KOMBINIRANA TESTNA NAPRAVA ZA HIDRAVLIČNE TEKOČINE · testna naprava, test UDK: 621.22.018:661.177(043.2) POVZETEK: Cilj magistrske naloge je bil izdelati napravo, ki bo omogočala

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Jan WEICHARDT

KOMBINIRANA TESTNA NAPRAVA ZA HIDRAVLIČNE

TEKOČINE

Magistrsko delo

študijskega programa 2. stopnje

Mehatronika

Maribor, Marec 2018

II

KOMBINIRANA TESTNA NAPRAVA

ZA HIDRAVLIČNE TEKOČINE

Magistrsko delo

Študent: Jan WEICHARDT

Študijski program: študijski program 2. stopnje Mehatronika

Mentor FS: izr. prof. dr. Darko Lovrec

Mentor FERI: red. prof. dr. Riko Šafarič

Somentor: doc. dr. Vito Tič

Maribor, marec 2018

III

IV

I Z J A V A

Podpisani Jan Weichardt, izjavljam, da:

je magistrsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli

izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

so rezultati korektno navedeni,

nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

soglašam z javno dostopnostjo magistrskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor, 13.3.2018 Podpis:________________________

V

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorjema izr. prof. dr. Darku

Lovrecu in red. prof. dr. Riku Šafariču in

somentorju doc. dr. Vitu Tiču za pomoč in vodenje

pri opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.

VI

KOMBINIRANA TESTNA NAPRAVA

ZA HIDRAVLIČNE TEKOČINE

Ključne besede: Hidravlične tekočine, hidravlične komponente, mehanizmi obrabe,

testna naprava, test

UDK: 621.22.018:661.177(043.2)

POVZETEK:

Cilj magistrske naloge je bil izdelati napravo, ki bo omogočala testiranje vpliva različnih

hidravličnih tekočin na najpogosteje uporabljane hidravlične komponente, tako črpalke kot

ventile. Kombinirana testna naprava mora biti zasnovana tako, da bo čim bolj učinkovito

degradirala najbolj kritične dele hidravličnih komponent.

V magistrski nalogi so uvodoma preučeni obstoječi testi in naprave, ki so v rabi za te namen

in so jih zasnovali proizvajalci hidravličnih komponent. V nalogi je predstavljen lasten

pristop k izvedbi testiranja, ki bo simuliral delovanje hidravličnega sistema v realnem

industrijskem okolju. Obstoječe testne naprave so energetsko zelo potratne, saj uporabljajo

pogonski sklop velikih moči, pri čemer je pozornost namenjena zgolj vplivu tekočine na

hidravlično črpalko. Ostale komponente, kot npr. krmilni ventili, niso obravnavani.

Krmilje naprave bo izvedeno s programirljivim logičnim krmilnikom, ki bo vse parametre

nadziral, jih izpisoval in primerjal. Krmilje bo izvedeno tako, da bo prilagodljivo vsem

vrstam testov. Zapisoval in izpisoval bo vse parametre, ki se bodo zaradi obrabe

spremenili. Le tako bo ob končanem testu jasen pregled nad podatki.

Rezultat magistrske naloge bo fizično izdelana kombinirana testna naprava za namensko

staranje in testiranje hidravlične tekočine in komponent.

VII

COMBINED TESTING DEVICE

FOR HYDRAULIC FLUIDS

KEY WORDS: Hydraulic fluid, hydraulic components, wear mechanism, testing device,

test,

UDK: 621.22.018:661.177(043.2)

ABSTRACT:

The objective of this work was to construct a device, which will allow testing the effects of

different hydraulic fluids on the most commonly used hydraulic components, like hydraulic

pumps and hydraulic valves. Combined testing device must be designed in a way, which

will be most effective in torture testing critical parts and hydraulic components.

This thesis starts with research of already known testing procedures and devices, which

were made for torture testing the hydraulic components and were mostly designed by the

manufactures of hydraulic components. The thesis represents my own approach to

designing the device, which will simulate the operation of hydraulic system in actual

industrial environment. The existing devices are energy wasteful, using high-power electric

motors. The focus of existing devices is mostly only on the effect of hydraulic fluid on the

hydraulic pump, while other components, like control valves are not considered at all.

The device control will be executed by programmable logic controller. The control system

will be adaptive and it will enable to adjust the testing procedure depending which

component we want to test. It will log all important parameters while components are being

worn out. This way the torture tests will be transparently documented of all changing

parameters through the whole testing procedure.

The result of this thesis will be actually built multiple-purpose torture testing device

intended to age and wore out hydraulic fluid and other hydraulic components.

VIII

KAZALO VSEBINE

1 UVOD.......................................................................................................1

1.1 Hidravlične črpalke ........................................................................... 2

1.2 Hidravlični ventili .............................................................................. 6

1.3 Hidravlični aktuatorji ..................................................................... 10

1.4 Hidravlična tekočina ....................................................................... 10

1.5 Filtri .................................................................................................. 11

2 VPLIV IZTROŠENOSTI HIDRAVLIČNIH KOMPONENT NA

DELOVANJE NAPRAVE .......................................................................... 12

2.1 Erozija .............................................................................................. 13

2.2 Abrazija ............................................................................................ 13

2.3 Udarna obraba ................................................................................. 14

3 KARAKTERISTIKE VENTILOV ...................................................... 15

4 METODE ZA HITRO DEGRADACIJO HIDRAVLIČNIH

KOMPONENT IN TEKOČINE ................................................................. 17

4.1 Testiranje tekočine .......................................................................... 17

4.2 Testiranje hidravličnih črpalk ....................................................... 21

4.3 Povzetek in primerjava obstoječih testov ..................................... 27

5 ZASNOVA PREIZKUŠEVALIŠČA ................................................... 29

5.1 Ideja in pristop ................................................................................. 29

5.2 Izbira in dimenzioniranje komponent ........................................... 33

6 POTEK TESTIRANJA IN SIGNALI ................................................. 39

6.1 Izbira signalov za merjenje ............................................................ 39

6.2 Krmiljenje sistema .......................................................................... 42

6.3 Meritev karakteristik novega in izrabljenega ventila .................. 43

6.4 Uporabljene merilne naprave ........................................................ 43

IX

6.5 Izvedba meritev ............................................................................... 44

7 ZAKLJUČEK ........................................................................................ 45

8 VIRI........................................................................................................46

9 PRILOGE ............................................................................................... 48

X

KAZALO SLIK

Slika 1: Zobniška črpalka [8] ........................................................................................ 3

Slika 2: Krilna črpalka [7] ............................................................................................. 4

Slika 3: Aksialna batna črpalka [7] ............................................................................... 5

Slika 4: Radialna batna črpalka [17] ............................................................................. 6

Slika 5: Potni ventil z drsnikom [7] .............................................................................. 7

Slika 6: Tlačni ventili [8] .............................................................................................. 8

Slika 7: Dušilni element [7] .......................................................................................... 9

Slika 8: Hidravlični valj [7] ......................................................................................... 10

Slika 9: Filter hidravlične tekočine [7] ........................................................................ 11

Slika 10: Pojav erozije [13] ........................................................................................... 13

Slika 11: Pojav abrazije [13] ......................................................................................... 13

Slika 12: Pojav udarne obrabe [13] ............................................................................... 14

Slika 13: Graf ∆p-Q karakteristika ventila NSWP 2 [11] ............................................. 16

Slika 14: Pretočna karakteristika [16] ........................................................................... 16

Slika 15: Naprave za napoved obrabe komponent [10] ................................................ 18

Slika 16: Skica FZG-ASTM D5182 testa [10] .............................................................. 19

Slika 17: Hidravlična shema Dension P46 testa............................................................ 20

Slika 18: Shematski prikaz MP-1 testa [5] .................................................................... 23

Slika 19: Hidravlična shema Racine cikličnega-tlačnega testiranje [5] ........................ 24

Slika 20: Hidravlična shema Vickers V-104 testa [5] ................................................... 25

Slika 21: Hidravlična shema predlagane testne naprave ............................................... 30

Slika 22: Idejna skica ogrodja preizkuševališča ............................................................ 31

Slika 23: Idejna skica tlorisa preizkuševališča in postavitev komponent ..................... 32

