6. Wymagania stawiane cieczom w układach mikrohydraulicznych
6.2. Badania określające wymagania stawiane cieczom roboczym w układach
Parametrami cieczy, istotnymi w projektowanych układach mikrohydraulicznych, są: klasa czystości cieczy roboczej oraz zakres zmian współczynnika lepkości. Cechy te decydują m.in. o fizykochemicznym zjawisku tzw. obliteracji (zarastania, zamula-nia) szczelin, występującym przy przepływie oleju przez szczelinę o małych wymia-rach. Przy założonych wymiarach geometrycznych, np. zaworu maksymalnego z grzybkiem stożkowym o kącie rozwarcia 2α = 90° i średnicy gniazda d = 2 mm, ciśnieniu otwarcia p0 = 16 MPa i natężeniu przepływu Q = 1 dm3/min (parametry pro-jektowanego mikrozaworu maksymalnego), przemieszczenie grzybka z wynosi mniej niż 0,1 mm. Odpowiada to minimalnej szerokości s szczeliny dławiącej rzędu 0,04– 0,05 mm. W takich przekrojach przepływowych o wymiarach zminimalizowanych możliwe jest powierzchniowe wiązanie się (osadzanie się, przylepianie, adsorbowa-nie) kleistych cząstek cieczy na krawędziach szczeliny pod wpływem oddziaływania sił międzycząsteczkowych (adhezja), sił pola elektrostatycznego oraz sił mechanicz-nych na pograniczu ośrodków, a wskutek tego stopniowe zmniejszanie się pola prze-kroju szczeliny w funkcji czasu. Dowodem na to jest m.in. wykres pokazany na ry-sunku 6.1 [6.3].
Krzywe zmian prędkości ruchu tłoka serwonapędu elektrohydraulicznego przy małych otwarciach wzmacniacza hydraulicznego wyznaczone w trakcie badań
do-świadczalnych pokazano na rysunku 6.1. Przebieg krzywych dowodzi, że po upływie
czasu zależnego od szerokości otwarcia zaworu prędkość się zmniejsza aż do całkowi-tego zatrzymania tłoka. Oznacza to, że w trakcie pracy z małymi prędkościami (przy małych otwarciach) zatykają się szczeliny zaworu.
Badania doświadczalne zjawiska obliteracji przeprowadzono w stałej temperaturze czynnika roboczego, tj. 40 °C, oraz dla dwóch różnych rodzajów olei hydraulicznych:
Rys. 6.1 Prędkość ruchu tłoka serwonapędu przy małych przepływach [6.3]
Rys. 6.2. Schemat podziału granulacji zanieczyszczeń według ISO 4406
Azolla ZS22 i HL68. Lepkości kinematyczne oleju dla przyjętej temperatury pracy wynosiły odpowiednio ν = 65,6·10–6 m2·s–1 dla HL 68 i ν = 22,5·10–6 m2·s–1 dla Azol-la ZS22, różnica lepkości była więc trzykrotna. Olej AzolAzol-la ZS22 odpowiada symbo-lom z tabeli 6.1 według DIN 51524 – HLP, a według ISO 6743/4 – HM. ≥
Przed zalaniem układu mikrohydraulicznego olejem dostarczonym w oryginalnych pojemnikach przez producentów przeprowadzono badania czystości wspomnianych cieczy roboczych. Do określenia klasy czystości olejów zastosowano miernik lasero-wy typu LCM-2025 produkcji Parker Hannifin. W pomiarach określono klasę oleju HL68 według NAS 1638 na poziomie 10, co odpowiada klasie 21/19/15 według ISO 4406 z roku 1999. Nieco lepszej klasy czystości był dostarczony olej Azolla ZS22 – według NAS 1638 klasa 9, według ISO 4406 klasa 20/18/15. W celu wyjaśnienia, co oznaczają poszczególne klasy czystości, sporządzono schemat (rys. 6.2) pokazujący podział zanieczyszczeń o określonej wielkości według ISO 4406 i zależność między liczbą cząstek o danej granulacji a przynależnością do danej klasy. Przypisanie do danej klasy według liczby cząstek obrazuje tabela 6.3. Tabela 6.4 przedstawia porów-nanie klas czystości oleju według ISO 4406 z roku 1987 i z roku 1999 (uwzględniono
dodatkowo zanieczyszczenia o wielkości w przedziale 2–5 µm) i według NAS 1638. Układ mikrohydrauliczny zalewano poprzez filtr o dokładności filtracji 10 µm, tj. takiej samej jak w wypadku filtra umieszczonego na przewodzie zlewowym układu mikrohydraulicznego. Zabiegi te pozwoliły poprawić klasę czystości obu cieczy robo-czych do poziomu NAS 8, co odpowiada ISO 19/17/14.
Badanie zjawiska obliteracji przeprowadzono w układzie przedstawionym na ry-sunku 6.3. Polegały one na pomiarze natężenia przepływu przez mikrozawór dławiący opisany w rozdziale 7 w funkcji czasu przy stałej wartości ciśnienia zasilania ustalo-nego za pomocą mikrozaworu maksymalustalo-nego. Wyznaczono stałą wartość przemiesz-czenia grzybka zaworu dławiącego od gniazda na poziomie 50 µm i 80 µm przy śred-nicy gniazda równej 2 mm.
Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunkach 6.4 i 6.5, przy czym nie zauważono znaczącej różnicy dla różnych olejów wykorzystywanych w badaniach. Różnice te mieściły się w zakresie niepewności pomiarowej.
Przedstawione wykresy (rys. 6.4 i 6.5) pokazują, że następuje spadek natężenia przepływu Q przez szczelinę zaworu dławiącego w funkcji czasu t. Utrzymanie stałej wartości ciśnienia zasilania kontrolowaną za pomocą manometru świadczy o zmniej-szeniu pola przepływu w szczelinie dławiącej, a więc o zaistnieniu zjawiska oblitera-
Tabela 6.3. Przyporządkowanie klasy czystości w zależności od liczby cząstek
Tabela 6.4. Porównanie klas czystości oleju Numer zakresu Liczba cząstek w 1 ml ISO 4406: 1999 ISO 4406: 1987 NAS 1638 CLASS 24 80000–160000 13 / 11 / 8 11 / 8 2 23 40000–80000 14 / 12 / 9 12 / 9 3 22 20000–40000 15 / 13 / 10 13 / 10 4 21 10000–20000 16 / 14 / 9 14 / 9 – 20 5000–10000 16 / 15 / 11 14 / 10 5 19 2500–5000 17 / 15 / 9 15 / 9 – 18 1300–2500 17 / 15 / 10 15 / 10 – 17 640–1300 17 / 15 / 12 15 / 12 6 16 320–640 18 / 16 / 10 16 / 10 – 15 160–320 18 / 16 / 11 16 / 11 – 14 80–160 18 / 16 / 13 16 / 13 7 13 40–80 19 / 17 / 12 17 / 12 – 12 20–40 19 / 17 / 14 17 / 14 8 11 10–20 20 / 18 / 12 18 / 12 – 10 5–10 20 / 18 / 13 18 / 13 – 9 2,5–5 20 / 18 / 15 18 / 15 9 8 1,3–2,5 21 / 19 / 13 19 / 13 – 7 0,64–1,3 21 / 19 / 16 19 / 16 10 6 0,32–0,64 22 / 20 / 13 20 / 13 – 22 / 20 / 17 20 / 17 11
Rys. 6.3. Schemat hydrauliczny stanowiska do badań obliteracji: 1 – silnik elektryczny, 2 – pompa zębata, 3 – zawór przelewowy, 4 – manometr, 5 – badany zawór dławiący, 6 – przepływomierz,
7 – termometr, 8 – zbiornik
Rys. 6.4. Zależność natężenia przepływu Q przez zawór dławiący w funkcji czasu t, pt = 5 MPa
Rys. 6.5. Zależność natężenia przepływu Q przez zawór dławiący w funkcji czasu t, pt = 15 MPa
cji. Jest to niewątpliwie istotny problem występujący w eksploatacji układów mikro-hydraulicznych, który w układach konwencjonalnych, z racji występujących przekro-jów przepływowych pojawia się w ograniczonym stopniu. Problem obliteracji został tu tylko zasygnalizowany na podstawie przeprowadzonych pomiarów i będzie wyma-gał dalszych analiz i badań.
Pewną nadzieję można wiązać z ewentualnym wprowadzeniem mikrodrgań ele-mentów sterujących mikrozaworów, analogicznie do rozwiązania zastosowanego w rozdzielaczach proporcjonalnych konwencjonalnych, ale pod warunkiem, że wyko-rzystywane będzie sterowanie elektryczne. Alternatywnym rozwiązaniem tego pro-blemu, tj. oczyszczania szczelin przepływowych, może też być wykorzystanie pulsacji ciśnienia wynikającej z wahań wydajności pompy wyporowej i wykorzystanie zjawisk rezonansowych w przewodzie mikrohydraulicznym. Na podstawie przeprowadzonej analizy stwierdza się, że ciecz stosowana w układach mikrohydraulicznych powinna mieścić się w klasie czystości 17/15/12 według ISO 4406, oraz zaleca się stosowanie filtrów o dokładności filtracji 10 µm. Zakres lepkości powinien wynosić 10–75·10–6 m2·s–1.
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ
Re – liczba Reynoldsa Eu – liczba Eulera Du – średnica hydrauliczna
S – pole powierzchni przepływu w szczelinie dławiącej Qz – natężenie przepływu
Fp – siła od ciśnienia statycznego Ft – siła tarcia Fs – siła sprężyny v – prędkość przepływu d – średnica dniazda rH – promień hydrauliczny p – ciśnienie
z – wznios grzybka zaworu
l – długość tworzącej gniazdo zaworu zα – siła od ciśnienia statycznego
µ – współczynnik wypływu ν – lepkość kinematyczna ∆p – różnica ciśnień ρ – gęstość oleju η – lepkość oleju τ – naprężenie styczne
LITERATURA
[6.1] ISO 6743-4 Smary, oleje przemysłowe i produkty pokrewne (klasa L) – Klasyfikacja – Część 4: H Rodzina (systemy hydrauliczne).
[6.2] PN-91/C-96057/1.
[6.3] Myszkowski A., Badania i modelowanie zjawiska obliteracji w serwonapędzie