Ventil 5 / 2022 • Letnik 28 330 HIDRAVLIČNI VENTILI 1 Uvod Hidravlika v današnjem času predstavlja nepogre- šljiv del pogonske tehnike, tako na področju indu- strije, mobilnih strojev kot tudi v hitro razvijajočih se humanoidnih – človeku podobnih robotih. Za gibanje posameznih delov robotov uporablja- mo različne oblike pogona izvršnih sestavin. Med- nje sodijo električni aktuatorji, pnevmatični valji (predvsem na področju medicine za rehabilitacijo bolnikov [1]), ter hidravlični pogoni, ki imajo za- radi gostote moči, velikosti, varovanja pred preo- bremenitvijo in dobrega prilagajanja dinamičnim obremenitvam mnoge prednosti. Hidravlični sis- tem za pogon humanoidnega robota uporablja tudi eden izmed najbolj znanih ameriških razvi- jalcev [2]. V prispevku predstavljamo glavne korake razvoja in ugotovitve, do katerih smo prišli med testira- njem izdelanega prototipa zasučnega proporcio- nalnega ventila, ki smo ga razvili na podlagi skle- panja o manjših tokovnih silah pri zasučni izvedbi ventila [3]. 2 Teoretična izhodišča Potni ventili so hidravlične sestavine za krmilje- nje pretoka olja v izvršne enote in iz njih. Z njimi omogočamo njihovo delovanje, spreminjanje smeri in hitrosti. Delujejo na principu ustvarjanja tlačne razlike, ki se pojavi ob zmanjševanju odprtine, čez katero teče tekočina. Glede na geometrijsko obliko in način delovanja lahko drsniške potne ventile de- limo na vzdolžno pomične in na zasučne. Vzdolžno pomični se na vseh področjih hidravlike zelo upora- bljajo, medtem ko se zasučni ventili (slika 1) v hidra- vliki uporabljajo za posebne namene [4]. Dominik Božič, univ. dipl. inž., doc. dr. Franc Majdič, univ. dipl. inž., oba Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo r azvoj miniaturnega proporcionalnega hidravli Čnega ventila za krmiljenje gibov humanoidnega robota Dominik Božič, Franc Majdič Izvleček: Za krmiljenje hidravličnih nog humanoidnega robota je bilo treba zasnovati in optimizirati hidravlični proporcionalni ventil čim manjše mase in velikosti. Poleg kompaktnosti mora ventil za hitre gibe robota omogočati velike pretoke, hkrati pa zagotoviti čim manjše notranje puščanje. Zaradi boljšega tesnjenja in poenostavljene izdelave so na krmilnem batu uporabljena tesnila. Izvedene so bile numerične simulacije osnovnih karakteristik ventila in rezultati primerjani z meritvami na izdelanem prototipu. Ugotovljeno je, da novo razviti zasučni ventil v primerjavi z običajnimi proporcionalnimi ventili dosega bistveno boljše rezultate glede notranjega puščanja in pretočnih karakteristik, je manjši in enostavnejši za izdelavo. Ključne besede: hidravlika, humanoidni roboti,, zasučni proporcionalni ventili, tesnjenje v ventilih, krmiljenje s servomotorjem Slika 1 : Princip krmiljenja pretoka tekočine z zasukom krmilnega bata v prerezu Ventil 5 / 2022 • Letnik 28 Glavne slabosti vzdolžno pomičnih ventilov so predvsem notranje puščanje in močen vpliv tokov- nih sil. Notranje puščanje je posledica reže med ohišjem in krmilnim batom, ki je potrebna za zago- tavljanje delovanja ventila, saj s postopki izdelave ne moremo izdelati idealnih sestavnih delov in ima- mo vedno nekaj odstopanja. Področje zasučnih ventilov je v splošni hidravli- ki manj zastopano, uporabljajo pa se