Slika 24: Ventila NSWP 2 G20/MP/02-G [11] ............................................................. 33

Slika 25: Sestava ventilskega bloka .............................................................................. 34

XI

Slika 26: Črpalke s 5.5 kW elektromotorjem ................................................................ 34

Slika 27: Rezervoar ....................................................................................................... 35

Slika 28: Prerez in dimenzije cilindra ........................................................................... 36

Slika 29: Bremenska enota ............................................................................................ 36

Slika 30: Sestavljeno ogrodje s koritom ........................................................................ 37

Slika 31: Sestavljena naprava ........................................................................................ 38

Slika 32: Hidravlična shema izpopolnjene naprave ...................................................... 40

Slika 33: Senzor tlaka DT2-2 [14] ................................................................................ 41

Slika 34: Merilnik pretoka............................................................................................. 41

Slika 35: Krmilna omarica ............................................................................................ 42

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo

1

1 UVOD

Prednosti hidravlične pogonsko krmilne tehnike so preprosta »pridobitev« hidravlične energije,

ki jo lahko preprosto prenašamo, reguliramo in kontroliramo. Uporabnost so prepoznali

relativno zgodaj. Leta 1648 je francoski fizik Blaise Pascal dokazal pojav, kako se tlak

enakomerno razporedi po posodi. Pojav so kasneje izkoristili v industriji za generiranje sile

tekočine v Braham-ovi stiskalnici. Okoli leta 1850 je bila hidravlika zaradi »prihoda« elektrike

zapostavljena. Ponovno se je hidravlika v industriji pojavila po prvi svetovni vojni, leta 1920.

Vodo kot prvi hidravlični medij je hitro zamenjalo hidravlično olje in kmalu so začeli

uporabljati oljno hidravliko za krmiljenje strojev in prenos moči z uporabo črpalk, ventilov in

cilindrov. Hidravlika je tako našla glavno vlogo v industriji s preprostim prenosom moči in tako

zamenjala mehanske komponente, kot so verige, menjalnike, električne motorje in podobno.

Danes se hidravlika uporablja v vseh panogah industrije, od avtomobilske, živilske, kmetijske

in vse do kovinarske industrije. Predvsem pa tam kjer premagujemo bremena, ki jih človek s

svojo neposredno močjo ne more premagovati.

Široka uporaba hidravlike v industriji je zelo pripomogla k razvoju hidravličnih komponent.

Danes na trgu obstaja več tisoč različnih komponent, ki so bile namensko razvite za opravljanje

svojega dela.

Prednost hidravlične energije je v temu, da jo je preprosto proizvesti, transportirati, shraniti,

regulirati, vzdrževati in transformirati. Razmerje med težo in močjo hidravličnega sistema je

mnogo manjše od razmerja pri električnih komponentah. Možno je dosegati ogromna ojačenja

moči. Med prednosti hidravličnega sistema lahko prištejemo še mnogo lastnosti, ki jih druge

oblike prenosa energije ne omogočajo.

Slabosti hidravličnih sistemov so pogosto povezane s hidravličnimi komponentami, ki morajo

biti izdelane z veliko točnostjo in morajo biti primerno zaščitene pred korozijo in obrabo.

Hidravlični sistemi so pogosto izpostavljeni zahtevnim obratovalnim razmeram v industriji.

Pogosto se pojavijo tudi problemi z oljem, ki se stara in degradira. Med večje slabosti

hidravličnih sistemov spada je tudi umazanija, ki se ustvarja z obrabo hidravličnih komponent

in olja. Puščanje olja je lahko tudi ekološko sporno.

Glavne hidravlične komponente so črpalka, rezervoar, manometer, varnostni ventil, filtri,

ventili za usmerjanje olja, aktuatorji in cevi, ki vse komponente med seboj povežejo. V

2

nadaljevanju vam bom opisal vse bistvene komponente hidravličnega sistema, ki so bile

uporabljene v projektu.

1.1 Hidravlične črpalke

V okviru naloge bomo uporabili hidravlično črpalko, ki deluje na principu iztiskanja tekočine.

Takšne črpalke so uporabne predvsem zaradi svoje preproste izvedbe in preproste povezave z

elektromotorjem. Slaba lastnost zobniške črpalke je pulzirajoča dobava.

Po zgradbi poznamo več vrst črpalk: zobniške črpalke z zunanjim in notranjim ozobjem, krilne

črpalke, aksialne batne črpalke in radialne batne črpalke. Vsaka vrsta črpalk ima svoje prednosti

in slabosti, ki izhajajo iz načina stiskanja tekočine. Glavne značilnosti posameznih vrst črpalk

bodo na kratko predstavljene v nadaljevanju.

Zobniške črpalke

Zobniške črpalke so sestavljene iz dveh zobnikov, ki transportirajo tekočino s sesalne strani na

tlačno. Poznamo zobniške črpalke z notranjim in zunanjim ozobjem. Zobniške črpalke

dobavljajo konstanten pretok in so cenovno ugodne in zato zelo razširjene v industriji. Za

zobniške črpalke z zunanjim ozobjem je značilen pretok do 250 cm3/vrt in tlak do 250 bar.

Njihove značilnosti so velik razpon števila vrtljajev, možnost kombinacije več črpalk,

konstanten pretok, neobčutljivost na kontaminacijo tekočine, kompaktna zgradba, nizka cena.

Slaba stran zobniški črpalk z zunanjim ozobjem pa so glasnost in slaba možnost popravila.

Primer zobniške črpalke prikazuje slika 1.


3

Slika 1: Zobniška črpalka [8]

Krilne črpalke

Krilne črpalke imajo na ekscentrično postavljenem rotorjem krilca, ki se pod vplivom

centrifuge pomikajo proti ohišju. Črpalka tekočino iztiska s spreminjanjem volumna prostorov

med krilnimi elementi. Dobre lastnosti teh črpalk so mirno in tiho delovanje in možnost

regulacije pretoka. Med slabe lastnosti pa uvrščamo visoko občutljivost na tlačne udarce, ki

lahko krilne elemente polomijo. Primer krilne črpalke je prikazan na sliki 2.

4

Slika 2: Krilna črpalka [7]

Aksialne batne črpalke

Pri aksialnih batnih črpalkah se pretvarja krožno gibanje batnega bobna v linearno gibanje

batov, ki so razporejeni v krogu in se opirajo na poševno ploščo. Princip delovanja aksialne

batne črpalke je prikazan na sliki 3, kjer z naklonom poševne plošče nastavljamo volumen, ki

ga bati tlačijo in potiskajo v tlačni vod. Bati so z razvodno ploščo povezani s sesalnim in tlačnim

vodom. Ob rotaciji bati izmenično sesajo in potiskajo hidravlično tekočino iz sesalnega proti

tlačnem vodu. S spreminjanjem kota plošče lahko nastavljamo pretočni volumen črpalke. Dobre

lastnosti teh črpalk so visok izkoristek, mirno in zanesljivo delovanje do 450 bar z možnostjo

nastavitve pretoka tudi do 40 L/min. Slaba lastnost aksialnih batnih črpalk je zaradi svoje

kompleksnosti temu primerna cena.


5

Slika 3: Aksialna batna črpalka [7]

Radialne batne črpalke

Radialne batne črpalke delujejo na podoben način kot aksialne batne črpalke, razlika je le v

tem, da so pri radialnih črpalkah bati razporejeni radialno okoli ekscentričnega rotorja. Rotor

premika bate, ki izmenično sesajo in stiskajo hidravlično tekočino. Radialna batna črpalka je

prikazana na sliki 4. Dobra stran radialnih batnih črpalk je, da lahko dosegamo visoke tlake (do

600 bar), s spreminjanjem ekscentra spreminjamo tudi pretok, dober izkoristek in nizka

občutljivost na nečistoče.

6

Slika 4: Radialna batna črpalka [17]

1.2 Hidravlični ventili

Hidravlični ventili služijo za usmerjanje, nadziranje in reguliranje pretoka in tlaka hidravlične

tekočine, ki jo dobavljajo hidravlične črpalke. Z njimi lahko zaustavimo in usmerimo pretok ali

nadzorujemo in reguliramo tlak.


