1

HYDRAULIIKAN LUENNOT (2014)

KOULUTUSOHJELMA:

Mekatroniikka

SISÄLLYSLUETTELO:

HYDRAULIIKKA __________________________________________________________________________ 2

1. JOHDANTO ____________________________________________________________________________ 2

2. HYDRAULINESTEET ____________________________________________________________________ 12

3. HYDRAULIPUMPUT ____________________________________________________________________ 18

4. PAINEVARAAJAT_______________________________________________________________________ 30

5. HYDRAULIIKKAVENTTIILIT _____________________________________________________________ 35

6. HYDRAULISYLINTERIT _________________________________________________________________ 48

7. HYDRAULIMOOTTORIT _________________________________________________________________ 52

8. MUUT HYDRAULIJÄRJESTELMÄN KOMPONENTIT _________________________________________ 57

9 . KYTKENTÄTEKNIIKKA_________________________________________________________________ 57

10. HYDRAULIJÄRJESTELMÄT _____________________________________________________________ 64

11. SERVO- JA PROPORTIONAALITEKNIIKKA ________________________________________________ 68

12. PATRUUNATEKNIIKKA ________________________________________________________________ 75

13. VESIHYDRAULIIKKA __________________________________________________________________ 78

14. HYDRAULIJÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU _______________________________________________ 81

2

HYDRAULIIKKA

1. JOHDANTO

1.1 Yleistä

Hydrauliikalla ja pneumatiikalla on tärkeä asema mekanisoinnissa ja automatisoinnissa.

Hydraulisia järjestelmiä on käytetty jo vuosisadan alkupuolella. Hydraulisia toimilaitteita

ja hydraulisia käyttöjä esiintyy sekä maatalouden yksittäisissä työkoneissa että

teollisuuden koneissa ja tuotantolinjoissa. Liikkuvan kaluston hydrauliikkaa kutsutaan

mobilehydrauliikaksi.

Hydrauliset tehonsiirtojärjestelmät siirtävät mekaanisesti tuotetun energian hydrauliseksi

tehoksi. Mekaaninen teho siirtyy hydrauliseksi paineeksi ja tilavuusvirraksi. Mekaaninen

energia tuotetaan sähkö- tai polttomoottorilla.

1.2 Hydrauliikan ominaisuuksia

Kuva 1.1 Hydraulijärjestelmän rakenne.

Saadaan aikaan suuria voimia ja momentteja suhteellisen pienillä ja keveillä

laitteilla.

Helppo toteuttaa lineaarinen liike ja pyörimisliike.

Voiman, momentin ja nopeuden helppo säätö.

Tehon, energian siirto taipuisaakin letkua pitkin mahdollista.

Ylikuormitus ei riko (aina paineenrajoitusventtiili).

Neste on lähes kokoon puristumatonta (tarkka).

3

Vuodot ja ilmavaivat kiusallisia.

Arka lämpötilan vaihtelulle, hyötysuhde ei kovin hyvä.

Ei ole kimmoisa järjestelmä, tehohäviöt suuria pitkillä siirroilla.

1.3 Hydrauliikan valinta ja käyttö

Kuinka suuria voimia tarvitaan?

o Alaraja 20…50kN

o Ei ole paineilmaa käytettävissä

Kuinka nopeita liikkeitä tarvitaan?

o Nopeille liikkeille pneumatiikka

Säätöjen tarkkuus?

Hydrauliikkakomponentit ovat huomattavasti kalliimpia, kuin pneumaattiset.

Hydrauliikkaa käytetään yhä enemmän teollisuuden ja liikkuvan kaluston koneissa ja

laitteissa. Teollisuuden puristimet valssit ja työstökoneiden työliikkeet ovat hyvin usein

hydrauliikalla toteutettuja. Liikkuvan kaluston maatalouskoneet ja kaivurit sekä erilaiset

nostimet ovat hydraulisia.

Koska hydraulikomponentteja valmistetaan useissa eri maissa ja tuotantolaitoksissa ovat

yhteiset standardit tärkeitä. Komponenttien ominaisuudet ja testausmenetelmät ovat

pääosin standardoitu. Näitä standardoituja ominaisuuksia ovat mm. nimellispaineet,

liitäntämitat ja komponenttien koot. Euroopassa standardoinnista huolehtivat CETOP

(Comite des Transmissions Oleohydrauliques et Pneumatiques), ISO (International

Organization for Standardization) ja DIN. Suomessa SFS:n (Suomen

Standardisoimisliitto) standardit ovat suoria tai hieman sovellettuja käännöksiä edellisistä

standardeista.

Hydrostatiikka

Hydrostatiikka käsittelee levossa olevia nesteitä tai kaasuja.

Hydrodynamiikka

Hydrodynamiikka käsittelee liikkeessä olevia nesteitä tai kaasuja.

Hydraulitekniikka

Hydraulitekniikka on se osa hydrauliikkaa, joka käsittelee kokoon puristumattomia

väliaineita kuten öljyjä.

Öljyhydrauliikka

Öljyhydrauliikka käyttää väliaineena öljyjä. Yleensä, kun puhutaan hydrauliikasta,

tarkoitetaan juuri öljyhydrauliikkaa.

Mobilehydrauliikka

Mobilehydrauliikkaa käytetään liikkuvan kaluston koneissa ja -laitteissa.

4

F

h

Hydrostaattinen voimansiirto

Hydrostaattinen voimansiirto käyttää hyväkseen nesteen paine-energiaa.

Hydrodynaaminen voimansiirto

Hydrodynaaminen voimansiirto käyttää hyväkseen nesteen liike-energiaa.

1.4 Hydrostatiikka

Hydrodynaaminen tehonsiirto: liike-energia

Hydrostaattinen tehonsiirto: paine-energia

P=F/A 7…35MPa

Absoluuttinen paine (p):

Kun neste on lepotilassa, ei siihen vaikuta ulkoisia paineita, mutta sen oma massa saa

aikaan painetta nesteen sisällä. Tätä painetta nimitetään hydrostaattiseksi paineeksi.

p = pi + x g x h

Ulkoinen paine vaikuttaa nesteeseen (kuva yllä)

p = F/A + pi+ x g x h

jos h<5m, niin ph<0,05MPa ja ilmanpaine pi=0,1MPa

ei tarvitse huomioida

Kuinka suuri paine on astiassa, kun F1=2kN ja A2=0,1m

2

Pascalin lain mukaisesti paine leviää astiassa tasaisesti

p=F1/A1 = F2/A2

kPam

kNP 40

05,0

22 F2=4kN

Ennen SI-järjestelmän käyttöönottoa oli käytössä useita

erilaisia paineen yksiköitä. Seuraavassa on lueteltu niistä

muutamia, jotka vielä saattavat olla osittain käytössä.

Anglosaksisissa maissa psi on vielä hyvin yleisesti käytössä.

1 bar = 100 kPa = 0.1 MPa

1 kp/cm2 = 1 at = 0,980665 bar = 98066,5 Pa

1 atm = 1.01325 bar = 101325 Pa

1 psi =1 lbf/in2=0,068948 bar= 6894,8 Pa

5

Tilavuusvirta:

Tilavuusvirralla tarkoitetaan aikayksikössä virranneen nestemäärän tilavuutta.

SI-järjestelmässä tilavuusvirran yksikkö on kuutiometriä sekunnissa (m3/s).

Koska tämä yksikkö on usein liian suuri, käytetään kerrannaisyksikköä eli litraa

minuutissa (1/min).

Q = A * v Q = tilavuusvirta [m³/s]

v = virtausnopeus [m/s]

A = putken poikkipinta-ala [m2]

Pumpun tuottama tilavuusvirta (Q) saadaan kertomalla sen kierrostilavuus (Vk)

pyörimisnopeudella (n).

Q = Vk x n

Vk = kierrostilavuus [m³/kierros] [m³/r]

n = pumpun pyörimisnopeus [r/s]

Pumpun kierrostilavuutena kuutiometri on suuri yksikkö ja tavallisimmin tuotetiedoissa

pumppujen kierrostilavuudet ilmoitetaan yksikkönä cm3/kierros.

Joissakin tapauksissa käytetään pumpun tilavuuden yksikkönä radiaanitilavuutta eli sitä tilavuutta, jonka pumppu tuottaa pyörähtäessään yhden radiaanin. Pumpun kierrostilavuus

(Vk ) on silloin jaettava 2 x eli radiaanin arvolla.

Vrad = Vk / 2 x

Vrad = Radiaanitilavuus [m³/rad]

Vk = Pumpun kierrostilavuus [m³/r]

Radiaani on säteen mittainen osa ympyrän kehästä eli 2 x x r = ympyrän kehä. Kun täysi

ympyrä on 360 astetta saadaan radiaanin arvoksi asteina: Rad = 360 ° / 2 eli radiaanin

likiarvo asteina on 57,295 astetta.

Pyörimisnopeuden tilalla on käytettävä kulmanopeutta .

= 2 x x n = Kulmanopeus [rad/s]

n = Pyörimisnopeus [r/s]

Pumpun tilavuusvirta (Q) saa näin muodon:

Q= x Vrad

Kun kokoon puristumaton neste virtaa supistuvassa putkessa, niin putken jokaisessa

poikkileikkauksessa kulkee sama tilavuusvirta (Q). Putken jokaisessa poikkileikkauksessa

kulkeva tilavuusvirta (Q) voidaan laskea yhtälöstä: `

Q = A x v

6

Q = tilavuusvirta [m³/s]

A = putken pinta-ala [m²] v = nesteen virtausnopeus [m/s]

Voidaan siis todeta, että A1 x v1 = A2 x v2

Esimerkki: Kapenevassa putkessa virtaa nestettä, jonka virtausnopeus on 3 m/s. Putken halkaisija

suuremmassa päässä on 50 mm ja kapenee 30 mm:iin ulostulopäässä. Mikä on nesteen virtausnopeus

ulostulopäässä?

d1 = 50mm = 0.05 m

d2 = 30mm = 0.03 m

v1 = 3 m/s

Koska tilavuusvirta Q on sama molemmissa poikkileikkauksissa A1 x v1 = A2 x v2

v2 = 8,33 m/s

Tuleva tilavuusvirta on siis yhtä suuri kuin lähtevä tilavuusvirta. Jos virtaus jakautuu

useampaan putkihaaraan, pätee samaa periaate. Putkiristeykseen tulevien virtausten

summa on sama kuin siitä lähtevien virtausten summa.