v določenih posebnih primerih, tudi za krmiljenje humanoidnih robotov [5]. Raziskava kartušne izvedbe zasučne- ga ventila [3] je pokazala, da lahko z zelo majhnimi krmilnimi močmi direktno krmilimo tudi velike pre- toke, celo do 1000 l/min. Osnovna ideja delovanja novega ventila temelji na kotni odvisnosti položaja bata v ohišju. Skozi obe komponenti je narejena izvrtina, tako da ta poteka radialno skozi središče bata (slika 1). V popolnoma odprtem stanju to predstavlja le ka- nal skozi ohišje in bat, brez spremembe pretočne- ga preseka, kar pomeni minimalne izgube tlačne energije pri pretakanju tekočine. Z vrtenjem bata dosežemo spreminjanje pretočnega preseka od- prtine na stičišču bata in ohišja in s tem različen pretok. S tovrstno izvedbo se izognemo predvsem vplivom tokovnih sil na krmilnih delih, ki se v klasič- nih vzdolžno-pomičnih ventilih odražajo na ravnih kolobarjastih ploskvah, kjer povzročajo nekontroli- rano gibanje bata, ki ga mora krmilnik skupaj z ele- ktromagneti kompenzirati. 3 Razvoj novega zasučnega ventila Po principu zasučnega ventila je bil zasnovan grobi model 4/3 ventila (slika 2), primeren za krmiljenje dvosmernih hidravličnih valjev nog humanoidnega robota [6], pri čemer so bila upoštevana priporočila dobrih praks za konstruiranje hidravličnih komponent. S spremembo giba bata ventila iz premega gibanja v rotacijo okrog iste osi smo dosegli, da se bat med delovanjem vzdolžno ne premika prek ostrih robov. Tako so za doseganje boljšega tesnjenja na batu iz- delani utori za tesnila, kot je prikazano na sliki 3. Ker bat sučemo, so uporabljeni dinamični tesnilni obroči X. Da bi dosegli dobro tesnjenje, je bilo treba posamezne prekate (območja na krmilnem batu in ohišju) med seboj ločiti, kar v obravnavanem pri- meru pomeni uporabo petih tesnil. T a korak optimizacije je bil pravzaprav najpomemb- nejša točka razvoja te vrste ventila, saj se je tako doseglo bistveno boljše tesnjenje ventila v primer- javi z doslej uporabljanimi klasičnimi ventili. 4 Snovanje oblike ventila za vgradnjo in izdelavo Zasnovani ventil mora za krmiljenje noge humano- idnega robota krmiliti tri hidravlične valje, zato je naš razvoj stremel k snovanju za blokovno vgradnjo več ventilov. Pri prilagajanju standardnim delom smo morali ohišje ventila nekoliko povečati, ob tem pa so sledile še dodatne geometrijske operacije za združevanje več kanalov v skupne priključke. Pri uporabi tesnil se kljub temu, da pri samem obra- tovanju ventila ne prihaja do prehoda tesnil preko ostrih robov, pojavi težava pri začetni montaži bata v ohišje. T o težavo se je rešilo z dodatno optimizaci- jo oblike ventila, ki omogoča dostop do vseh krmil- nih robov na ohišju. Tako dosežemo, da pri montaži bata v ohišje izvrtine s krmilnimi robovi zapolnimo s posebnima montažnima vstavkoma (slika 4) in tako omogočimo vzdolžni premik bata s tesnili preko kr- milnih robov brez nastalih poškodb tesnil. HIDRAVLIČNI VENTILI 331 Slika 2 : Simbol novo zasnovanega 4/3 potnega zasuč- nega ventila Slika 3 : Grobi model ventila z izdelanimi utori za tesni- la na batu (54 mm x 29 mm x 27 mm) Slika 4 : Razviti montažni vložki Ventil 5 / 2022 • Letnik 28 Za pogon bata je bil izbran servomotor, ki ob majh- nem volumnu omogoča potreben navor in