Experimentell utvärdering av kolvparti

Transkript

1 2007:132 CIV EXAMENSARBETE Experimentell utvärdering av kolvparti ANDREAS WALLGREN CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Maskinteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Maskinelement 2007:132 CIV ISSN: ISRN: LTU - EX / SE

2

3 Förord I civilingenjörsutbildningen vid Luleå tekniska universitet ingår det att göra ett examensarbete på 20 poäng. Examensarbetet har utförts vid Hägglunds Drives AB i Mellansel under tidsperioden juni till december De inledande veckorna fick författaren möjligheten att utföra detta arbete som ferieanställd och därefter fortsatte arbetet som examensarbete. Det har varit ett mycket varierande och lärorikt arbete. Flera personer vid Hägglunds Drives har varit engagerade i detta arbete och förtjänar ett tack. Projektets initiativtagare och min handledare, Daniel Nilsson har varit ett värdefullt stöd under hela arbetet. Bengt Liljedahl, Björn Nordin, Anders Westerlund, Pelle, Tomas, Benny har också bidragit med många goda åsikter. Vid beställning och tillverkning av olika detaljer vill jag lyfta fram Tord från handverkstan samt alla som hjälpt till på inköp och leveranskontroll, Roland Larsson, examinator och min handledare vid Luleå tekniska universitet har bidragit med värdefulla råd. Ett stort tack även till all personal på Hägglunds Drives som visat stort intresse för detta arbete. Mellansel, Andreas Wallgren Andreas Wallgren Luleå tekniska universitet

4

5 Sammanfattning Hägglunds Drives utvecklar kontinuerligt deras motorer för att hela tiden uppnå bättre och bättre verkningsgrad för deras produkter. Ett steg för att förbättra motorernas totala verkningsgrad är att undersöka olika komponenter. I detta examensarbete har en testrigg för kolvpartiet tagits fram utifrån underlag från ett tidigare arbete. Inledande tester har sedan utförts i provriggen under så verklighetstrogna förhållanden som möjligt. Testerna har utförts på Hägglunds Drivs i Mellansel i deras hydraulik laboratorium under hösten Under montering av provriggen samt vid tester utförda i provriggen har brister och förbättringsförslag framkommit. Dessa brister har korrigerats och förslag till ytterligare förbättringar har tagits fram för att förbättra provriggen och provmetoderna ytterligare. Tester har utförts för att undersöka hur stora läckage och friktionskrafter som verkar i kolvpartiet i kontakten mellan kolv och rulle. Prov har utförts vid ett antal olika vinklar, tryck, glidhastigheter, temperaturer samt med olika konfigurationer av kolvpartier. Framförallt har tester utförts med kolvpartier med stort och litet spel mellan kolv och rulle. Av de inledande testerna kan man bland annat konstatera att: Läckaget vid stort spel mellan kolv och rulle är betydligt högre än vid ett halverat spel. Läckaget har undersökts vid olika vinklar och det har visat sig att läckaget vid pumpfallet har varit betydligt lägre än i motorfallet, dock är läckaget något högre vid låga glidhastigheter för pumpfallet. Mätningar av startfriktionen har visat att det tar uppemot sekunder innan maximalt moment uppnås, det vill säga när oljefilmen har sjunkit undan helt. Mätningar utförda med varierat tryck och temperatur tyder på att friktionen befinner sig i botten av ett Stribeckdiagram vid ca 1 m/s och ca 200 bar vid 40 cst, vilket betyder att friktionen är låg vid detta driftförhållande samt att om man förflyttar sig från denna punkt så ökar friktionen. Vid glidhastigheter över 1 m/s så är bidraget till friktionen högre från viskösa förluster än från mekanisk kontakt på grund av kontakt med skrovligheten i ytan. Andreas Wallgren Luleå tekniska universitet

6

7 Abstract Hägglunds Drives continuously develops their motors to accomplish better efficiency in products. One step towards better total efficiency is to examine components. In this degree thesis a test rig designed in a prior work, have been put together. Preliminary tests have been executed in the test rig in as real conditions as possible. The tests have taken place in the hydraulic laboratory located in Hägglunds Drives main factory during the autumn of During the assembly and testing in the rig some limitations was found. However, some improvements have been done and some suggestions for improvements have been brought up. Tests methods have been improved as well. Tests have been performed to examine friction and leakage in the piston assembly, between the piston and the roller. The tests were made at several angles, pressure levels, sliding velocities, and temperatures, with many different piston assemblies. The main effort has put into testing standard piston assemblies with different clearance between piston and roller. Conclusions made by the tests: The leakage is substantially higher when the clearance is doubled. The leakage has been examined for different angels, and it was found that the leakage is substantially lower when the motor acts like a pump than in the motor-mode, but in real low sliding velocities the leakage go up in the pumpmode. Measurements of the starting coefficient of friction after different time of stand still have shown that it takes up to 20-30s until the friction reaches its maximum value, due to that the squeeze effect maintains the oil film fore some time. Measurements performed with variable pressure and temperature shows that friction is located in the bottom of the Stribeckcurve at 1 m/s, 200 bar and 50 C. It means that both increasing and decreasing velocity and pressure will result in higher friction. In velocities of over ca 1 m/s the contribution of viscous losses is higher than due to asperity interaction. Andreas Wallgren Luleå tekniska universitet

8

9 Innehållsförteckning 1 INLEDNING FÖRETAGSPRESENTATION BAKGRUND Funktionsbeskrivning Compact Kolvpartiet Compact PROBLEMBESKRIVNING SYFTE OCH MÅL METOD TESTMETODER ALLMÄNT TESTMETOD BESKRIVNING AV PROVRIGGEN ÅTGÄRDER VID MONTERING OCH TESTNING INNAN PROVNING Montering av kolvpartiet Kompensering för tomgångsförluster Formmätning PROVFÖRLOPP MÄTTEKNIK PROVMETODER Provning av varvtalsberoende Provning av startverkningsgrad Provning av temperaturberoende Provning av tryckberoende Provning av pressvinkelns beroende Skärningsprov Ekvationer som har använts Provobjekt RESULTAT OCH DISKUSSION VARVTALSBEROENDE Skillnad pump/motor, jämförelse vinklar Jämförelse olika typer av kolvar Utvärdering av friktionen STARTMOMENTSPROV SKÄRNINGSPROV TEMPERATURBEROENDE TRYCKÄNDRING FELKÄLLOR FÖRSLAG TILL FÖRBÄTTRINGAR FRAMTIDA PROV SLUTSATS REFERENSER...46 Andreas Wallgren Luleå tekniska universitet

