Ventil 5 / 2021 • Letnik 27 314 VODNA HIDRAVLIKA 1 Uvod Področja uporabe pogonsko-krmilne hidravlike (PKH) so raznolika in zahteve vse večje. S tem se povečuje tudi obremenitev okolja s škodljivimi snov- mi. Mednje sodijo predvsem hidravlična olja, ki so bila zadnja desetletja in predvsem do devetdesetih let prejšnjega stoletja brez konkurence zaradi svojih odličnih korozijsko in obrabno-odpornih lastnosti. Z vse večjo industrializacijo sveta je varstvo okolja postalo ena glavnih tem prihodnosti industrijskega razvoja. Ker je večina hidravličnih kapljevin še vedno fosilnega izvora, je torej „nezdrava“ obremenitev okolja velika, saj so hidravlična olja na podlagi nafte težko razgradljiva in toksična. Ena od rešitev proble- ma je uporaba vode, več tisočletij stare kapljevine, ki je prosto dostopna in nima škodljivih posledic na okolje. Temu navkljub pa motivacije za njeno upora- bo ni. Razvojne smernice narekujejo vodilna podjetja na področju PKH. Ta (še vedno) niso dovolj okoljsko osveščena in se jim ne zdi vredno vlagati sredstev v razvoj posebne opreme, ki jo vodna hidravlika zah- teva. Nekoč v prihodnosti bo prehod z mineralnega hidravličnega olja na vodo verjetno nujen. Druga tehnologija, ki pridobiva večjo pozornost, je aditivna tehnologija izdelave. V zadnjih letih je ve- dno več pozornosti in raziskav usmerjenih v to teh- nologijo mnogih prednosti, tudi okoljskih, glede učinkovitosti uporabe materiala, lažjega izdelka in prilagodljivosti zahtevam. Cilj raziskave je proučevati spremembe notranjega puščanja in obnašanja 4/3 potnega ventila HD3- -AMPS-1PC-R4/10 proizvajalca AIDRO med traj- nostnim preizkušanjem do treh milijonov ciklov pri tlaku vode 300 bar. Ventil je izdelan z aditivno teh- nologijo ter namenjen za delovanje z mineralnim hi- dravličnim oljem. 2 Ozadje raziskave Krmilni ventili so z vidika delovanja razdeljeni na dve glavni skupini: na konvencionalne in zvezno de- Primož Cizl, dipl. inž., doc. dr. Franc Majdič univ. dipl. inž., oba Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo Izvleček: Hidravlične kapljevine fosilnega izvora kljub svojim dobrim protikorozijskim in protiobrabnim lastnostim pred- stavljajo preveliko okoljsko breme. Manjšega ali celo večjega izliva mineralnih hidravličnih olj v okolje ni mo- goče zanesljivo preprečiti, še posebno ne pri mobilnih strojih. Zato je voda verjetno hidravlična kapljevina prihodnosti, dandanes pa je še zelo malo uporabljana v te namene. Za izdelavo sestavin pogonsko-krmilne hidravlike, ki uporablja vodo kot medij, so potrebni drugačni, predvsem precej dražji materiali ter drugačni in zahtevnejši izdelavni postopki. Velik problem je korozija. So pa nekateri parametri delovanja vodne hidravlike ugodnejši od parametrov oljne hidravlike, predvsem po zaslugi manjše stisljivosti vode. T a prispevek podaja postopek in rezultate trajnostnega testiranja proporcionalnega potnega ventila (PPV) 4/3, razvitega za oljno hidravliko, a preizkušanega s pitno vodo kot hidravlično kapljevino. Posebnost tega trajno- stnega testa je v tem, da je ventil izdelan s tehnologijo tridimenzionalnega tiska kovin. Med postopkom raziskave smo sledili številnim parametrom delovanja in lastnostim preizkušanega PPV-ja. Predvsem smo merili notranje puščanje ventila glede na število njegovih opravljenih prekrmiljenj. Ocenjevanje rezultatov meritev je težavno zaradi številnih vplivov. Po končanem trajnostnem testiranju je končna obraba razvidna in očitna predvsem na krmilnem batu ventila, prav tako tudi korozijska erozija. Ključne besede: vodna hidravlika, trajnostni preizkus, notranje puščanje, proporcionalni ventil, korozija, obraba Vodno ­ hidra Vlični Trajnos Tni prei Zkus oljno ­ hidra Vličnega proporcionalnega