Virtauslajit:

Nesteen virtaus voi olla laminaarista tai turbulenttista. Laminaarisessa virtauksessa neste

virtaa tasaisesti pyörteilemättä eli kaikki nestehiukkaset liikkuvat yhdensuuntaisesti.

Virtausnopeuden kasvaessa virtaus muuttuu turbulenttiseksi. Turbulenttisessa virtauksessa

neste pyörteilee. Laminaarisessa virtauksessa häviöt kasvavat virtausnopeuden funktiona.

Turbulenttista virtausta on hydrauliikassa vältettävä, koska häviöt kasvavat

eksponentiaalisesti eli hyvin jyrkästi virtausnopeuden kasvaessa.

Virtauslajit voidaan erottaa toisistaan Reynoldsin luvun avulla.

Re = v x d / ⱱ v = keskimääräinen virtausnopeus [m/s]

d = virtauspoikkipinnan sisähalkaisija [m]

ⱱ = kinemaattinen viskositeetti [m²/s]

Laminaarinen virtaus, kun Re < kriittinen Reynolds luku

Turbulenttinen virtaus, kun Re > kriittinen Reynolds luku

Kriittinen Reynoldsin luku vaihtelee suuresti virtauskanavan ja –aukon mukaan. Tavallisin

tarkastelukohde on nesteen virtaus pyöreässä putkessa, jolle kriittinen Reynolds luku on

2000 – 2300.

Esimerkki: Pyöreässä sileässä putkessa virtaa nestettä, jonka kinemaattinen viskositeetti on

46000000 m²/s. Putken halkaisija on 16mm ja virtausnopeus 5 m/s. Onko virtaus laminaarista vai

turbulenttista?

Re = 5 m/s x 0,016 m

46000000 m²/s

Re = 1739 virtaus on laminaarista

7

Kuva 1.2 Laminaarinen ja turbulenttinen virtaus.

Virtaushäviöt:

Hydraulijärjestelmissä esiintyvät virtaushäviöt voidaan jakaa kahteen ryhmään.

Virratessaan neste hankaa putken seinämiin, jolloin puhutaan kitkahäviöistä. Kun

virtauksen suuntaa tai nopeutta muutetaan syntyy häviöitä, joita kutsutaan kertahäviöiksi.

Häviöt aiheuttavat paineen laskua järjestelmässä virtausenergian muuttuessa lämmöksi.

Laminaarisessa virtauksessa kitkavastus riippuu ainoastaan nesteen Reynoldsin luvusta,

mutta turbulenttisessa virtauksessa kitkavastukseen vaikuttavat putken sisäpinnan karheus

ja halkaisija. Kertavastukset syntyvät järjestelmässä putkimutkissa ja –haaroissa,

liittimissä, erilaisissa kuristuksissa ja venttiileissä.

Hydraulikomponenttien kertavastushäviöt löytyvät valmistajien antamista ominaiskäyristä,

joissa ne ilmoitetaan painehäviönä eri tilavuusvirroilla.

Kuva 1.3 4/3 suuntaventtiilin ominaiskäyrä jokaiselle virtauskanavalle.

8

Kuva 1.4 Painehäviöt liittimissä ja putkikäyrissä.

9

Kuva 1.5 Painehäviöt putkissa.

10

1.5 Hydraulinen teho

Hydraulinen teho (P) muodostuu nesteen paineesta (p) ja tilavuusvirrasta (Q).

Hydraulikomponenteissa, kuten esimerkiksi hydraulimoottorissa nesteen paine alenee

tietyyn arvon verran.

P = Q x Δp

Koskaan ei saada kaikkea paine-erossa kulunutta energiaa käytettyä kokonaan hyödyksi,

vaan osa siitä menee hukkaan kitkojen ja muiden syiden takia.

=P/Pm

Pm= mekaaninen teho

Kaavoja:

W = F x s = p x A x s = p x V P = W/t = p x V/t = p x Q

F=p*A Q=A*v

Hyötysuhde:

Kaikissa hydraulisissa toimilaitteissa on liikkuvissa osissa välyksiä ja siten myös vuotoja.

Paineen kasvaessa ja viskositeetin pienentyessä vuodot suurenevat, samoin kuin niiden

aiheuttamat häviötkin. Komponenttien toisiinsa nähden liikkuvien osien välillä on kitkaa,

joka sekin vaihtelee virtausten, lämpötilojen ja paineiden vaihteluiden mukana. Nesteen

virratessa komponenttien kanavissa ja putkiliittimissä esiintyy pyörteilyä, jonka

aiheuttamat pyörrehäviöt ovat eräs häviöiden muoto. Myös pyörrehäviöt vaihtelevat

järjestelmässä vallitsevien paineiden, virtausnopeuksien ja lämpötilojen mukana.

Hydraulisten toimilaitteiden kokonaishyötysuhde onkin näiden häviöiden yhteissumma.

eli kok=vol * kitka

Hydraulisten järjestelmien kokonaishyötysuhteen määritteleminen on erittäin vaikeaa, sillä

niiden toiminta ei ole yhtäjaksoista ja tasaista, vaan siinä esiintyy suuria vaihteluja.

Laitteiston tehontarve vaihtelee työliikkeiden aikana ja järjestelmässä esiintyy suuria

hetkittäisiä tehohuippuja ja vastaavasti jaksoja, jolloin tehoa tarvitaan hyvin vähän.

Järjestelmän käyttämästä tehosta voi työliikkeiden taukojen ja sylinterien paluuliikkeiden

aikana suuri osa mennä häviötehoksi. Jos näitä aikoja on työajasta paljon, huononee

järjestelmän kokonaishyötysuhde huomattavasti.

Hydraulisista komponenteista pumput muuttavat mekaanista tehoa hydrauliseksi tehoksi .

Hydraulimoottorit ja sylinterit taas muuttavat hydraulista tehoa mekaaniseksi tehoksi.

Hydraulipumput: Panto= M x x kok

M = pumpun käyttöakselille tuotu momentti [Nm]

= pumpun akselin kulmanopeus [rad/s]

kok = pumpun kokonaishyötysuhde

11

Pumpun antoteho voidaan lausua myös tilavuusvirran (Q) ja painehäviön (Δp) avulla.

Panto = Q x Δp

Sylinterit: Panto = F x v F = sylinteristä hyödyksi saatava voima [N]

v = sylinterin männän nopeus [m/s]

Sylinterin antama teho voidaan lausua myös tilavuusvirran ja painehäviön avulla.

Panto = Q x Δp x kok Q = sylinterille tuotu tilavuusvirta [m³/s] Δp = paineen muutos työtä tekevässä sylinterin kammiossa [Pa]

kok = sylinterin kokonaishyötysuhde

Hydraulimoottorit: Panto = Q x p x kok

Hydraulimoottorin antoteho voidaan lausua myös käyttöakselilta saadun momentin (M) ja

akselin kulmanopeuden () avulla.

Panto= M x

Lämpeneminen:

Hydraulijärjestelmässä syntyvät tehohäviöt muuttuvat lämmöksi. Lämpö on saatava

poistumaan järjestelmästä. Jos lämpöä syntyy enemmän kuin järjestelmästä pystytään

poistamaan, kasvavat tehohäviöt huononevan voitelun ja lisääntyvien vuotojen

vaikutuksesta. Lämpenemisen myötä öljyn kestoikä alenee ja sen mukana koko

järjestelmän toimintavarmuus heikkenee. Normaali hydraulijärjestelmän käyttölämpötila

on 35-65 °C. Synteettisiä hydraulinesteitä käytettäessä voidaan lämpötilaa nostaa

huomattavasti. Tällöin järjestelmän tiiviste- ym. materiaalit on valittava käyttölämpötilan

mukaisiksi.

Paineiskut ja järjestelmän jousto:

Kun nesteen virtausnopeus muuttuu äkillisesti, tapahtuu järjestelmässä nopeita paineen

muutoksia. Kun virtaus putkessa putkessa ja toimilaitteessa pysähtyy, syntyy paineaalto,

joka etenee nesteessä äänen nopeudella. Se kulkee putkistossa takaisinpäin, kunnes kohtaa

esteen eli tavallisesti pumpun, johon paineaalto törmää. Samalla syntyy paineenalenimis-

aalto, joka kulkee kohti venttiiliä. Nämä paineaallot kulkevat järjestelmässä edestakaisin,

kunnes kitkavastus on kuluttanut niiden energian pois.

Hydraulijärjestelmän joustolla tarkoitetaan hydraulinesteen kokoonpuristumisen

aiheuttamaa tilavuuden muutosta. Hydraulisen jouston lisäksi järjestelmissä esiintyy myös

mekaanisten osien joustoa. Nesteeseen sekoittunut vapaa ilma on suurimpia järjestelmän

jouston lisääjiä.

12

2. HYDRAULINESTEET

2.1 Tehtävät

siirtää teho

voidella

jäähdyttää

tiivistää

estää korroosio

epäpuhtauksien poistaminen

2.2 Viskositeetti ja muut ominaisuudet

Kun kaksi nesteen toisistaan erottamaa pintaa liikkuu toisiinsa nähden, nesteeseen syntyy

leikkausjännitys. Tätä ilmiötä kutsutaan Newtonin laiksi ja kaikkia näin käyttäytyviä

nesteitä kutsutaan newtonilaisiksi nesteiksi. Näille nesteille on ominaista se, että pienikin

leikkausjännitys muodostaa niissä virtausta. Kaikki hydrauliöljyt ja myös vesi ovat

newtonilaisia nesteitä.

τ = ƞ x Δv / Δh

τ = leikkausjännitys

ƞ = nesteen dynaaminen eli absoluuttinen viskositeetti

Δv = kahden toisiaan lähellä olevan nestekerroksen nopeusero

Δh= nestekerroksen välimatka

Kuva 2.1 Nesteen nopeusero liikkuvien pintojen välissä.

Dynaaminen viskositeetti mittayksikkö on Pascalsekunti = 10 P (poisi)

sPam

sN

2 SI-järjestelmä, aikaisemmin 1cP = 1mPas

Kinemaattinen viskositeetti (ⱱ) Se saadaan jakamalla dynaaminen viskositeetti nesteen tiheydellä eli sen

ominaispainolla.