10 Andreas Wallgren 1 Luleå tekniska universitet

11 1 Inledning Detta kapitel beskriver bakgrunden till problemet, själva problemet samt vad detta arbete ska innehålla. 1.1 Företagspresentation Hägglunds Drives är marknadsledande tillverkare av hydrauliska drivsystem med lågvarviga hydraulmotorer med höga moment till krävande kunder i hela värden. Företaget utvecklar, tillverkar och marknadsför systemlösningar för applikationer med höga krav på höga vridmoment, låga och variabla varvtal. Företagets huvudkontor och huvuddelen av dess produktion är lokaliserad i Mellansel utanför Örnsköldsvik. Systemen baseras på radialkolvmotorer som är designade för att monteras direkt på kundaxeln. Ett typiskt system består av en hydraulisk motor, ett pumpaggregat och ett kontrollsystem. Hägglunds levererar drivsystem till kunder inom många olika segment, exempelvis gruvoch materialhantering, återvinning, massa och papper, plast och gummi, marin och offshore, socker samt den mobila industrin. Hägglunds har en stor säljorganisation med representanter och säljkontor över i stort sett hela världen. Företaget är för tillfället i en expansiv fas och har ca 650 anställda och omsatte 2005 cirka 1,2 miljarder. De största geografiska marknaderna är Europa, Asien, Australien och Nordamerika. Hägglunds ägs av Ratos AB, ett börsnoterat svenskt private equity-bolag noterat på Stockholmsbörsens A-lista [1]. 1.2 Bakgrund 1994 släppte Hägglunds Compactmotorn, CA, som var en mer effekt- och momenttät motor än tidigare modeller. Compactmotorn är en radialkolvmotor med roterande cylinderblock/axel och stillastående hus. Denna motortyp är precis som namnet antyder en kompakt motor med ett högt vridmoment per kilo. Konstruktionen gör att motorn får en jämn och fin karakteristik med ett konstant moment redan vid riktigt låga varvtal. Specifikt moment går från 20 till 210Nm/bar. Hittills har över motorer tillverkats och sålts. Sedan CA introducerades har ett nytt motorprogram, kallat CB utvecklats. Dessa motorer är baserade på samma koncept, med motorer från 240 till 840 Nm/bar, hittills har ca 1000 exemplar av CB sålts. Det är tänkt att det äldre Marathonprogrammet ska ersättas av CB programmet. Compactkonceptet ger en mer effekt- och momenttät motor men externläckage samt start- och lågvarvsegenskaper bör förbättras för att kunna ersätta Marathonprogrammet fullt ut. Det finns även önskemål om att få en bättre uppfattning av hur stora förlusterna är i motorns olika delar för sig för att kunna dimensionera drifter bättre. För att kunna studera kolvens egenskaper mer noggrant än i en motor har en kolvpartirigg utvecklats under ett tidigare exjobb Utveckling av testrigg för kolvparti. Den finns i två konfigurationer, en med cylindrisk rulle samt en med excenter. Versionen med cylindrisk rulle skulle tas fram först för att studera kontakten kolv rulle. Det är den konfigurationen som har behandlats under examensarbetet Funktionsbeskrivning Compact På en axel (cylinderblocket Figur 2) sitter ett antal radiellt monterade kolvpartier som löper mot en vågformad kamring (Figur 1). Beroende på motorns storlek så kan antalet kolvar och kamtoppar variera samt kamringens profildjup. När kolvarna trycksätts i nedförsbacke tvingar de tangentiella krafterna motorn att rotera. Allteftersom motorn roterar trycksätts och avlastas kolvarna, genom ett ventilpaket. I och med att man låter kolvarna arbeta mot varandra (kolvpar) så slipper man lagra upp några Andreas Wallgren 1 Luleå tekniska universitet

12 större radiella krafter. För att motorn ska kunna leverera så konstant moment som möjligt så jobbar de olika kolvparen på olika delar av kamprofilen, vilket resulterar i en jämn gång. Motorns konstruktion tillåter även att den kan användas som pump. Bland annat i vinsch-applikationer, när en last sänks så fungerar motorn som en pump och genom en hydraulisk strypning kan motorn kontrollerat bromsa en last [2]. Figur 1 Compact motor invändigt, visar var kolv, rulle, kamring och cylinderblock är placerade. Figur 2 Enkelradigt cylinderblock Compact CA Andreas Wallgren 2 Luleå tekniska universitet

13 1.2.2 Kolvpartiet Compact Kolvpartiet består av en kamrulle (en solid cylindrisk lagerrulle ) som löper i ett cylindriskt uttag i en kolv (Figur 3). Man kan förenklat beskriva det som ett glidlager. I kolvens cylindriska uttag finns ett utbalanseringsspår, som trycksätts via en kanal med samma tryck som finns under kolven. Oljetrycket leds upp till kontakten mellan kolven och rullen för att minimera friktionen i kontakten. Denna balansering gör att ca 79 % av den radiella kraften lyfts av en hydrostatisk oljefilm, vilket innebär att den kraft som den hydrodynamiska smörjfilmen måste lagra upp minskar. Detta innebär att det blir ett förhållandevis effektivt lager, då det är en kombination av ett hydrostatiskt och ett hydrodynamiskt lager. Och då det redan finns tryck att tillgå så är det mycket smart att använda sig av detta tryck till balanseringen. Den hydrostatiska balanseringen leder emellertid till att läckage uppstår mellan kolv och rulle vilket leder till volumetriska förluster. För att lagret, det vill säga kontakten mellan kolv och rulle ska fungera på ett tillfredsställande sätt, så måste toleranserna och ytorna vara bra. Om rundheten, rakheten eller dimensionen är felaktig, så kan det innebära onödigt stora läckage och försvåra smörjfilmsuppbyggnaden. I ogynnsamma fall kan metall/metall - kontakter leda till att lagret skär ihop. Figur 3 Kolvpartiet till Compact CA, tv syns urtaget och smörjspåret i kolven, th kolvpartiet mot kamring. Idag tillverkas kolven i ett antal olika maskiner för att uppnå önskvärt slutresultat. Idag bearbetas kolven invändigt, dvs. i kolven uttag som ett sista steg för att uppnå önskvärda toleranser när det gäller dimension, cylindricitet rakhet och yta. Detta är en väldigt framgångsrik metod, vilket ger bra ytor och toleranser. På Hägglunds är kolvtillverkning och utveckling någonting som verkligen prioriteras då det är en vital komponent hydraulmotorerna. Detta gör att ny tillverkningsutrustning för kolvar håller på att tas fram, till att börja med för att öka produktiviteten. Planer finns även för att införskaffa ny utrustning som är tänkt kunna minimera tid för fixtering och snäva ner toleranserna ytterligare, genom att med en ny CNC-maskin som ska kunna slipa kolvarna till färdigmått och genom att maskinen kan mäta vilket mått som är för tillfället så hoppas man i framtiden kunna minska toleransspannet. I förlängningen hoppas man med hjälp av tester i provriggen ge svar på vilka parametrar som är viktiga och även vilka dimensioner som är önskvärda, för att fortsätta förbättringen av kolvpartierna. Andreas Wallgren 3 Luleå tekniska universitet