po Tnega VenTila Primož Cizl, Franc Majdič Ventil 5 / 2021 • Letnik 27 lujoče. Vsaka skupina se glede na funkcijo dodatno deli na: potne, protipovratne (ne obstajajo kot zve- zno delujoči), tlačne in tokovne ventile [1]. Proporcionalni potni ventili Proporcionalni potni ventili (PPV) so zvezno de- lujoči. Tako kot vsi potni ventili (PV) (tudi konven- cionalni) v svoji oznaki (X/Y) nosijo informacijo o številu priključkov (X) in številu položajev (Y). Stan- dardizirano je tudi označevanje priključkov na PV. A in B sta priključka delovnih vodov, P predstavlja tlačni vod, T pa povratnega. PPV, na katerem smo izvajali trajnostni test, ima na vsaki strani vzmet in proporcionalni potisni elektromagnet, ki premika krmilni bat. Temu daje magnet zvezno gibanje ter konstantno silo ob gibanju jedra pri konstantnem toku hidravlične kapljevine. Umestitev PPV-jev za krmiljenje izvršilnih komponent (hidravlični valj, hi- dravlični motor, zasučni valj) lahko precej zmanjša število krmilnih komponent v primerjavi s konvenci- onalnim krmiljenjem hidravličnega sistema. Tlačne izgube pri pretaknju so sorazmerno majhne. Upori pretakanja v ohišju ventila močno vplivajo na line- arnost karakteristike pri večjem volumenskem toku. Zaradi pozitivnega prekritja je pri PPV, ki ga razi- skujemo, v ničelni legi manjša „mrtva cona“. To je nezaželeno zaradi slabše odzivnosti in nihanja okoli stabilne lege. Tipična zračnost med krmilnim batom in ohišjem je od 2 μm do 5 μm, zato je priporočena nazivna prepustnost filtra med 3 μm in 6 μm [2]. Hidravlične kapljevine Zaradi okoljskih problemov glede uporabe toksič- nih in težko razgradljivih mineralnih olj v različnih industrijskih panogah so se začeli zanimati za oko- lju prijaznejše kapljevine. Olja rastlinskega izvora se tej problematiki skoraj 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 hidrolitič- na odpornost. Raziskave tečejo v smeri izboljšanja toplotne in nizkotemperaturne stabilnosti olj ra- stlinskega izvora z dodajanjem kemičnih modifika- torjev in mešanjem z drugimi tekočinami z želenimi lastnostmi [3]. Oljem rastlinskega izvora je nujno dodati aditive, ti pa so že okolju škodljivi. Na račun čistoče in dostopnosti vode se izgubijo dobre mazalne lastnosti, kar privede do povečane obrabe, velikega notranjega puščanja in korozije hi- dravličnih sestavin. Posledično uporaba pitne vode brez dodatkov zaradi neugodnih lastnosti zmanjšu- je učinkovitost hidravličnega sistema. Voda v od- visnosti od svojega vira vsebuje tudi trdne delce različnih velikosti, topne primesi, različne bakteri- je, vodikove ione in določeno stopnjo klora, kalci- ja ter magnezija, kar predstavlja dodatno krajšanje uporabne dobe obremenjenih komponent. Težave nalaganja apnenca so znane že v mnogo manj ob- čutljivih 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 posta- nejo gojišče vnesenih bakterij. Dodatna slabost je ledišče pod 0 °C, kar zahteva dodatke proti zmr- zovanju (ang. anti-freeze additives). Vodno hidra- vlični sistemi so načeloma namenjeni obratovanju v temperaturnem razponu od 3 °C do 50 °C. Kot vse kapljevine, tudi voda zahteva natančno filtriranje (najmanj 10-mikronski absolutni filter) [4]. Kaplja olja onesnaži 150 litrov pitne vode. Čiščenje ene tone z oljem onesnažene zemlje, odvisno od stopnje onesnaženja, stane nad 2000,00 EUR. Cena litra visoko rafiniranega mineralnega olja (ang. hig- hly 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 raz- širjena le kot vodno-oljna emulzija, ne pa kot čista voda. Industrijska emulzija, uporabljana kot hidra- vlična kapljevina, je vsebovala navadno med 3 % in 5 % mineralnega olja. Nezanemarljiva razlika med mineralnim oljem in vodo je tudi vnetljivost. Emul- zije so manj nevarne, a