7

Potni ventili

Potni ventili se ločijo po številu delovnih priključkov in številu krmilnih stanj. Na primer: ventil

4/3 ima štiri delovne priključke in 3 krmilna stanja. Poznamo tri konstrukcijske izvedbe potnih

ventilov.

Prva konstrukcijska izvedba je sedežni ventil, kjer s kroglo, stožcem ali krožnikom zatesnimo

pretok. Sedežni ventil lahko zapira največ tri poti, a največkrat samo eno. Če jih mora več je

zgradba kompleksnejša in ni več uporabna.

Druga konstrukcijska izvedba ventila je batna oz. , drsniška, kjer se bat z različnimi premeri po

dolžini premika vzdolžno ter odpira in zapira povezave med različnimi priključnimi kanali.

Primerna je predvsem za kompleksnejše izvedbe, kjer bi bila izvedba s sedežnimi ventili preveč

kompleksna.

Tretja izvedba je ventil z zasučnim drsnikom, kjer se bat v ohišju zavrti in odpre ali zapre

povezave med priključki. Omogočajo fino nastavljanje odprtja ventila in s tem krmiljenje

pretoka.

Najpogostejši ventili v industriji so ventili z vzdolžno pomičnim batnim drsnikom. Imajo

najmanj dva ali več krmilnih stanj. Zelo prilagodljivo je tudi proženje, ki je lahko izvedeno

ročno, z ročico, z valjčkom, s pedalom, hidravlično, pnevmatično, elektromagnetno ali

kombinacije posameznih načinov. Na sliki 5 je prikazan prerez potnega ventila z drsnikom.

Slika 5: Potni ventil z drsnikom [7]

8

Tlačni ventili

Tlačni ventili v hidravličnih sistemih služijo za uravnavanje tlaka v sistemu. Glede na nalogo

jih ločimo na varnostne, držalne, reducirne, polnilne ventile in tlačna stikala. Tlačni omejevalni

ali varnostni ventili so v mirovnem stanju zaprti. Odprejo se, ko tlak na vhodu preseže silo

vzmeti, ki drži ventil zaprt. Sila vzmeti je nastavljiva. Držalni ventili se uporabljajo za

preprečevanje aktuatorju premikanje zaradi zunanje sile, teže bremena in gravitacije. To

pomeni, da je držalni ventil zaprt, dokler se tlak na aktuatorju ne poveča in nadzorovano

premakne breme. Tlačni reducirni ventili so normalno odprti in so krmiljeni z izhodnim tlakom,

ki ob prekoračitvi nastavljene meje ventil zapre. Tlačni vklopni ventil deluje podobno kot tlačni

omejevalni ventil. Delijo se na interno in zunanje krmiljen ventil, ki odpira povezavo med

priključkoma A in B. Pri zunanje krmiljenem ventilu, kot je prikazan na sliki 6, lahko s tlakom

dovedenim na X priključek določimo vrednost tlaka, pri katerem se naj ventil odpre. Tlačni

odklopni ventil je v mirovnem stanju zaprt in omogoča ob prekoračitvi tlaka na vhodu prost

iztek hidravlične tekočine v rezervoar.

Slika 6: Tlačni ventili [8]


9

Tokovni ventili

Tokovni ventili služijo za nastavljanje pretoka. Uporabljamo jih za nastavljanje hitrosti valjev

z zmanjšanjem pretočnega preseka. Poznamo več izvedb tokovnih ventilov, ki na različne

načine spremenijo pretočni presek. Delimo jih na enostavne tokovne ventile, regulatorje in

delilnike pretoka. Enostavni tokovni ventili so lahko izvedeni z dušilnimi elementi, ki so

prikazani na sliki 7, ali zaslonko. Uporabljamo jih tam, kjer nas nihanje hitrosti gibanja

aktuatorja ne moti. Regulatorji toka so ventili, ki regulirajo pretok in nam zagotavljajo

konstanten pretok na porabniku, ne glede na velikost bremena. Delilniki pretoka delijo

volumenski pretoka na dva dela. Uporabljamo jih predvsem v aplikacijah, kjer se vzporedno

gibljeta ali vrtita dva aktuatorja.

Slika 7: Dušilni element [7]

Zapirni ventil

Naloga zapirnih ventilov je popolnoma zapreti pot hidravlični tekočini v eni smeri.

Najpogosteje se uporabljajo kot protipovratni ventili, ki se v eno smer avtomatsko odprejo, v

drugo smer pa so zaprti. Zapirni ventili so v zaprti poziciji popolnoma tesni. Tesnjenje je

izvedeno s tesnilnim elementom, ki je lahko kroglica, stožec ali krožnik. Tesnilni element vzmet

potiska v lego, kjer je ventil zaprt.

10

1.3 Hidravlični aktuatorji

Aktuatorji v hidravličnih sistemih opravljajo zaključno nalogo sistemov. Najpogosteje so

uporabljeni hidravlični valji, ki energijo v hidravlični tekočini pretvorijo v linearno gibanje. S

primernim reguliranjem tlaka in pretoka lahko zelo natančno nadziramo in kontroliramo

pomike hidravličnih valji. Na sliki 8 je prikazan prerez hidravličnega valja.

Slika 8: Hidravlični valj [7]

Poznamo tudi hidromotorje, ki energijo hidravlične tekočine uporabijo za rotacijsko gibanje.

Hidromotorji so pogosto uporabljeni v strojni mehanizaciji za gradbeništvo, gozdarstvo in

kmetijstvo. Zelo so razširjeni zaradi možnosti po celo natančni regulaciji in zmožnosti

prenašanja velikih sil.

1.4 Hidravlična tekočina

Hidravlična tekočina v sistemu je definirana, kot medij za prenos hidravlične energije od

črpalke do hidravličnega aktuatorja, ki hidravlično energijo pretvori v mehansko delo.

Hidravlična tekočina ima poleg še mnogo dodatnih nalog, kot so mazanje hidravličnih

komponent, preprečevanje korozije, odstranjevanje tujih delcev v sistemu in hlajenje

hidravličnih komponent.

Hidravlično tekočino definira več lastnosti. Prva je mazanje hidravličnih komponent, ki s

tesnimi režami zagotavljajo natančno delovanje hidravličnih komponent. Izbira hidravlične


11

tekočine z dobrimi mazalnimi lastnostmi je zelo pomembna za daljšo uporabno dobo

komponent. Druga lastnost je stabilna viskozna karakteristika, ki predstavlja trenje med delci

tekočine. Viskoznost je močno temperaturno spremenljiva. Neposredno vpliva viskoznost tudi

na sposobnost mazanja hidravličnih komponent. Naslednja lastnost je stabilna kemijska in

fizična sestava skozi čim daljšo uporabno dobo hidravlične tekočine. Lastnosti hidravličnih

tekočin je še mnogo, med njimi tudi zelo pomembna združljivost s hidravličnim sistemom in

dobro odvajanje temperature.

1.5 Filtri

Filtri so bistvenega pomena za pravilno, učinkovito in dolgotrajno delovanje hidravličnega

sistema. Tekočina vsebujejo milijone tujkov, tako trdih kot tekočih in plinastih, ki so v

hidravličnem olju zelo nezaželeni. Tujki v hidravlični tekočini so lahko od velikosti 5 µm do

15 µm, kar je v primerjavi s povprečnim oljnim filmom med hidravličnimi komponentami zelo

veliko. Stopnja onesnaženosti hidravlične tekočine se najpogosteje upravlja v laboratorijih ali

s avtomatičnim števcem delcev. Vrste namestitev filtrov obstaja veliko: lahko so sesalni, v

zaprtem tokokrogu, visokotlačni, povratni ali filtri v svojem tokokrogu. Vsaka izvedba filtracije

ima svoje prednosti in slabosti. Filtri so sestavljeni iz ohišja s priključki in notranjosti, ki

vsebuje snov za filtracijo. Najpogosteje se uporablja steklena, papirnata ali kovinska vlakna,

gostote do 20 µm ali celo manj. Filter prikazan na sliki 9 je filter za cevno vgradnjo.