ⱱ = ƞ / ρ , mittayksikkö mm²/s , aikaisemmin 1cSt = 1 mm²/s

13

Konventionaaliset lukuarvot

-yleisin Engler-aste

Lämpötilan kasvaessa nesteen viskositeetti pienenee merkittävä ominaisuus

öljyillä. Paineen kasvaessa viskositeetti suurenee.

VI= Viskositeetti-indeksi

-ilmaisee viskositeetin riippuvuuden lämpötilasta

VI= 100–150

ISO VG- luokitus viscosity grade

VG 2 s

mmttiviskositeeN2^

VG 3 VG 32 = 32 mm2/s, lämpötila 40C

…….

VG 1500

Hydraulinesteiden tiheyksien määritys suoritetaan ISO 3675 normin mukaan +15 ºC:ssa.

Usein ne ilmoitetaan käyttäen vettä vertailuaineena, jolloin öljyn suhteellisen tiheyden

arvoksi saadaan 0,90. Toinen tapa ilmoittaa tiheys on yksikkö kg/m³.

Seuraavassa on tiheyksien suuruusluokat, kun nesteen lämpötila on 15 °C. Mineraaliöljy 880 kg/m3

Kasviöljy 900 kg/m3

Öljyä vedessä -emulsio 990-1000 kg/m3

Vettä öljyssä -emulsio 950 kg/m3

HFC- nesteet 1040-1450 kg/m3

HFD-nesteet 1150-1450 kg/m3

Jähmepiste ilmoittaa sen lämpötilan, jossa nesteessä oleva parafiini alkaa muodostua

kiteiseksi. Se siis ilmoittaa lämpötilan, jossa neste lakkaa valumasta omalla painollaan.

Leimahduspiste on se lämpötila, jossa höyrystyneen nesteen ja ilman seos avotulen

läheisyydessä leimahtaa. Neste ei kuitenkaan vielä tässä lämpötilassa syty palamaan.

Syttymispiste on se lämpötila, jossa nestepinta syttyy avoliekin läheisyydessä palamaan

itsestään.

Hydraulinesteeseen kohdistuu liukupinnoissa ja pienissä virtausaukoissa suuria

mekaanisia leikkausrasituksia. Niiden vaikutuksesta nesteen viskositeetti voi muuttua tila-

päisesti tai pysyvästi. Nesteen on kestettävä järjestelmässä esiintyvät rasitukset niin, että

sen viskositeettiarvot eivät muutu pysyvästi siinä esiintyvissä leikkaustilanteissa.

Nesteen on suojattava järjestelmässä olevia kulumiselle alttiita pintoja niin, että ne eivät

syövy tai kulu liian nopeasti. Tämän vuoksi nesteisiin lisätään aineita, jotka muodostavat

suojattaville pinnoille vaikeasti rikkoutuvan kalvon. Kalvo estää metallisen kosketuksen

rajapinnoissa.

Hydraulinesteen mukana järjestelmässä kiertävä vesi aiheuttaa korroosiota ja heikentää

nesteen voiteluominaisuuksia. Järjestelmissä on käytettävä nesteitä, jotka eivät helposti

muodosta veden kanssa emulsiota. Jo pienet vesimäärät samentavat öljyn ja noin 2 %:n

vesimäärä tekee öljystä maitomaista.

14

Hapen sekoittuminen hydraulinesteeseen vanhentaa sitä nopeasti. Hapettuneen öljyn

kyky erottaa vettä ja ilmaa heikkenee voimakkaasti. Öljy muuttuu lietteiseksi ja tummaksi

ja komponenttien syöpyminen nopeutuu. Kun mineraaliöljypohjaisen nesteen käyttö-

lämpötila nousee yli +60 °C lämpötilan, kasvaa hapettumisnopeus kaksinkertaiseksi

jokaista kymmenen celsiusasteen nousua kohti.

Käytetyt hydraulinesteet kuuluvat ongelmajätteisiin ja ne on hävitettävä asianmukaisella

tavalla. Mineraaliöljypohjaiset ja synteettiset öljyt hävitetään kuten muutkin jäteöljyt.

Kasviöljyperustaiset öljyt hajoavat luonnossa eivätkä siten muodosta suurta ongelmaa.

Näidenkin öljyjen lisäaineet ovat usein haitallisia.

2.3 Nestelajit

Eri kohteissa käytettävät hydraulinesteet ovat ominaisuuksiltaan erilaisia. Jos järjestelmää

käytetään pelkästään ulkona, ovat sen vaatimukset toiset kuin pelkästään sisällä

käytettävillä hydraulijärjestelmillä.

Näiden erilaisten käyttöolosuhteiden vuoksi on kehitetty erilaisia nesteitä, joiden kemial-

liset ominaisuudet vastaavat kussakin paikassa vallitsevia olosuhteita.

Hydraulinesteet voidaankin jakaa seuraaviin ryhmiin:

mineraaliöljyt

kasviöljyt ja kasviöljyperustaiset nesteet

vesi

emulsiot

synteettiset nesteet.

Mineraaliöljyt:

Pääosa hydraulijärjestelmissä käytettävistä nesteistä on mineraaliöljyjä. Ne ovat

raakaöljypohjaisia öljyjä, joiden kemiallinen rakenne ja jalostusaste vaihtelee.

Mineraaliöljyjen ominaisuudet riittävät sellaisenaan useissa käyttötilanteissa, mutta kun

vaatimukset kasvavat, tehostetaan öljyjen ominaisuuksia erilaisilla lisäaineilla.

Mineraaliöljyt luokitellaan DIN - normissa 51524 neljään ryhmään:

1. H - nesteet ovat lisäaineistamattomia perusöljyjä vaatimattomiin käyttökohteisiin.

Nykyisin tämä luokka on poistettu normista.

2. HL - nesteissä perusöljy on lisäaineistettu ruostumista ja öljyn vanhenemista

vastaan.

3. HLP - nesteissä perusöljy on lisäaineistettu öljyn paineenkeston parantamiseksi.

Samalla on saavutettu paremmat kulumisenesto-ominaisuudet.

4. HV nesteet on lisäaineistettu viskositeetin lämpötilariippuvuuden pienen-

tämiseksi, mutta muut ominaisuudet vastaavat HLP - öljyjä.

HL - luokan nesteet soveltuvat käytettäviksi alle 20 MPa:n paineisissa ja HLP - ja HV

luokan nesteet yli 20 MPa:n paineisissa järjestelmissä. Mineraaliöljypohjaiset hydrauli-

nesteet täyttävät kaikki ne toiminnalliset vaatimukset, jotka hydraulinesteiltä vaaditaan,

15

mutta niiden ongelma on se, että ne ovat kaikki palavia nesteitä. Tästä ei yleensä aiheudu

ongelmia normaalikäytössä, mutta palovaarallisissa paikoissa niitä ei voida turvallisesti

käyttää.

Kasviöljyt:

Voiteluominaisuuksiltaan kasviöljyperustaiset hydraulinesteet ovat mineraaliöljyjen

luokkaa, jopa parempiakin. Niillä on korkea viskositeetti-indeksi eikä niiden viskositeetti

ole yhtä paljon riippuvainen paineesta ja lämpötilasta kuin mineraaliöljyillä. Kasviöljyjen

perusöljyt ovat myös myrkyttömiä, mutta niiden vaatima lisäaineistus heikentää tätä etua.

Lisäaineita tarvitaan

kuitenkin huomattavasti vähemmän kuin mineraaliöljyissä. Kasviöljyperustaisten

hydrauliöljyjen haittoina ovat olleet niiden huonot kylmäominaisuudet ja mineraaliöljyjä

lyhyempi käyttöikä. Tiivisteaineiden kannalta kasviöljyperustaiset öljyt ovat

ongelmattomia.

Tavallisin kasviöljyperustainen hydrauliöljy on kotimainen rypsiöljy. Sillä on useita

hyvälle voiteluaineelle kuuluvia ominaisuuksia, kuten alhainen kitkakerroin ja hyvät

tartuntaominaisuudet metallipinnoille. Se myös kestää hyvin mekaanista rasitusta ilman,

että sen viskositeettiarvot muuttuvat. Rypsiöljyjä on saatavana viskositeetiltaan samoilla

arvoilla kuin mineraaliöljyjäkin. Käytössä on todettu, että kasviöljyn lämpötila pysyy

käytössä 10-15 °C mineraaliöljyjen lämpötilaa alhaisempana. Tämä vähentää nesteen

lämpenemisen aiheuttamia haittoja kuumissa olosuhteissa. Haittapuolena

kasviöljyperustaisissa nesteissä on niiden tahraavuus eli kuivuneiden öljytahrojen vaikea

poistaminen. Tällaisen öljyn hinta on korkeampi kuin mineraaliöljyjen, mutta liikkuvan

kaluston hydrauliikassa se on ympäristöä ajatellen hyvä vaihtoehto.

Toinen kasviperustainen hydrauliöljy on mäntyöljy. Juuri ympäristösyistä

kasviöljyperustaisten öljyjen käyttö tulee tulevaisuudessa lisääntymään. Vesi:

Puhdas vesi ilman lisäaineita on yksinkertaisin ja halvin hydraulineste. Se ei pala, ei likaa

ympäristöä eikä sen viskositeetti muutu liikaa lämpötilan noustessa. Vesi kuitenkin

ruostuttaa ja hapettaa metalleja ja jäätyy kylmässä. Alhainen viskositeetti aiheuttaa suuria

vuotoja normaali välyksisissä komponenteissa. Veden huonot voiteluominaisuudet

aiheuttavat nopeata kulumista erityisesti pumpuissa ja moottoreissa.

Vesihydraulisten järjestelmien komponentit onkin edellä lueteltujen seikkojen vuoksi

valmistettava ruostumattomista ja syöpymättömistä materiaaleista. Näitä materiaaleja ovat

ruostumaton ja haponkestävä teräs, messinki, keraamit ja muovit. Vuotojen

pienentämiseksi komponenteissa on lisäksi oltava normaalia pienemmät välykset. Vettä

hydraulinesteenä käytetään myrkyttömyytensä vuoksi elintarviketeollisuudessa.

Emulsiot ja synteettiset nesteet:

Nesteillä, joilla ei ole taipumusta syttyä tai ylläpitää liekkejä, kutsutaan nimellä emulsio.