kljub temu okoljsko sporne. Voda zagotavlja večjo togost sistema zaradi svoje skoraj zanemarljive stisljivosti, kar poveča odzivnost in učinkovitost hidravličnega sistema in s tem stro- ja / postrojenja, za katerega opravlja delovne gibe. Manjša viskoznost vode v primerjavi z oljem pa po- meni manjši padec tlaka linijskih in lokalnih izgub. V splošnem ni kapljevine, ki bi imela toliko prednosti, kot jih ima voda in bila cenovno konkurenčna v fazi nakupa, skladiščenja in odstranjevanja [4]. Trajnostno testiranje proporcionalnih po- tnih ventilov Rezultati trajnostnega testa se razlikujejo glede na režim filtriranja uporabljene vode v tokokrogu preizkušanega sistema s preizkušano komponen- to. Pri manj finem filtriranju s 5 μm je bilo zaznano puščanje v mejah dopustnega. Pri finejšem filtrira- nju z 1 μm pa je sprememba puščanja še manjša. Potrjena je velika pomembnost finega filtriranja, saj v nasprotnem primeru izpostavljene sestavne dele prizadene večja obraba. Glavni razlog za ne- zaželenost tudi manjših trdnih delcev je približno do 30-krat manjša kinematična viskoznost vode v primerjavi s hidravličnim mineralnim oljem. Vodno- -hidravlični ventili zato zahtevajo manjše zračnosti med batom in izvrtino v ohišju, da zagotavljajo ustrezno majhno notranje puščanje, ki ga oljni ven- tili dosežejo že z večjo zračnostjo. Kljub vsemu pa je bila tudi po 10 milijonih ciklov neustrezna filtra- cija glavni vzrok za, sicer podkritično, abrazijo iz- postavljenih drsnih površin, torej površin elemen- tov z relativno hitrostjo. Tolikšno število ciklov pa presega pričakovano uporabno dobo standardnih ventilov v tipičnih industrijskih aplikacijah [5]. Pri trajnostnem testu, izvedenem na 3D-tiskanem 4/3 proporcionalnem potnem ventilu (PPV) proizva- VODNA HIDRAVLIKA 315 Ventil 5 / 2021 • Letnik 27 316 VODNA HIDRAVLIKA jalca AIDRO, s hidravličnim oljem je bilo opravljenih 1 900 000 ciklov. V obdobju teh ciklov ventil ni utrpel opaznejših obrabnih poškodb. Puščanje po testira- nju je bilo le zanemarljivo večje od začetnega, z izje- mo puščanja na enem od priključnih vodov, kar pa je domnevno posledica izsredne lege krmilnega bata v izvrtini. Razlike so lahko do 1 : 2,5 [7]. Rezultatov trajnostnega testa tega PPV, izvedene- ga z mineralnim hidravličnim oljem, tu ne podaja- mo, ker ni predmet tega priapevka. Prikazujemo pa v prispevku, kakšno je bilo izhodiščno stanje PPV-ja za izvajanje trajnostnega testa z vodo kot hidravlič- no kapljevino. Notranje puščanje Notranje puščanje kapljevine v hidravličnih kompo- nentah je odvisno od več dejavnikov. Splošni način za izračun volumenskega toka notranjega puščanja v kolobarjasti reži je zapisan z enačbo (1) [5], de- tajlno izvajanje enačb pa je podano v [7]. (1) (Največje) notranje puščanje (Q np,najv ) je odvisno od števila iztekajočih presekov (n št,izt ). Pri 4/3 potnem ventilu s prostimi (sproščenimi) vsemi tremi priključ- ki vodov (A, B in T) v ničelnem položaju in vodom P pod tlakom sta iztekajoča dva kolobarjasta preseka, skozi katera nastopi pretakanje in padec tlaka (∆p r ). Srednji premer reže je D sr , to je aritmetična sredina med premerom krmilnega bata in premerom izvrti- ne. Povprečna višina reže je s, specifična gostota hi- dravlične kapljevine je ρ in njena kinematična visko- znosti υ. Dolžina enega prekritja krmilnega bata v ohišju je L. Pri preiskovanem PPV sta prekritji dve. Za dano geometrijo potnega ventila nastopi najmanjše notranje puščanje pri idealno centriranem batu gle- de na izvrtino: f izsr = 1, največje pa pri maksimalno iz- srednem batu: f izsr = 2,5 [5] in [7]. Obravnavani ventil Z ventilom HD3-AMPS-1PC-R4/10 s tiskanim kovin- skim ohišjem je bil že pred tem preizkusom opra- vljen trajnostni