Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 106 VODNA HIDRAVLIKA 1 Uvod Voda je povsod okrog nas. Je del narave, saj pred- stavlja približno 70 % zemeljskega površja. Vendar je le majhen del vode piten, zato naj bi človek na- menil veliko pozornosti zaščiti vodnih virov. Poten- cial uporabe vode je ogromen in širok. Človek jo uporablja za pridobivanje električne energije, kot hladilno sredstvo, v zadnjih letih pa ponovno kot tekočino v vodni hidravliki. V hidravliki, katere ime je izpeljano iz grške besede hydor, ki pomeni voda, se večinoma uporabljajo okolju škodljive hidravlič- ne tekočine. To so razna mineralna olja, vodno-oljne emulzije in tudi rastlinska olja. Rastlinska olja naj bi veljala za ekološki nadomestek mineralnih olj, ven- dar zaradi boljšega delovanja pogosto vsebujejo razne dodatke, ki so škodljivi za okolje. Zelo močna je industrija izdelave hidravličnih kom- ponent, kot so ventili, hidravlični valji, črpalke itd. Ti so prilagojeni za obratovanje v oljni hidravliki in proizvajalci, ki so vložili ogromno denarja v razvoj teh komponent, nimajo večjega interesa, da bi za- čeli proizvajati hidravlične komponente, ki bi bile prilagojene za obratovanje v vodni hidravliki. To se bo zgodilo postopoma, saj ima tako oljna kot vodna hidravlika svoje prednosti in pomanjkljivosti. Ventili so komponente hidravličnega sistema, ki uravnava- jo pretok kapljevine (Q) skozi sistem. Lahko kontro- lirajo in regulirajo smer toka hidravlične kapljevine, tlak (p), velikost in hitrost pretoka (v) [1]. 2 Pregled teorije 2.1 Prednosti in slabosti vodne hidravlike Pri uporabi vode kot pogonske tekočine v hidravliki se pojavljajo prednosti in slabosti. Ena od glavnih prednosti je nizka viskoznost (v) vode. Ta ji omogo- ča, da se ogromne količine vode pretakajo v kratkih časovnih intervalih (ustvarja velike pretoke) skozi cevi z majhnim presekom brez velikih izgub tlaka. Nizka stisljivost vode je prav tako prednost, saj je odzivnost vodno-hidravličnega sistema zato bolj- ša. Uporaba vode pa ima še eno veliko prednost, in sicer njeno dostopnost. Voda je dostopna sko- raj povsod in ima nizko ceno v primerjavi z ostalimi pogonskimi kapljevinami v hidravliki. V primerjavi z olji ob puščanjih, ki jih v hidravliki ne moremo po- polnoma preprečiti, ne pušča madežev in mastnih površin. Voda ne predstavlja nevarnosti požara, prav tako v primeru razlitja in nesreč ne onesnažuje narave, zato jo lahko odvržemo kjerkoli. Za proizvo- dnjo hidravlične pogonske tekočine potrebujemo le malo energije, saj lahko zgolj odpremo pipo in voda priteče po vodovodu. S tem se izognemo onesna- ževanju, ki bi ga povzročili pri uporabi ostalih hidra- vličnih pogonskih tekočin [2, 3, 4]. Anže Dolinar, dipl. inž. str., doc. dr. Franc Majdič, univ. dipl. inž; oba Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo a li lahko vodna hidravlika z manjšo težo konkurira oljni hidravliki ? Anže Dolinar, Franc Majdič Izvleček: Industrija oljno-hidravličnih komponent je sčasoma zgradila monopol nad razvojem. V največji meri so razvili le komponente za uporabo v oljni hidravliki. Voda ima v primerjavi z oljem kot hidravlično tekočino boljši ekološki vpliv, saj ne onesnažuje okolja. Prav ekologija je pognala ponovni razvoj vodne hidravlike, ki se je uporabljala že v samih začetkih razvoja hidravlike. Razvoj vodne hidravlike napreduje, vprašanje pa je, če se lahko kosa z oljno hidravliko? Prav to se sprašujemo v tej raziskavi. Potni ventil, ki je v osnovi namenjen uporabi v oljni hidravliki, smo preizkušali v vodni hidravliki. Raziskali smo odzivnost vodne hidra- vlike s krmilnimi bati različnih materialov. Ti materiali so bili jeklo, aluminij in dva različna polimera. To smo ponovili še za oljno hidravliko in odzive med seboj primerjali. Za potni ventil