Slika 9: Filter hidravlične tekočine [7]

12

2 VPLIV IZTROŠENOSTI HIDRAVLIČNIH KOMPONENT NA

DELOVANJE NAPRAVE

Najvišja možna stopnja čistoče hidravličnega olja je bistven faktor za zanesljivo delovanje

hidravlično vodenega sistema. S časom se v hidravličnih sistemih pojavljajo višji in višji tlaki,

ki za sabo potegnejo potrebo po manjših in ožjih tolerancah med drsečimi elementi. Pogosto so

vzrok obrabe hidravličnih komponent tuji delci v olju, ki so lahko sestavljeni iz trdih delcev,

vode, zraka, produkti kemijskih reakcij in drugih nekompatibilnih hidravličnih tekočin. Trdi

delci med obratovanjem zaidejo v tesnilne reže, kjer je bistveno mazanje in lahko poškodujejo

površino.

Izvorov kontaminacije tekočine je več in jih lahko razdelimo na tri skupine. Prva skupina so

trdi delci kovine, ki ostanejo zaprti v sistemu še od proizvodnje hidravličnih komponent. Druga

skupina so delci, ki nastanejo med obratovanjem in so produkt obrabe komponent. Tretja

skupina so delci, ki nastanejo pri odpiranju oziroma servisiranju hidravličnega sistema.

Na hidravličnih komponentah se s časom, zaradi prej omenjenih vrst kontaminacije, pojavijo

resne poškodbe površine, ki lahko pripeljejo do popolne odpovedi hidravličnega sistema.

Poškodbe glede na vrsto obrabe delimo na tri vrste. Te bodo na kratko predstavljene v

nadaljevanju.


13

2.1 Erozija

Erozija je ena najpogostejših vrst obrabe v hidravličnih komponentah. Pojavi se takrat, ko olje

ni primerno filtrirano in se v njem začnejo nabirati manjši trdi delci. Trdi delci potujejo po

sistemu in se z velikimi hitrostmi zaletavajo v stene in robove. Vsak trdi delec, ki se zaleti v

steno ali rob s sabo vzame nekaj materiala, ki se odlomi od stene hidravlične komponente. Temu

pojavu pravimo erozija in je prikazana na sliki 10. Prisotna je vseh vrstah ventilov in

hidravličnih komponentah. Najbolj so izpostavljene manjše ventilske odprtine z ozkimi

pretočnimi kanali. Najhitreje jih opazimo na robovih in režah krmilnih valjev.

Slika 10: Pojav erozije [13]

2.2 Abrazija

Abrazija je vrsta obrabe, ki se pojavi med drsnimi elementi v hidravličnih ventilih. Najbolj

podvrženi abraziji so potni ventili. Pojavi se med pomikanjem drsnika, ko trdi delci v

hidravličnem olju prodrejo v reže med ohišjem in drsnikom. Posledice so s časom vidne tako

na drsniku, kot tudi na ohišju ventila. Abrazija lahko privede do nepravilnega delovanja

hidravličnega sistema, večjih izgub in odpovedi ventila. Vpliv abrazije in erozije staje prikazana

na sliki 11.

Slika 11: Pojav abrazije [13]

14

2.3 Udarna obraba

Udarna obraba se največkrat pojavi v sedežnih ventilih, kjer pretok hidravlične tekočine z

veliko silo zapremo in ustavimo. Posledično se sila na tesnilne robove poveča in lahko s časom

pride do obrabe ali celo loma robov. Posledice so večje izgube, nepravilno delovanje in odpoved

komponent. Pojav udarne obrabe je prikazan na sliki 12.

Zanesljivo in dolgotrajno delovanje hidravličnega sistema lahko zagotovimo s primernim

filtriranjem in pravilno določenimi in opravljenimi servisnimi intervali.

Slika 12: Pojav udarne obrabe [13]


15

3 KARAKTERISTIKE VENTILOV

Večina karakteristik ventila izhaja iz konstrukcijski izvedb samih ventilov. Zato moramo

najprej dobro poznati njihovo sestavo, material iz katerih so izdelani, število priključkov in

način montaže. Ventile najprej ločimo po velikosti, vsak velikostni razred podaja svoje neke

mejne pretočne razrede. Proizvajalci po navadi zajamejo vse lastnosti ventila že v nazivu, ki se

sestavi po navodilih proizvajalca. Pri izbiranju pravega ventila je potrebno najprej navesti

velikost ventila, na primer ventil NSWP 2 ima vzorec priključkov po standardu DIN 24 340-A

6 oziroma NG 6 in s tem določen tudi maksimalni pretok, tlak in velikost priključkov. V

nadaljevanju je potrebno določiti še simbol oziroma obliko krmilnega valja, pretok ventila in

vrsto proženja. Dodatne opcije so še varnostni, enosmerni ventili, dušilni elementi, priključek

za analogni prikazovalnik tlaka in merilniki tlaka na vseh priključkih P, A, B, T. V primeru

elektromagnetnega proženja pa je potrebno izbrati tudi vrsto elektromagneta, njegov

maksimalni potisk, tok in vrsto povezave. Bolj specifične lastnosti pa so podane v obliki grafa.

Najpomembnejša je karakteristična krivulja padca tlaka v odvisnosti od pretoka, ki prikazuje

tlačne izgube na ventilu pri posameznih pretokih v obliki grafa. Karakteristična krivulja se

nanaša na celoten ventil, pogosto pa jih proizvajalec poda tudi za posamezne krmilne robove.

Pri celotnem ventilu nam to predstavlja tlačni padec med tlakom na povratnem in tlačnem vodu.

Podatki so najpogosteje predstavljeni z grafi ∆p-Q karakteristike.

Slika 13 prikazuje graf ∆p-Q karakteristike NSWP 2 ventila, ki je bil uporabljen v okviru te

naloge. Graf prikazuje padec tlaka za vsak krmilni rob, se pravi med tlačnim P priključkom in

izhodnima priključkoma A in B, ter padec tlaka pri povezavi priključkov A in B do rezervoarja

T.

16

Slika 13: Graf ∆p-Q karakteristika ventila NSWP 2 [11]

Karakteristike zvezno delujočih ventilov so precej kompleksnejše. Poleg osnovnih

karakteristik, ki jih poznamo pri diskretnih ventilih, moramo za pravo delovanje imeti podane

še druge karakteristike, ki se nanašajo na stanje ventila glede na položaj drsnika.

Najpomembnejša je tako tokovna oziroma pretočna karakteristika, ki nam podaja pretok skozi

ventil v odvisnosti od odprtosti ventila. Na sliki 14 je prikazan graf pretočne karakteristike

proporcionalnega ventila, ki nam pokaže procent odprtosti ventila.

Slika 14: Pretočna karakteristika [16]


17

4 METODE ZA HITRO DEGRADACIJO HIDRAVLIČNIH

KOMPONENT IN TEKOČINE

Različne metode za degradacijo hidravličnih komponent in tekočine najpogosteje uporabljajo

proizvajalci sami pri testiranju zmogljivosti svojih komponent. Zaradi tega se je po svetu

pojavilo nekaj različnih postopkov in metod testiranja. Pri testiranju želimo pogoje čim bolj

približati okolju v industriji, kjer so hidravlične komponente neprestano obremenjene. Takšne

vrste testi so zelo dolgotrajni, lahko trajajo tudi več let. V industriji se zaradi dolgotrajnega

postopka takšnih testov ne opravlja pogosto. Mnogo metod za testiranje komponent in olja

posega po dodatni obremenitvi, kot so povišana temperatura olja v sistemu, večja hitrost

izvajanja ciklov in celo dodatno kontaminiranje tekočine. Na splošno delimo teste na tiste, ki

se osredotočijo na črpalko in ostale komponente in tiste, ki se osredotočijo na olje.

4.1 Testiranje tekočine

Podatki o fizičnih lastnostih olja morajo poleg viskoznosti, odvisnost viskoznosti od

temperature olja in odvisnost viskoznosti od tlaka v sistemu podati tudi podatke o vplivu olja

na hidravlične komponente. Z različnimi postopki testiranja lahko ugotovimo in predvidimo

obrabo komponent.

