroči povišanje tlaka in počasno zapiranje ventila. Ta rešitev je bila tudi preizkušena in je izkazovala dober način za zmanjšanje tlačnih nihanj [4]. 3 Eksperimentalni del 3.1 Dosedanja rešitev V okviru magistrskega dela [5] je bil v Laboratoriju za fluidno tehniko Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani že razvit dvostopenjski varnostni ventil za vodo (slika 3), ki pa je ob testiranjih izkazoval preveliko puščanje glavnega ohišja. To je nastalo zaradi termičnih raztezkov pri varjenju priključka na ventil, ki zato ni deloval. Kasneje se je v okviru di- plomskega dela [6] spremenila zasnova ohišja (sli- ka 3) in dodatno izvedlo še nekaj sprememb, da se je ta ventil lahko preizkusil. Pri preizkusih so prišli do ugotovitve, da je tudi puščanje skozi krmilni del preveliko in da se krmilni bat ventila nekontrolira- no giblje. Tako tudi ta sprememba ni prispevala k izboljšanju delujočega ventila (ta je deloval le do tlaka 150 bar z velikim puščanjem). 3.2 Razvoj nove rešitve Po pregledu prejšnjih zasnov in njihovih težav smo se lotili izdelave nove zasnove ventila. Po izdelavi nekaj konceptov smo tako prišli do zasnove dvo- stopenjskega varnostnega ventila (slika 4), ki ga sestavlja 22 različnih sestavnih delov, od katerih je 15 delov standardnih. Glavne razlike od prejšnjih za- snov so predvsem te, da imamo za razliko od druge zasnove ohišja [6] povečano odprtino za izhod, saj sumimo, da ob zmanjšani odprtini pri maksimalnem pretoku lahko pride do zvišanja tlaka pred glavnim batom. To vpliva na delovanje ventila. Poleg tega smo luknjo na krmilnem ohišju premaknili bolj proti tesnilnemu robu in s tem izboljšali vodenje krmilne- ga bata. Dodatno smo dodali dušilni oziroma vodil- ni element na krmilni bat, kar zmanjša nihanje krmil- nega bata. Dodali smo še dodatno merilno mesto in naredili spremembo na glavnem batu, in sicer smo mu povečali površino za vodenje. Poleg tega smo izdelali še dodatne sestavne dele in izboljšave za boljše delovanje ventila. HIDRAVLIČNI VENTILI 353 Slika 1 : Ventil WVS 32 (138 mm x 85 mm x 285 mm) [3] Slika 3 : Dosedanje rešitve: 1. Zasnova – magistrsko delo, 2. Zasnova – diplomsko delo [5], [6] Slika 2 : Rešitev za zmanjšanje tlačnih nihanj [4] Ventil 6 / 2024 • Letnik 30 354 3.3 Preizkuševališče Za testiranje novega dvostopenj- skega varnostnega ventila smo pripravili vodno hidravlično pre- izkuševališče. Najprej smo zasno- vali hidravlično shemo preizkuše- vališča (slika 5), ki jo sestavljajo črpalka, elektromotor, sistemski varnostni ventil, nastavljiva du- šilka, testirani varnostni ventil in merilniki. Pri preizkusih smo me- rili več različnih tlakov: tlak pred glavnotočnim batom p 1 , tlak za prvo zaslonko p 2 , tlak za drugo zaslonko p 3 ter pretok na iztoku iz glavnotočne veje Q. Ker gre za preskuševališče s področja vodne PKH nismo mogli uporabiti števil- nih komponent s področja oljne hidravlike, pač pa smo uporabili komponente, ki so bile razvite ali uporabljene v preteklih raziska- vah, opravljenih na področju vo- dne PKH v našem laboratoriju. 4 Rrezultati 4.1 Rezultati MKE-analize Pred izdelavo izboljšanega pro- totipa ventila smo naredili še Slika 4 : Izbrana končna rešitev dvostopenjskega vodnega varnostnega ventila [7] HIDRAVLIČNI VENTILI Slika 5 : Shema vodnega hidravličnega preizkuševališča [7] Ventil 6 / 2024 • Letnik 30 numerično analizo s pomočjo metode končnih elementov v programu Abaqus. To smo opravi- li na dveh sestavnih delih: na povezavi in na veli- kem ohišju. Ta dva dela sta najbolj obremenjena, zato lahko zaključimo, da če vzdržita obremenitve ta dva, bodo vzdržali vsi izmed njih. Na glavnem ohišju smo naredili dva preračuna: enega v prime- ru odprtega in enega v primeru zaprtega ventila. Pri izračunu smo ugotovili, da sta največji Misesovi napetosti v obeh primerih na istem mestu in da je v primeru odprtega ventila pri ohišju (slika 6) ta