hitrost zasuka. Krmiljenje ventila poteka preko spletnega grafičnega vmesnika. Za ta namen je bila narejena tudi programska koda (python), ki teče na mikrokon- trolerju Raspberry pi Zero, in ob uporabi dodatnega modula za tvorjenje signala s pulzno širinsko modu- lacijo upravlja servomotor in s tem tudi ventil [7]. Za povezavo med krmilnim batom in servomotorjem se je zaradi izničenja vpliva nesoosnosti osi motorja z osjo bata uporabilo gibljivo vzmetno sklopko. Za pritrditev servomotorja je bil izdelan namenski nosilec, za zaprtje ventila na zadnji strani pa je bil skonstruiran pokrov, ki hkrati skrbi tudi za aksialno pozicioniranje krmilnega bata. Na sliki 5 je prikazan novo razviti zasučni ventil v prerezu z označenimi elementi, na sliki 6 pa je prikazana blokovna izved- ba treh sestavljenih zasučnih ventilov. Za material sestavnih delov prototipnega ventila sta bila izbrana medenina in aluminij z dodatno površin- sko kemično obdelavo (eloksacijo), ki poveča trdoto površinske plasti. S tem se je želelo ob enostavnejši izdelavi aluminijastih delov predvsem ugotoviti upo- rabnost aluminija za tlake do 350 bar kot alternative jeklu, ki se navadno uporablja za izdelavo tovrstnih hidravličnih komponent. Po končani optimizaciji je sledila izdelava nestandardnih delov in sestavljanje celotnega ventila. Rezultat, enojni zasučni ventil kot končni izdelek je prikazan na sliki 7. 332 HIDRAVLIČNI VENTILI Slika 5 : Prerez celotnega zasučnega ventila z označenimi sestavnimi deli (129,5 mm x 76,1 mm) Slika 6 : Končni model trojnega zasučnega ventila v blokovni izvedbi za krmiljenje ene noge humanoida (129,5 mm x 118 mm x 76,1 mm) Slika 7 : Končni videz sestavljenega zasučnega ventila Ventil 5 / 2022 • Letnik 28 5 Numerične analize in eksperimentalne meritve Na modelu ventila so bile izvedene numerične si- mulacije CFD, s katerimi so se ugotovile karakte- ristike novega ventila in pretočne razmere v njem. Za potrebe simulacij je bil model geometrijsko po- enostavljen. Na sliki 8 je prikazana numerično izra- čunana hitrost olja po preseku krmilnega kanala pri pretoku olja 5 l/min in kotu zasuka 15°. V nadaljevanju je bilo sestavljeno preizkuševališče za eksperimentalne meritve karakteristik na izdelanem prototipnem ventilu [7]. Za karakteristiko ventila ∆p-Q so bile meritve izvedena na povezavi P-A in B-T. Rezultate prikazujeta naslednja grafa na sliki 9. Iz rezultatov meritev in simulacij (slika 9) lahko od- beremo, da ventil pri tlačni razliki 35 bar, kar po ne- katerih virih [8] velja za kriterij za določanje naziv- nega pretoka olja, omogoča pretok 33 l/min. Prav tako je razvidno, da je odstopanje eksperimentalnih meritev od numeričnih izračunov zelo majhno [7]. Pri karakteristiki novega ventila Q- ϕ je iz grafov na slikah 10 in 11 razvidna nekoliko drugačna oblika krivulj, kot je običajna za klasične proporcionalne ventile. Vzrok za nastalo obliko krivulj je v spreme- njenih krmilnih robovih. Iz grafa je razvidno, da se pretok z večanjem odprtja in povečevanjem tlač- ne razlike stalno povečuje. Pri primerjavi rezultatov meritev in numerično izračunanih vrednosti lahko opazimo manjša odstopanja izmerjenih vrednosti. Ta so najverjetneje posledica ugotovljene nena- HIDRAVLIČNI VENTILI 333 Slika 8 : Simulirano