EVC-34 smo zasnovali oljno in vodno preizkuševališče. Odzivnost krmilnih batov smo merili s hitro kamero in tlačnimi senzorji, meritve pa smo ponovili pri različnih tlakih. Ključne besede: vodna hidravlika, oljna hidravlika, sedežni ventil, krmilni bat, polimeri, hitra kamera, tlačni senzor Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 Velika pomanjkljivost vode je, da povzroča korozi- jo v ceveh in ventilih, po katerih teče. Zaradi nizke viskoznosti (v) pa povzroča tudi večje puščanje sis- tema. Čisto vodo težko dobimo, saj so v njej vedno soli in minerali. Te lahko očistimo pri filtraciji skozi 10-mikrometrski filter [5]. Sama voda je predvsem pri tradicionalno uporabljenih materialih oljne hi- dravlike zelo slabo mazivo, zato zmanjša uporab- no dobo hidravličnim komponentam. Vodi se zato lahko dodaja od 1 % do 2 % mineralnega olja. Ta mešanica tvori oljno-vodno emulzijo, ki poskrbi za nastanek oljnega filma. Ta film zmanjša nevarnost korozije in maže premikajoče se hidravlične kom- ponente, kot so ventili, hidravlični valji in črpalke. Voda se uparja pri 100 °C pri zračnem tlaku (p 0 ). Pri višjem tlaku v ceveh ta temperatura naraste, vendar ima voda v primerjavi z olji nižjo obratovalno tem- peraturo [3, 4]. 2.2 Uporaba polimernih materialov za konstrukcijo hidravličnih komponent Za izdelavo vodno-hidravličnih komponent se naj- pogosteje uporabljajo POM, PPS in PEEK. Omenjeni polimeri imajo naslednje lastnosti:  polioksimetilen (POM) – visoka trdnost in trdo- ta, nizka vpojnost vlage, dobre drsne lastnosti, majhno raztezanje, dobre obdelovalne lastnosti, ni odporen na visoke koncentracije kislin, težko lepljiv, nizka cena, dostopnost na trgu;  polifenilen sulfid (PPS) – visoka trdnost in to- gost, visoka termostabilnost, nizko krčenje, vi- soka kemična in vremenska odpornost, dobre izolativne lastnosti, težka in draga pridelava, višja cena, vendar cenejši od PEEK-a;  polietereterketon (PEEK) – dolgotrajna upora- ba pri temperaturi do +260 ºC, odlična odpor- nost na kemikalije, dobre drsne lastnosti, dobre mehanske lastnosti pri visoki temperaturi, viso- ka odpornost pri energijsko močnih sevanjih, draga pridelava materiala, visoka cena [6, 7]. 2.3 Sile na hidravlični bat Sile, ki delujejo na hidravlični krmilni bat, se deli- jo na aksialne in radialne. Radialne sile so odvisne od oblike krožnice krmilnega bata in koničnosti kr- milnega bata. Aksialne sile pa so sestavljene iz sile viskoznega trenja, sile Columbovega trenja, sile le- pljenja in zagozdenja pri mirovanju, sile odpora pro- ti pretakanju, vztrajnostne masne sile, sile vzmeti, tokovnih sil ter sile vkrmiljenja [2]. Vsi ventili se pred izdelavo numerično preračuna- jo – analizirajo z ustreznimi računalniškimi progra- mi. Vse sile in tokovi tekočine, ki se pojavljajo pred odprtjem ventila, se med odprtjem ventila in pre- tokom skozi ventil ter zaprtjem ventila numerično preračunajo v modelu CFD (ang. Computational Fluid Dynamics). Preliminarni izračun teh sil in toka kapljevine je izjemno pomemben za nadaljnje kon- struiranje. Več o CFD-analizi so napisali španski raz- iskovalci [8]. 3 Eksperimentalni del 3.1 Hidravlični potni ventil V preteklosti so za raziskave uporabljali hidravlični sedežni potni ventil s komercialno oznako EVC-34 italijanskega proizvajalca Aidro (slika 1). Hidravlični sedežni potni ventil 2/2 ima dva priključka in dva položaja, odprtega in zaprtega. Narejen je za obra- tovanje v oljnem hidravličnem sistemu. Prekrmi- ljenje potnega ventila poteka s pomočjo tuljave oziroma elektromagneta, ki ga lahko napajamo z iz- meničnim AC ali enosmernim DC električnim tokom (I). V normalnem stanju je potni ventil zaprt. Glavni kataloški podatki o hidravličnem potnem ventilu so v preglednici 1 [9]. Delovanje hidravličnega potnega