nekoliko večja (210 MPa). Pri preračunu povezave (slika 7) pa smo ugotovili, da so največje napeto- sti bistveno manjše (100 MPa) in da se pojavijo na prehodu premerov ter na robu priključka. Upora- bljeni material za oba sestavna dela je bil nerjavno jeklo 1.4305. Po pregledu rezultatov lahko zaključi- mo, da povezava vzdrži predvidene obremenitve, v ohišju pa so napetosti na vogalu sicer dokaj blizu Rp02 materiala, vendar v realnem primeru nima- mo ostrih robov. Tudi če pride do plastične defor- macije, to ne vpliva na delovanje ventila, saj je Rm tudi dokaj visok za ta material. Prav tako so pomiki pri obeh delih zelo majhni, na razpolago imamo namreč veliko materiala. 4.2 Izdelava ventila Po izdelavi numerične analize je sledila izdelava ventila (slika 8). Skoraj vse elemente ventila smo izdelali le s pomočjo klasičnih postopkov, saj smo želeli dokazati, da je ventil možno izdelati dovolj natančno in z majhnim puščanjem brez dodatnih obdelav. Le glavnotočni bat in krmilni bat smo iz- delali s pomočjo CNC-stroja, saj smo ju izdelali v več variantah in iz različnih materialov. Tako je bilo hitreje in ceneje. Izdelali pa smo dve verziji ohišij, in sicer smo po enega izmed vsakega dela ohišij po- slali še na brušenje, če bi pri ohišjih s klasično obde- lavo prišlo do prevelikega puščanja. 4.3 Rezultati preizkusov Po izdelavi ventila so sledili prvi preizkusi, ki so pokazali, da je delovanje ventila le delno ustrezno. Na sliki 9 lahko vidimo (iz krivulj poteka tlakov in pretokov), da se odprtje ventila zgodi ob pravem času in pri tlaku nastavitve varnostnega ventila, kar je ustrezno. Spreminjanje pretoka po času ponazar- ja rumena krivulja. Vidimo, da je ventil odprt in da je stabilen ter nima nihanj. Ko pa se tlak zmanjša, lahko opazimo, da pretok pada počasi do tlaka, ki je precej nižji od nastavljenega in šele potem (po približno 5 sekundah) sledi zaprtje ventila. Kot je bilo že prej rečeno, to ni sprejemljiva karakteristi- ka varnostnega ventila, saj si pri varovanju sistema želimo, da se v njem vzdržuje tlak, ne da kapljevina uhaja skozi varnostni ventil. 355 HIDRAVLIČNI VENTILI Slika 6 : Rezultati MKE-analize ohišja v primeru odpr- tja ventila [7] (Φ70 mm × 97 mm) Slika 8 : Izdelava ventila [7] Slika 7 : Rezultati MKE-analize povezave [7] (Φ50 mm × 66 mm) Ventil 6 / 2024 • Letnik 30 356 4.4 Razlogi za nepravilno delovanje ventila Po prvih preizkusih smo želeli odkriti, v čem je težava, da se ventil ne zapira pravilno. Možno- sti za neustrezno delovanje je več. Prva izmed njih je bila ta, da imamo ob odprtju ventila preve- liko tokovno silo, ki onemogoča, da bi se ventil zaprl. Zato smo naredili še nekaj preizkusov pri nižjih pretokih (slika 10), ki so pokazali, da je tudi ob zmanjša- ni tokovni sili (zmanjšanem na- stavitvenem tlaku) delovanje še vedno neustrezno, zato smo ta razlog ovrgli. Naslednji možni razlog za ne- delovanje je bil ta, da je bilo v ventilu premajhno razmerje po- vršin na sprednji in zadnji strani glavnega bata (slika 11). Razlog bi lahko bil, da zaradi majhnega razmerja ob zaprtju ob prisotno- sti dodatnih sil zaradi toka nima- mo dovolj velike sile, ki bi nudi- la vztrajnost za zaprtje ventila. V ta namen smo zato razstavili serijski dvostopenjski varnostni ventil za vodo in odkrili, da je to razmerje še bistveno manjše, zato smo tudi to možnost ovrgli. Zadnja ugotovljena možnost za nedelovanje je bila ta, da se ka- pljevina ob primeru zaprtja uja- me v prostor, označen na sliki 12. HIDRAVLIČNI VENTILI Slika 9 : Prvi preizkusi in le delno pravilno delovanje ventila [7] Slika 10 : Preizkus pri nižjem pretoku in neustrezno delovanje [7] Slika 12: Razlog nedelovanja ventila [7] Slika 11: Razmerje površin na glav- nem batu [7] Ventil 6 / 2024 • Letnik 30 Tej se zaradi nezmožnosti iztoka poveča tlak, kar privede do tega, da se ventil zapira počasi in da nimamo pravilnega zaprtja. V ta namen smo izdelali izboljšavo na glavnotočnem batu, da smo se znebili omenjenega kolobarja- stega prostorčka (slika 12). 