test z oljem. Po tem preizkusu smo ga najprej razstavili in temeljito očistili. Popisali smo stanje komponent ventila (slika 1) za kasnejše ovre- dnotenje relativne obrabe glede na začetno stanje ter število ciklov. Ohišje je 3D-tiskano iz avstenitne nikelj-kromove superzlitine z imenom blagovne znamke Inconel. Ta je namenjena delovanju v ekstremnih okoljih, pred- vsem za visokotemperaturne aplikacije. Ventil je zasnovan na 3D tiskanem ohišju s skoznjo luknjo in na spodnji strani s štirimi vhodi / izhodi, in sicer za tlačni, povratni vod in dva delovna voda. Krmilni bat se previdno vstavi v namensko skoznjo luknjo s finimi tolerancami za minimalno zračnost. Na vsako stran krmilnega bata se položi podložko, nato vzmet. Jedro oziroma ključ sta vstavljena v elektromagnet, ta pa je privit na konec ohišja, da omogoča dotik ključa in krmilnega bata. Tuljava se s pokrovom pritrdi na elektromagnet, O-tesnila pa previdno položi v namensko izdelane utore, da preprečijo iztek kapljevine že pred ohišjem. Tesnila tesnijo stik ob priključni plošči. Sestavljeni ventil se nato previdno pritrdi na priključno ploščo, na ka- tero privijemo cevne priključke za dovod / odvod hidravlične kapljevine. Paziti je treba, da štirje im- busni vijaki za pritrditev ohišja niso prenapeti, saj lahko povzročijo trajne poškodbe in / ali elastično deformacijo ohišja ter posledično nedelovanje ce- lotnega ventila. Ta postopek smo izvedli 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, posušili in poskrbeli, da je bilo izhodiščno stanje pred novo stopnjo preizkušanja čim bolj po- dobno izhodiščnemu. Vodno-hidravlično preizkuševališče Ker je bila frekvenca prekrmiljenja ventila visoka, smo z dodatno, na ohišje privarjeno nosilno povr- šino zagotovili togo vpetje plošče preizkušanega ventila. Preizkuševališče smo zaščitili s površina- mi, neprepustnimi za vodo, ki bi ob zatajitvi katere izmed komponent vodo usmerile v zbiralnik. Med uporabo smo preizkuševališče (slika 2) izboljševali z odpravljanjem napak, ki so se pojavile. Na cevi po- vratnih vodov, vidnih tudi na sliki 3, smo namestili 1,2 milimetrski zaslonki, ki sta služili kot tlačna obre- menitev sistema. Trajnostni test smo nadzorovali preko vmesnika s programom za vnos parametrov in z njimi povezanim režimom delovanja elektroma- gnetov ter zagona črpalke. Slika 4 prikazuje shemo preizkuševališča, ki ima tri črpalke, vsako za svoj krogotok. Prva, najmočnej- ša črpalka (1), ustvarja želen pretok za izvajanje trajnostnega preizkusa proporcionalnega ventila (2). Na vodu P z manometrom (3) opazujemo tlak Slika 1 : Komponente AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC- -R4/10 pred začetkom vodnega testiranja Ventil 5 / 2021 • Letnik 27 VODNA HIDRAVLIKA 317 Slika 2 : Vodno preizkuševališče za prvo merjenje notranjega puščanja Slika 4 : Shema vodno-hidravličnega preizkuševališča za izvedbo trajnostnega testiranja ventila Slika 3 : Ventil HD3-AMPS-1PC-R4/10 s priključenimi vodi ter kolenoma za zaslonkama na delovnih vodih A in B Ventil 5 / 2021 • Letnik 27 318 VODNA HIDRAVLIKA obremenitve ventila. Pri preobremenitvi je z voda P preko varnostnega ventila (4) speljan dodaten povratni vod nazaj v glavni rezervoar (5). Iz tega nizkotlačna centrifugalna črpalka (6) z velikim pre- tokom dovaja toplo vodo v izmenjevalnik toplote (7). Slednji iz manjšega rezervoarja toploto odda hladilni kapljevini tretjega krogotoka (8). Hladi se v hladilniku z ventilatorjem (9). Hladilno kapljevi- no prečrpava tretja centrifugalna črpalka (10), ki je enaka primarni hladilni črpalki (6). 