ventila z vsemi njegovimi sestavnimi deli je prikazano v prečnem prerezu (slika 1). Hidravlični potni ventil je nava- dno zaprt, saj krmilni bat (4) zaradi vzmeti nalega na sedež (5). Ko se vklopi tuljava (6), se igla (8) in puša (7) premakneta. Zaradi tlačne razlike se krmil- ni bat odmakne in potni ventil je v odprtem stanju. Iz hidravličnega simbola vidimo, da pretok kapljevi- ne teče iz priključka 2 na priključek 1 [9]. VODNA HIDRAVLIKA 107 Preglednica 1 : Kataloški podatki za potni ventil EVC-34 [9] Parameter Oznaka Enota Vrednost Največji delovni tlak p maks MPa (bar) 25 (250) Normalni pretok Q nor l min -1 32 Največji pretok Q maks l min -1 40 Masa brez tuljave m kg 0,120 Slika 1 : Ventil EVC-34 (fotografija, prečni prerez in simbol) [9] Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 108 VODNA HIDRAVLIKA 3.2 Testiranje z optičnim senzorjem Zasnovali smo preizkuševališče za sedežni potni ventil EVC-34, pri katerem naj bi pomik krmilnega bata (s) merili z optičnim senzorjem. Za ta namen smo dimenzionirali in izdelali hidravlični blok iz alu- minija (slika 2 in 3). Odločili smo se za optični la- serski senzor HT3CL2/4P-M8 proizvajalca Leuze. Podatki o senzorju so zapisani v preglednici 2. V okviru te raziskave smo želeli meriti pomik krmilne- ga bata (s) med njegovim delovanjem. Rešitev se je ponudila z uporabo optičnega stekla ameriškega proizvajalca Edmund Optics. Iz preteklih izkušenj, ki so jih dobili v laboratoriju pri prejšnjih testiranjih, smo se odločili za optično steklo λ/4N-BK7. Pred testiranjem smo imeli pomisleke, če bomo lahko sploh zaznali pomik krmilnega bata (s). Skrbelo nas je, če bomo lahko zaznali premik krmilnega bata (s) z laserskim žarkom iz omenjenega senzorja Leuze. Poleg tega bi lahko imeli težave z oljem oz. vodo. Pri hidravličnem olju in vodi bi bila težava vrtinče- nje vode ob odprtju ventila in lomni količnik (n) ka- pljevine, ki bi lahko zmotil laser senzorja in s tem meritev pomika krmilnega bata (s). Pri optičnem steklu je obstajala manjša verjetnost, da bi ob ve- čjem tlaku popustilo in počilo. Ko smo dobili senzor za test, smo ugotovili, da ima prevelik korak nasta- vljanja območja delovanja in preširok laserski žarek, da bi lahko izmeril odprtino pri premiku krmilnega bata (s). Alternativna opcija bi bila nakup/izposoja natančnejšega optičnega senzorja ali pa drugačna rešitev za merjenje pomika krmilnega bata (s). Od- ločili smo se za drugačno rešitev, in sicer za merje- nje pomika krmilnega bata (s) shitro kamero. 3.3 Testiranje s hitro kamero Za namene testiranja potnega ventila EVC-34 s hi- tro kamero smo zasnovali namenski hidravlični blok. Namenski hidravlični blok (slika 4) je izdelan iz teh- nične plastike PC (polikarbonat). Tehnični podatki so prikazani v preglednici 3. Ta material je bil izbran zaradi svoje visoke trdnosti, trdote in žilavosti. Prav tako je pripomogla njegova transparentnost (pro- zornost), ki je zelo pomembna za snemanje s hitro kamero [8]. Testiranje je potekalo tako, da smo naj- prej povezali skupaj komponente hidravličnega vo- dnega preizkuševališča. Nato smo preverili, če vse deluje, kot mora, na hidravličnem vodnem preizku- ševališču. Potem je bilo treba umeriti še zajem re- zultatov testiranja, ki smo jih zajemali s hitro kame- ro Photron Mini UX100 mono, ki lahko zajame 4000 slik na sekundo s kvaliteto videa 1280 x 1024. Na hitri kameri je bil uporabljen objektiv proizvajalca Nikon, in sicer Micro-Nikkor 105 mm f/2,8. Nato smo hitro kamero povezali s tuljavo potnega ventila, da smo dobili točen čas sprožitve stikala. Čas zamika (t) med stikalom in časom na hitri kameri je bil (t zam ) 0,002 s, vendar je konstanten pri vsaki meritvi, zato Preglednica 2 : Kataloški podatki o uporabljenem optičnem senzorju HT3CL2/4P-M8 [10] Tip svetlobe