hitrostno polje olja v prečnem prerezu ventila Slika 9 : Karakteristika ventila ∆p-Q na povezavi P-A (zgoraj) in B-T (spodaj) Slika 10 : Numerično izračunane vrednosti karakteri- stike Q- ϕ Slika 11 : Izmerjena karakteristika Q- ϕ ventila Ventil 5 / 2022 • Letnik 28 tančnosti pozicioniranja servomotorja. Prav tako za izmerjeni krivulji pri tlačni razliki 150 bar in 200 bar zaradi omejenosti moči hidravličnega agregata ni bilo mogoče doseči vseh želenih pretokov. Z meritvami se je izmerilo tudi največji potrebni moment za prekrmiljenje ventila (slika 12). Pri testi- ranju se je pojavil največji upor pri premiku iz popol- noma zaprte lege krmilnega bata. Iz grafa na sliki 12 je razvidno skoraj linearno naraščanje potrebnega momenta, ki pri tlačni razliki 0 bar sicer dosega vre- dnost 0,1 Nm. Rezultat tudi kaže, da za krmiljenje ventila pri 300 bar tlačne razlike potrebujemo ser- vomotor navora 1,6 Nm. Iz tega lahko sklepamo, da je ta moment predvsem posledica trenja tesnil na ohišju in batu, saj pri popolnoma zaprtem ventilu pretočnih sil v ventilu ni, torej ne morejo povzro- čati momenta. Del tega momenta pri popolnoma zaprtem ventilu lahko ustvari tudi sila na bat preko obeh krmilnih robov P v ohišju, ki bat pritiska ob nasprotno steno, saj med batom in ohišjem obstaja določena ohlapnost. 6 Rezultati trajnostnega testiranja S trajnostnim testiranjem ventila smo želeli ugoto- viti uporabno dobo ventila. Testiranje smo izvajali pri tlaku 200 bar ter z zaslonko med delovnima pri- ključkoma (A in B), ki je predstavljala obremenitev. Rezultati so pokazali, da je novo razviti zasučni ventil do odpovedi (slika 13) opravil 733.000 preklopov. S testiranjem smo tudi ugotovili, da čas posamezne- ga preklopa znaša približno 0,6 s, kar pomeni, da je ventil sposoben preklapljati s frekvenco 1,6 Hz. Med trajnostnim testiranjem smo naleteli na nekaj nepričakovanih težav, saj je odpovedalo nekaj ku- pljenih sestavnih delov. Po 296.000 preklopih je odpovedal servomotor zaradi obrabe zobnika v njegovem prenosniku moči. Ker pa na kvaliteto ser- vomotorjev ne moremo vplivati, smo servomotor zamenjali in nadaljevali s testiranjem. Zanimala nas je predvsem uporabna doba glavnih delov ventila, torej ohišja in bata, ter njuna obraba. Pri opravljenih 544.000 ciklih se je izkazalo, da je ventil prenehal delovati zaradi loma elastične sklop- ke med batom in servomotorjem. Tudi v tem primeru smo porušeni del zamenjali in nadaljevali s testira- njem, vendar je po menjavi sklopke prišlo do aksi- alnega pomika bata, ki je povzročil poškodbo te- snil. Zato je sledila še menjava tesnil, ki pa so se pri ponovni montaži bata v ohišje očitno nekoliko bolj poškodovala na vstopnem posnetju. Posledično je količina izteklega olja pri merjenju nekoliko večja po menjavi, kar je vidno in označeno na sliki 14. Po končanem testiranju je bil na podlagi rezultatov meritev olja na posameznih časovnih intervalih iz- delali graf, prikazan na sliki 14. Zadnje meritve pu- ščanja (po porušitvi) zaradi zloma krmilnega bata ni bilo več mogoče izvesti. Rezultati meritev puščanja so bili že v začetku te- stiranja zelo presenetljivi, saj je bila izmerjena koli- čina izteklega olja zelo majhna. Kljub temu ventil na nobenem drugem mestu ni izkazoval