14 1.3 Problembeskrivning Examensarbetet Experimentell utvärdering av kolvparti är en fortsättning av tidigare års examensarbete Utveckling av testrigg för kolvparti [3], utfört av Rickard Hägglund. Problemet består i att montera ihop och justera in en nykonstruerad kolvpartiprovrigg, samt göra inledande tester för att justera in provriggen så att tillfredställande resultat kan fås med tillräckligt stor mätnoggrannhet. Önskemål fanns även om att få fram mätdata för att kunna utvärdera stora skillnader i dimensioner och driftsförhållanden. Kolvpartiet är en viktig del av hydraulmotorn och uppskattas ha en stor utvecklingspotential. För att underlätta arbetet med att förbättra kolvpartiet har i ett tidigare examensarbete en testrigg konstruerats för att undersöka kolvpartiet i en Compact CA-motor. Testriggen konstruerades för att bland annat kunna mäta friktion och läckage i kolvpartiet. Mätning av friktionskrafterna är svårt eftersom de krafter som ska mätas är små i jämförelse med övriga krafter som verkar på kolvpartiet. Parallellt med detta arbete har det utförts ett teoretiskt examensarbete[4] som utförs vid Luleå tekniska universitet, där man strävar efter att undersöka uppbyggnaden av oljefilmen, läckageflöden samt friktionskrafter genom simuleringar. I det projektet kommer kolvens funktion att studeras närmare teoretiskt. Testriggen ska ge möjlighet att verifiera dessa teoretiska beräkningar och att testa olika utformningar på kolvpartiet. 1.4 Syfte och mål Målet med examensarbetet var att montera provriggen och att få den att fungera tillfredsställande. Därefter genom att göra prover undersöka hur läckage och friktionskoefficient ändras då man ändrar olika parametrar. Några exempel på dessa var att ändra varvtal, tryck, temperatur samt pressvinkel för olika kolvpartier. Det är även eftersträvansvärt att utföra mätningarna på ett sådant sätt så resultaten går att jämföra med resultaten från det teoretiska examensarbete som pågår parallellt. Andreas Wallgren 4 Luleå tekniska universitet

15 2 Metod Arbetet som har utförts har till stor del bestått av att rent praktiskt få kolvpartiprovriggen att snurra och förbättra den för att kunna få tillförlitliga mätresultat från testriggen. Eventuella felkällor har identifierat och lösts. Testerna har utförts på så sätt att i huvudsak en parameter i taget har varierats. Mätresultaten har behandlats och analyserats. Slutsatser från mätningarna har dragits. 2.1 Testmetoder allmänt Olika typer av tester används hos Hägglunds Drives, likväl som på många andra företag. Detta för att verifiera hur bra olika produkter eller komponenter är, för att verifiera teoretiska modeller samt att undersöka till exempel skärningsförlopp, allt för att kunna optimera sina produkter. Dessa tester kategoriserar man i olika typer beroende på tillvägagångssätt och hur detaljerade de är: Fälttester - Tester utförs på en färdig produkt i dess verkliga miljö under verkliga driftförhållanden, samtidigt som mätdata samlas in. Ger tillförlitliga resultat då driftförhållandena är autentiska. Mäter hur en hel produkt fungerar, svårt att säga någonting med säkerhet om en viss komponent Får ingen information om andra driftsförhållanden än de som råkar vara vid maskinen. Realismen är 100%. Dyrt Bänktester - En produkt testas under kontrollerade förhållanden i till exempel ett laboratorium. Ger stora möjligheter att ändra driftförhållanden och belastning. Kan vara svårt att få detaljerad information om en viss komponent Realismen är något begränsad. Dyrt Komponenttester - En viss intressant komponent av en viss produkt plockas ut ifrån sitt sammanhang för att testas under kontrollerade former, samtidigt som man har möjlighet att få fram detaljerad information om den undersökta komponenten. Ger detaljerad information om detaljen Svårt att efterlikna verkliga förhållanden Lätt att mäta de verkliga förhållanden Realismen är begränsad Relativt dyrt Modelltester - tester utförs med enkla tester såsom pinne/skiva och fyrkuletest då friktion och nötning oftast är det man är intresserad av. Ger detaljerad information om detaljen Realismen är mycket begränsad Billigt 2.2 Testmetod Den typ av tester som utförts i detta arbete är ett komponenttest av kolvpartiet till en Compact CA. Fokus har legat på att undersöka kontakten mellan kolv och rulle. Friktion och läckage har studerats genom att mäta moment samt mäta flödet till kontakten mellan kolv och rulle. Mätningen av momentet har delvis störts av att friktion i lager och tätningar har varit relativt höga. Detta har kompenserats för, allt för att uppnå så riktiga mätningar som möjligt, se sida 12. Oljeflödet in till kontakten mellan kolv och rulle mäts, kontinuitetsvillkoret ger då att uppmätt flöde även strömmar ut Andreas Wallgren 5 Luleå tekniska universitet

16 från kontakten, vilket är detsamma som läckaget. Temperatur mäts i närheten av kontakten kolv rulle inne i provriggen samt även på spolflödet som går in i riggen, detta för att lättare kunna hålla en jämn temperatur under provförloppen. Varvtalet mäts på drivmotorn. Drivtrycket till drivmotorn såväl som hustrycket och trycket bakom kolvarna (högtrycket) registreras. 2.3 Beskrivning av provriggen För att driva testriggen (se Figur 4) användes en hydraulmotor av märket SAI som hänger i axeln. På motorns undersida är en 3600 pulsers varvtalsgivare monterad för att kunna mäta varvtalet, på motorn sitter även en momentarm monterad. Den sitter i sin tur fast i en kraftgivare och på så sätt kan man mäta det moment som överförs från motorn till axeln. På axels övre del monteras en splinesrulle via ett splines förband. Mot denna splinesrulle pressar två kolvar dess respektive kamrullar mot splinesrullen (Se Figur 5, Figur 6). Dessa kamrullar är placerade 180 grader emot varandra för att inte utsätta testriggens lager för någon nettokraft i onödan vilket skulle innebära ökade förluster i lagren. Till riggen har det kopplats 3 stycken fristående pumpar. För att kunna reglera temperaturen i riggen används en spolpump som spolar riggen med ett konstant flöde. För att veta vilken temperatur som är i riggen finns en temperaturgivare ett fåtal cm från splinesrullen, och för att lättare kunna reglera temperaturen monterades en temperaturgivare på ingående flöde. För att driva SAI-motorn användes en pump med variabelt tryck och deplacement, men då motorns deplacement är förhållandevis lågt så gick det inte att minska flödet till önskat flöde med hjälp av pumpen, därför monterades till slut två stycken konstantflödesventiler med vilka varvtalet regleras. Andreas Wallgren 6 Luleå tekniska universitet