4.5 Novi preizkusi Po predelavi bata smo naredili nove preizkuse na obravnavanem dvostopenjskem varnostnem ventilu. Ti so pokazali, da je zdaj delovanje ventila ustrezno tako pri nižjih kot pri višjih pretokih (slika 13). Sicer še vedno ostaja manjša histereza med odprtjem in zaprtjem, vendar je ta izrazi- to manjša in skorajda ne vpliva na delovanje ventila. Ta majhna zakasnitev (1–2 s) zapiranja izto- ka iz varnostnega ventila pa na- stane zaradi uporabe tesnila na glavnem batu. Poleg tega smo priredili začetno preizkuševališče, in sicer smo merilnik pretoka postavili na iz- stop s krmilnega bata, da smo preverili še to, kakšno je pušča- nje ventila skozi krmilni del (slika 14). Pri tem smo ugotovili, da je puščanje minimalno in da je de- lovanje krmilnega dela ustrezno. 5 Zaključek Kot je v prispevku prikazano, smo razvili delujoč dvostopenjski varnostni ventil za vodo. Preiz- kušen je bil pri tlakih od 50 bar do 300 bar s pretoki vode od 8 l/ min do 28 l/min. S preizkusi smo ugotovili, da je njegovo puščanje majhno in da je tudi tlačno niha- nje zelo majhno. Pri preizkusih smo prav tako ugotovili, da je za pravilno delovanje ventila že najmanjša napaka v zasnovi lah- ko ključna. To napako smo med iskanjem razlogov tudi odkrili in odpravili. Tako lahko zaključimo, da je možno vodo uporabiti kot nadomestno trajno »zeleno« ka- pljevino namesto hidravličnega olja, vendar je potrebno na novo razviti in izdelati večino kompo- 357 HIDRAVLIČNI VENTILI Slika 13 : Ustrezno delovanje ventila [7] 2/3 strani Slika 14 : Delovanje krmilnega dela dvostopenjskega tlačnega ventila [7] Ventil 6 / 2024 • Letnik 30 nent. Za nadaljnje delo na področju vodne hidravli- ke (PKH) zato predlagamo razvoj ostalih manjkajo- čih komponent. Literatura [1] E. Trostman: Water Hydraulics Control Te- chnology, Tehnical University of Denmark, Denmark, 1995. [2] F. Majdič, J. Pezdirnik, in M. Kalin: Voda kot medij v pogonsko-krmilni hidravliki, Ljublja- na, 2006. [3] Danfoss d.o.o: Pressure operated water valve, types WVFX and WVS, Danfos d. o. o, Lju- bljana, 2021. [4] X. Luo, X. He, S. Cao, and X. Ba: Theoretical and experimental analysis of a one-stage wa- ter hydraulic relief valve with a one-way dam- per, Journal of Pressure Vessel Technology, Transactions of the ASME, China, 2013. [5] D. Alif: Razvoj dvostopenjskega vodno-hidra- vličnega tlačnega omejilnega ventila: magi- strsko delo, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2017. [6] J. Humar: Razvoj dvostopenjskega vodno-hi- dravličnega varnostnega ventila: diplomsko delo, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Lju- bljani, Ljubljana, 2020. [7] J. Pugelj: Rekonstrukcija dvostopenjskega vodotlačnega varnostnega ventila: diplom- sko delo, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, 2024. HIDRAVLIČNI VENTILI Reconstruction of a two-stage hydraulic pressure relief valve Abstract: Environmental policy has recently moved towards sustainable development in all areas. Therefore, efforts are being made to find sustainable solutions in hydraulics. One of these solutions is the use of water in- stead of hydraulic oil in hydraulics (power control hydraulics – PCH). However, since the use of water in water hydraulics (water PCH) is very little known to the public and only a few components for the success- ful use of water in water hydraulics (PCH) are available on the market, we have replicated an inadequately functioning two-stage safety valve for this purpose. The article describes the development, manufacture, numerical calculation and testing of a two-stage pressure relief valve designed for pressures up to 300 bar and flows up to 28 l/min for the water PCH sector. Keywords: two-stage pressure relief valve, water hydraulics, testing, development 358