Из прошлой части стало понятно, что готовый трехходовой кран внедрить в систему, по разным соображениям, не получается. Придется делать свой собственный, который будет отвечать всем требованиям. За прототип берем трехходовой кран Luzar LVE03063.
Прототип сделан довольно технологично — в составе как минимум 3 прокладки сложной формы, высококачественный литой пластик, фторопластовые кольца в качестве уплотнений, моторедуктор с прочными пластиковыми шестернями. Всё это понятно — данный кран должен работать в очень жестких условиях. У нас требования конечно попроще, но изготовить в домашних условиях устройство с подобной технологичностью будет сложно. Поэтому будем существенно упрощать.
Не буду описывать творческий процесс проработки конструкции. Я там не сильно мудрствовал, прокрутил в голове и на салфетке десяток вариантов и выбрал тот который по моему мнению можно изготовить в домашних условиях.
Изначально задумал делать бессальниковый кран. Привод заслонки будет через магнит. Сам механизм не будет соприкасаться с внешней средой. Самый первый вариант выглядел вот так:
Изначальная задумка была проста — магнит во внутренней полости будет заключен в кожух-заслонку, а уплотняться все будет резиновыми кольцами, канавки для них видны в нижней части крана. Нижняя часть — это та, которая противоположна части с сервомашинкой. После того как всё было распечатано, а затем собрано, меня ждал большой ОБЛОМ! Кран не заработал. Силы магнита не хватало для перемещения заслонки с уплотнительными кольцами. Дополнительно я выяснил неприятный для себя факт — детали из фотополимерной смолы вообще не скользят друг по другу, мало того, они работают как абразив. Ладно, тут как говорится: опыт сын ошибок трудных… Фотографий самого первого варианта, к сожалению, не делал, так как на тот момент мыслей писать статью не было.
Про проблемы с более или менее качественной печатью частей крана я писал и еще буду писать в своём цикле «Проблемы, возникающие при 3D печати на фотополимерном принтере». Здесь на этом останавливаться не буду. В общем, первый блин меня не смущал абсолютно, и я с воодушевлением принялся совершенствовать конструкцию, но пока только в своём воображении. Портить дорогую смолу, печатая каждый, пришедший в голову прототип, не имело никакого смысла. Направление совершенствования было очевидным: нужно существенно уменьшить трение заслонки и при этом не потерять в герметичности.
Я немного поэкспериментировал с материалами. Засвеченная смола сама с собой имеет очень высоки коэффициент трения даже если смочить её водой. С парой трения смола и сантехнические кольца из EPDM дела обстояли примерно также. Смазку использовать не возможно, так как она вряд ли сможет долго не вымываться протекающей охлаждающей жидкостью. Да и засорять саму жидкость не хочется. Тут сам собой напрашивался либо фторопласт, либо капролон. Поскольку фторопласт у меня в хозяйстве имелся, то поэкспериментировал с ним. Результат очевидно успешный — трение было минимально. Осталось только переделать модель крана, и изготовить уплотнения из фторопласта. Готовых уплотнений, под мои требования, в продаже разумеется не было. Были всякие кольца и шайбы сантехнических размеров, но такое мне не подходило.
Доработка модели крана потребовалась существенная — по сути пришлось переделать всю модель. Так как в процессе обмысливания пришло понимание, что внешний магнит с сервомашинкой надо прикрыть кожухом от попадания пыли. Кожух потянул за собой увеличение габаритов крана. Иначе невозможно будет закрепить входной шланг.
Кран в сборе должен был выглядеть вот так:
Взрыв-схема выглядит еще интересней.
Красным я отметил детали, которые предстояло изготовить из фторопласта. Их 3 штуки, они одинаковые. Две выполняют двоякую функцию: уплотнения и антифрикционную. Еще одна, которая снаружи — только антифрикционную. На картинке одна деталь не видна, но её место обведено красным. Я просто поленился её отрисовать в 3D. :)
Фторопласт материал капризный, а детали очень маленькие.