Laserska dioda, rdeča svetloba Nastavitev ročna Tip električne povezave konektor M8 Širina senzorja 11,4 mm Višina senzorja 34,2 mm Dolžina senzorja 18,3 mm Čas reakcije 0,16 ms Frekvenca preklapljanja 3000 Hz Območje delovanja od 15 mm do 550 mm Valovna dolžina laserja 650 nm Slika 2 : Namenski aluminijasti hidravlični blok (70 mm x 50 mm x 30 mm) (levo) in optični senzor (desno) [10] Slika 3 : Prerez hidravličnega bloka s priključki in po- stavitvijo optičnega senzorja [11] Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 ga lahko izpustimo. Pri samem zajemu videa s hitro kamero je potrebno postaviti tudi dobro osvetlitev, ki smo jo dosegli z LED-lučjo (slika 5). Ko je bilo vse pripravljeno, smo lahko začeli s testiranjem. Testirali smo štiri različne krmilne bate (slika 6):  jeklen originalen krmilni bat,  aluminijast krmilni bat,  bel plastični krmilni bat (GF30 PEEK): poliari- leterketon s 30-odstotnim dodatkom steklenih vlaken in  črn plastični krmilni bat (CA30 PEEK): poliete- reterketon s 30-odstotnim dodatkom ogljikovih vlaken. Velikosti krmilnih batov nismo posvečali velike po- zornosti, pomembno je bilo, da se je krmilni bat prekrmilil. Pri jeklenem batu nismo veliko izbirali, saj je bil na voljo le originalni krmilni bat. Za bele in črne plastične krmilne bate smo testirali več verzij, ki so bile izdelane predhodno za prejšnje raziskave in so se izkazale za delujoče. Prav tako smo to na- redili z aluminijastimi krmilni bati. Tu smo imeli na voljo 10 krmilnih batov. Izbrali smo 3, ki so dosegli najboljše rezultate pri prejšnjih testiranjih, in jih te- stirali. Odločili smo se za krmilni bat, ki je bil najbolj odziven. Ventile smo testirali pri treh različnih tlakih (p), in sicer pri 20 bar, 40 bar in 60 bar. Za vsako nastavitev smo v programu PFV4 (Photron FAST- CAM Viewer) proizvajalca hitrih kamer Photron od- čitali, koliko časa je bilo potrebnega, da se ventil popolnoma odpre. 3.4 Testiranje z merjenjem tlaka in signala Testiranje je potekalo tako, da smo najprej postavili celotno preizkuševališče za vodo. Nato smo dodali tlačne senzorje. Ti imajo pri merjenju tlaka določe- no odstopanje glede na tlačno področje (slika 7). Odločili smo se za testiranje pri tlakih (p) 50 bar, 100 bar in 150 bar. S slike 7 lahko razberemo, da nam tlak pokaže pri 50 bar do 0,05 bar več, pri 100 bar do 0,1 bar več in pri 150 bar do 0,15 bar več od realne vrednosti tlaka v preizkuševališču. Nato smo povezali še električni signal (U) na tuljavo do potnega sedežnega ventila EVC-34. Vsa oprema za merjenje tlaka in istočasno merjenje signala ventila je bila od proizvajalca Parker Hannifin, serija Sen- zoControl. Testirali smo krmilne bate iz vseh ma- terialov, ki so predstavljeni v točki 3.3 in prikazani VODNA HIDRAVLIKA 109 Preglednica 3 : Tehnični podatki o prozornem materi- alu za namenski hidravlični blok [12] Parameter Simbol Enota Polikarbonat Meja plastičnosti Re MPa 69 Youngov modul E MPa 2200 Maksimalna delovna temperatura T °C 149 Koeficient linearnega raztezanja W cm K -1 0,00008 Koeficient absorpcije vode A % 0,06 Slika 5 : Postavitev hitre kamere, LED-luči, tuljave in potnega ventila pri testiranju [11] Slika 6 : Razstavljen hidravlični potni ventil EVC-34 [11] Slika 4 : Izdelan namenski hidravlični blok iz polikar- bonata (70 mm x 50 mm x 50 mm) [11] Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 na sliki 6. Po preizkušanju na vodnem hidravličnem preizkuševališču smo postavili še oljno hidravlič- no preizkuševališče in tam ponovili testiranje. Po končanem testiranju smo iz programa proizvajalca opreme izvozili podatke v datoteki formata.csv. To smo uvozili v okolje Python in tam podatke preo- blikovali v grafe (primer je na sliki 8). Signal je na rezultatih predstavljen z modro barvo, vhodni tlak z oranžno barvo in izstopni tlak z rdečo barvo. Naj- bolj pomembno nam je bilo opazovanje in obnaša- nje izhodnega tlaka (rdeča barva). 