puščanja, kar nas je presenetilo, saj na obeh straneh med povra- 334 HIDRAVLIČNI VENTILI Slika 12 : Potrebni moment v odvisnosti od tlaka na dovodu Slika 13 : Lom krmilnega bata na stiku z elastično sklopko Ventil 5 / 2022 • Letnik 28 tno cono in okolico, tesnjenje za- gotavlja le po en tesnilni obroč. Po končanem trajnostnem te- stiranju je sledil pregled obrabe krmilnih robov na batu in ohišju. Na krmilnem batu je bila obraba vidna na krmilnih robovih, ki smo jih primerjali z robovi na ohišju. Opazna je tudi sprememba te- snilnih obročev X. Pri drugem tesnilu (z leve strani) je na sliki 15 mogoče opaziti, da je v uto- ru ostal le del tesnila. Sklepamo, da je prav to tesnilo povzročilo v grafu nenaden skok vrednosti puščanja. Zanimivo pa je dej- stvo, da kljub skoraj popolnoma poškodovanemu tesnilu ventil še vedno zelo dobro tesni. Zaradi uporabe črnega oksidnega nano- sa na krmilni bat je bilo mogoče vizualno opazovati obrabo. Kon- kretnejše analize obrabe še niso bile izvedene. Slika 16 prikazuje prerezano ohišje, na katerem so vidna področja obrabe ventila. Iz slike 17 pa je razvidno, da je obra- ba krmilnega roba na batu veliko večja od obrabe na ohišju. Opazna je presenetljivo velika ob- raba na zgornjem delu ohišja, kjer so dovodni in povratni kanali. Iz obrabljene površine in kontaktnih površin bata z ohišjem lahko skle- pamo, da tesnila bat v ohišju cen- trirajo, saj se je pri poškodovanem tesnilu na mestu stika z ohišjem površina obrabila (na sliki 16 osve- tljena ozka linija na desni strani). 7 Zaključek Razvit in izdelan je bil nov hi- dravlični proporcionalni zasučni ventil, s katerim lahko krmilimo ciljni pretok 60 l/min. Ugotovlje- no je bilo, da po kriteriju 35 bar tlačne razlike nazivni pretok no- vega ventila znaša 33 l/min. S trajnostnim testiranjem se je pokazalo, da obraba tudi po pre- cej velikem številu ciklov še ni povzročila velikega skoka v vre- dnosti puščanja, kar je razvidno iz grafa na sliki 14 in je bilo bi- HIDRAVLIČNI VENTILI 335 Slika 14 : Izmerjeno notranje puščanje ventila med trajnostnim testom Slika 15 : Krmilni bat po 733.000 preklopih z vidnimi poškodbami tesnil in krmilnega roba Slika 16 : Obe polovici prerezane- ga ohišja po trajnostnem testiranju Slika 17 : Primerjava obrabe na krmilnem robu ohišja (levo) in krmilnega bata (desno) Ventil 5 / 2022 • Letnik 28 stveno manjše, kot je navadno pri klasičnih vzdol- žno pomičnih proporcionalnih hidravličnih ventilih. Za primer lahko podamo merjene vrednosti notra- njega puščanja novo razvitega drsniškega ventila, ki so znašale med 200 ml in 420 ml/min [9]. V pri- merjavi s tem je puščanje našega ventila (3 ml/min po izvedenih 600.000 preklopih) od 100- do 200- krat manjše. K presenetljivim rezultatom tesnjenja gotovo prispeva tudi odločitev za vpeljavo tesnil v samo sestavo ventila. Uporabno dobo ventila bi lahko podaljšali z optimizacijo bata na mestu, kjer je med trajnostnim testiranjem prišlo do porušitve, saj med zasnovo bata nismo dovolj pozornosti na- menjali temu detajlu in vplivu zareznega učinka na trajno dinamično trdnost. S primerjavo velikosti novega ventila s primerljivim klasičnim ventilom, za katerega smo izbrali hidra- vlični proporcionalni drsniški ventil proizvajalca Parker z oznako