Med teste sodijo FZG IAE Ryder (»Back to back gear test rig«) priprava, Timken priprava,

Almen-Wieland priprava, SAE priprava dveh diskov, Reichert – obraba s trenjem, Falex

priprava, naprava za testiraje s štirimi kroglicami, IfE-lubrimeter in pin-on-disk naprava.

18

Slika 15: Naprave za napoved obrabe komponent [10]

Na sliki 15 lahko vidimo shematski prikaz naprav za napoved obrabe hidravličnih komponent.

Vse naprave so preproste in povzročijo obrabo z drsnimi elementi. Postopek FZG sodi med ene

izmed mnogih testov, ki se je do sedaj izkazal za najbolj primernega v zelo velikem razponu

viskoznosti tekočine, ki jo testiramo. Vsi testi so preprosti in simulirajo drsne spodobnosti

kovinskih komponent mazanih z oljem.


19

Slika 16: Skica FZG-ASTM D5182 testa [10]

FZG naprava za testiranje, ki je prikazana na sliki 16, je sestavljena iz dveh zobnikov na gredi.

Eno gred poganja elektromotor, druga gred je razdvojena s sklopko. Ena stran sklopke je fiksno

privijačena na ogrodje naprave, drugo stran pa poganja zobnik. Obremenitev izvajamo s točno

kalibrirano utežjo na ročici, ki sklaplja sklopko. Zobniki tečejo v kopeli olja, ki ga želimo

testirati. Različne učinke obrabe dobimo z uporabo različno oblikovanih zobnikov.

V zgoraj naštetih postopkih lahko neposredno predvidimo obrabo drsnih elementov. Nas

zanima predvsem obraba hidravličnih komponent. Za ta namen obstaja vrsto postopkov, s

katerimi utrujamo hidravlične komponente.

Dension HF-O postopek je priljubljen predvsem zaradi zmožnosti testiranja in ocenjevanja

kompletnega aspekta hidravlične tekočine. V preglednici 1 so prikazani parametri testiranja in

postopek. Na sliki 17 pa vidimo hidravlično shemo za Dension P46 test, ki se izvaja po HF-O

postopku.

20

Preglednica 1: Povzetek Dension HF-O testa

Volumen tekočine 189 L

Temperatura testiranja 71 °C in čas testiranja 60 ur

99 °C in čas testiranja 40 ur

Trajanje testiranja 100 ur

Tlak Približno 172 bar

Hitrost črpalke Približno 2400 obr/minuto

Pretok 265 L/min

Moč 90 kW

Slika 17: Hidravlična shema Dension P46 testa


21

4.2 Testiranje hidravličnih črpalk

Sundstrand test

Sundstrand in Eaton-Vickers postopka sta bila sestavljena za testiranje olja. Sundstrand

postopek z batno črpalko in mineralnim oljem z aditivom proti obrabi je prvi test, ki traja 225

ur, prestal brez vidnih poškodb komponent črpalke. Drugi test je izveden pod istimi pogoji, le

da je bil čas izvajanja podaljšan na 450 ur ali dvakratni čas osnovnega testa. V preglednici 2

vidimo postopek izvajanja Sundstrand testa.

Preglednica 2: Povzetek prvega testa s Sundstrand črpalko


Temperatura testiranja 82 °C (1% vode)

Temperaturno obremenjen na 120 °C brez

vode

Trajanje testiranja – normalni

Trajanje testiranja – podaljšani

225 ur (9 dni)

450 ur (19 dni)

Tlak Pribl. 345 bar

Hitrost črpalke Pribl. 3100 obr/minuto

Pretok 95 L/min

Moč 64 kW

Za pospešeno staranje olja so pri Sundstrand postopku dodali 1 % vode. Tudi pri

kontaminiranem olju se pri testiranju ni pojavilo hidrolitičnih reakcij, ki bi lahko posledično

poškodovale komponente črpalke. Drugi Sundstrand test je izveden pod težjimi pogoji, kjer je

bilo olje segreto na 120 °C in ni vsebovalo vode. Pod vsakimi pogoji, ki so jih testirali, se na

komponentah niso pojavile posebne obrabe.

22

Eaton-Vickers test

Pri (Eaton-)Vickers testu je uporabljena Vickers-ova krilna črpalka, ki je po večurnem

delovanju pokazala vzdržljivost mineralnega olja z dodatkom proti obrabi.

Preglednica 3: Povzetek Eaton-Vickers testa


Temperatura testiranja 93 °C

Trajanje testiranja – normalni

Trajanje testiranja – podaljšani

50 ur (2 dni)

1000 ur (42 dni) s pregledom komponent

vsakih 300 ur

Tlak Pribl. 207 bar

Hitrost črpalke Pribl. 2400 obr/minuto

Pretok 144 L/min

Moč 58 kW

Pri tem postopku se je olje testiralo 1000 ur, kot prikazuje preglednica 3, je bila vsakih 300 ur

izvedena kontrola, kjer se komponente črpalke razstavi in stehta. Odstopanja v teži pokažejo

stopnjo obrabljenosti komponent. Kriterij za dopustno odstopanje v teži je postavljen po

standardu ASTM D6973 . Postopek testiranja zahteva točno določeno krilno črpalko v grajeno

na 196 litrski tank. Podoben test je tudi Komatsu, ki se izvaja 500 ur pri čemer je uporabljena

batna črpalka.

Pri vsakem testiranju so bile črpalke ob pregledu razstavljene in temeljito pregledane vse

komponente. Olje je bilo laboratorijsko pregledano za sledovi kovinskih delcev. Testi te vrste

so zelo dolgotrajni in dragi. Pri testiranju porabimo velike količine olja, pogonske sklope

sestavljajo elektromotorji zelo velikih moči, posledični je velika tudi porab električne energije.

Obrabo dokazujemo s stopnjo izrabljenosti hidravličnih komponent.


23

Lapotko MP-1 test

Lapotko MP-1 test je postopek testiranja, kjer z zelo malo količino olja, 0,7 litra, testiramo

hidravlično črpalko in olje. Test se izvaja 50 ur, v redkih primerih tudi 10 ur, pod tlakom 7 MPa.

Po opravljenem postopku se določi stopnja obrabljenosti, ki jo ugotovimo z določanjem razlike

v teži krilne črpalke pred in po testiranju. Shematski prikaz Lapotko MP-1 testa je prikazan na

sliki 18.

Slika 18: Shematski prikaz MP-1 testa [5]

Bosch - Racine ciklično-tlačno testiranje

Med bolj priljubljene teste spada Bosch-ov Racine fluid power test, saj bolje vključuje tlačne

konice, ki se pojavijo pri nenadnih preklopih hidravličnih ventilov. Hidravlična shema Bosch –

Racine testiranja je prikazana na sliki 19, potek cikla pa je predstavljen na preglednici 4.

24

Slika 19: Hidravlična shema Racine cikličnega-tlačnega testiranje [5]

Preglednica 4: Cikel pri Bosch-Racine testu

0 bar 6,9 bar (100 psi) 41,4 psi (600 psi)

Valve A VKLOP IZKLOP VKLOP

Valve C VKLOP VKLOP IZKLOP

10 sek 10 sek 10 sek

1 cikel

Za določanje obrabljenosti se ob koncu testiranja temeljito pregleda in stehta vsaka komponenta

črpalke. Pregledamo tudi obročke in ležaje črpalke za nepredvidenimi vzorci obrabe.


25

Vickers V-104

Vickers V-104 test je še vedno najbolj razširjen postopek za testiranje hidravličnih tekočin in

črpalk. Na njega se navezujejo trije mednarodni standardi (ASTM.2882, DIN51389, VS5096).

Slika 20: Hidravlična shema Vickers V-104 testa [5]

Na sliki 20 vidimo hidravlično shemo Vickers V-104 testa. V Preglednici 5 lahko vidimo

primerjavo parametrov testiranja črpalke po standardih ASTM D-2882, DIN 51389 in BS 5096.