Диаметр 16мм, толщина 1мм. Такого из фторопласта я ранее не делал. Увеличивать толщину нельзя, так как мы уменьшаем силу магнитного поля. Магниты хоть и неодимовые, но расстояние 5-7мм существенно уменьшают силу притяжения. Магниты взял мощные — 15x8мм.
Изготовить такие уплотнения из фторопластового цилиндра на токарном станке — та еще задача. При отрезании фторопласт «плывёт», размеры уходят, а нам как раз очень важно точно выдержать толщину уплотнения. Если сделать толще, то сервомашинка не сможет сдвинуть заслонку, если сделать тоньше, то будет плохое уплотнение. Сначала я пошел простым путем — наточил 20 штук и выбрал подходящие по размерам. Потом, немного подумав, придумал более щадящую технологию в плане расхода материала.
Для того чтобы фторопласт не отгибало в процессе отрезания подпер через вращающийся центр другим куском фторопласта. В этом случае толщину удавалось выдержать в районе 5-ти соток, а вот диаметр увеличивался из-за расплющивания детали. Но уменьшив диаметр цилиндра я добился выхода годных деталей 80%. Вполне приемлемо. У меня же не серия.
Уплотнения сделаны. Теперь можно печатать новый кран и смотреть как оно будет работать. На этом этапе я еще не думал над электроникой. Для управления сервомашинкой использовал сервотестер. Этого достаточно.
Вот что у меня получилось:
Части крана соединяются между собой с помощью болтов. Уплотнять будем прокладкой, которую отольем из силикона.
Вот короткое видео как это работает:
Кожух я печатать не стал. Для прототипа делать это нет никакого смысла. Впрочем, теперь я печатать его и не буду. Как вы наверное уже догадались меня ждала очередная неудача. По сути мой кран унаследовал родовую болезнь своего прототипа от Luzar — не совсем хорошее уплотнение. Тест на продувку меня не устроил. В одном положении заслонки кран вполне неплохо держит, а вот во втором нет. Я решил разобраться в чем дело. Толщина уплотнений с моей стороны подогнана очень хорошо. А вот печать на 3D принтере дает разброс в размерах 6 соток с разных сторон положения заслонки.
На фото отметил места красным. Разница в зазорах существенно ухудшает герметичность.
Я попробовал увеличить толщину прокладки, но силы магнитного поля уже не хватало, чтобы поставить заслонку в нужное положение. Увеличить точность печати не представляется возможным. Все варианты улучшения так или иначе сводятся к ручной доработке после печати. Например, пройтись шкуркой, чтобы выровнять размер, а далее уже подгонять прокладку. Или усложнять конструкцию добавляя что-то, что будет слегка подпружинивать прокладку для лучшего прилегания к плоскости. Похожим образом сделано у крана Luzar — там под прокладкой стоит «пружинка» из силикона. Пружинка в кавычках, так как выглядит это как кольцо с выступами. Но как мы знаем крану Luzar это никак не помогло. У него такое-же не качественное уплотнение. К недостаткам подобной конструкции можно отнести и не стабильность в течение срока службы. Заслонка может чуток подзакиснуть от долгого стояния, в механизм может попасть небольшая частичка мусора и как итог сервомашинка повернется, а силы магнитов не хватит, чтобы повернуть заслонку.
Долгое стояние без дела в моем случае произойти не может, а вот всякие частицы, плавающие в системе это не редкость. Будет очень плохо если система даст сбой в самый не подходящий момент, например, когда меня нет дома. Тем более на форумах газелистов жалобы на прототип были именно такие — может не открыться в один прекрасный момент.
В очередной раз время и материалы потрачены зря, но приобретен бесценный опыт, которым и делюсь. Конструкция крана признана хоть и рабочей, но не годной. Велик риск отказа. Будем делать кран с прямым приводом с более мощной сервомашинкой и с сальниковым уплотнением вала. Чувствую что и здесь без граблей не обойдется. Но об этом в следующий раз.