Emulsio tarkoittaa hydraulinesteistä puhuttaessa veden ja öljyn tai veden ja polyglykolin

seoksia. Niitä käytetään järjestelmissä, joissa mineraaliöljyjen käyttö aiheuttaa palo- tai

räjähdysvaaran. Näiden nesteiden ominaisuudet vaihtelevat suuresti, mutta yleisesti niiden

voiteluominaisuudet ovat huonommat kuin mineraali- ja kasviöljyjen.

Nesteet luokitellaan ISO - ja CETOP -standardeissa ryhmiin HFA, HFB, HFC ja HFD.

HFA - nesteet ovat öljyä vedessä -seoksia, joissa on öljyä noin 2-20 tilavuusprosenttia.

16

Öljy parantaa nesteen voiteluominaisuuksia ja kasvattaa viskositeettia. Viskositeetti jää

kuitenkin paljon huonommaksi kuin mineraaliöljyillä. Suuri vesipitoisuus aiheuttaa

korroosiota, kulumista ja vuotoja komponenteissa. Näiden haittojen vuoksi neste täytyy

lisäaineistaa. HFB - nesteet ovat vettä öljyssä -seoksia, joissa on öljyä 40-60

tilavuusprosenttia. Suuren öljypitoisuuden ansiosta nesteet ovat voitelu- ja

viskositeettiominaisuuksiltaan lähes mineraaliöljyjen luokkaa. Korroosioneston vuoksi

nesteet on lisäaineistettava. HFC - nesteet ovat polyglykoli - vesiseoksia, joissa on vettä

35-60 tilavuusprosenttia. Nesteen viskositeetti riippuu polylygolin määrästä seoksessa,

mutta voiteluominaisuudet ovat miltei mineraaliöljyjen luokkaa. HFD -nesteet ovat

synteettisiä nesteitä, jotka eivät sisällä vettä. Ne kestävät korkeita lämpötiloja, eikä niiden

viskositeetti muutu.

Synteettiset öljyt:

Synteettiset öljyt vastaavat ominaisuuksiltaan lähinnä mineraaliöljyperustaisia öljyjä ja ne

käyttäytyvät kuten mineraaliöljytkin. Niillä on hyvä hapettumis- ja lämmönkestävyys sekä

hyvät viskositeettiominaisuudet. Niiden juoksevuus säilyy hyvin alhaisissa lämpötiloissa

ja ne kestävät hyvin kylmissä olosuhteissa.

On olemassa myös kasviöljyperustaisia synteettisiä öljyjä sekä liikkuvan kaluston että

teollisuuskäyttöön. Ne kestävät korkeampia käyttölämpötiloja kuin normaalit kasviöljyt.

Niiden korroosion - ja hapettumisenkesto-ominaisuuksia on parannettu lisäaineistuksella.

Näistä ominaisuuksien muutoksista huolimatta nesteiden biohajoavaisuus on saatu

säilymään.

Valinta:

o oikea viskositeetti

o pumppuun sopiva

o käyttö: kuormitus, nopeus, lämpötila

o vaadittava viskositeetti-indeksi

o tärkeää, jos lämpötila vaihtelee paljon

o öljyn kokonaislaatu

o lisäaineet

Kavitaatio:

Muodostuu pumppuun esiintyvän liian suuren alipaineen johdosta, jolloin neste alkaa

kiehua ja aiheuttaa kaasukuplien muodostumisen pumppuun.

Syyt:

o imusuodatin tukkeutunut

o huohotin tukkeutunut

o liian ahdas imuputki

o liian suuri nostokorkeus

o liian jäykkä öljy

17

Esimerkkiöljyjen tuotetietoja:

18

3. HYDRAULIPUMPUT

3.1 Yleistä

Pumppu muuttaa mekaanisen energian hydrauliseksi energiaksi

Tilavuusvirtakehitin, paine syntyy vasta, kun nesteen etenemistä vastustetaan

Vakio- ja säätötilavuusvirtapumput

Yhteen tai kahteen suuntaan toimiva

Tuotto: kierrostilteor VnV

Todellisuudessa siis tuotto on pienempi, koska pumpun sisäiset vastukset ja nesteen

viskositeetista johtuva vastus pienentävät sitä. Kierrostilavuuden tilalla voidaan käyttää

myös radiaalitilavuutta eli kierrostilavuus jaetaan 2 π:llä. Tällöin pyörimisnopeuden tilalla

on käytettävä kulmanopeutta, ω = 2 x π x n.

Q= x Vrad

Pumpun imu- ja painepuolen välillä vallitsee aina paine-ero, joka aiheuttaa pumpussa

sisäisiä vuotoja. Vuotojen aiheuttama häviö otetaan huomioon volumetrisellä

hyötysuhteella vol, joka ei ole vakio, vaan sen suuruus riippuu sekä paineesta että pumpun

pyörimisnopeudesta. Pumpun todellinen tuottama tilavuusvirta on:

Qtod = vol x n x Vk

Hydromekaaninen (hm) ja volumetrinen (vol) hyötysuhde yhdessä muodostavat pumpun

kokonaishyötysuhteen (kok). Hydromekaaninen hyötysuhde on riippuvainen kitka- ja

pyörrehäviöistä. Volumetrinen hyötysuhde on riippuvainen sisäisistä vuodoista.

piirrosmerkit:

19

Lähes kaikki valmistettavat pumput ovat seuraavaa neljää tyyppiä:

-hammaspyöräpumput

-ruuvipumput

-siipipumput

-mäntäpumput

Kuva 3.1 Hydraulipumput.

3.2 Hammaspyöräpumput

Toimintaperiaatteena on että, neste siirtyy hammaslovissa imuaukosta paineaukkoon.

Hammaspyöräpumput jaetaan rakenteensa mukaan ulkohammaspyöräisiin eli ulko-

ryntöisiin ja sisähammaspyöräisiin eli sisäryntöisiin pumppuihin. Jako perustuu

hammaspyörien keskinäiseen sijaintiin ja lukumäärään.

3.2.1 Ulkopuolisesti sivuavat

Yleensä kaksipyöräinen

o tiivistys ryntökohdassa

o toinen pyöristä vetävä

Kuva 3.2 Hammaspyöräpumppu, ulkopuolisesti sivuava.

20

tuotto :

2

2

)(

22

22

su

su

RRb

RRbnV

Hammaspyöräpumpun tuottama tilavuusvirta ei ole tasaista ja tämän vuoksi onkin kehitet-

ty erilaisia hammaspyöräratkaisuja tasaamaan pumpun tuottoa. Ulkohammaspyöräisissä

pumpuissa tilavuusvirtaa voidaan tasata lisäämällä hammaspyörien hammaslukua tai

rakentaa kaksoishammaspyöräpumppuja, joissa hammaskehät ovat erivaiheiset. Myös

vinot hampaat vähentävät tilavuusvirran vaihtelua. Vino hammas aiheuttaa myös aksiaali-

voimia, joiden kompensointi ja huomioonottaminen laakeroinnissa monimutkaistaa pum-

pun rakennetta.

Yleisin hammaspyöräpumppu on kaksipyöräinen ulkoryntöinen pumppu. Pumpun toinen

eli käyttävä pyörä on kytketty käyttömoottorin akselille ja toinen pyörä pyörii vapaasti

edellisen pyörittämänä. Ulkoryntöisten pumppujen hyötysuhteet ja painearvot riippuvat

paljon niiden sisäisestä rakenteesta. Kokonaishyötysuhde on parhaimmillaan 0,9 - 0,93 ja

pyörimisnopeudet välillä 500-5000 r/min. Saavutettavat paineet vaihtelevat 140-210 bar .

Suhteellisen hyvän hyötysuhteensa ja laajan painealueen ja edullisuutensa takia ulko-

ryntöiset pumput ovat käytössä sekä liikkuvan kaluston että teollisuuden järjestelmissä.

Kuva 3.3 Ulkoryntöisen kaksipyöräisen hammaspyöräpumpun rakenne ja toiminta.

21

3.2.2 Sisäryntöiset hammaspyöräpumput

Kuva 3.4 Sisäryntöiset hammaspyöräpumput, vasemmalla erottajalla varustettu ja oikealla hammasrengas- eli gerotorpumppu.

Sisäryntöisessä hammaspyöräpumpussa on ulkopuolisesti hammastettu pyörä, joka on

kytketty käyttömoottorin akselille. Ulkokehällä on sisähammastettu pyörä, jota käyttävä

hammaspyörä pyörittää. Ryntökohdan jälkeen hammaspyörien hampaat eroavat toisistaan,

jolloin hammaslovien välinen tilavuus kasvaa ja syntyy alipainetta, joka imee öljyä

säiliöstä pumppuun. Pumppuun imeytynyt hydrauliöljy siirtyy hammaslovissa

imukammiosta painekammioon.

Toinen sisähammaspyöräisellä rakenteella toteutettu pumpputyyppi on hammasrengas-

pumppu, jonka toinen nimi on gerotor-pumppu. Tässä pumpussa sisempi hammaspyörä on

käyttävänä pyöränä. Käyttävän pyörän hampaat liukuvat ulomman pyörän hampaita pitkin

tiivistäen hammasloven. Hammasloven tilavuuden kasvaessa imuaukon kohdalla se

täyttyy nesteestä.

Sisäryntöisen hammaspyöräpumpun tuottama tilavuusvirta on tasaisempaa kuin ulko-

ryntöisen hammaspyöräpumpun tuottama. Myös melutaso on alhaisempi. Sisäryntöisen

hammaspyöräpumpun hyötysuhde huononee viskositeetin pienentyessä ja paineen kas-

vaessa. Sopiva pyörimisnopeus pumpuilla on noin 500-4000 r/min ja suurimmat käyttö-

paineet ovat suuruusluokkaa 100-140 bar. Kokonaishyötysuhde on parhaimmillaan

luokkaa 0,93.

3.3 Ruuvipumput

Ruuvipumput ovat yksi-, kaksi- tai kolmeruuvisia. Hydrauliikassa tavallisin on kol-

meruuvinen, jolloin keskiruuvi on vetävä, sivuruuvit muodostavat tiivistyksen.

Hydraulineste kulkee imupuolelta painepuolelle ruuvien ja pumpun rungon muodosta-

missa kammioissa. Sivulla olevat käytetyt ruuvit pyörivät vastakkaiseen suuntaan kuin

käyttävä keskiruuvi, koska niiden kierteet ovat vastakkaissuuntaiset keski-ruuville.