17 Figur 4 Provriggen med olika komponenter som t.ex. hydraulmotor (SAI), varvtalsgivare, momentarm, kraftgivare, flödesgivare och tryckgivare. Andreas Wallgren 7 Luleå tekniska universitet

18 Figur 5 Illustrerar hur motorfall och pumpfall testats i provriggen. För att trycksätta kolvarna så användes ytterligare en pump. Flödet från denna pump delas upp i fyra olika delar, två till vardera kolv. Två flöden går till kontakten kolv/rulle, via en flödesgivare och ett teleskoprör, se Figur 7. Detta flöde är det läckageflöde som mäts. Det flöde som via cylinderutrymmet pressas ut mellan kolv och cylindervägg mäts inte i denna konfiguration, då det inte är av intresse i detta skede, men det finns möjlighet att mäta detta flöde om ytterligare en flödesgivare monteras. Tryckgivare finns monterade på riggen för att kontrollera trycknivåer. Andreas Wallgren 8 Luleå tekniska universitet

19 Figur 6 Provriggens innanmäte. I mitten ses splinesrullen och mot den trycker kolvarna sina respektive rullar. Figur 7 Teleskopröret som förbinder smörjspåret med bakplattan. Andreas Wallgren 9 Luleå tekniska universitet

20 2.4 Åtgärder vid montering och testning Riggen monterades med viss hjälp av laboratoriepersonal. Fel som upptäckts under tidens gång har i huvudsak korrigerats, övriga har noterats. Problem och åtgärd: Undermått på ett lagerläge på axeln. Axeln svarvades ner för att göra plats för att spruta axeln, axel metallsprutades. Efter sprutningen svarvades lagerläget till korrekt mått. Figur 8 Metallsprutning av ett lagerläge. Glidskena hade felaktig håldelning eller längd. Den härdade skenan kapades med vinkelslip. Slangar fick inte plats i riggen. Nya slangar beställdes och byttes ut. Locket var fel dimension, fel på ritningar + leverantörs gissning gav fel mått Locket frästes ner ytterligare. Teflontätning gick sönder vid montering. Monteringsverktyg tillverkades, vilket innebar mer lyckad montering. Splinesrullarna passade inte på axeln. Splinesen invändigt på rullen samt på splinesen på axeln slipades. Teleskoprören var fel dimension Rören svarvades ner från 5,3mm till 5mm Skruvar som håller ihop glidbrickorna har gått av i samband med körning Noggrannare momentdragning samt ökad elastisk längd på skruvarna. Det maximala trycket begränsas till 300 bar Skruvar till stödklacken sönderdragna, orsak felaktigt ingängningsdjup Nya skruvar med korrekt längd. Splinesrullarna hade för få hål för att hålla ihop glidbrickorna. Borrning och gängning av 16st M4 Svårt att hålla önskad temperatur En temperaturgivare monteras på spolflöde in. Andreas Wallgren 10 Luleå tekniska universitet

21 Flödesmätningar oexakta på grund av långt ner i FA omvandlarens område, och dels på grund av för stor flödesgivare använts. (18L/min givare på flöden som uppgår i storleksordningen 0,1-0,5L/min) Registrering av pulser tar bort onoggrannheten i FA omvandlaren Momentet blir för högt vid körning i pumpfall och vid 350 bar, Det maximala trycket minskas till 300 bar Ej rund splinesrulle ca 30 vågigheter/varv ger vibrationer som stör mätningarna, framförallt inom området varv/minut Figur 9 Åtgärdades genom att rullen slipades om, se Figur 10 0,03 0,025 Friktionstoppar Friktionskoefficient 0,02 0,015 0,01 u 0, ,5 1 1,5 2 2,5 Glidhastighet[m/s] Figur 9 Friktionsökning på grund av att ojämn rulle skapar vibrationer vid vissa varvtal. Figur 10 Uppmätningsresultat av splinesrullen, före och efter omslipning. Skillnaden i rundhet är slående (notera skalan). Andreas Wallgren 11 Luleå tekniska universitet

22 2.5 Innan provning Innan proverna har en hel del åtgärder utförts för att få ut så mycket av testerna, och framförallt få tillförlitliga resultat som möjligt. Bland annat har provriggens tomgångsförluster, samt kolvar och rullars form och dimensioner uppmätts. Detta gjordes för att kunna dra slutsatser från resultaten Montering av kolvpartiet Kolvringar monterades, oljerör (teleskopröret) monterade i smörjhålet med locktight. För att säkerställa att det inte förekommer något läckage någonstans mellan bakplattan och kolven (se Figur 7) så har tester utförts med tryckluft i samband med montering. Innan varje prov så har även slangarna till smöjspåret demonterats och cylindern har trycksatts för att undersöka om det läcker någon olja bakvägen Kompensering för tomgångsförluster För att kunna kompensera för friktionsförluster i provriggen så är det nödvändigt att veta vilka tomgångsförluster som testriggen har. Dessa består av friktion i framförallt tätning och lager. Ett prov utfördes utan att kolvarna var på plats i testriggen. Utifrån denna provning så anpassades ett antal funktioner som i skulle subtraheras från de övriga mätvärdena. I Figur 11 visas det uppmätta momentet och de anpassade momentkurvorna. De toppar som man kan uttyda av mätningen här kan ha att göra med vibrationer i riggen på grund att motorn inte är helt linjerade och har en ojämn gång. Den tendens till ökad friktion i riggen kan bero på att förlusterna i lagren och tätningen ökar då de viskösa förlusterna ökar. Förlustmoment Testriggen Moment [Nm] 6 Nm_formel Nm Varvtal [varv/minut] Figur 11 Tomgångsförluster i lager och tätningar. Uppmätt och kurvanpassad funktion. Andreas Wallgren 12 Luleå tekniska universitet

23 Kompenseringsekvationer Tabell 1 Funktioner som beskriver förlustmoment i lager, tätning mm. Varvtal[rpm] Moment [Nm] y = 34, x 4-9, x 3 + 1, x 2-0,04574 x + 1, y = 26, x 3-0, x 2 + 2,2261 x - 115, y = 322, x 2-0,22746 x + 47, Formmätning För att kunna utvärdera kolvpartierna på ett bra sätt genomfördes formmätningar av kolvarnas uttag, det vill säga det cylindriska hålet. Dessa mätningar utfördes för huvuddelen av alla kolvar och rullar som använts för att kunna förklara olika fenomen. Det som mättes var rundhet, cylindricitet rakhet samt dimension. Rakheten mättes i botten av uttaget, medan rundhet mäts i mitten, tillsammans med ytterligare två mätningar kan sedan rakheten utvärderas. Figur 12 beskriver var formmätningarna har utförts. Figur 12 Tillvägagångssätt vid uppmätning av kolv, det vill säga var rakhet rundhet och cylindricitet har mätts. Andreas Wallgren 13 Luleå tekniska universitet