D1FBE02FC0NMW0[10], ki po ka- rakterističnih točkah pretoka ustreza novemu ven- tilu, smo ugotovili, da je novo razviti ventil po volu- mnu 3-krat manjši (slika 18). Novo zasnovani ventil tako predstavlja nov pristop v krmiljenju hidravličnih komponent, uporaben je tako za krmiljenje humanoidnih robotov kot tudi za krmiljenje drugih naprav v industrijski in mobilni hi- dravliki. V nadaljnjem razvoju ventila bi bilo smiselno raz- misliti in testirati vpliv materiala bata na samo upo- rabno dobo ventila. Prav tako bi bilo treba raziskati, kako izbor tesnil vpliva na tesnjenje in tudi potre- ben moment za krmiljenje ventila. Literatura [1] Q. Liua, J. Zuoa, C. Zhua, S. Q. Xie: Design and control of soft rehabilitation robots ac- tuated by pneumatic muscles: State of the art, Future Generation Computer Systems 113 (2020), str. 620–634. [2] K. Khokar, P. Beeson, R. Burridge: Implemen- tation of KDL Inverse Kinematics Routine on the Atlas Humanoid Robot, Procedia Com- puter Science 46 (2015), str. 1441–1448. [3] I. Okhotnikov, S. Noroozi, P. Sewell, P. God- frey: Evaluation of steady flow torques and pressure losses in a rotary flow control valve by means of computational fluid dynamics, International Journal of Heat and Fluid Flow 64 (2017), str. 89–102. [4] D. Will, N. Gebhardt, H. Ströhl (Hrsg.): Hy- draulik, Springer-Verlag, Heidelberg, 2007. [5] S. Potter, J. A. Saunders (1990): Rotary direc- tional control valve, US patent US4966192A. [6] M. Bešter: Prototip hidravličnih humanoidnih robotskih nog: diplomsko delo. Ljubljana, 2021. [7] D. Božič: Razvoj miniaturnega proporcional- nega hidravličnega ventila za krmiljenje gibov humanoidnega robota: diplomsko delo. Lju- bljana, 2022. [8] P. Chapple: Principles of hydraulic system de- sign, Oxford, 2003. [9] J. Bartolj: Razvoj 4/3 proporcionalnega hidra- vličnega ventila za izdelavo s postopkom 3D tiska kovin, diplomsko delo, Ljubljana 2022. [10] Parker Hannifin Corporation: Direct Operat- ed Proportional DC Valve Series D1FB / D1FB OBE, Catalogue (Europe and Asia).pdf, Park- er, Dostopno na: https:/ /ph.parker.com/pl/en/ direct-operated-proportional-dc-valves-se- ries-d1fb-d3fb/d1fbe02fc0nmw0, ogled 13. 9. 2022 336 HIDRAVLIČNI VENTILI Slika 18 : Primerjava velikosti novo razvitega ventila z običajnim ventilom Development of miniature proportional hydraulic valve to control the movements of a humanoid robot Abstract: To control a hydraulic humanoid robot, it is necessary to design and optimize a hydraulic proportional valve with the lowest possible mass and size. The valve for the robot’s rapid movements must not only be compact, but also allow high flow rates while minimizing internal leakage. A seal on the control piston is used for better sealing and simplified fabrication. Numerical simulations of the basic characteristics of the valve were performed and the results were compared with measurements on the manufactured prototype. Compared to conventional proportional valves, the newly developed rotary valve achieves significantly better results in terms of internal leakage and flow characteristics, and is smaller and easier to start. Keywords: hydraulic, humanoid robots, proportional valves, rotary proportional valve, seals, controling with servo- motors