4 Rezultati 4.1 Testiranje s hitro kamero Pri testiranju jeklenega krmilnega bata je bilo opa- zno, da ni narejen za delovanje v vodi. S slike 9 je razvidno, da se z večanjem tlaka (p) veča tudi od- zivni čas (t) popolnoma odprtega potnega ventila. Pričakovati bi bilo, da se z večanjem tlaka (p) od- zivni čas (t) popolnoma odprtega potnega ventila manjša. Z večanjem tlaka (p) pa pada čas prvega premika krmilnega bata (t 1 ). To je bilo pričakovano, saj z naraščanjem tlaka (p) narašča tudi sila tlaka (F p ) na krmilni bat in takoj, ko tuljava prekrmili potni ventil, ga sila (F p ) pri večjem tlaku (p) prej prestavi v drugo pozicijo kot pa pri manjšem tlaku (p). Voda ima manjšo viskoznost (v) kot hidravlično olje, kar vpliva na ravnovesje sil (F) v ventilu. Večja, kot je viskoznost (v) kapljevine, večje viskozno trenje (F R ) povzroča. To povzroči tudi daljšanje časa (t) odpi- ranja krmilnega bata hidravličnega potnega ventila. To je vidno tudi pri rezultatih, kjer je čas t 1 definiran kot čas prvega odpiranja ventila in čas t 2 kot čas popolnoma odprtega ventila. Na sliki 9 je prikazan samo čas (t 2 ) popolnoma odprtega ventila. Pri testiranju aluminijastih krmilnih batov je čas t 1 definiran kot čas prvega odpiranja ventila in čas t 2 kot čas popolnoma odprtega ventila. Na sliki 10 so rezultati predstavljeni grafično, kjer se vidi, da se čas prekrmiljenja ventila (t 2 ) krajša. Na sliki 10 je prikazan samo čas t 2 popolnoma odprtega ventila. Pri testiranju aluminijastih krmilnih batov smo dobili najboljše rezultate, saj smo jasno videli, kdaj se je krmilni bat premaknil in kdaj je popolnoma odprl. T ako smo lahko odčitali natančen čas (t) prekrmilje- nja bata. Pri rezultatih pa smo dobili odstopanje pri času prvega odpiranja ventila (t 1 ). Čas (t 1 ) pri tlaku (p) 20 bar in 60 bar ustreza trendu zmanjševanja časa z naraščanjem tlaka v primerjavi s časom t 2 . Ko pa pogledamo čas t 1 pri tlaku (p) 40 bar, vidimo, da čas t 1 malo odstopa od trenda zmanjševanja časa z naraščanjem tlaka. To odstopanje ni nikakor vpli- valo na čas t 2 . Predvidevamo, da je razlog za zaka- snitev prvega premika bata zakasnitev pri sprožitvi na stikalu, se pravi zakasnitvena aktivacija tuljave. 110 VODNA HIDRAVLIKA Slika 7 : Odstopanje pri merjenju tlaka [13] Slika 8 : Merjeni odzivi pri preklopu testiranega hidra- vličnega ventila [11] Slika 9 : Izmerjena sprememba odzivnega časa (t 2 ) jeklenega krmilnega bata s povečevanjem tlaka [11] Slika 10 : Izmerjena sprememba odzivnega časa (t 2 ) aluminijastega krmilnega bata s povečevanjem tlaka (p) [11] Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 Druga opcija pa je, da je v sistemu nastal zračni me- hurček in je ob sprožitvi ta zračni mehurček potisni- lo naprej. Ta potrebuje manjšo režo kot voda in je zato prišlo do zakasnitve časa t 1 . Temu bi se lahko izognili s ponovitvijo meritev. 4.2 Testiranje z merjenjem tlaka in signala Na sliki 11 so zbrani primeri rezultatov meritev pri testiranju z merjenjem tlaka in signala.  Pri testiranju aluminijastega krmilnega bata v vodnem hidravličnem preizkuševališču pri 150 bar smo dobili zelo kratke odzivne čase. To se lepo vidi tudi na sliki, saj v grafu ni vidnih nobe- nih zakasnitev.  Pri testiranju črnega plastičnega bata (CA30 PEEK) v vodnem hidravličnem preizkuševališču pri 100 bar smo prišli do zanimivega pojava, ko se nam je krmilni bat prekrmilil, vendar se kljub več poskusom ni zaprl.  Pri testiranju belega plastičnega bata (GF30 PEEK) v vodnem hidravličnem preizkuševališču pri 50 bar smo dobili odzivno odpiranje krmil- nih batov, vendar zakasnjeno zapiranje ventila. To se vidi na rdeči krivulji.  