360 Ventil 23 /2017/ 5 Razvoj visokotlačnega delilnika toka (FD-H2) za mobilne aplikacije – 1. del Anže ČELIK, Luka PETERNEL Izvleček: elilnik toka se skupaj s hidromotorjem v mo ilnih aplika ijah najpogosteje upora lja za pogon koles Pri tem delilnik toka zagotavlja vzporedno sinhrono delovanje koles v eni osi kakor tudi med več osmi V normalnem re imu delovanja delilnik toka ni v unk iji tj olje teče preko o točnega ventila mimo delilnika toka V primeru zdrsa pogonskih koles pa se delilnik toka aktivira in posledično sinhronizira hitrost vrtenja pogonskih koles kar omogoča nadaljnjo vo njo vozila V prispevku je prikazan postopek razvoja visokotlačnega delilnika toka za mo ilne aplika ije lednje praviloma pogojujeta visok delovni tlak do arov in visok pretok do l min Predvsem pa sta pri tovrstnih aplika ijah eleni sta ilnost delovanja in točnost delitve zdru evanja na čim ir em tokovnem o močju vodoma je predstavljen osnovni prin ip delovanja atnega delilnika toka Nadalje so prikazane razvojne ak tivnosti na ključnih detajlih in koraki do njihove optimiza ije Razvoj delilnika toka je plod uspe nega medna rodnega sodelovanja razvojne skupine podjetja Po lain drauli s Podporo pa nam je nudil tudi a oratorij za uidno tehniko akultete za strojni tvo v ju ljani ksperimentalno izmerjene karakteristike delilnika toka so v nadaljevanju primerjane s hidravličnimi meritvami konkurenčnih izdelkov drugih proizvajal ev elilnik toka izstopa glede kompaktnosti točnosti in sta ilnega delovanja tako v načinu deljenja kot tudi zdru evanja Na osnovi uspe nega razvoja osnovne unk ije visokotlačnega delilnika toka je ila slednja nadalje nadgrajena oz vgrajena v končni več unk ijski ventil za mo ilne aplika ije Rezultat večletnega razvoja je nova dru ina katalo kih izdelkov podjetja Po lain drauli s več patentnih prijav kopi a prido ljenega znanja na področju konstruiranja hidravličnih komponent njihovih medse ojnih interak ij ter pro esa potrjevanja tj valida ije končnega izdelka Ključne besede: delilnik toka deljenje zdru evanje primerjalna analiza tlačni pade točnost simula ije HIDRAVLIČNI VENTILI ■ 1 Uvod elitev toka tekočine1 na dve ali več hidravličnih vej oz linij je mogoča z upora o enega ali več delilnikov pri tem se predpostavlja enako merna oz. proporcionalna delitev toka Najpreprostej i primer tak ne re itve je t i kos ak na re itev deluje le v primeru ko so hidravlič ne razmere v vseh linijah enake npr enake tlačne izgu e V nasprotnem primeru je delitev toka neenako merna Pomanjkljivost enostavne re itve s kosom je mogoče od praviti z integra ijo tokovnega ven tila v hidravlični sistem ki zagotavlja konstantnost delitve toka ne glede na tlačne razmere v posamezni liniji ak en tip tokovnega ventila se imenuje delilnik toka menjeni ventil deli tok v predpisanem raz merju na dve liniji a deljenje toka na več linij je potre no upora iti več delilnikov ag An e elik univ dipl in uka Peternel univ dipl in o a Po lain drauli s d o o iri 1 aradi preglednosti o esedna zveza tok tekočine v nadaljevanju nadome čena z esedo tok oz pretok 361Ventil 23 /2017/ 5 HIDRAVLIČNI VENTILI V splo nem o stajata dva tipa delil nikov toka atni in zo ni ki Slika 1 prikazuje hidravlična sim ola o eh tipov delilnika toka e ima omenjeni tokovni ventil tudi unk ijo zdru evanja toka se nava dno imenuje delilnik zdru evalnik toka V nadaljevanju o o ravnavan le atni tip delilnika pri čemer o zaradi preglednosti in enostavnosti delilnik zdru evalnik toka imeno van le delilnik toka ipičen delilnik toka ima kot je ilo e omenjeno unk ijo delje nja in zdru evanja toka Ventil deli tok uida v smeri priključka A proti priključku in in zdru uje tok v smeri priključkov in proti pri ključku A slika Razmerje delje nja zdru evanja je navadno mo na je polju na delitev in sicer ne glede na razmere v posa mezni liniji ali ipičen primer delilnika toka sestavljajo ohi je zunanji at dva notranja ata ter tri i ke vzmeti menjeno kon gura ijo prikazuje slika 7. Deljenje toka: deljenje toka poteka v smeri