4 Eksperimentalna raziskava Notranje puščanje smo merili v nekajdnevnih in- tervalih. Ob vsakem merjenju, ki je potekalo pri delujočih črpalkah in neaktivnih elektromagnetih, smo tlačno cev pritrdili zaporedno na vod P, A in B 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 posamezni vod glede na pretečeni čas nam je dalo vrednost izteka ka- pljevine. Vsako meritev smo izvedli tri- do štirikrat zaporedoma in povprečili vrednosti za izločitev naključnih rezultatov in preverjanje ustreznosti odstopajočih meritev. Pri vsaki meritvi smo zago- tovili tlak voda P 300 bar in odčitali temperaturo vode v sistemu. Frekvenca prekrmiljenja krmilnega bata med iz- vedbo trajnostnega testa je bila stalna, in sicer 5 Hz, torej s prekrmiljenjem vsakih 0,2 s. Slika 5 prikazuje tlačne razmere v ohišju ventila ob pre- mikanju bata v obe skrajni legi s frekvenco 5 Hz. Vod P 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 premika- njem bata tlak voda P naraste, saj premikajoči bat predstavlja tlačno-pretočno oviro z izmeničnim pripiranjem izhodnih vodov. 5 Rezultati Pomembno je izhodiščno stanje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10, ki je bil prej že uporabljen za trajnostni test z oljem pri tlaku 350 bar ob pov- prečni temperaturi olja 70 °C in z opravljenimi 1,9 milijona cikli [6]. 5.1 Meritve ovrednotenja začetnega notranjega puščanja Po opravljenem trajnostnem testu z mineralnim hi- dravličnim oljem smo za lažje ovrednotenje končnih ter vmesnih rezultatov z očiščenim ventilom opra- vili meritve notranjega puščanja. Te meritve smo v nadaljevanju opravljali z vodo kot hidravlično ka- pljevino. Izvajali smo jih pri tlaku 300 bar in pov- prečni temperaturi vode 38 °C. Krmilni bat ventila je bil, kljub 1,9 milijonov predho- dno izvedenih ciklov v olju, pred začetkom našega preizkušanja z vodo v odličnem stanju glede koro- zijske obrabe in rjavenja, ki ju s prostim očesom ni bilo opaziti. En cikel PPV-ja obsega naslednje de- lovne gibe: prekrmiljenje iz srednjega (ničelnega) položaja v levi (vzporedni) položaj (gledano po simbolu ventila na sliki 4), nato prekrmiljenje preko srednjega položaja v desni (križni) položaj in po- novno prekrmiljenje. En tak cikel traja 0,2 s in je raz- viden iz poteka tlakov na sliki 5. Prikazano je tudi pulziranje tlaka, ki ga povzroča batna črpalka. Slika 6 prikazuje krmilni bat po čiščenju in pred za- četkom preizkušanja. Poleg krmilnega bata je najbolj Slika 5 : Izmerjeni tlak med izvajanjem trajnostnega testa v odvisnosti od časa v posameznih vodih B, P in A pri frekvenci 5 Hz Slika 6 : Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC- -R4/10 pred začetkom trajnostnega preizkusa z vodo Slika 7 : Ohišje s pritrdilnimi vijaki AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 pred začetkom trajnostnega preizkusa z vodo Ventil 5 / 2021 • Letnik 27 občutljiva drsna površina notranjosti ohišja v sre- dinski izvrtini. Slika 7 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 zna- kov rjavenja in drugih mehanizmov obrabe ni. 5.2 Stanje ventila po dneh neuporabe Za vzpostavitev razmer trajnostnega preizkusa smo potrebovali tudi delujoč vmesnik s programom pre- klapljanja. Ker je postopek trajal štiri dni, je bila no- tranjost ventila ves čas omočena z vodo, ki je tam ostala od prvega merjenja notranjega puščanja. Ob preizkušanju vklopa elektromagnetov za premik krmilnega bata se ta ni odzival kljub delujočemu programu. Slika 8 prikazuje neočiščeno ohišje ven- tila in njegovo notranjost. Krmilni bat smo s težavo odstranili iz ohišja. Na sliki 9 je prikazan pred čišče- njem. Vidna je zaradi korozije spremenjena barva ter posledično večja hrapavost površin. Podobno velja za notranjost ohišja. Da se podobne težave ne bi ponovile, smo ventil spihali in očistili ter razsta- vljene sestavne dele, namenjene stiku s hidravlično kapljevino – vodo, shranili ločeno v zaprtem okolju z manjšo vlažnostjo do naslednje uporabe. 