Pri testiranju jeklenega krmilnega bata v oljnem hidravličnem preizkuševališču pri 150 bar pa imamo primer, ko se krmilni bat ni prekrmilil. Vsi rezultati se nahajajo v [11]. Če pogledamo čase (t) jeklenega krmilnega bata, vidimo trend, ki nam kaže večanje časov (t). Ob primerjavi časov pri tlaku (p) 50 bar in 150 bar pa vidimo, da je čas zapiranja potnega ventila (t izk ) pri tlaku (p) 150 bar najkrajši. Ker je originalni potni ventil izdelan za delovanje do 250 bar, bi pričakova- li, da bi z večanjem tlaka časi padali. Ker ima pri 150 bar najhitrejši čas zapiranja potnega ventila (t izk ), predvidevamo, da je čas odpiranja potnega ventila (t vk ) večji, ker je hidravlična tekočina voda in ne olje, kar spremeni ravnovesje sil (F) v potnem ventilu. Pri aluminijastih krmilnih batih smo dobili podoben trend časov (t), kot je narisan na sliki 10. Tu so re- zultati le pri višjih tlakih, zato lahko sklepamo, da bi s povečevanjem tlaka (p) še skrajšali odzivni čas (t) potnega ventila. Če pa pogledamo čase same, je čas t izk veliko daljši kot čas t vk . Predvidevamo, da je to zaradi manjše teže (m) bata. Pri črnih plastičnih (PEEK CA30) krmilnih batih smo uspeli uspešno odpreti potni ventil le pri tlaku (p) 50 bar. Pri tlaku VODNA HIDRAVLIKA 111 Slika 11 : Del rezultatov testiranja z merjenjem tlaka in signala [11] Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 (p) 100 bar se je potni ventil le odprl in se kljub več poskusom zaprtja ni zaprl. Pri belih plastičnih (PEEK GF30) krmilnih batih vidimo, da se je pri te- stiranju pri 50 bar in 100 bar čas zaprtja (t izk ) in od- prtja (t vk ) potnega ventila povečal. Če bi morali izbrati krmilni bat, ki se je najbolje od- zival pri testiranjih v vodni hidravliki, bi se odločili za aluminijast krmilni bat. Če bi povečali tlak (p), pri katerem bi testirali potni ventil, pa bi se lahko jekleni krmilni bat zelo približal odzivnemu času (t) aluminijastih krmilnih batov, saj pri večjem tlaku (p) in posledični večji sili tlaka (F p ) na krmilni bat sama teža bata (m) ne bi toliko vplivala na čas prekrmi- ljenja (t). Ko smo testirali ventil v oljni hidravliki, pri alumini- jastih krmilnih batih nismo uspeli prekrmiliti nobe- nega pri katerem koli tlaku. Jekleni krmilni bat je bil edini, ki smo ga uspeli prekrmiliti pri dveh tlakih. Iz časov vidimo, da se je čas vklopa (t vk ) povečal, medtem pa se je čas izklopa (t izk ) zmanjšal. Prese- netljivo pa je bilo, da se je jeklen krmilni bat prekr- milil le do 120 bar. Čeprav je narejen za delovanje v oljni hidravliki in do tlaka (p) 250 bar, je ostal pri 150 bar zaprt. Bel in črn plastični krmilni bat nam je uspelo prekrmiliti le pri tlaku (p) 50 bar. Na podlagi časov vidimo, da je bel plastični krmilni bat primer- nejši za uporabo v olju kot črn plastični krmilni bat, saj je njegov čas t izk precej manjši kot je pri črnem. Pri tlaku (p) 150 bar nam ni uspelo prekrmiliti nobe- nega krmilnega bata. Prave primerjave med rezultati testiranja v oljni in vodni hidravliki je težko narediti. Razlog je v pre- majhni količini rezultatov, dobljenih pri testiranju krmilnih batov v oljni hidravliki. Edina primerjava, ki jo lahko naredimo, je pri tlaku (p) 50 bar, vendar tudi te zaradi rezultatov z aluminijastim batom ne moremo zaključiti, saj smo pri njem dobili najbolj- še rezultate v vodni hidravliki, ni pa nam ga uspelo prekrmiliti v oljni hidravliki. Če primerjamo čase (t) jeklenega krmilnega bata med oljno in vodno hi- dravliko, vidimo, da so časi zapiranja ventila (t izk ) v oljni hidravliki hitrejši pri nižjih tlakih. Čas odpiranja ventila (t vk ) pa je v vodni hidravliki hitrejši za dobro sekundo. Plastične krmilne bate smo primerjali le pri tlaku (p) 50 bar, saj pri višjem tlaku (p) v oljni hidravliki niso delovali. Pri črnih