Vierekkäisten ruuvien kierteiden harjat ja pohjat vierivät kiinni toisissaan muodostaen

22

tiiviitä kammiosta erottamaan imukammion painekammiosta. Ruuvien pyöriessä kammiot

liikkuvat nesteellä täyttyneinä imupuolelta painepuolelle tasaisella nopeudella.

Kammioiden tilavuus pysyy samansuuruisena koko matkan.

Kuva 3.5 Kolmeruuvinen ruuvipumppu.

Ruuvipumppujen tuottama tilavuusvirta on tasainen ja pumpun melutaso alhainen. Tämän

ansiosta ruuvipumppuja voidaan käyttää hyvin suurilla pyörimisnopeuksilla, jolloin tuotto

on kokoon nähden suuri. Rakenteesta johtuen pumpun ruuveihin kohdistuu suuri aksiaa-

linen kuormitus, joka kohdistuu ruuvien kosketuskohtiin ja laakerointiin. Paineen noustes-

sa pumpun sisäiset vuodot kasvavat nopeasti rajoittaen käyttöpainetta arvoon 170-200 bar.

Pumpun imukyky ja kestävyys ovat hyviä, mutta hyötysuhde melko huono juuri sisäisten

vuotojen takia.

3.4 Siipipumput

Siipipumput voivat olla vakio- tai säätötilavuuspumppuja. Pumppujen siivet voidaan

sijoittaa joko pyörivään roottoriin tai liikkumattomaan staattoriin. Hydraulineste siirtyy

imupuolelta painepuolelle pumpun kammiossa siipien ja kammion seinämän muodosta-

massa tilassa. Roottorin loviin sijoitetut siivet liikkuvat säteen suuntaisesti, jolloin ne

roottorin pyöriessä painuvat ulospäin pumpun kiinteää pesää vasten. Koska pumppu-

kammio ja roottori ovat epäkeskisiä, muuttuu siipien välinen tilavuus roottorin pyöriessä.

Tämä tilavuuden muutos aiheuttaa pumpun imupuolella imuvaikutuksen ja vastaavasti

painepuolella öljy siirtyy pienenevästä tilasta paineisena painepuolelle.

Kuva 3.6 Siipipumput

23

Yksikammioiset siipipumput ovat miltei kaikki säätötilavuuspumppuja, joissa kiinteän

roottorin ja kammion välistä tilavuutta säädetään pumppukammion asemaa muuttamalla.

Pumppukammion muodostaa siirrettävä pumppurengas, jota voidaan siirtää pumpun

rungon sisällä.

Kuva 3.7 Yksikammioinen siipipumppu, jossa roottori on laakeroitu epäkeskeisesti pesään nähden, jolloin pumppu on myös

hydraulisesti epätasapainoinen. Pumppu on säätötilaavuuspumppu.

Kaksikammioiset siipipumput:

Kuva 3.8 Kaksikammioisen siipipumpun rakenne..

o kaksi imu ja paineliitintä

o tasapainossa

o tuotto suurempi

o ei voida säätää

24

Pyörimättömät siivet staattorissa:

Sijoittamalla pumpun siivet liikkumattomaan staattoriin ja tekemällä siihen imu- ja

paineaukkoparit vastakkaiselle puolille saadaan eräs siipipumppusovellus. Roottorin

pyöriessä kammioiden tilavuus kasvaa imuaukon kohdalla ja pienenee paineaukon

kohdalla.

Kuva 3.9 Siipipumppu, jossa siivet ovat staattorissa. 1) staattori, 2) roottori, 3) akseli 4) siipi .Pumpun hyötysuhde on muita

siipipumppuratkaisuja huonompi ja sen tilavuusvirran vaihtelut ovat myös suuremmat.

Ominaisuudet(kaikki tyypit):

Kokonaishyötysuhde siipipumpuilla on noin 0,8-0,9 ja pyörimisnopeus vaihtelee välillä

600-2500 r/min. Painealue vaihtelee alueella 70-210 bar. Tuotto on tasainen, edullinen,

mutta arka likaiselle öljylle.

3.5 Mäntäpumput

Mäntäpumput voivat olla joko vakio- tai säätötilavuuspumppuja. Ne voidaan luokitella

mäntien sijoituksen perusteella kolmeen ryhmään.

1. Rivimäntäpumput

2. Säteismäntäpumput

3. Aksiaalimäntäpumput

Hydraulineste siirtyy mäntäpumpussa imupuolelta painepuolelle männän edestakaisen

liikkeen avulla. Pumpuissa tarvitaan erillinen venttiilirakenne tilavuusvirran ohjaukseen

imu- ja painejakson aikana. Imujaksossa neste imeytyy sylinteriin avoimen imuventtiilin

kautta. Painejakson aikana imuventtiili sulkeutuu ja paineventtiili avautuu, jolloin neste

siirtyy painepuolelle. Imu- ja paineventtiileinä voidaan käyttää vastaventtiileitä, jolloin

pumpun moottorin pyörimissuunta ei vaikuta pumppaussuuntaan. Toinen ratkaisu on

käyttömoottorin pyörittämä jakolevy, joka avaa ja sulkee imu- ja painekanavat. Tällä

rakenteella saadaan pumpun tilavuusvirta käännettyä käyttömoottorin pyörimissuunnan

mukaan. Koska mäntä imujakson aikana imee ja painejakson aikana painaa öljyä verkos-

toon on mäntä.

25

3.5.1 Rivimäntäpumput

Kuva 3.10 Makaava kaksimäntäinen rivimäntäpumppu.

usein kampimekanismi (nopeissa epäkesko)

jakoelimenä vastaventtiilit

yleensä makaavia

hidaskäyttöisiä

maksimipaineet 100Mpa

eräs käyttösovellutus on dieselmoottoreiden polttoaineen

syöttöjärjestelmät

3.5.2 Säteismäntäpumput

Kuva 3.11 Pyörivällä sylinteriryhmällä varustettu säteismäntäpumppu.

Säteismäntäpumpuissa sylinterit sijaitsevat tähtimuodossa käyttöakselin ympärillä.

Sisäisin virtauskanavin toteutetussa pumpussa sylinteriryhmä pyörii käyttöakselin mukana

ja sylinterit kytkeytyvät pyörimättömän jakokaran imu- ja painekanaviin joka kierroksella.

Jakokara on sijoitettu sylinteriryhmän sisälle. Männät nojaavat liukukappaleiden välityk-

26

sellä pumppurenkaan sisäpintaan. Pumppurenkaan epäkeskisyyttä sylinteriryhmään näh-

den voidaan säätää, jolloin pumpun tuotto muuttuu. Pumpun imukyky on hyvä ja sen suu-

rimmat käyttöpaineet ovat noin 450 bar ja sitä voidaan käyttää sekä avoimissa että sulje-

tuissa hydraulijärjestelmissä. Kokonaishyötysuhde on luokkaa 0.9.

Toinen säteismäntäpumppujen sovellus on ulkoisin virtauskanavin toteutettu ratkaisu.

Siinä sylinteriryhmä on kiinteä männän liike aikaansaadaan pyörivällä epäkeskoakselilla.

Männät painuvat epäkeskoa vastaan jousien avulla. Tavallisesti pumput ovat vakio-

tilavuuksisia, mutta myös säädettäviä rakenteita on olemassa. Suurimmat käyttöpaineet

ovat noin 700 bar ja niiden kokonaishyötysuhde on luokkaa 0,88-0,92.

Kuva 3.12 Pyörimättömällä sylinteriryhmällä varustettu säteismäntäpumppu. .Mäntä on radiaalisesti akseliin nähden ja

jakoeliminä ovat vastaventtiilit. Kierrostilavuutta ei voi säätää.

3.5.3 Aksiaalimäntäpumput

Sylinteriryhmä muodostaa staattorin tai roottorin:

o männät saavat liikkeensä käyttölevystä (kiinteä tai säädettävä)

o jakoelin ns. jakolevy

Käyttölevy voi olla myös suorassa, jolloin sylinteriryhmä on vinossa. Mäntiä on yleensä

5 – 11 kpl.

Kuva 3.13 Aksiaalimäntäpumppu (suora akseli) 1) sylinteriryhmä, 2) mäntä, 3) käyttölevy, 4) akseli, 5) jakolevy.

27

Kuva 3.14 Aksiaalimäntäpumpun säätö.

Muuttamalla käyttölevyn vinoutta voidaan muuttaa pumpun antamaa tilavuusvirtaa.

Kuva 3.15 Aksiaalimäntäpumpun tilavuusvirran säätö. a) maksimi- b) pienennetty tilavuusvirta c) ei tilavuusvirtaa.

Pyörivä käyttölevy voi olla myös suorassa, jolloin sylinteriryhmä on vinossa asennossa

(Bent-axis, vinoakselipumppu). Tilavuusvirtaa voidaan säätää muuttamalla pumpun

akselin vinouskulmaa. Vinouskulma voi muuttua myös toiseen suuntaan, jolloin virtaus-

suunta pumpussa muuttuu.

Kuva 3.16 Vinoakselipumpun rakenne ja säätö

28

Kuva 3.17 Kulmaroottori- eli vinoakselipumppu.

Ominaisuudet:

Aksiaalimäntäpumpulla päästään maksimipaineisiin 350...500bar, jatkuva työpaine on

250...350 bar. Hyötysuhde on parhaimmillaan n. 0.95. Aksiaalimäntäpumput ovat melko

hiljaisia ja kestäviä. Mäntien lukumäärä on pariton ja vaihtelee välillä 5...11 kpl.

Rakenteen monimutkaisuus lisää pumpun hintaa. Pumppuja valmistetaan kiinteä- ja säätö-

tilavuuksina.

3.6 Pumppujen säätö

Pumppujen antama tilavuusvirta voidaan säätää muuttamalla pyörimisnopeutta tai

johtamalla osa tilavuusvirrasta takaisin säiliöön. Pyörimisnopeuden muuttamista käytetään

polttomoottorin yhteydessä. Paineenrajoitusventtiilin käyttö ei ole taloudellista.

Varsinaisella pumpun säädöllä muutetaan pumpun kierrostilavuutta.

Säätötavat:

Portaallinen tilavuusvirran säätö saadaan aikaan kytkemällä useita vakiotilavuuspumppuja

rinnakkain, esim. matalapainepumppu (suuri tilavuusvirta) ja korkeapainepumppu (pieni

tilavuusvirta). Valitsemalla pumppujen tilavuusvirrat sopiviksi ja kytkemällä pumppuja

vapaakierrolle saadaan aikaan portaallisesti muuttuva tilavuusvirta.