26

Preglednica 5: Primerjava testov ASTM D-2882, DIN 51389 in BS 5096

Testni

parametri

ASTM D-2882 DIN 51389 BS 5096

IP 281/77

Tlak 2000 psi = 137,9 bar 1500 psi = 103,4 bar 2088 psi = 144 bar

Obrati 1200 obr/min 1500 obr/min 1500 obr/min

Čas 100 ur 250 ur 250 ur

Volumen 56,8 L 56,8 L 55-70 L

Temperatura 65,5 °C / /

Vickers V10-1P3P1A20

Vickers V10-1P3P1A20 je nizko volumenski test, ki traja 100 ur. Uporabljena je črpalka

Vickers V10-1P3P1A20 z volumnom 9.84 cm3 in 1,3 L tekočine.

LaOH mehanični test

Test je zasnovan na podlagi prej opisanih standardnih testov. Nadgrajen je z dodanimi faktorji,

ki pripomorejo pri staranju hidravlične tekočine. Test se opravlja pod oteženimi pogoji za

hidravlično tekočino. Temperatura olja je prisilno povečana s pomočjo elementov, ki ustvarjajo

upor na 93 °C in je vzdrževana na tolerančnem območju ±1 °C Strižne napetosti se pojavljajo

pri pretakanju hidravlične tekočine čez robove proporcionalnih ventilov. Mehanska

obremenitev se izvaja ciklično v odvisnosti temperature olja. Ko se temperatura olja spusti pod

92 °C, tlak naraste na 150 bar, ko temperatura preseže 94 °C, se tlak zniža na 18 bar.

Hidravlični sistem je za test snovan tako, da dosegamo veliko cirkulacijo tekočine, mnogo večjo

kot je v realnih sistemih. Uporabljeno je 20 litrov tekočine, ki jo črpa zobniška črpalka.

Zobniško črpalko poganja trifazni elektromotor moči 18 kW. Elektromotor in črpalka skupaj

dosegata 40 L/min pri 1450 vrtljajih na minuto.


27

4.3 Povzetek in primerjava obstoječih testov

Večina znanih postopkov za degradacijo hidravličnih komponent je opisanih v prejšnjem

poglavju. Med sabo so zelo raznoliki. Večina testov je namensko usmerjenih k obrabi olja ali

hidravličnih komponent.

Za testiranje karakteristike olja proti obrabi hidravličnih komponent je uporabljamo več testov,

ki so opisani v poglavju 4.1. Večina teh testov je zasnovanih tako, da simulirajo realno okolje

komponentam, ki so podvržene mehanski obrabi. Testi služijo predvsem napovedovanju

obrabe.

Preglednica 6: Povzetek hidravličnih testov

Temperatura olja

[°C]

Čas

[ur]

Tlak

[bar]

Hitrost

[obr./min]

Pretok

[L/min]

Moč

[kW]

Volumen

[L]

Dension HF-O 71 °C – 60 ur

99 °C – 40 ur

100 172 2400 265 90 /

Sundstrand 81 °C – 1 % vode

120 °C – 0 % vode

225

450

345 3100 95 64 /

Eaton-Vickers 93 50 207 2400 144 58 196

Lapotko MP-1 / 50 70 / / / 0,7

Bosch-Racine / / / / / / /

Vickers V-104:

ASTM D-2882 / 100 140 1200 / / 56,8

DIN 51389 / 250 100 1500 / / 56,8

BS 5096 65,5 250 140 1500 / / 55-70

Vickers V10-

1P31A20

/ 100 / / / / 1.3

LaOH 93-94 / 18-

150

1450 40 18 20

V preglednici 6 so zbrani vsi postopki testiranja hidravličnih črpalk in olja. Postopki se med

sabo zelo razlikujejo. Dension HF-O, Sundstrand in Eaton-Vickers so testi, ki zahtevajo velike

količine olja, energije in so sorazmerno hitro opravljeni. Poleg visokih stroškov postopka

28

testiranja so se slednji izkazali tudi za neučinkovite, saj so pri vseh izpeljani še »podaljški«,

kjer se delovni pogoji komponent otežijo, ali s podaljšanjem trajanja testa ali pa z dodajanjem

tujih snovi ali delcev za večjo obrabo hidravličnih komponent.

Sledijo malo volumenski testi, kot so npr. Lapotko MP-1, Bosch-Racine in Vickers V10-

1P31A20. Zaradi majhnega volumna hidravlične tekočine se na komponentah pojavijo

posledice v veliko krajšem času, kar pomeni tudi manjše stroške izvedbe testa in večji efekt

obrabe. Žal pa razen postopka ni določenih točnih informacij.

Najbolj razširjen postopek je Vickers V-104, saj je osnova za tri izpeljane postopke, ki jih

opisujejo standardi ASTM D-2882, DIN 51389 in BS 5096. Vsak od standardov si je postopek

priredil po svoje, njihova skupna točka, krilna črpalka Vickers, pa ostaja pri vseh enaka.

Zadnji med obravnavanimi testi je LaOH test, ki je bil razvit na Fakulteti za strojništvo Maribor

v laboratoriju LaOH. Postopek je osredotočen utrujanju hidravlične tekočine. Sorazmerno

majhno količino olja se obremeni s pregrevanjem in kemičnim pospešenim staranjem


29

5 ZASNOVA PREIZKUŠEVALIŠČA

Cilj magistrske naloge je bil zasnovati preizkuševališče, na katerem bi lahko hitreje obrabili

hidravlične komponente. Zasnova preizkuševališča je sledila iz teorije obrabe mehanskih

komponent. Osredotočili smo se na obrabo krmilnih robov ventila in zasnovali postopek tako,

da se skozi celoten postopek obrabljanja pojavi največja obremenitev na krmilnih robovih

glavnega ventila. Pri dimenzioniranju preizkuševališča nam je bil cilj izdelati ekonomično

preizkuševališče, ki bo hidravlično tekočino in komponente efektivno obrabilo in podalo

informacije o njihovi vzdržljivosti.

5.1 Ideja in pristop

Najprej je bilo potrebno zasnovati princip delovanja preizkuševališča. Vedeli smo, da moramo

ventil odpirati minimalno, tako da je rob drsnika čim večkrat izpostavljen pretoku olja. Za

krmiljen element - aktuator smo izbrali dvostranski cilinder, ki ga bomo pomikali levo in desno.

Na batnici bosta nameščena gumijasta blažilca visoke trdote. Ostale komponente smo izbirali

ob zasnovi hidravlične sheme. Potrebovali smo črpalko, varnostni ventil, filter, rezervoar, cevi

in celotno krmilje. Ko smo vedeli približno število komponent in kaj bi naj preizkuševališče

delalo, smo si zamislili še osnovno obliko celotne konstrukcije preizkuševališča.

30

Hidravlična shema prikazana na sliki 21 je bila izhodiščna točka za načrtovanje naprave. Na

shemi smo določili vse hidravlične komponente, ki bodo privijačene na napravo. Glede na

število komponent in njihovo velikost, smo lahko začel načrtovati tudi ogrodje.

Slika 21: Hidravlična shema predlagane testne naprave


31

Slika 22: Idejna skica ogrodja preizkuševališča

Oblika ogrodja je izhajala iz omejitev razpoložljivega prostora za napravo in potrebi po

dostopnosti vseh komponent. Obliko smo prilagodili in optimizirali dimenzije, idejna oblika je

prikazana na sliki 22.

32

Slika 23: Idejna skica tlorisa preizkuševališča in postavitev komponent

Slika 23 prikazuje idejno postavitev vseh hidravličnih komponent, ki bodo privijačene na

napravo. Zagotoviti je bilo potrebno dovolj prostora za preprosto montažo in dostopnost za

nadaljnje posege v napravo.


33

5.2 Izbira in dimenzioniranje komponent

Dimenzioniranje ogrodja testne naprave se je začelo pri izbiranju hidravličnih komponent, kot

so črpalka, ventil, rezervoar, filter, hladilnik olja in senzorji, ki so potrebni za vodenje in nadzor

delovanja sistema. Vse hidravlične komponente smo na to morali sestaviti v celoto in jih pri

vijačiti na ogrodje in povezati s cevmi.