plastičnih krmilnih batih vidimo, da so boljši za delovanje v vodni hi- dravliki, saj sta časa t vk in t izk najhitrejša med vsemi pri 50 bar. Problem nastane pri višjem tlaku (p). V oljni hidravliki je čas t izk daljši kot pri belem plastič- nem krmilnem batu. Pri belih plastičnih krmilnih ba- tih vidimo, da je čas t vk boljši v vodni hidravliki, čas t izk pa boljši v oljni hidravliki. V vodni hidravliki čas t izk narašča z naraščanjem tlaka p, v oljni hidravliki pa rezultata pri višjem tlaku nismo uspeli dobiti. Glede na pridobljene rezultate smo prepričani, da bi krmilni bati iz različnih materialov delovali, ven- dar bi bilo treba za določitev optimalnih parame- trov vsakega krmilnega bata smiselno narediti več verzij iz vsakega materiala ter jih najprej numerično preračunati (MKE in CFD analize). Numerične simu- lacije bi bilo dobro ponoviti pri več različnih tlakih, vsaj do 250 bar. Po simulacijah bi izvedli testiranje ventila v vodnem in nato še v oljno-hidravličnem preizkuševališču. 5 Zaključki Med raziskavo smo merili odzivnost in obnašanje potnega ventila pri uporabi različnih krmilnih batov. Poudarek je bil na uspešnem testiranju polimernih krmilnih batov, saj to prej še ni bilo narejeno. Poleg dveh polimernih krmilnih batov smo testirali še alu- minijast in originalen jeklen krmilni bat. Potni ventil smo po neuspešni zasnovi preizkuševališča z mer- jenjem odzivnosti z optičnim senzorjem testirali še na preizkuševališču s hitro kamero ter merjenjem tlaka in signala. V okviru raziskave smo ugotovili in naredili sledeče: 1. Pregledali smo obstoječo literaturo na temo testiranj ter se seznanili s problematiko vodnih hidravličnih komponent v hidravlični industriji. 2. Pokazali smo, da na zasnovanem preizkuševa- lišču merjenje pomika krmilnega bata s splo- šno uporabljanim industrijskim optičnim sen- zorjem ni mogoče. To bi bilo verjetno mogoče z uporabo dražjih, bolj naprednih optičnih sen- zorjev. 3. Zasnovali smo preizkuševališče za merjenje po- mika krmilnega bata s hitro kamero za testiranje na vodnem hidravličnem preizkuševališču. Za ta namen smo uporabili namensko izdelan prozo- ren hidravlični blok iz polikarbonata. Testiranja smo izvedli do tlaka 60 bar in ugotovili, da je z naraščanjem tlaka odzivnost jeklenega krmilne- ga bata počasnejša. Pri aluminijastem krmilnem batu pa je ravno obratno: z naraščanjem tlaka je odzivnost hitrejša. 4. Zasnovali smo preizkuševališče za merjenje po- mika krmilnega bata z istočasnim merjenjem tlaka in signala na vodnem in oljnem hidravlič- nem preizkuševališču. Za ta namen smo prede- lali namenski hidravlični blok iz aluminija, prvo- tno narejen za merjenje pomika krmilnega bata z optičnim senzorjem. Testiranja smo izvedli do tlaka 150 bar. Ugotovili smo, da je do tlaka 150 bar na vodnem hidravličnem preizkuševališču najboljši krmilni bat narejen iz aluminija, vendar se je pri jeklenem krmilnem batu krivulja časov obračala navzgor. Na oljnem hidravličnem pre- izkuševališču se je najbolj odzival jeklen krmilni bat, saj se je edini prekrmilil pri dveh tlakih. Pri tlaku 150 bar v olju se ni prekrmilil noben krmil- ni bat. 5. Dokazali smo, da je mogoče delovanje potnega ventila z vsemi materiali, iz katerih so izdelani krmilni bati, v vodi in v olju. Hibridno delovanje 112 VODNA HIDRAVLIKA Ventil 2 / 2023 • Letnik 29 (v vodi in v olju) je mogoče na podlagi odzivno- sti potnega ventila. Bolje bi deloval potni ventil s krmilnimi bati, narejenimi za delovanje v olju in posebej za delovanje v vodi. Po testiranjih smo ugotovili, da je potrebna prila- goditev posameznega krmilnega bata za optimalno delovanje v vodi ali v olju. Najpomembnejše je rav- novesje vseh sil v potnem ventilu. Viri [1] D. Merkle, B. Schrader, M. Thomes: Festo Hy- draulics Basic level. Nemčija, Denkendorf, 