24 2.6 Provförlopp Ett typiskt provförlopp: Kontinuitetsprov, ett prov där varvtalet varieras mellan varv/minut motsvarande en glidhastighet på ca 0-2,15 meter/sekund, med konstant tryck och vinkel. 1. Locket till provriggen lyfts av och provriggen töms på olja. 2. De två stöden skruvas lös och lyfts bort. 3. Vaggan med cylinderblocken styrs bakåt och tidigare kolvar och rullar lyfts ur. 4. Eventuellt ställs en ny vinkel in genom att flytta cylinderblocket i sidled i vaggan. 5. Nya kolvar och rullar monteras, viktigt är att med de på kolvarna monterade 5mm stora rören träffa den stora delen av teleskopröret. 6. Vaggan styrs fram och stöden skruvas fast igen. 7. Kolvarna provtrycks vid lågt tryck för att kontrollera att inget internt läckage förekommer. 8. Locket till provriggen monteras. 9. Spolningen av riggen påbörjas för att dels spola den ren och dels värma upp riggen, då alla dessa test har utförts vid en bestämd temperatur nämligen ca 50. Detta tar olika lång tid beroende på hur länge sedan riggen senast användes. 10. Testriggen startas upp med lågt varvtal och lågt tryck. Så körs provriggen tills temperaturen har stabiliserat sig. Samtidigt har kolvpartiet genomgått en lättare inkörning. 11. Varvtalet ökas på motorn till dess att motorns varvtal ligger på 400 varv/minut motsvarande ca 2m/s i glidhastighet mellan kolven och rullen, samtidigt som önskat tryck ställs in. 12. Mätningen påbörjas och med jämna intervaller minskas varvtalet genom att minska stegvis flödet tills dess att SAI-motorn inte längre orkar driva runt axel. 13. För att undersöka kolvpartiets startmoment så tillåts axeln vara stilla i drygt en minut innan trycket till drivmotorn (SAI-motorn) försiktigt ökas till riggen börjar rotera. (Om friktionen i riggen inte är tillräckligt högt för att den ska fastna kan man vara tvungen att sänka trycket för att få den att stanna) 14. Mätningen är slutförd och från mätfilen kan momentet, flöde, tryck och temperatur utläsas vid varje tidpunkt/varvtal. Andreas Wallgren 14 Luleå tekniska universitet

25 2.7 Mätteknik Innan mätningarna påbörjades kalibrerade givarna mot kända krafter och tryck. Kalibreringsfaktorer multiplicerades med signalen från givaren enligt Y=kx+m. Hur detta ser ut i mätprogrammet illustreras i Figur 13 där även en variabel larmgräns har implementerats. Där kalibreringsfaktorerna skrivs in i X:n som syns i figuren De olika givarna kalibrerades enligt följande: Tryckgivarna kalibreras genom att de kopplas till en kalibreringsutrustning där man trycksätter en vätska med en känd kraft i form av dödvikter och därmed kan man beräkna vilket tryck dessa vikter ger upphov till och jämföra detta med det tryck som mäts med tryckgivaren. Kraftgivaren kalibreras med medföljande kalibreringsprotokoll. För att verifiera att den mäter rätt så belastades givaren med en newtonmeter/fjädervåg. Varvtalsgivarens kalibreringsfaktor är känd sedan tidigare. Flödesgivarna, som ger ett pulståg proportionellt mot flödet, kopplades i början till en så kallad FI-omvandlare som omvandlar frekvensen på pulserna till en 4-20mA signal. Eftersom de använda flödesgivarna hade ett mätområde mellan 0-18l/minut och det mätta flödet är 0-0,5 l/min blir frekvensen på pulserna lågt. De FI omvandlare som fanns att tillgå hade betydligt högre frekvensspann vilket gjorde mätningen osäker. Därför räknades pulserna istället in i mätfilen vilket gjorde att man efteråt kunde räkna om pulser per tidsenhet till flöde per tidsenhet. På detta sätt kunde ett konstant flöde mätas noggrant. Den låga pulsfrekvensen medförde dock att det var svårt att mäta snabba flödesändringar noggrant. En annan aspekt i sammanhanget är även flödesgivarens mätnoggrannhet vid dessa förhållandevis låga flöden inte är verifierad, vilket kan ha bidragit till viss mät onoggrannhet. Andreas Wallgren 15 Luleå tekniska universitet

26 Figur 13 Mätprogrammet LABTECH NOTEBOOKpro med givaringångar(rutorna med den böjda pilen) kalibreringsfaktorer (rutorna med X) och larmgränser (till vänster). När stora krafter är inblandade i testning är det viktigt att inte ett litet fel gör så att inte skador på utrusningen runt om skadas. Därför togs en ide fram för att göra ett variabelt larm. Då programvaran i sig inte tillät att man skrev in variabla larmgränser eller andra funktioner för larmgränserna så byggdes larmgränser upp genom att använda boolsk algebra. Genom att specificera villkor när larmet skall utlösas så hade riggen tillslut en vakt som har till uppgift att stänga av provriggen om någon av larmgränserna överskrids. Vid varvtal lägre än 30 varv/minut så ansattes en larmnivå på 500 Nm och då varvtalet är högre än 30 varv/minut lades nivån på en betydligt lägre nivå. Inledningsvis lades nivån på 75 Nm vilket illustreras i Figur 14 men denna nivå ändrades senare till 100 Nm för att larmet inte skulle lösas ut i onödan. Efter att ha kört ett fåtal tester då kolven skurit så kan man konstatera att larmgränserna är bra då splinesrullen i ett fall klarade sig nästan helt utan skador, just därför att provet avbröts så tidigt. Detta innebär både en tids- och kostnadsbesparing i och med att man slipper slipa om splinesrullen. Och skillnaden mellan att ha en larmgräns som denna kan vara skillnaden mellan att ha en hel eller en trasig provrigg, då det går väldigt fort och krafterna är stora. Andreas Wallgren 16 Luleå tekniska universitet

27 Larmet löses ut inom detta område dvs i detta fall över 500 Nm respektive 75 Nm Denna kurva illustrerar en körning som EJ utlöser larmet. Figur 14 Kurvan illustrerar en normal körning och det stora fältet ovanför kurvan illustrerar den nivå där larmet startas och provriggen nödstoppar. Andreas Wallgren 17 Luleå tekniska universitet