priključka A proti priključkoma in ok na priključku A se razde li in teče čez du ilko konstantnega preseka t i ksna du ilka kakor tudi čez du ilko spremenljivega pre seka t i spremenljiva oz varia ilna du ilka na priključek oz Združevanje toka: olje teče iz smeri in proti A Prin ip zdru evanja je podo en prin ipu deljenja elovanje delilnika toka je pogoje no s tlačnimi razmerami v ventilu na slednje pa vpliva nivo pre toka ozirom na omenjeno velja upo te vati da delil nik toka deluje optimalno le v določenem to kovnem o mo čju mejitev maksimalnega pretoka vpliva na velikost tlač nega pad a skozi ventil omejitev minimalnega pretoka pa neposre dno vpliva na točnost delitve oz zdru evanja ipičen primer vgradnje delilnika toka v zaprtem hidravličnem toko krogu prikazuje slika 2 Vhodni tok iz črpalke je enakomerno razdeljen med o a tj leva in desna hidro motorja in zagotavlja vzporedno sinhrono delovanje koles v eni osi kakor tudi med več osmi e v hi dravličnem sistemu ni vgrajenega delilnika toka in eno izmed koles izgu i stik s podlago oz se spre menijo kotalne razmere potem se tak no vozilo ne more več poma kniti naprej Razlog je v tem da i ves tok tekel skozi hidromotor ka terega kolo je izgu ilo stik s pod lago olje namreč teče tam kje ima la jo pot Slika 3 prikazuje vgradnjo delilni ka toka v odprtem hidravličnem tokokrogu poenostavljen prikaz Tudi v danem primeru se vhodni tok iz črpalke enakomerno raz deli na o a hidravlična ilindra in posledično zagotavlja vzporedno gi anje o eh ilindrov e v hi dravličnem sistemu ni vgrajenega delilnika toka in remeni o eh i lindrov nista identični o končno lego prej dosegel ilinder z manj im remenom ■ 1.1 Osnovni princip deljenja/združevanja er je prin ip deljenja podo en prin ipu zdru evanja o v nadalje vanju o ravnaven le prin ip delje nja a la je razumevanje o pred postavljeno da je razmerje delitve ali pa zdru evanja Slika 1. Hidravlični simbol delilnika toka: batni tip (levo) in zobniški tip (desno) [5] Slika 2. Primer vgradnje delilnika toka v zaprtem hidravličnem tokokrogu [5] Slika 3. Primer vgradnje delilnika toka v odprtem hidravličnem tokokrogu [5] 362 Ventil 23 /2017/ 5 ■ 1.1.1 Hidravlična dušilka snovni prin ip delovanja delilnika toka je pretok uida po vzporedno vezanih du ilkah elitveno razmer je je odvisno od kon gura ije para ksnih du ilk idravlični sim ol ksne du ilke prikazuje slika 4. Slika 4. Hidravlični simbol fi ksne dušilke (konstanten premer) ok tekočine skozi ksno ali varia ilno du ilko popisuje ernoullije va enač a ki pov ezuje tok uida in tlačni pade pri tem se koe ienti v A q p in nana ajo na hitrost uida presek du ilke koe ient pretoka tlačni pade in gostoto uida • Presek dušilke A je lahko ksen torej nenastavljiv  A konst oz spremenljiv nastavljiv  A konst V prvem primeru je du ilka ksna v drugem pri meru pa je spremenljiva Slika 5 prikazuje primera o eh du ilk na o stoječem delilniku P podjetja Po lain drauli s • Koefi cient pretoka q je rez dimenzijsko tevilo in pred stavlja hidravlični izkoristek komponente q je odvisen od lokalne geometrije oe ient pretoka ima v tur ulentnem področju večinoma konstan tno vrednost tj pri visokih to kovnih tevilih v področju laminarnega toka pa se linear no povečuje s povečevanjem tokovnega tevila Slika 6 prika zuje odvisnost koe ienta pre toka v odvisnosti od tokovnega tevila in si er za tri različne tipe du ilk tj a in • Tlačni padec p se nana a na razliko tlakov med dvema po lju nima točkama e je torej smer pre toka A  lika potem je tlačni pade enak Potre no je omeniti da se za ma ksimalni tlačni pade po enač i vedno upošteva minimalna pretočna povr ina A oz presek ozirom na enač o imata dve du ilki z ena kim pretokom enak tlačni pade p če so njuna preseka A in o lika geometrije q enaki ■ 1.1.2 Princip deljenja – osnovni (središčni) položaj bata a unk ijsko delovanje delilnika pretoka P podjetja Po lain drauli s sta upora ljeni ksna in spremenljiva du ilka lednja je po sledi a pose ne konstruk ije ata v atu pri kateri se presek du ilke