Ventil

Izbor hidravličnih ventilov smo najprej omejili z izbiro vrste hidravličnega ventila. Delo

hidravličnega ventila bo nadzorovano pomikanje hidravličnega drsnika. Takšno nalogo najlažje

opravi zvezno delujoč potni ventil. Izbrali smo proporcionalni ventil od nemškega proizvajalca

Hawe. Iz nabora ventilov sem izbral velikost NSWP 2, ki določa velikost in pozicijo

priključkov po standardu DIN 24 340-A6. Glede na velikost osnovnega bloka, ki že v osnovi

določa maksimalni tlak in pretok, sem izbral še število krmilnih stanj in način proženja. Slika

24 prikazuje osnovni blok ventila NSWP 2 z elektromagnetnimi aktuatorji.

Slika 24: Ventila NSWP 2 G20/MP/02-G [11]

Poleg ventila smo morali izbrati še blok za razširitev priključkov. Razširitveni blok MB 23 nam

je predlagal dobavitelj hidravličnega ventila s podjetja Hawe. Blok ima priključno mesto za en

ventil na zgornji strani. Na sprednji strani ima priključka P in T, na levi in desni ima priključka

A, B in G3/8 priključke za merilna mesta. Kompletna sestava ventila je na sliki 25, kjer je ventil

NSWP 2 skupaj z varnostnim ventilom priključen na razširitveni blok.

34

Slika 25: Sestava ventilskega bloka

Črpalka

Vrsto črpalke smo izbrali glede na primernost črpalke za delo, ki ga morajo na napravi opraviti.

Najprimernejše so bile zobniške črpalke, ki so v industriji zelo pogosto uporabljene, nimajo

posebnih slabih lastnosti in so preprosto izdelane. Velikost črpalk se v osnovi deli na grupe

GR1, GR2 in GR3, ki določajo pretok črpalk. Pri pretoku smo bil omejeni zaradi hidravličnega

ventila na velikosti črpalke GR2. Uporabili smo črpalko proizvajalca B&C tipa BG20 s

standardno prirobnico ST0, ki se na elektromotor privijači preko aluminijastega zvona in

parkljaste sklopke, kot je razvidno na sliki 26.

Slika 26: Črpalke s 5.5 kW elektromotorjem


35

Rezervoar

V osnovi se rezervoar hidravličnega olja izbira glede na maksimalni pretok hidravlične črpalke,

ker pa je naš cilj izvesti test kar se da ekonomično in ne želimo pri vsakem testu izrabiti

prevelike količine olja, smo morali velikost rezervoarja skrbno izbrati. Glede na pretok v

sistemu smo pod-dimenzionirali aluminijast rezervoar, za nadzor temperature hidravlične

tekočine pa smo dodali hladilnik. Na sliki 27 je prikazan aluminijasti rezervoar in pokrov

rezervoarja, na katerem so nameščeni filter, senzor temperature in nivoja hidravlične tekočine.

Slika 27: Rezervoar

36

Bremenska enota

Cilinder na sliki 28 je bil izdelan po naročilu. Dolžina cilindra je 290 mm in premera 70 mm,

hod cilindra iz ene v drugo skrajno lego pa je 100 mm. Batnica je premera 40 mm in ima na

krajih nameščene plošče premera 90 mm, na katero je pritrjena 7 mm debel trd gumijasti

blažilec.

Slika 28: Prerez in dimenzije cilindra

Cilinder na sliki 29 je montiran znotraj konstrukcije, ki je dimenzionirana tako, da se pod silo

cilindra ne bo deformirala in bo čim bolj toga. Proporcionalni ventil, varnostni ventil in

razširitveni blok so nameščeni direktno nad cilinder zaradi zmanjšanja motenj in povečanje

natančnost preklapljanja ventila.

Slika 29: Bremenska enota


37

Ogrodje

Ogrodje celotne naprave je sestavljeno iz aluminijastih profilov. Načrti in oblika ogrodja je

sledila iz idejne skice na sliki 22, ki je že bila izdelana in prilagojena prostoru, kjer bo

preizkuševališče nameščeno. Na sliki 30 je prikazano sestavljeno ogrodje s koritom iz

nerjavečega jekla.

Slika 30: Sestavljeno ogrodje s koritom

Na ogrodje je najprej pritrjena posoda za lovljenje olja v primeru puščanja in lažjega

servisiranja. V posodi pa so nameščeni elektromotor s črpalko, hladilnik olja in rezervoar. Na

pokrovu rezervoarja so nameščeni filter, senzor nivoja olja in senzor temperature. Na pokrovu

je privarjena puša z R 3/4 navojem za dotakanje olja in dve puši z R 3/8 navojem.

38

Ostale komponente

Na napravi bodo nameščene še ostale komponente, ki jih bom le na kratko omenil. Na pokrovu

rezervoarja bosta nameščena še filter s senzorjem zamašenosti in elektronsko nivojsko stikalo

s termometrom, ki odčitava temperaturo olja v rezervoarju. Izbira teh komponent je bila odvisna

predvsem od pretoka v sistemu. Na sliki 31 je prikazano sestavljeno ogrodje, kjer je zaključena

tudi elektro napeljava. V prilogi 1 se nahajajo risbe celotnega ogrodja.

Slika 31: Sestavljena naprava


39

6 POTEK TESTIRANJA IN SIGNALI

Obremenjevalni cikel bo sestavljen iz pomikanja cilindra levo in desno do ovire. Pri oviri bo

tlak narastel do pred-nastavljene vrednosti, ki se jo določi ob začetku testiranja. Ko bo željeni

tlak dosežen, se bo smer pomikanja cilindra spremenila in cilinder se bo pomaknil v drugo

skrajno lego, kjer se bo ponovno naslonil ob oviro in tlak bo narastel. Pomik levo in nato desno

se bo štel kot en cikel in se bo ponovil tolikokrat, kot smo nastavili ob pričetku testiranja.

6.1 Izbira signalov za merjenje

Za varno delovanje in pregleden prikaz dokazov o obrabi hidravličnih komponent, se bo na

napravi merilo tlak in pretok za črpalko, tlak na A in B priključku, temperatura in nivo olja v

rezervoarju, zamašenost filtra hidravličnega olja in poraba električne energije celotne naprave,

vključno z opremo za krmiljenje. Na sliki 32 je prikazana dodelana hidravlična shema, kjer smo

dodali vsa merilna mesta in hladilnik olja.

40

Slika 32: Hidravlična shema izpopolnjene naprave

Za merjenje tlaka smo izbrali senzor tlaka DT2-2 od proizvajalca Hawe. Območje merjenje

tlaka je od 0 do 250 bar, z analognim izhodom od 4 do 20 mA. Senzor se na hidravlične bloke

privijači s G1/4 navojem. Senzor tlaka lahko vidimo na sliki 33.


41

Slika 33: Senzor tlaka DT2-2 [14]

Merjenje pretoka bo opravljal merilnik pretoka HYDC EVS 3106 - A - 0020 – 000. Merilnik

meri pretok z rotorjem, ki se v aluminijastem ohišju vrti. Vrtilno frekvenco na to pretvori v

signal od 4 do 20 mA. Merilno območje merilnika je od 1,2 do 20 L/min. Aluminijasto ohišje

ima na vsaki strani G 1/4 priključke za cevno vgradnjo merilnika pretoka, priključek za merilno

sondo in dva priključka z navojem G 3/8 za dodatna merilna mesta. Merilnik je prikazan na

sliki 34.

Slika 34: Merilnik pretoka

42

6.2 Krmiljenje sistema

Krmilje naprave je sestavljeno in sprogramirano v sklopu druge magistrske naloge. Za

krmiljenje naprave smo izbrali programabilni logični krmilnik podjetja Beckhoff. V omarici so

poleg krmilnika nameščeni še releji in kontaktorji za vklapljanje dveh elektromotorjev,

napajalnik in trije tokovniki. Vse komponente so sestavljene v omarici na sliki 35.

Slika 35: Krmilna omarica


43

6.3 Meritev karakteristik novega in izrabljenega ventila

Stopnja obrabljenosti hidravlične tekočine in komponent se bo določala glede na izmerjeno

stanje komponent pred, med in po opravljenem testu. Pred in po testiranju se bodo na ventilu

izvedli testi za določanje statične in dinamične karakteristike. Prav tako se bo po testiranju

hidravlične komponente razstavilo in temeljito premerilo in pregledalo kakšne mehanske

poškodbe so nastale. Med testiranjem se bodo beležile vsi parametri, ki se lahko z

obrabljenostjo hidravličnih komponent poslabšajo oziroma spremenijo.