28 2.8 Provmetoder Inledningsvis har mätningar utförts med mätfrekvenser på allt mellan 0,1 Hz upp till 100 Hz. Men på grund av olika anledningar såsom mätapparaturens begränsningar, snabbheten i de förlopp som man önskade mäta samt olika störfrekvenser har slutligen gjort att mätningarna utförts i 10 Hz, detta för att få tillräcklig noggrannhet vid mätning av snabba förlopp. Signalen har dämpats elektroniskt för att inte få utslag från bland annat pumpfrekvensen, samt den frekvens som uppkom på grund av vågigheten på splinesrullen (Figur 10) som även har visat sig ge upphov till de två topparna mellan 35 och 120 varv/min. Proverna har huvudsakligen körts med en fast mättid på 15 minuter. Förslag på förbättringar av provmetoderna beskrivs i kapitel 3.7 på sida 44. Alla prover har utförts med: Angivet tryck inom +- 2 bar Angiven temperatur inom +- 2 C Angivet varvtal +- 2 varv/minut Kolvens utvinklig (placeringen på kamprofilen) har varierats i fyra steg: 26,9 ; 14,45 ; 0 ; -26,9 Figur 15 illustrerar olika vinklar i motor samt provrigg. De positiva vinklarna beskriver när kolvparitet arbetar som motor och den negativa beskriver pumpfall. Vinkeln 26,9 motsvarar den högsta vinkel som finns på en kamring från en CA70. Dessa olika vinklar har framförallt undersökts med standard kolvparti. Figur 15 Kolvens olika lägen i motor samt i provriggen Provning av varvtalsberoende Provet avser att undersöka hur friktion och läckage varierar med varvtalet. Provet utförs genom att man med ett bestämt tryck 100, 200 eller 300 bar varierar varvtalet från 400 varv/minut motsvarande ca 2 m/s i glidhastighet till dess att provriggen stannar. Efter att riggen har stannat låter man riggen vara stilla en stund för att sedan öka trycket till drivmotorn tills axeln åter börjar rotera, för att även få med startmomentet i mätningen Provning av startverkningsgrad Provningen av startverkningsgraden har utförts genom att låta kolvarna trycksättas så att rullarna ligger an mot splinesrullen. Drivmotorn (SAI) roteras i relativt låg hastighet men dock så hög att fullfilmssmörning uppstår. Andreas Wallgren 18 Luleå tekniska universitet

29 Därefter sänks trycket till drivmotorn till dess att den stannar. Efter en tid ökas drivtrycket till dess att motorns moment överskridit den friktion som finns mellan kolv och rulle i kolvpartierna. Tiden mellan då axeln stannar och då den går igång igen mäts samt momentet vid starten noteras. Detta förlopp upprepas med olika stilleståndstider för att undersöka hur lång tid oljefilmen är kvar. Illustreras i Figur Provning av temperaturberoende För att undersöka hur läckage och friktion ändras av en temperaturändring så ställdes tryck och varvtal på en konstant nivå. Temperaturberoendet har utförts genom att värma upp provriggen till cirka 60 varefter temperaturen i riggen sänkts relativt fort till cirka 40 genom att kyla oljeflödet Provning av tryckberoende För att undersöka hur läckage och friktion påverkas av ändringar i tryck så har prover utförts vid tre olika glidhastigheter (0,13 1,1 2,15 m/s) då trycket ändrats från bar Provning av pressvinkelns beroende För att undersöka hur läckage och friktion påverkas av ändringar av vinkel så har fyra olika vinklar undersökts; 26,9, 13,45, 0, -26,9. I övrigt körs testerna som ett kontinuitetstest Skärningsprov För att få kolven att skära har tester körts vid pumpfall och 300 varv/minut, och trycket har ökats i nivåer om 25 bar för att senare lämnas oförändrade för att observera ett eventuellt skärningsförlopp. Då kolven börjar skära och friktionen och därmed momentet blir för stort stängs riggen av då momentet blir högre än den fördefinierade nivån. Varvid man kan observera hur skärningsförloppet ter sig i mätningarna, samt se var början till skärningen inträffar Ekvationer som har använts Vid utvärdering av testerna har en beskrivning av friktionen definerats enligt Ekvation 1 i detta arbete. Denna metod passar bäst vid studie av startfriktion eftersom man räknar på den kraft som ej är balanserad av den hydrostatiska balanseringen. Friktionskoefficienten blir då jämförbar med vad man skulle få vid t.ex. ett pinne-skivatest. Vid högre varvtal (glidhastighet) där hydrodynamisk smörjning dominerar är en friktionskoefficient utan hänsyn till balanseringen bättre, se Ekvation 2. Men för att vara konsekvent genom alla mätningar har Ekvation 1 använts i samtliga fall. u = M 2 2 P * A* tan( a) + (1 bal) * D splinesrulle Ekvation 1 Friktionskoefficientens beroende av momentet (M), trycket (P), arean under kolven (A),utvinklingen ( ), splinesrullens diameter ( D splinesrulle ), balanseringsgraden (bal), enligt den enkla teori som använts i detta examensarbete. Andreas Wallgren 19 Luleå tekniska universitet

30 u = M P * A* tan( a) * D splinesrulle Ekvation 2 Friktionskoefficientens beroende av momentet (M), trycket (P), arean under kolven (A),utvinklingen ( ), Splinesrullens diameter ( D splinesrulle ) Lämplig för att då glidhastigheten är tillräckligt hög för att bilda en hydrodynamisk oljefilm. V glid n* Dsplinesrulle PI = 60 Ekvation 3 Visar hur glidhastigheten beräknas från varvtalet. Andreas Wallgren 20 Luleå tekniska universitet

31 2.8.8 Provobjekt Provning provobjekt: Figur 16 Översikt över vilka kolvpartier som har använts, dess dimensioner och formfel samt en koppling till mätfilerna och uppmätningsprotokoll. Andreas Wallgren 21 Luleå tekniska universitet

32

33 3 Resultat och diskussion Detta examensjobb har till stor del bestått av att få kolvpartiprovriggen att fungera och ge tillförlitliga resultat. Detta har uppnåtts genom ett antal förbättringar som gjorts under arbetet. Det finns fortfarande många förbättringar att göra på själva provriggen, och provmetoderna. Genom att förutsättningarna mellan de första och de sista testerna väsentligt har ändras så bör man vara försiktig när man drar slutsatser mellan ett tidigt test och de avslutande testerna. Men från resultaten av proverna kan man ändå dra många intressanta slutsatser. 3.1 Varvtalsberoende För att åskådliggöra skillnader mellan olika kolvpartier, olika tryck och vinklar så har mätdata sammanställts från varje fortvarighetsmätning. Detta illustreras i Tabell 2. Tabell 2 Glidhastigheter och motsvarande varvtal i kolvpartiprovriggen samt Hägglunds hydraulmotor, CA 70. Glidhastighet [m/s] Varvtal provrigg [rpm] Varvtal CA 70 [rpm] 0,01 1,9 0,4 0,025 4,7 1,1 0,05 9,4 2,2 0,1 18,7 4,3 0,15 28,1 6,5 0,2 37,4 8,7 0,5 93,6 21, ,2 43,4 1,5 280,9 65, ,5 86,9 Andreas Wallgren 23 Luleå tekniska universitet