Portaaton säätö toteutetaan muuttamalla pumpun kierrostilavuutta. Siipi- ja radiaalimäntä-

pumpuissa muutetaan roottorin epäkeskeisyyttä. Aksiaalimäntäpumpuissa muutetaan

sylinteriryhmän ja käyttölevyn välistä kulmaa. Säätö voidaan toteuttaa:

1. Mekaanisena käsiohjauksena, esim. käsipyörä ja ruuvi

2. Sähkömekaanisena kauko-ohjauksena esim. sähkömoottori ja kierukka-vaihde

3. Hydraulisena servo-ohjauksena, jolloin kierrostilavuutta muutetaan servosylinterillä.

Sylinterin ohjaus tapahtuu servoventtiilillä ja venttiiliä voidaan ohjata joko mekaanisesti tai

sähköisesti

4. Automaattisena hydraulisena säätönä. Kierrostilavuutta muutetaan hydraulisylinterin avulla

ja paine sylinterille saadaan usein pumpusta säätöventtiilin kautta. Kyseessä voi olla myös

proportionaalisäätö , jolloin voidaan sähköisesti muuttaa pumpun ominaisuuksia.

29

30

4. PAINEVARAAJA

4.1 Tehtävät

energian varastointi

paineiskujen ja paineenvaihtelujen tasaaminen

lämpölaajenemisen kompensointi

vuotojen kompensointi

Paineakut toimivat hydraulijärjestelmissä varastoina, joissa pumpulta saatua paine-

energiaa säilytetään tulevaa käyttöä varten. Koska hydraulineste ei normaalisti

käytettävillä paineilla puristu merkittävästi kokoon, on siihen itseensä mahdoton

varastoida suuria energiamääriä. Energia onkin varastoitava muilla tavoilla, nesteen

ulkopuolelle.

Energiaa voidaan varastoida kolmella tavalla:

1. massaa nostamalla

2. jousta jännittämällä

3. kaasun tilavuutta muuttamalla.

Nykyisin käytössä on vain kaasun tilavuuden muutokseen perustuvia paineakkuja.

Kaikkien paineakkujen toiminta perustuu siihen, että prosessin siinä vaiheessa, jossa

koko pumpun tuottamaa tilavuusvirtaa ei tarvita, yli jäävä tilavuusvirta varastoituu

paineakkuun myöhemmin käytettäväksi. Paineakut ovat paineastioita ja siten

paineastialainsäädännön alaisia. Niiden rakenne on siis hyväksyttävä ennen

käyttöönottoa. Myyjän on yleensä huolehdittava tarvittavista hyväksymisistä.

Hyväksyminen on kuitenkin syytä tarkistaa ennen paineakun käyttöönottoa.

4.2 Rakenteet

Varastointi massaa nostamalla:

- nykyisin historiaa

- kooltaan suuria

Varastointi jousta jännittämällä:

- jousi kiinteä tai säädettävä

- energialataus varastoidaan jousienergiana

31

Varastointi kaasun tilavuutta muuttamalla:

Kaasutäytteisissä paineakuissa on kaksi kammiota, joista toisessa on kokoonpuristuva

kaasu ja toisessa järjestelmän hydraulineste. Kammioita erottavan väliseinän rakenteen

mukaan kaasutäytteiset akut jaetaan kalvo-, rakko- ja mäntätyyppisiin. Kun akun neste-

tila täyttyy paineisella nesteellä, puristuu kaasu ,väliseinän toisella puolella kokoon.

Paineen laskiessa järjestelmässä laajeneva kaasu työntää nesteen takaisin käytettäväksi.

Kaasutäytteisissä paineakuissa kaasuna käytetään yleensä typpeä. Typpi soveltuu hyvin

akkukäyttöön, koska se on neutraali kaasu.

Typpi (N) Nitrogen

Olotila normaalipaineessa kaasumainen

- tiheys 1,251 kg/m3

- sulamispiste 63,15 K (-209;8 °C)

- kiehumispiste 77,35 K (-195,8 °C)

Akku täytetään ennen käyttöä esitäyttöpaineeseen (p0), joka on hiukan pienempi kuin

järjestelmän alin käyttöpaine. Akussa on kaasuventtiili, jonka kautta esitäyttö

suoritetaan. Kun järjestelmän paine kasvaa suuremmaksi kuin akun esitäyttöpaine,

virtaa neste akkuun puristaen kaasua kokoon. Nestettä virtaa akkuun kunnes kaasun ja

nesteen paineet ovat yhtä suuret. Kaasun ja nesteen paineet ovat yhtä suuret periaat-

teessa aina kun nestettä on akussa. Ylimmällä käyttöpaineella kaasun tilavuus on silloin

pienin ja akkuun varastoitunut energia suurin. Paineen laskiessa puristaa kaasu

laajetessaan nesteen takaisin järjestelmään.

Kalvo- ja rakkoakuissa kaasu- ja nestetilan erottaa toisistaan elastinen kalvo.

Kalvoakku:

Kalvoakussa oleva neste- ja kaasutilan erottava kalvo on kiinnitetty akun sisäpintaan.

Kalvoon on kiinnitetty metallinen sulkuläppä, joka sulkee akun nesteliitännän silloin,

kun järjestelmän paine on pienempi kuin akun esitäyttöpaine. Jos tätä sulkuläppää ei

olisi, tunkeutuisi kalvo nesteliitäntään ja rikkoutuisi.

Kuva 4.1 Kalvoakun rakenne.

32

Rakkoakku:

Rakkoakun kaasu- ja nestetilan erottaa kaasuventtiiliin vulkanoimalla kiinnitetty rakko.

Akun nesteliitännässä on lautasventtiili, jonka rakko sulkee laajetessaan. Muutoin

kalvo tunkeutuisi nesteliitäntään järjestelmän paineen laskiessa pienemmäksi kuin

rakon esitäyttöpaine.

Kuva 4.2 Rakkoakun rakenne.

Mäntätyyppinen paineakku:

Kuva 4.3 Mäntätyyppinen paineakku.

Mäntätyyppisissä paineakuissa kaasu- ja nestetilan erottaa toisistaan liikkuva mäntä.

Kalvo- ja rakkoakkuihin verrattuna mäntäakkujen hyötysuhde on heikompi männän kitkan

vuoksi.

Paineakkujen käyttökohteet:

Hydraulijärjestelmässä on sen pumpun mitoitusperustana suurin tarvittava tilavuusvirta.

Jos tätä suurinta tilavuusvirtaa tarvitaan vain hetkellisesti, on järkevää käyttää pienempää

pumppua ja varastoida hetkellisen käytön tilavuusvirta paineakkuun. Järjestelmän pumppu

on kuitenkin mitoitettava niin suureksi, että paineakku ehtii varautua täyteen työkierron

aikana.

33

Pikaliikkeiden aikaansaaminen

Sylinterikäytössä suurta tilavuusvirtaa voidaan tarvita esimerkiksi pikaliikkeiden

aikaansaamiseksi. Pikaliikkeessä kuormittamaton sylinteri on saatava mahdollisimman

nopeasti toiseen ääriasentoon.

Kappaleiden kiinnittäminen

Toinen yleinen paineakun käyttökohde on paineen ylläpito järjestelmässä esimerkiksi

puupuolen sormijatkospuristimessa.

Pumpun tuottaman tilavuusvirran tasaaminen

Hydraulipumppujen tuottama tilavuusvirta ei ole tasaista, vaan siinä esiintyy vaihteluja.

Sijoittamalla paineakku pumpun läheisyyteen voidaan tilavuusvirran vaihteluja tasata.

Paineiskujen tasaaminen

Kun suuntaventtiili sulkeutuu nopeasti, aiheuttaa se järjestelmään paineiskun, joka voi olla

hyvinkin haitallinen. Sijoittamalla paineakku pumpun ja venttiilin väliin mahdollisimman

lähelle venttiiliä voidaan paineiskuja vaimentaa.

Jos hydraulijärjestelmä ei saa missään tilanteessa esimerkiksi turvallisuussyistä joutua

paineettomaksi, voidaan siihen kytkeä paineakku varmistamaan paine pumpun

rikkoutuessa tai pysähtyessä vaikka sähkökatkon takia.

Paineakkua voidaan käyttää myös tasaamaan järjestelmän lämpenemisestä johtuvaa

nesteen tilavuuden kasvua.

Paineakun valinta ja mitoitus:

Kaasutäytteisten paineakkujen koon määrittämiseen löytyy valmistajilta erilaisia

käyrästöjä, mutta akkujen tilavuus voidaan määrittää myös laskennallisesti.

Akun esitäyttöpaine on riippuvainen järjestelmän alimmasta käyttöpaineesta ja se on

oltava noin 10% pienempi kuin järjestelmän pienin käyttöpaine.

Paineakun nesteen varastointikyky on riippuvainen järjestelmän pienimmän ja suurimman

paineen suhteesta. Riittävän kalvon tai rakon kestoiän saavuttamiseksi paineakun ylimmän

ja alimman paineen välisen suhteen tulisi olla suurempi kuin 1/3.

Tavallisesti paineakun tilavuuden muutoksessa pätee polytrooppinen tilavuuden muutos.

34

Tällöin paineakun koko voidaan laskea yhtälöstä, joka perustuu ideaalikaasun tilayhtälöön.

Huom! Kokoonpuristuvalla nestemäärällä tarkoitetaan akusta poistuvaa paineen alaista

nestemäärää.

35

5. HYDRAULIIKKAVENTTIILIT

5.1 Yleistä

Hydraulijärjestelmissä tarvitaan erilaisia venttiilejä ohjaamaan ja säätämään järjestelmän

toimintoja. On vaihdettava hydraulimoottorin pyörimissuuntaa tai on ajettava sylintereitä

edestakaisin. Erilaiset toimilaitteet vaativat erisuuria paineita ja tilavuusvirtoja. Koko

järjestelmä on suojattava ylipaineen aiheuttamatta rikkoutumiselta. Näiden toimintojen

toteuttamiseen käytetään venttiilejä, jotka voidaan toimintojensa mukaan jakaa

seuraavasti:

Paineventtiilit:

Paineventtiileillä säädetään ja ohjataan hydraulijärjestelmän painetta tai toimintaa.

Virtaventtiilit:

Virtaventtiileillä säädetään järjestelmän tilavuusvirtaa.