Statične in dinamične karakteristike

Za določanje statične in dinamične karakteristike se bosta opravila dva testa. Prvi test bo določil

frekvenčno karakteristiko hidravličnega ventila. Določanje frekvenčne karakteristike poteka s

proženjem proporcionalnega hidravličnega valja s sinusnim signalom z različnimi frekvencami

in amplitudami. Rezultat testa je frekvenčna karakteristika, ki jo lahka razberemo iz Bode-

jevega diagrama. Drugi test je sestavljen iz dveh delov. Prvi del je določanje stopničastega

odziva, kjer se signal na hidravličnim ventilu proži iz ničelnega na negativnega, iz ničelnega na

pozitivnega ali drugimi preskoki med različnimi vrednostnimi po območju hidravličnega

ventila. Drugi del testa pa se meri stopničasti odziv ventila pri spremembi tlaka na bremenu.

6.4 Uporabljene merilne naprave

Na napravi smo uporabili vse merilne naprave, ki so na stroj montirane. Tlak merimo na tlačni

cevi za črpalko in obeh priključkih hidravličnega ventila. Pretočna turbina je cevno vgrajena

takoj za črpalko. Merjenje temperature in nivoja hidravličnega olja se izvaja v rezervoarju.

Zaradi varnostnih razlogov uporabljamo tudi indikator zamašenosti filtra hidravličnega

tekočine, ki je nameščen na nosilcu filtra.

Zelo pomembni so varnostni ukrepi v primeru odpovedi komponent ali napake pri izvajanju

testa. Za to se bo merjenje vrednosti tlakov, temperature olja, nivoja olja in zamašenosti filtra

izvajalo skozi celotno meritev. V primeru padca tlaka, zamašenosti filtra ali odpovedi kakšne

komponente, mora naprava to avtomatsko zaznati in izvajanje testa varno ustaviti. Za izklop v

sili pa vedno uporabimo najprej varnostni ventil, na to se izklopi motor in naprava je ustavljena.

Turbina za merjenje pretoka zaradi sunkov med preklopi hidravličnega ventila ne daje točnih

meritev, za to se bo meritev izvajala ciklično. Cikel merjenja pretoka nastavimo ob začetku

zagona testiranja, izvaja pa se tako, da vklopimo varnostni ventil in počakamo, da se pretok

44

hidravličnega olja skoz ventil ustali, na to sprožimo meritev. Po zaključenem merjenju pretoka,

se nadaljuje testiranje.

6.5 Izvedba meritev

Naprava je namenjanja testiranju hidravličnega olja in komponent od različnih proizvajalcev,

to pomeni, da mora biti naprava prilagodljiva različnim potrebam različnih komponent. Pred

zagonom v vmesniku nastavimo število ciklov, ki želimo da se izvedejo, mejni tlak, čas

zadržanja v skrajnih pozicijah pred preklopom ventila, tok s katerim odpiramo proporcionalni

ventil in cikel merjenja pretoka.

Nastaviti moramo tudi temperaturno območje v katerem bo stroj deloval, kdaj se bo prižgal

ventilator za hlajenje hidravličnega olja in dovoljena histereza nihanja temperature. Določimo

tudi maksimalno temperaturno mejo, ki jo lahko hidravlično olje doseže.

Za boljšo varnost in nadzor nad izvajanjem testa lahko nastavimo tudi vrsto alarmov, v katerih

primerih bo napako javilo in zaustavilo izvajanje testa.


45

7 ZAKLJUČEK

Kombinirana testna naprava za hidravlične tekočine je bila uspešno sestavljena in je prestala

začetne teste pod nižjimi tlaki. Rezultatov testiranja še ni, saj za njih je potrebno izvesti resen

trajnostni test, ki bo izvedel več milijonov ciklov in bo hidravlične komponente primerno

dotrajal, da bodo rezultati vidni. Po daljšem testiranju bi se obraba morala opaziti razlika pri

začetku in na koncu testiranja na pretoku, tlaku črpalke in ventila. Najbolj je obrabi podvržena

hidravlična črpalka, kateri bi se med testiranjem počasi zmanjševal pretok, ko je črpalka

obremenjena.

Komponente bi po testiranju bilo potrebno nadomestiti, stare pa temeljito pregledati.

46

8 VIRI

[1] Lovrec Darko. Hidravlika in pnevmatika : zapiski predavanj. Fakulteta za strojništvo

Maribor, 2015.

[2] Cibula Edvard. Senzorji : zapiski predavanj. Maribor: Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko, 2014.

[3] ISO 10770 - Hydraulic fluid power -- Electrically modulated hydraulic control valves --

Part 1: Test methods for four-port directional flow-control valves

[4] G. E. Totten, Wedeven L.D., Anderson M., Dickey, J.R.; Bench Testing of Industrial

Fluid Lubrication and Wear Properties Used in Machinery Applications; 2001

[5] G. H. Totten, G. H. Kling, D. J. Smolenski; Tribology of Hydraulic Pump Testing.

Philadelphia: PA, 1997

[6] Michael J. Tonyan; Electronically controlled proportional valves; New York 1985

[7] S. R. Majumdar; Oil Hydraulic Systems – Principle and maintenance; New York 2003

[8] John J. Pippenger; Hydraulic valves and controls – selection and application; New York

1984

[9] Franc Majdič , J. Vižintin, J. Pezdirnik, M. Kalin, A. Kunc; Obraba drsnih površin in

notranje puščanje hidravličnih sestavin; Fakulteta za strojništvo Ljubljana

[10] B. Hoehn, P. Oster, T. Tobie, K. Michaelis;Test methods for gear lubricants;

[11] Tehnični podatki artikla – Directional spool valve type NSWP 2 [Svetovni splet]. Hawe

hydraulik. Dostopno na: http://www.hawe-hydraulik.ru/pages/hawe/pdf/D7451N-en.pdf

[25.2.2018].

[12] Darko Lovrec. Hidravlika in pnevmatika : zapiski predavanj. Fakulteta za strojništvo

Maribor, 2015.

[13] O. Reinertz, K. Schlemmer, J. Schumacher, H. Murrenhoff. Development o fan

Accelerated Ageing Test for Hydraulic Spool and Poppet valves. RWTH Aachen

Univerity, 2010

http://www.hawe-hydraulik.ru/pages/hawe/pdf/D7451N-en.pdf


47

[14] Tehnični podatki artikla – Electronic pressure transducer DT2 and DT2V [Svetovni

splet]. Hawe hydraulik. Dostopno na: http://downloads.hawe.com/5/4/D5440T1-en.pdf

[6.3.2018].

[15] Tehnični podatki artikla – Eletronic Flow Rate Transmitter EVS 3100 [Svetovni splet].

HYDAC INTERNATIONAL. Dostopno na:

https://www.hydac.com/fileadmin/pdb/pdf/PRO0000000000000000000018334020011.

pdf [6.3.2018].

[16] Tehnični podatki artikla – Directional spool valve banks type SWS [Svetovni splet]. Hawe

hydraulik. Dostopno na: http://downloads.hawe.com/7/9/D7951-en.pdf [8.3.2018].

[17] Tehnični podatki artikla – Radial piston pumps type R and RG [Svetovni splet]. Hawe

hydraulik. Dostopno na: http://downloads.hawe.com/6/0/D6010-en.pdf [13.3.2018].

http://downloads.hawe.com/5/4/D5440T1-en.pdf

https://www.hydac.com/fileadmin/pdb/pdf/PRO0000000000000000000018334020011.pdf

https://www.hydac.com/fileadmin/pdb/pdf/PRO0000000000000000000018334020011.pdf

http://downloads.hawe.com/7/9/D7951-en.pdf

http://downloads.hawe.com/6/0/D6010-en.pdf

48

9 PRILOGE


49

Priloga 1: Risbe kombinirane testne naprave

za hidravlične tekočine

Documents

KOMBINIRANA TESTNA NAPRAVA ZA HIDRAVLIČNE TEKOČINE · testna naprava, test UDK: 621.22.018:661.177(043.2) POVZETEK: Cilj magistrske naloge je bil izdelati napravo, ki bo omogočala