34 20 16 Moment [Nm] 12 8 Nm_kompenserad Nm Nm_formel ,5 1 1,5 2 Glihastighet [m/s] Figur 17 Kompensering av mätning genom att dra ifrån provriggens tomgångsmomentet. För att underlätta hanteringen av mätdata så har mätresultaten från fortvarighetstesterna sammanställts i en enda fil. När denna sammanställning gjordes så valdes mätpunkter för att få ett så korrekt resultat som möjligt. De valda glidhastigheterna illustreras i Tabell 2. Då topparna i den röda kurvan i Figur 17 vid 0,7 och 1,3 med stor sannolikhet härrör från vibrationer i provriggen vid nollningen och man kan anta och uttyda från mätningarna att dessa vibrationer minskar då riggen belastas, så har dessa glidhastigheter inte sammanställts. Alla mätningar tyder på att kompenseringen är för kraftig vid just dessa glidhastigheter, då nettofriktionenkoefficienten blir oväntat låg, det vill säga det blir gropar i de mätresultat som har kompenserats med tomgångsförlusterna. Då det varit utom rimligt tvivel att det varit splinesrullens orundhet som har drivit upp friktionskoefficienten vid 0,3-0,5 m/s därmed har dessa mätvärden inte redovisats. Andreas Wallgren 24 Luleå tekniska universitet

35 3.1.1 Skillnad pump/motor, jämförelse vinklar En teori hur kolven kan fungera i motorfall respektive pumpfall har jag försökt beskriva med hjälp av Figur 18. I motorfallet så strävar rullen att rulla ner mot mitten av kolven där balanseringen är som bäst. Rullens position i kolven och dess rotationsriktning gör att det blir en lång divergerande spalt där oljan dras in i spalten och bygger upp en oljefilm. I pumpfallet så strävar rullen istället mot att klättra upp från balanseringen, vilket leder till att den sträcka som oljan bygger upp sitt tryck minskar (den divergerande spalten) och oljan dras i större delen av varvet ut från lagringen med hög friktion som följd. Figur 18 Skillnaden mellan motorfall och pumpfall illustreras. Tester vid olika vinklar har analyserats för att se hur läckage och friktion påverkas av pressvinkeln. Utvärdering av läckaget: I Figur 20, Figur 21 och Figur 22 kan man tydligt se hur läckaget snabbt ökar när glidhastigheten ändras lite, dvs. läckaget ökar snabbt när glidhastigheten ökar upp till ca 0,5 m/s. Därefter avtar ökningen av läckaget och läckageökningen är mer eller mindre linjär mellan 0,5m/s till 2m/s. Detta gäller dock inte i pumpfallet. Där är läckaget i stället förhållandevis högt då glidhastigheten är låg, för att sedan minska då glidhastigheten ökar och sedan stabilisera sig på en väsentligt lägre nivå än för övriga vinklar. Detta fenomen kan förklaras med Figur 18 på sida 25, för när det börjar gå tungt i pumpfallet börjar kolven klättra upp emot kanten vilket gör att spalten under rullen blir större, till skillnad mot i motorfallet då kolven när det går tungt strävar efter att klättra ner i den cylindriska hydrostatiska balanseringen och följaktligen tätar så att läckaget minskar. Vid 2m/s, det vill säga troligt inom fullfilmsregimen (Figur 19) så kan man konstatera att läckaget är som störst vid 26,9. Läckaget i pumpfallet, -26,9 ligger på en nivå motsvarande ca 30-40% av läckaget vid motorfallet 26,9. Andreas Wallgren 25 Luleå tekniska universitet

36 Figur 19 Stribeckkurvan illustrerar hur ett lagers friktionskoefficient som funktion av viskositeten glidhastigheten samt trycket. Illustrerar även gränsskitssmörjning, blandsmörjning och fullfilmssmörjning samt var dess områden är [5]. 0,14 0,12 0,10 Flöde [l/min] 0,08 0,06 0,04 Q1 26,9 Maxspel100bar(FI) Q1-26,9 Maxspel 100bar Q1 0 Maxspel 100bar Q1 13,45 Maxspel 100bar 0,02 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Glidhastighet [m/s] Figur 20 Flödet ur oljespåret som funktion av vinkel och glidhastighet för kolvpartier med maxspel vid 100 bar. Andreas Wallgren 26 Luleå tekniska universitet

37 0,18 0,16 0,14 Flöde [l/min] 0,12 0,10 0,08 0,06 Q1 26,9 Maxspel 200bar(FI) Q1-26,9 Maxspel 200bar Q1 0 Maxspel 200bar(FI) Q1 13,45 Maxspel 200bar 0,04 0,02 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Glidhastighet [m/s] Figur 21 Flödet ur oljespåret som funktion av vinkel och glidhastighet för kolvpartier med maxspel vid 200 bar. 0,30 0,25 0,20 Flöde [l/min] 0,15 0,10 0,05 Q1 26,9 Maxspel 300bar(FI) Q1 0 Maxspel 300bar(FI) Q1 13,45 Maxspel 300bar 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Glidhastighet [m/s] Figur 22 Flödet ur oljespåret som funktion av vinkel och glidhastighet för kolvpartier med maxspel vid 300 bar. Vid 300 bar var det tyvärr inte möjligt att köra något test för pumpfallet -26,9 Andreas Wallgren 27 Luleå tekniska universitet

38 Utvärdering av Friktionen: Värt att notera är att friktionen verkar vara som högst vid 0 det syns tydligt vid 300 bar. En tänkbar förklaring att friktionen blir så pass hög kan vara att det glada spåret, urtaget i kolven gör så att kolven deformeras och kolven nyper ihop runt kamrullen. Figur 23 0 Kraft deformerar kolven så att den nyper ihop runt kolven. Glidhastighet [m/s] 0,0 0,1 1,0 10,0 1,000 Frikt -26,9 Maxspel 100bar Frikt 0 Maxspel 100bar Frikt 13,45 Maxspel 100bar Frikt 26,9 Maxspel 100bar 0,100 0,010 Friktionskoeff 0,001 Figur 24 Friktionen som funktion av vinkel och glidhastighet för kolvpartier med maxspel och 100 bar. Andreas Wallgren 28 Luleå tekniska universitet

39 Glidhastighet [m/s] 0,0 0,1 1,0 10,0 1,000 Frikt -26,9 Maxspel 200bar Frikt 0 Maxspel 200bar Frikt 13,45 Maxspel 200bar Frikt 26,9 Maxspel 200bar 0,100 0,010 Friktionskoeff 0,001 Figur 25 Friktionen som funktion av vinkel och glidhastighet för kolvpartier med maxspel och 200 bar. Glidhastighet [m/s] 0,0 0,1 1,0 10,0 1,000 Frikt 0 Maxspel 300bar Frikt 13,45 Maxspel 300bar Frikt 26,9 Maxspel 300bar 0,100 0,010 Friktionskoeff 0,001 Figur 26 Friktionen som funktion av vinkel och glidhastighet för kolvpartier med maxspel och 300 bar. Andreas Wallgren 29 Luleå tekniska universitet