spreminja glede na relativno pozi i jo o eh atov V danem primeru je predpostavlje no da se vhodni tok enako merno razdeli na liniji in torej HIDRAVLIČNI VENTILI Slika 6. Karakteristika Cq – λ [3] Slika 7. Presek delilnika toka (DTP) z notranjima batoma v osnovni (središčni) legi Slika 5. Primer fi ksne (levo) in spremenljive dušil- ke (desno) 363Ventil 23 /2017/ 5 pB pC  B C in da imata ksni du ilki enak presek Posledič no se lega o eh notranjih atov pri pretoku olja skozi ksno du ilko in posamezni at ne spreminja slika 7 Navadno je konstruk ija notra njega ata tak na da je spremen ljiva du ilka v popolnoma odprti legi kar pa ni pravilo V tej osnovni legi pa tudi si er v katerikoli drugi imata ksni du ilki v notranjem atu istveno vlogo pri zagotavljanju enakega tlačnega pad a kar posledično vpliva tudi na enakost pretokov ■ 1.1.3 Princip deljenja – izsredna pozicija bata Neenakost tlakov pB in pC povzroči neenakost aksialnih sil oz poru i tev ravnote nega stanja v srednji legi kar ima za posledi o premik notranjih atov v smeri delovanja rezultante sil Presek spremenljive du ilke oz pozitivno prekritje se pri notranjem atu z vi jim tlakom povečuje na strani ni jega tlaka pa zmanj uje slika 8 Posledično se pri notranjem atu z ni jim tla kom ustvarja dodatni tlačni pade ki zmanj uje pretok skozi spremen ljivo du ilko Ravnote no stanje je zagotovljeno ko sta tlaka na o eh straneh notranjih atov enaka oz ko sta tlačna pad a skozi ksni du ilki enaka lednje pa zagotavlja tudi enakost pretokov na o eh lini jah Pri zgoraj opisani situa iji so vse du ilke ksne in varia ilne izre dnega pomena saj zagotavljajo enakost pretokov na o eh linijah ventila tj in premenljivi du ilki torej vseskozi prilagajata svoj polo aj zaradi izenačitve tlakov v notranjih atih kar pa v sodelo vanju s ksnima du ilkama posle dično pomeni enakost pretokov na o eh linijah ■ 2 Področje obravnave V zadnjih letih se na področju ven tilov za zaprte tokokroge t i Po er transmission valves oz ventili VP pojavljajo vse vi je potre e in zah teve tr i ča Ventili VP se večinoma upora ljajo na mo ilnih aplika ijah aradi omejenega vgradnega pro stora in omejitve dopustne te e se od tovrstnih ventilov zahteva oz. pri čakuje visoka gostota moči aradi strogega re ima delovanja ventilov tj visoki pretoki visoki tlaki se po sledično pojavlja tudi ne elena po sledi a povi anih energijskih izgu Po lain drauli s si prizadeva da i ponudil elovito re itev hidro statičnega pogona za visokotlačne aplika ije aradi zadovoljitve po tre tr i ča je ila odprta povsem nova linija motorjev črpalk venti lov in elektronike imenovana igh Per orman e ki se nana a na o ra tovalne tlake do arov slika 9 Nova genera ija delilnika toka je ila razvita prav z namenom zadovoljiti potre e po visoko zmo gljivih ventilih zaprtega tokokroga ■ 2.1 Obstoječe rešitve Podjetje Po lain drauli s je pred ra zvojem nove genera ije delilnika toka e ponujalo re itve za vzpo redno sinhrono delovanje koles v eni osi kakor tudi med več osmi slika 10 stoječe re itve so sledeče • delilnik toka tipa za srednje zah tevni razred mo ilnih aplika ij tj za tlake do arov menjeni tip delilnika toka omogoča delje nje zdru evanje toka v do tirih hidravličnih linijah • delilnik toka tipa za visoko zahtevni razred mo ilnih aplika ij tj za tlake do arov a ta ventil ima podjetje Po lain drauli s zunanjega do avitelja HIDRAVLIČNI VENTILI Slika 8. Presek delilnika toka (DTP) z notranjima batoma v izsredni legi Slika 9. Portfelj podjetja Poclain Hydraulics za visoke tlake 364 Ventil 23 /2017/ 5 ■ 2.2 Potrebe po novem izdelku stoječe re itve za visoko zah tevni razred mo ilnih aplika ij ne izpolnjujejo več potre tr i ča v e loti Na osnovi preteklih izku enj in raziskave tr i ča so ile postavljene sledeče zahteve oz potre e glede novega delilnika toka • visoke zmogljivosti tj tlaki do arov pretoki do l min v načinu deljenja zdru evanja • do ra točnost v načinu delitve zdru evanja v elotnem tokov nem o močju • sta ilnost delovanja rez os ila ij • kompaktna o lika • modularnost • vi ja do ičkonosnost • hitrej a do ava kup u Poleg omenjenih zahtev so ile po stavljene tudi tevilne druge kot na primer lasten razvoj proizvodnja in monta a komponent s iljem za dovoljiti potre e kup a olj a kon trola nad kakovostjo doseči olj o donosnost proizvoda ter ne naza dnje tudi hitrej a dostava končnega produkta sistema kup u ■ 3 Primerjalna analiza Primerjalna analiza zajema est raz ličnih delilnikov toka drugih kon kurenčnih proizvajal ev Vsi anali zirani ventili se upora ljajo na mo ilnih aplika ijah in pri vseh so ile zasledovane sledeče spremenljivke • tlačni pade p • točnost v načinu delitve in zdru evanja očnost v načinu delitve in zdru e vanja je ila merjena v elotnem to kovnem o močju pri petih različnih tlačnih pad ih tj pri minimalnem tlačnem pad u arov arov med vhodno in izhodno vejo ventila podnje slike prikazujejo povprečne vrednosti točnosti in si er izračunane po enač i pri čemer se oznaki A in nana ata na izhodni veji ventila tj in v primeru ventila P slika ■ 3.1 Hidravlične meritve konkurenčnih ventilov ■ 3.1.1 Tlačni padci Analiza tlačnih pad ev je pokaza la tevilne razlike pri nazivnih vre dnostih pretokov Slika 11 prikazu je tlačne pad e v načinu deljenja glede na razmerje med dejanskim HIDRAVLIČNI VENTILI Slika 10. Obstoječe rešitve delilnikov toka Slika 11. Tlačni padci v načinu deljenja Slika 12. Tlačni padci v načinu združevanja 365Ventil 23 /2017/ 5 HIDRAVLIČNI VENTILI pretokom A in nominalnim pre tokom N lačni pad i imajo pri nominalnem pretoku v načinu de ljenja vrednosti med arov in arov Na omenjeni sliki je razvidno znatno odstopanje med konkuren tom A in konkurentom Razlike so vidne tudi pri tlačnih pad ih istega proizvajal a in si er primerjajoč način deljenja in zdru evanja Na primer ventil konku renta ima arov razlike med načinom deljenja in načinom zdru evanja Slika 12 prikazuje tlačne pad e v načinu zdru evanja ■ 3.1.2 Točnost V načinu deljenja so vsi analizira ni ventili delovali sta ilno tj rez opaznih os ila ij Razlike v točno sti so opazne predvsem pri ni jih pretokih slika 13 ot je ilo e omenjeno je pri mo ilnih aplika i jah elena konstantna točnost v čim ir em tokovnem o močju lika in prikazujeta točnost v odvisnosti od tokovnega razmerja vrednosti se nana ajo na povpreč ne vrednosti pri čemer vertikalne linije predstavljajo standardni od klon Razlike med analiziranimi ventili pa postanejo očitne v načinu zdru e vanja V omenjenem načinu so ile izmerjene najsla e točnosti pri treh od estih ventilov pa so ile opazne tudi pre ej ne os ila ije slika 14 Ventili pri katerih so ile zaznane os ila ije so te označene črtkano ■ 3.2 Zaključki Primerjalna analiza konkurenčnih ventilov je pokazala da je način zdru evanja naj olj kritičen z ozirom na točnost delovanja in sta ilnost delovanja Na začetku izvajanja pri merjalne analize se je pojavil dvom v korektnost merilnega protokola podjetja Po lain drauli s Razlog je il v tem da so se os ila ije po javljale tudi pri priznanih proizvajal ih orektnost merilnega protokola se je med drugim pokazala tudi na osnovi odziva tr i ča nekateri ven tili priznanih in uveljavljenih znamk dejansko os ilirajo tudi na terenu Literatura Po lain drauli s lo on trol valves drauli ompo nents errit drauli ontrol s stem ohn ile and ons Ne ork A elp rev Peternel ptimiza ija de lilnika zdru evalnika toka di plomsko delo ju ljana zo ra evalni enter Po lain drauli s različna literatura http h drauli spneu mati s om other te hnolo gies ook hapter o divider ir uits nazadnje o i skano http sunh drauli s om sites de ault iles me dia li rar te h resour es lo ivider Ne pd nazadnje o iskano http eaton om e m groups pu li pu ea ton h d do uments on tent p t pd naza dnje o iskano http po lain h drau lics.com/en/products/valves/ o divider nazadnje o iska no http po lain h drauli s om en high per orman e nazadnje o iskano https google om pa tents nazadnje o iskano https google om pa tents naza dnje o iskano Slika 13. Točnost v načinu deljenja Slika 14. Točnost v načinu združevanja