Suuntaventtiilit:

Suuntaventtiileillä ohjataan tilavuusvirtaa järjestelmän eri osiin.

36

Erikoisventtiilit:

Erikoisventtiilejä ovat servoventtiilit, proportionaaliventtiilit ja patruunaventtiilit. Näillä

kaikilla voidaan toteuttaa samat toiminnot kuin paine-, virta-, ja suunta-venttiileilläkin,

mutta niiden säätötarkkuus ja ominaisuudet ovat paremmat kuin tavallisilla venttiileillä.

Näillä venttiileillä voidaan lisäksi toteuttaa useita erikoistoimintoja.

Karan rakenteen mukaan venttiilit voidaan jakaa istukkaventtiileihin ja luistiventtiileihin.

Istukkaventtiileissä venttiilin kara painuu istukkapintaa vasten, jolloin saadaan tiivis

rakenne. Rakenteen haittana ovat suuret ohjausvoimat, joita kuitenkin voidaan pienentää

hydraulista rakennetta muuttamalla. Luistiventtiileissä venttiililuisti liikkuu pesässä ja

rakenne on hydraulisessa tasapainossa eikä karan liikuttamiseen tarvita suuria voimia.

Luistiventtiileissä on rakenteesta johtuen aina hiukan sisäisiä vuotoja. Luistiventtiileiden

hydraulinen tasapaino toteutetaan siten, että karan vastakkaisiin päätypintoihin vaikuttavat

yhtä suuret paineet. Näin voimat kumoavat toisensa ja karan ohjausvoimat pysyvät

pieninä.

Kuva 5.1 Vasemmalla istukkatyyppinen ja oikealla luistityyppinen venttiili.

Pienemmät venttiilit kokoon NS 10 asti ovat yleensä suoraohjattuja. Suurissa venttiileissä

ohjausvoimat kasvavat ja on rakennettava esiohjattuja venttiileitä. Esiohjausventtiiliä

voidaan ohjata pienellä teholla ja se puolestaan ohjaa suurempaa venttiiliä.

Venttiilien koot ilmoitetaan standardoituina vakiokokoina, joiden lukuarvo ilmoittaa

likimääräisesti siihen liitettävän putken tai letkun sisähalkaisijan. Esimerkiksi NS 6

tarkoittaa sitä, että venttiiliin liitettävän putken tai letkun sisähalkaisija on 6 mm.

Tavallisimmat nimelliskoot ovat: NS 6, 10, 16, 25 ja 32.

5.2 Paineventtiilit

Paineventtiilit ovat ohjausrakenteeltaan monostabiileja eli niissä oleva jousi ohjaa ne

lepoasentoon silloin, kun riittävän suurta ohjauspainetta ei ole. Lepoasennossa venttiilit

ovat joko suljettuja tai avoimia. Ohjauspaine vaikuttaa jousta vastaan ja saavutettuaan

tason, jolla se voittaa jousivoiman, venttiilin kara alkaa liikkua. Ohjauspaineen kasvaessa

kara liikkuu lisää ja venttiili joko avautuu tai sulkeutuu sen tyypistä riippuen. Kun

venttiilin läpäisemä tilavuusvirta kasvaa, suurenee nesteen aiheuttama virtausvoima.

Pienillä tilavuusvirroilla käytetään suoraan ohjattuja venttiileitä, mutta kun tilavuusvirrat

kasvavat, on käytettävä esiohjattuja venttiileitä. Esiohjatuissa venttiileissä karan siirtymän

ja ohjauspaineen välinen riippuvuus on pienempi kuin suoraan ohjatuissa venttiileissä.

Paineventtiilit voidaan jakaa toimintansa mukaan kolmeen ryhmään, jotka ovat:

37

1. Paineenrajoitusventtiilit

2. Paineenalennusventtiilit

3. Paineohjausventtiilit

5.2.1 Paineenrajoitusventtiili

Paineenrajoitusventtiili on oltava jokaisessa hydraulijärjestelmässä. Sen tehtävänä on

rajoittaa järjestelmän paine tiettyyn maksimiarvoon. Näin se suojaa järjestelmän

komponentteja vaurioilta, joita paineen rajaton kasvu aiheuttaisi.

Suoraohjattu:

Kuva 5.2 Suoraohjattu, yksinkertainen , käytetään pienissä kokoluokissa

Esiohjattu:

Kuva 5.3 Esiohjattu, käytetään suurilla tilavuusvirroilla.

38

5.2.2 Paineenalennusventtiili

Jos osassa hydraulijärjestelmää tarvitaan alhaisempaa painetta kuin muussa järjestelmässä,

voidaan alennettu paine aikaansaada paineenalennusventtiilillä. Venttiili voi olla raken-

teeltaan suoraohjattu tai esiohjattu ja se saa ohjauksensa lähtöpuolen paineesta.

Jos ensiöpuolen paine laskee alle venttiilin asetusarvon, seuraa alennusventtiilin

toisiopaine eli lähtöliitännän paine ensiöpuolen painetta. Paineenalennusventtiilit ovat

tavallisesti tyypiltään normaalisti avoimia venttiileitä.

Kuva 5.4 Paineenalennusventtiilin rakenne ja toiminta.

5.2.3 Painesuhdeventtiili

Muita paineenalennusventtiilityyppejä ovat paine-ero ja painesuhdeventtiilit. Näissä

kummassakaan venttiilissä ei toisiopainetta pyritä pitämään vakiona, vaan sen suuruus

riippuu ensiöpaineen suuruudesta. Venttiilin karaa ohjataan sekä ensiö- että toisiopuolen

paineilla, jotka vaikuttavat karan vastakkaisiin päihin.

Painesuhdeventtiili pitää ensiö- ja toisiopaineen välisen suhteen vakiona. Karan pääty-

pinta-alat ovat erikokoiset siten, että toisiopuolen karan pään pinta-ala on ensiöpuolen

karan pään pinta-alaa suurempi. Ensiöpaine pyrkii avaamaan ja toisiopaine sulkemaan

venttiilin. Venttiilin paineenalennussuhde on riippuvainen karan päätypinta-alojen

suhteesta.

Kuva 5.5 Painesuhdeventtiili

39

5.2.4 Paine-eroventtiili

Kuva 5.6 Paine-eroventtiili pyrkii pitämään vakiopaine-eron tulo- ja lähtöpuolen välillä.

5.2.5 Paineohjausventtiili

Useita erilaisia käyttötarkoituksia, joiden mukaan venttiilejä nimitetään:

o seurantaventtiili

o vastapaineventtiili

o paineohjattu vapaakiertoventtiili

o painevaraajan latausventtiili

o painevaraajan purkuventtiili

o letkurikkoventtiili

Paineohjausventtiileillä eli sekvenssiventtiileillä ohjataan järjestelmän toimilaitteiden

toimintajärjestystä eli sekvenssiä. Kun hydraulijärjestelmässä on useita toimilaitteita tai

toimilaiteryhmiä joiden liikkeiden tulee tapahtua tietyssä järjestyksessä, toiminta voidaan

toteuttaa paineohjausventtiilien avulla. Seurantaventtiilejä on olemassa suora- ja

esiohjattuja. Ne ovat rakenteeltaan sekä istukka- että luistityyppisiä.

Venttiilin avautumispaine säädetään jousella ja se avautuu, kun tulopaine ylittää

jousivoiman arvon.

Vapaakiertoventtiiliä käytetään ohjaamaan hydraulipumpun tai pumppujen tuotto takaisin

säiliöön silloin, kun tuottoa ei järjestelmässä tarvita. Vapaakiertoventtiilin painehäviö on

huomattavasti pienempi kuin järjestelmän paineenrajoitusventtiilin, joten tehohäviöt jäävät

pienemmiksi. Eräs käyttösovellutus on matalapainepumpun kytkentä vapaakierrolle

kaksipumppujärjestelmässä, jossa sylinterin männän tulee tehdä ensin nopea siirtymä

työkappaleen pintaan ja tämän jälkeen puristaa kappaletta suurella voimalla.

40

Paineakun latausventtiili:

Kun paineakku on latautunut, pumppu ohjautuu vapaakierrolle ja paineakku ylläpitää

järjestelmän painetta. Paineen laskettua vapaakierto sulkeutuu ja pumppu lataa paineakun

uudelleen. Järjestelmässä on miltei vakiopaine ja hyötysuhde on hyvä.

Paineenpurkuventtiilejä käytetään paineakkujen yhteydessä purkamaan akkuun

varautunut paine silloin, kun hydraulipumppu pysähtyy. Hydraulipumpun paine pitää

venttiilin suljettuna. Kun pumppu pysähtyy, paine laskee ja venttiili avautuu, jolloin

paineakku tyhjenee. Näin estetään vahingot, joita voi sattua avattaessa paineisen

hydraulijärjestelmän liittimiä.

Vastapaineventtiilin tehtävänä on tuottaa negatiiviselle kuormalle vastapaine ja siten

mahdollistaa hallittu liike. Vastapaineventtiilit ovat normaalisti suljettuja ja vaativat siksi

rinnalleen vastaventtiilin, joka sallii virtauksen vastapaineventtiilin toimintasuuntaa

41

vastaan. Kun sylinterissä kiinni olevaa kuormaa lasketaan alaspäin, niin se karkaa, mikäli

järjestelmää ei ole varustettu vastapaineventtiilillä.

Letkurikkoventtiili sijoitetaan välittömästi sylinterin liitäntäaukkoon ennen letkua. Se

estää kuorman karkaamisen letkurikon tapahtuessa. Kun tilavuusvirta kasvaa, letkurikossa

paine-ero voittaa jousivoiman ja sulkee venttiilin. Venttiili avautuu vasta, kun virtaus

tapahtuu vastakkaiseen suuntaan. Myös vastapaineventtiiliä voidaan käyttää

letkurikkoventtiilin tilalla estämään öljyvuodot ja kuorman karkaaminen letkurikon

tapahtuessa.

Kuva 5.7 Letkurikkoventtiilin toiminta ja rakenne.