40 3.1.2 Jämförelse olika typer av kolvar Kolvar med max och minspel har tagits fram och utvärderats, det vill säga kolvpartier med ett diametralt spel på 35 m (maxspel) respektive 15 m (minspel). Jämförelse har framförallt utförts vid 26,9 då mätdata vid denna vinkel är mest uttömmande. Jämförelsen har gjorts vid tre olika tryck 100, 200 och 300 bar. 0,14 0,12 0,10 Flöde [l/min] 0,08 0,06 0,04 0,02 Q1 26,9 Maxspel100bar(FI) Q1 0 Maxspel 100bar Q1 26,9 Minspel 100bar_(FI) Q1 0 Minspel 100bar 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Glidhastighet [m/s] Figur 27 Flödet ur oljespåret som funktion av glidhastigheten för kolvpartier med max och minspel vid 100 bar. 0,18 0,16 0,14 0,12 Flöde [l/min] 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 Q1 26,9 Maxspel 200bar(FI) Q1 0 Maxspel 200bar(FI) Q1 26,9 Minspel 200bar_(FI) Q1 0 Minspel 200bar 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Glidhastighet [m/s] Figur 28 Flödet ur oljespåret som funktion av glidhastigheten för kolvpartier med max och minspel vid 200 bar. Andreas Wallgren 30 Luleå tekniska universitet

41 0,30 0,25 0,20 Flöde [l/min] 0,15 0,10 0,05 Q1 26,9 Maxspel 300bar(FI) Q1 0 Maxspel 300bar(FI) Q1 26,9 Minspel 300bar(FI) Q1 0 Minspel 300bar 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Glidhastighet [m/s] Figur 29 Flödet ur oljespåret som funktion av glidhastigheten för kolvpartier med max och minspel vid 300 bar. Andreas Wallgren 31 Luleå tekniska universitet

42 3.1.3 Utvärdering av friktionen När man tittar på friktionen för kolvpartier med max och minspel så är skillnaderna ej så stora, dock verkar friktionskoefficienten överlag ligga något högre vid maxspel. 0,0 0,1 1,0 10,0 1,000 0,100 Frikt 26,9 Maxspel 100bar Frikt 26,9 Minspel 100bar 0,010 0,001 Figur 30 Friktionen som funktion av glidhastigheten mellan max och minspel vid 100 bar. 0,0 0,1 1,0 10,0 1,000 0,100 Frikt 26,9 Minspel 200bar Frikt 26,9 Maxspel 200bar 0,010 0,001 Figur 31 Friktionen som funktion av glidhastigheten mellan max och minspel vid 200 bar. Andreas Wallgren 32 Luleå tekniska universitet

43 0,0 0,1 1,0 10,0 1,000 0,100 Frikt 26,9 Maxspel 300bar Frikt 26,9 Minspel 300bar 0,010 0,001 Figur 32 Friktionen som funktion av glidhastigheten mellan max och minspel vid 300 bar. Andreas Wallgren 33 Luleå tekniska universitet

44 3.2 Startmomentsprov Startmomentsprovet har utförts genom att upprepade gånger med hjälp av drivmotorn (SAI-motorn) öka momentet på axeln och mäta tiden och det moment som behövs för att rullarna ska börja glida i kolvarna igen. Sammanställningen av mätningarna pressenteras i Figur 34. Ur kurvan nedan samt från liknade tester så kan man uttyda att det tar upp emot sekunder innan oljefilmen dränerats från olja och friktionen har uppnått sin maximala nivå, dvs den maximala friktionskoefficienten denna vinkel och tryck är ca 0,16. Men man kan även konstatera att det är under de första fem, tio sekunderna som det händer mest. Att betänka är att det inte alltid är helt lätt att mäta detta då det handlar om relativt korta tidsperioder, varvid mätningarna bör betraktas med en viss försiktighet. I Figur 35 ser man tydligt att startfriktionen är högst vid 0 graders utvinkling. Detta kan ha att göra med att kolven vid 0 nyper ihop runt kolven (Figur 23) på ett sätt som inte tas hänsyn till i beräkningen av friktionskoefficienten. Figur 33 Illustrerar en del av ett startmomentsprov. Momentet samt varvtalet som funktion av tiden. Stilleståndstiden samt det moments som krävs för att dra igång provet går att utläsa. Andreas Wallgren 34 Luleå tekniska universitet

45 0,2 0,15 Friktionskoefficient 0,1 0, Stilleståndstid [s] Figur 34 Friktionskoefficienten som funktion av stilleståndstiden. Vid 13,45 och 300 bar. 0,24 0,22 0,2 Friktionskoeff 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0grader Max 0grader Min 13,45grader Max 26,9grader Max -26,9 Max -26,9 min 0, Tryck [bar] Figur 35 Startfriktionen för max och minkolvar vid olika tryck och vinklar. Andreas Wallgren 35 Luleå tekniska universitet

46 3.3 Skärningsprov Från mätningen som presenteras i Figur 37 nedan kan man konstatera att läckaget ökar samtidigt som friktionen går upp i samband med att en kolv skär, vilket skulle innebära att man skulle kunna upptäcka ett skärningsförlopp tidigt genom att ha koll på internläckaget. Det ökade läckaget kan ha att göra med att i samband med temperaturen i kontakten ökar då smörjfilmen bryts igenom, detta leder till ökat läckage. Genom att en larmgräns har implementerats så går det att välja hur långt man ska låta ett skärningsförlopp ska få gå innan man bryter testet. Detta test avbröts relativt tidigt varvid man kunde urskilja ett möjligt startställe för skärningen. I Figur 36 kan man se en tydlig ökning friktionen efter ca 900 s i samband med att trycket ökades från 225 till 250 bar. Detta tyder på en förändring av smörjfilmen vilket gjorde att friktionskoefficienten ökade något för att senare stabiliseras igen till dess att provet skar på riktigt vid tiden s ,04 0,035 0,03 Tryck[bar] PH1 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 Friktionskoefficient Tid[s] Figur 36 Friktion och tryck som funktion av tiden, vid 1,6 m/s och -26,9 Andreas Wallgren 36 Luleå tekniska universitet

47 0,06 0,3 0,05 Q2medel 0,25 Friktionskoefficient 0,04 0,03 0,02 0,2 0,15 0,1 Läckageflöde [l/min] 0,01 0, Tid[s] 0 Figur 37 Läckaget och friktionen som funktion av tiden vid ett skärningsförlopp. Figur 38 Skuren kolv med tillhörande kamrulle. Andreas Wallgren 37 Luleå tekniska universitet