5.3 Stanje po 477 000 ciklih Očiščeni ventil je bil dobro ohranjen, a kljub temu drugače obarvan glede na začetno stanje. S pro- stim očesom ostalih sprememb nismo opazili. Dru- ge meritve notranjega puščanja vode smo opravili po 477 000 zaporedno opravljenih ciklih. Nepreki- njeno delovanje je trajalo 25,5 ur. Meritve pri tlaku 300 bar in temperaturi vode 35 °C so dale nove rezultate. Pri meritvah tlačno obremenjenega voda P smo izločili meritev, ki je drastično odstopala od povprečja ostalih. Pretečeni čas je bil namreč še enkrat večji, vrednost relativnega izteka pa enkrat manjša. Pred nadaljevanjem meritev smo bat nekaj- krat preklopili, kar je vplivalo na enotnejše rezultate. 5.4 Stanje po 1 500 000 ciklih V tej fazi je preizkuševališče delovalo neprekinjeno dodatnih 80 ur, v katerih naj bi ventil poleg doseda- njih 477 000 naredil dodatnih približno 1 500 000 ciklov. Ker pa je imel curek skozi zaslonko toliko energije, je prebil koleno. Del tako poškodovanega kolena je viden na sliki 10. Krmilni bat se je med preizkusom kljub delovanju elektromagnetov v tej fazi ustavil. Prebito koleno z voda A smo nadome- VODNA HIDRAVLIKA 319 Slika 8 : Detajl notranjosti hišja AIDRO ventila HD3- -AMPS-1PC-R4/10 po štirih dneh neuporabe Slika 10 : Del kolena z vidno poškodbo, nastalo zaradi vodnega curka Slika 9 : Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC- -R4/10 po štirih dneh neuporabe Slika 11 : Spodnji del ohišja brez O-tesnil, krmilni bat, podložki in originalni vzmeti AIDRO ventila HD3- -AMPS-1PC-R4/10 po 1 500 000 ciklih Ventil 5 / 2021 • Letnik 27 320 VODNA HIDRAVLIKA stili s togo cevjo s postopnim 90-stopinjskim zavo- jem, da bi se izognili točkovni preobremenitvi cevi zaradi kinetične energije vode in kavitacije. Enako zamenjavo smo preventivno izvedli tudi na mestu drugega kolena. Da bi ugotovili vzrok zaustavitve ventila, smo ga razstavili. Opazili smo, da je bila ena izmed vzmeti med elektromagnetom in pod- ložko trajno poškodovana. Vzmet, ki sicer služi kot protisila elektromagnetni sili ter s tem preprečuje poškodbe konca elektromagneta, je ob porušitvi povzročila neravnovesje aksialnih sil in s tem ne- zmožnost krmiljenja bata. Slika 11 prikazuje stanje krmilnega bata in obe originalni vzmeti, delujočo in zlomljeno. Skupno opravljene cikle obremenjevanja smo zaradi pomanjkanja informacij o času zaustavi- tve krmilnega bata zmanjšali za pol milijona na sku- pnih 1 500 000. Pred izvedbo meritev notranjega puščanja vode v tej fazi smo počeno vzmet nado- mestili z novo, ki je imela zelo podobno togost in osnovne mere. 5.5 Stanje po 2 000 000 ciklih Pri delovanju sistema za izvajanje novih pol milijo- na 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 je utrpela poškodbo na dveh bližnjih točkah, kjer se je vodni curek iz zaslonke upiral spre- membi 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. Po 577 000 ciklih nadaljevanega testiranja (od tega upoštevanih 500 000 zaradi problematič- ne določitve točnejšega časa prekinitve preklaplja- nja) se je trajnostno utrudila in zlomila tudi druga vzmet. Ob razstavljanju ventila krmilni bat ni več prosto padel iz ohišja. Vzrok je bila še zadnja origi- nalna 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 zrač- nost zapolnjena z drobnimi delci, nastalimi ob utru- janju in koroziji vzmeti. To smo zamenjali z novo vzmetjo, zelo podobno glede togosti in dimenzij, ki ni bila povsem identična že prej zamenjani vzmeti z druge strani ventila. Razlike so bile sicer minimal- ne, a smo bili ob vsakem razstavljanju kljub vsemu pozorni, da smo pri ponovnem sestavljanju ločevali med komponentami z ene in druge strani. Na tej stopnji je bil krmilni bat že bolj izrazito obar- van, kar prikazuje slika 12. Opazijo se lisasti vzorci kot posledice obrabe zaradi radialne ekscentrič- nosti oziroma dolgotrajne blage korozije, ki zara- di stalnega pretoka in spreminjanja lege krmilnega ventila nima tako velikega vpliva kot v mirovanju. Največja sprememba pa se pozna na površinah bata, ki so najbližje ohišju. Razmere, v katerih se je preklapljanje v tej stopnji izvajalo, so bile specifič- ne. 