2003. [2] F. Majdič: Hidravlika in pnevmatika: zapiski za predavanja – PAP: Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2013. [3] F. Majdič: Voda kot kapljevina v pogon- sko-krmilni hidravliki: doktorska disertacija. Ljubljana, 2010. [4] E. Trostmann: Water Hydraulics Control Technology: Tehnical University of Denmark, Lyngby, 1996. [5] A. Poljšak: Raziskava delovanja digitalnega vodnohidravličnega ventila, pregled litera- ture, Ljubljana, 2017. [6] J. Stryczek, M. Banaś, J. Krawczyk, L. Marcini- ak, P. Stryczek: The fluid power elements and systems made of plastics. Procedia Engineer- ing 176 (2017), str. 600–609. [7] Opisi materialov. Ex-mega spletna stran. Dostopno na: https://www.exmega.si/slo/ opis_materialov.html, ogled 26. 9. 2022. [8] J. R. Valdes, M. J. Miana, J. L. Nunez: Reduced order model for estimation of fluid flow and- flow forces in hydraulic proportional valves. Energy Conversion and Management 49 (2008), str. 1517–1529 [9] Aidro Srl: Aidro Hydraulics Products cata- logue. Taino, Italy, 2021, str. 278–279. [10] Optični senzor. Spletna trgovina Tipteh, Dost- opno na: https://b2b.tipteh.com/en/catalog/ sensors/optical-sensors/diffuse-photoelet- ric-optical-sensor/107607/ht3cl2-4p-m8-ht- 3cl2-4p-m8, ogled 5. 12. 2022. [11] A. Dolinar: Vpliv materiala bata sedežne- ga ventila na odzivnost: diplomsko delo. Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2023. [12] Ex-mega: Technical data – Polycarbonate, 2022. [13] Parker Hannifin: serija SensoControl – Kali- bracijski list. Nemčija, 2013. VODNA HIDRAVLIKA 113 Is future of hydraulics in water with lower weight of components? Can water hydraulics with lower weight compete with oil hydraulics? Abstract: Over time, the hydraulic component industry for oil hydraulics has gained a monopoly in development. Only components for oil hydraulics have been developed. Compared with oil, water as a hydraulic fluid has a better ecological effect, because it does not pollute the environment. Ecology has restarted the de- velopment of water hydraulics, which was used in the early days of hydraulics. The development of water hydraulics is progressing, but can it compete with oil hydraulics? That is the main question in this disser- tation. We used a directional control valve, originally developed for oil hydraulics, in water hydraulics. We studied the performance of control spools made of different materials. These materials were steel, alumin- ium and two different polymers. We repeated the tests with oil hydraulics and compared the results. We designed an oil and water test station for seating valve EVC-34. The response of the control spool was measured with a high-speed camera and a pressure sensor. The measurements were repeated at different pressures. Keywords: water hydraulics, oil hydraulics, seating valve, control spool, polymers, high-speed camera, pressure sensor LABORATORIJ ZA FLUIDNO TEHNIKO Smo laboratorij z dolgoletno tradicijo na področju fluidne tehnike. Ukvarjamo se z oljno in tudi ekološko prijazno vodno pogonsko-krmilno hidravliko, pri tem pa uporabljamo sofisticirano in sodobno merilno in programsko opremo. Obrnite se na nas, če potrebujete: - razvoj in optimiranje hidravličnih komponent in naprav, - izdelavo hidravličnih naprav, - izboljšave in popravila hidravličnih strojev in naprav, - izdelavo sodobnega krmilja za hidravlične stroje, - industrijsko izobraževanje na področju fluidne tehnike, - ekološke hidravlične naprave na pitno vodo, - nudimo visokotlačne trajnostne teste, - nudimo testiranje hidr. filtrov ter sodobne filtrirne naprave, … T: 01/4771115, 01/4771411 E: lft@fs.uni-lj.si http://lab.fs.uni-lj.si/lft/ Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo Laboratorij za fluidno tehniko Aškerčeva 6, 1000 Ljubljana