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. Slika 13 prikazuje v ohišju zagozdeno vzmet, od ka- tere so med preizkušanjem zaradi utrujanja odpadali drobni delci, ki so pospeševali obrabo krmilnega bata ter ohišja, na katerem opazimo rjavkaste sledi. Po či- ščenju omenjenih sestavnih delov ventila smo opazi- li, da sta oba v dobrem stanju, obarvana pa sta bila predvsem zaradi korozijsko razjedene počene vzmeti. 5.6 Stanje po 3 390 000 ciklih V treh dneh neprekinjenega delovanja je ventil opra- vil dodatnih 1 390 000 ciklov. Ob ponovnem zago- nu se krmilni bat ni odzival, zato smo ga razstavili in pregledali. Pri ločevanju krmilnega bata od ohišja smo morali uporabiti večjo silo, saj je bil bat zagoz- den, brez možnosti pomikov po ohišju ali rotacije okoli svoje osi. Na sliki 14 opazimo bolj agresivne po- škodbe notranjosti ohišja. Neočiščen krmilni bat na Slika 13 : Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 z zagozdeno originalno vzmetjo Slika 12 : Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC- -R4/10 po 2 000 000 ciklih Ventil 5 / 2021 • Letnik 27 sliki 15 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 ven- til izpostavili vodnemu tlaku 300 bar pri prostih delovnih vodih, pa se krmilni bat ni več premaknil. Čiščenje ventila smo ponovili z alkoholom in tlač- nim zračnim curkom, a je bil rezultat enak. Notranje puščanje v takih razmerah je bilo več kot desetkrat manjše od prejšnjih meritev. V rezervoarju smo za- menjali vso vodo in s tem usedline, da kapljevina ni bila motna. S sprejem za odstranjevanje vode in preprečevanje korozije smo premazali za nekaj ur razstavljene oksidacijsko občutljive sestavne dele ventila. Naslednje meritve so bile uspešnejše, saj je ventil deloval tudi po tlačni obremenitvi z vodo. 5.7 Primerjava meritev notranjega puščanja Skupni končni rezultati meritev notranjega pušča- nja AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 v odvi- snosti od opravljenih ciklov krmilnega bata so pred- stavljeni na slikah 16, 17 in 18. 6 Zaključki V okviru predstavljene raziskave smo z vodo trajno- stno testirali proporcionalni 4/3 potni ventil s tiska- nim kovinskim ohišjem. V okviru predstavljenega dela smo izvedli in ugotovili naslednje: 1. Izmerili smo notranje puščanje ventila večkrat med testom do preko treh milijonov ciklov. Re- zultati meritev so v območju med 0,15 in 5,0 l/ min, kar je razvidno iz slik 16, 17 in 18. VODNA HIDRAVLIKA Slika 14 : Ohišje AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC-R4/10 po skupno 3 390 000 ciklih pred čiščenjem Slika 16 : Spreminjanje notranjega puščanja vode sko- zi AIDRO-v proporcionalni potni ventil v odvisnosti od opravljenih ciklov s tlakom 300 bar na vodu P Slika 17 : Spreminjanje notranjega puščanja vode sko- zi AIDRO-v proporcionalni potni ventil v odvisnosti od opravljenih ciklov s tlakom 300 bar na vodu A Slika 18 : Spreminjanje notranjega puščanja vode sko- zi AIDRO-v proporcionalni potni ventil v odvisnosti od opravljenih ciklov s tlakom 300 bar na vodu B Slika 15 : Krmilni bat AIDRO ventila HD3-AMPS-1PC- -R4/10 po 3 390 000 ciklih pred čiščenjem 321 Ventil 5 / 2021 • Letnik 27 322 VODNA HIDRAVLIKA Water-hydraulic endurance test of an oil-hydraulic proportional directional control valve Abstract: Hydraulic fluids 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 special equipment, it is still underestimated. We have sustainably tested a proportional directional control valve made by three-dimensional printing using water as hydraulic fluid. We observed the change in internal leakage as a function of the number of cycles (from the initial state, shown in Figures 6 and 7, to the final state of the body and spool, as shown in Figures 14 and 15). The measurement results, shown in Figures 16, 17 and 18, are unexpected and difficult to explain. The final stage of wear of the spool, i.e. small particles of the worn spring, were clearly visible. Corrosion erosion is the major problem in performing the sustain- ability test as proved by the attached pictures. Keywords: Water hydraulics, sustainability test, internal leakage, proportional valve, corrosion, wear Zahvala Zahvaljujemo se podjetju AIDRO SRL za priskrbljen preizkušan proporcionalni potni ventil lastne bla- govne znamke ter predstavniku slovenskega zastopnika Hidravlika Celje d.o.o. g. Borutu Erženičniku. Acknowledgement We are thankful to AIDRO SRL company for providing their own proportional valve that has been tested in this research and the Slovenian representative Hidravlika Celje d.o.o. Mr. Borut Erženičnik. 2. Pokazali smo, kateri sestavni deli testiranega proporcionalnega potnega ventila (PPV) so naj- bolj občutljivi pri uporabi vodne hidravlike. 3. Rezultati so pokazali, da je obnašanje ventila v obravnavanih razmerah nestabilno. 4. Pokazali smo, da je vzrokov za različno izmerje- no notranje puščanje veliko, od izsrednosti lege krmilnega bata v izvrtini do temperature kaplje- vine. 5. Dosegli smo več kot 3 390 000 ciklov z istim krmilnim batom in ohišjem. 6. Pokazali smo, da je daljša prekinitev delovanja ventila v vodnem krogotoku neprimerna in pov- zroča največ nevšečnosti. 7. Vsi elementi PPV-ja morajo biti izdelani iz ner- javnega jekla, ker ta pogoj ni bil izpolnjen, so bile težave pričakovane. Glavni prispevek raziskave so rezultati, ki omogoča- jo boljše predvidevanje podobnih trajnostnih pre- izkusov ob izločitvi zaviralnih dejavnikov. Prikazali smo del problematike, ki v večjem obsegu onemo- goča hitrejši prehod hidravlike na uporabo potenci- alne hidravlične kapljevine prihodnosti. Ob uporabi vzmeti iz nerjavnega jekla bi preizkušanje teklo bolj nemoteno, predvsem če se zavedamo, da so bile standardne vzmeti glavni vzrok težav. Literatura [1] F. Majdič: Hidravlika in pnevmatika: konven- cionalni potni ventili (predloga za predavan- ja). Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2021. [2] N. Herakovič: Proporcionalna hidravlika: uvod (zapiski in predloga za predavanja). Fakulte- ta za strojništvo, Ljubljana, 2021. [3] S. Z. Erhan: Vegetable Oils as Lubricants, Hydraulic Fluids, and Inks, in Bailey’s In- dustrial Oil and Fat Products, American Cancer Society, 2005. doi: https://doi. org/10.1002/047167849X.bio055. [4] E. Trostmann: Tap Water as a Hydraulic Pres- sure Medium, CRC Press, Boca Raton, 2018, str. 1–9. [5] F. Majdič, J. Pezdirnik, M. Kalin: Experimen- tal 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.TRI- BOINT.2011.08.020. [6] F. Majdič: Pressure test of Aidro valves. Lab- oratorij za fluidno tehniko (LFT), Fakulteta za strojništvo univerze v Ljubljani, Ljubljana, 2020. [7] J. Pezdirnik: Tok tekočine skozi reže v hidra- vličnih sestavinah: (tok kapljevine skozi reže med soležnimi vzporednimi ploskvami brez medsebojne relativne hitrosti) = Fluid flow through gaps in hydraulic components: (liq- uid flow through gaps between paralell sur- faces without relative velocity), Stroj. vestn., 2001, letn. 47, št. 5, str. 210–216. [COBISS.SI-ID 4659739]