5.3 Virtaventtiilit

Nopeudensäätö tapahtuu säätämällä tilavuusvirtaa:

I Pumpun tuottoa säädetään muuttamalla pyörimisnopeutta

II Pumpun kierrostilavuutta säädetään

III Käytetään vakiotilavuuspumppua ja virtaventtiilejä

42

Sekä moottorin pyörimisnopeutta että pumpun kierrostilavuutta säätämällä saavutetaan

tarkka säätö. Myös hyötysuhde on hyvä ja tilavuusvirta pysyy hallinnassa kuormituksesta

riippumatta. Ratkaisu on kuitenkin kallis ja siksi näitä tapoja käytetään pääosin suurissa ja

tehokkaissa järjestelmissä.

Vakiotilavuuspumppuja käyttäen ja virtaventtiilien avulla saadaan aikaan edullinen

järjestelmä, jonka säätöominaisuudet ovat riittävät. Virtaventtiileissä säätö kuitenkin

tapahtuu häviösäätönä, jossa käyttämätön osa tilavuusvirrasta; ajetaan, tavallisesti

paineenrajoitusventtiilin kautta takaisin säiliöön.

Virtaventtiilit jaetaan toimintansa mukaan kolmeen ryhmään:

1. Vastusventtiilit

2. Virransäätöventtiilit

3.Virranjakoventtiilit

Vastus- ja vastusvastaventtiilit:

Kuva 5.8 Virtavastusventtiileitä, a) neulaventtiili, b) säätökara, c) laminaarinen kuristin ja d) turbulenttinen kuristin .

Virransäätöventtiileissä voidaan venttiilin kuristuksen poikkipinta-alaa säätää. Säätönsä

vuoksi ne ovat vastusventtiileitä parempia ominaisuuksiltaan. Virransäätöventtiileillä

voidaan haluttu liikenopeus säilyttää kuormituksen ja paineen vaihteluista riippumatta.

Kun venttiilin sisällä olevan mittakuristimen avulla toimilaitteen nopeus säädetään

sopivaksi, pitää venttiilin säätöpiiri tilavuusvirran asetetussa arvossaan, paineen ja

tilavuusvirran vaihteluista huolimatta. Säädön toteuttaa painekompensaattori, jonka

tehtävänä on säilyttää vakiopaine-ero.

43

Säätöpiirissä voi olla myös lämpötilakompensaattori, jonka tehtävänä on estää ne

tilavuusvirran vaihtelut, jotka aiheutuvat nesteen viskositeetin muutoksista lämpötilan

vaihdellessa.

Kuva 5.9 Virransäätöventtiilin toiminta ja rakenne.

Virranjakoventtiilit jakavat venttiilille tulevan virtauksen kahteen vakiosuhteiseen lähtö-

virtaukseen. Näiden lähtövirtausten suuruus ei riipu tulevan virtauksen suuruudesta eikä

lähtevän virtauksen paineista. Virranjakoventtiilejä on toimintansa mukaan jaettuna kolme

ryhmään: 1) yksitoimiset venttiilit, jotka läpäisevät virtauksen vain toiseen suuntaan eli

säätösuuntaan, 2) yksitoimiset venttiilit, jotka säätävät virtauksen toiseen suuntaan,

vastakkaisen suunnan virtaus ohjataan kuristuksetta vastaventtiilien läpi, 3)kaksitoimiset

venttiilit, jotka säätävät virtauksen sekä jakosuunnassa että vastakkaisessa suunnassa.

Tavallinen virranjakoventtiilin tehtävä on tahdistaa kaksi toimilaitetta esimerkiksi

sylinteriä niin, että ne suorittavat liikkeensä yhtä aikaa. Säätöominaisuuksiltaan parhaita

venttiileitä ovat paine- ja lämpötilakompensoidut virranjakoventtiilit.

44

5.4 Vastaventtiilit

Vaihtovastaventtiili:

Venttiili vastaa loogista TAI- toimintaa ja sitä käytetään

erilaisissa ohjauspiireissä.

Kuva 5.10 Vaihtovastaventtiilin rakenne ja piirrosmerkki.

Vastaventtiili:

Kuva 5.11 Vastaventtiilit ovat istukkarakenteisia: a) kuula, b) kartio, c) lautanen, d) patruuna

Ohjatut vastaventtiilit:

Kuva 5.12 Ohjattuvastaventtiili (aukeaa molempiin suuntiin) ja käyttöesimerkki.

45

5.5 Suuntaventtiilit

2/2 – suuntaventtiili

- normaalisti avoin tai suljettu

- sulkuventtiili

3/2 – suuntaventtiili

- impulssinantoventtiili

- yksitoimisen sylinterin työventtiili

3/3 – suuntaventtiili

4/2 – suuntaventtiili

- kaksitoimisen sylinterin työventtiili

- hydraulimoottorin ohjaus

4/3 – suuntaventtiili

- sylinteri saadaan pysähtymään kesken iskun

- keskiasennot:

o pumppu vapaakierrolla ja sylinteri pystyy liikkumaan vapaasti

o pumppu vapaakierrolla

o sylinteri liikkuu vapaasti

o kaikki suljettu

o myös muita on

46

a) Keskiasennossa kaikki virtaustiet ovat yhdessä, pumppu on vapaakierrolla ja

sylinteri pystyy liikkumaan vapaasti.

b) Keskiasennossa pumppu on vapaakierrolla ja sylinteri jää jäykästi paikoilleen.

c) Keskiasennossa pumppu on vapaakierrolla ja sylinteri voi ottaa vastaan

vetovoimia.

d) Keskiasennossa kaikki virtaustiet on suljettu, pumppu ei mene vapaakierrolle

ja sylinteri jää jäykästi paikoilleen.

e) Keskiasennossa pumpun virtaustiet on suljettu, sylinteri liikkuu vapaasti.

f) Keskiasennossa pumpun virtaus menee sylinterin molemmille puolille, sylin-

teri liikkuu ulospäin 50% :lla nopeudella, jos pinta-alasuhde sylinterissä on kaksi.

Monitieventtiilit

useampia virtausteitä ja toiminta-asentoja

melko harvinaisia, esim. 6/3-, 6/4-suuntaventtiilit

Lohkosuuntaventtiilit

suosittuja liikkuvan kaluston käytössä

venttiili muodostuu useasta suuntaventtiililohkosta, jotka on liitetty yhteen,

yleensä käsiohjattuja

luistin muotoiltu usein siten, että sillä voidaan säätää myös tilavuusvirtaa

Suuntaventtiilien ohjaus: aksiaaliluistiventtiilit ovat rakenteeltaan sellaisia, että luisti on hydraulisesti

tasapainossa, joten suuri paine ei vaikuta venttiilin ohjausvoimaan

istukkatyyppiset venttiilit voivat vaatia huomattavia avausvoimia

paineenalaisena

ohjaustavat:

a) käsin

b) mekaanisesti

c) hydraulisesti

d) pneumaattisesti

e) sähköisesti

f) suurissa venttiileissä käytetään hydraulista esiohjausta sähköisessä

ohjauksessa

47

Kuva 5.13 Hydraulisesti esiohjattumagneettiventtiili.

48

Kuva 5.14 Moduuliasenteiset eli päällekkäin asennettavat venttiilit (koko alkaen NS 6).

6. HYDRAULISYLINTERIT

6.1 Yleistä

Hydrauli - ja pneumatiikkasylinterien ja niiden männänvarsien halkaisijat on

standardoitu SFS 3958:

syl = 8…400mm

män.varsi = 4…360mm

Nimellispaineet (SFS 3957):

[6,3 bar, 10,0 bar, 16 bar]

25 bar 100 bar

40 bar 160 bar

63 bar 250 bar

400 bar

Standardi-iskunpituudet:

25, 50, 80, 100, 125, 160, 200, 200, 250, 320, 400 ja 500 mm

49

Kuva 6.1 Sylinterin rakenne.

6.2 Yksitoimiset sylinterit

yksi hydrauliliitäntä

paluuliike jousen tai painovoiman avulla

Mäntäsylinteri:

rakenne samanlainen kuin kaksitoimisella sylinterillä

Uppomäntäsylinteri:

mäntä: hiottu, kiillotettu

sylinteri: ei koneistettu

yksinkertainen, halpa

käyttö:

tunkit

puristimet

kiinnittimet

jarrut

50

6.3 Kaksitoimiset sylinterit

Kaksitoimisissa sylintereissä on luonnollisesti kaksi hydrauliliitäntää. Käytössä olevista

sylintereistä on noin 90% kaksitoimisia. Pääty kiinnitetään sylinteriin aina siten, että se on

avattavissa ja mäntä vedettävissä ulos. Sylinterin tiivisteet ovat jäykät ja männän ulosvetoa

varten tarvitaan yleensä taljaa tai sylinteriin tuotavaa painetta. Tiivisteitä tarvitaan männän

ja sylinteriputken sekä männänvarren ja sylinterin päädyn välillä. Tiivisteiltä vaaditaan

paineen-, kulumisen-, lämpötilankestävyyttä sekä pientä kitkaa.

Rakenteet:

Sidepulttisylinteri:

o pienet ja kevyet sylinterit

o halpa ja yksikertainen

Hitsattu sylinteri:

o kalliimpi, luja, jäykkä

o pitkät, raskaat sylinterit

Rakenne:

o vaippa on terästä

o pääty on teräs, valurauta, vaimennus, > 0,1m/s

o mäntä on terästä

o männänvarsi on kovakromattua terästä

o tiivisteet ovat öljyn kestävää kumia, nitriilikumia tai teflonia

Kuva 6.2 Sylinterin päätyjen kiinnitystapoja: a) hitsi, b) kierre, c) sidepultti, d) lukitusrengas

Kuva 6.3 Sylinterin päätyvaimennus.

51

Kuva 6.4 Hydraulisylinterin tiivistysratkaisuja: a) pieni välys (ei tiivistettä), b) O-rengas, c) O-rengas ja tukirengas, d) O-

rengas ja liukurengas, e) huulitiiviste, f) pakkatiiviste, g) pyyhkijärengas ja huulitiiviste.

6.4 Erikoissylinterit

6.4.1 Läpimenevällä männänvarrella varustettu

voima ja nopeus sama molempiin suuntiin

kestää taivutusta paremmin

6.4.2 Differentiaalisylinteri

normaalia paksumpi männänvarsi tietty suhde erisuuntaisille voimille

ja nopeuksille (yleisin 2:1)

6.4.3 Teleskooppisylinteri

kallis

suuri iskunpituus verrattuna lepopituuteen

52

Kuva 6.5 Vasemmalla normaali ja oikealla vakionopeuksinen teleskooppisylinteri.

6.4.4 Vääntösylinteri

kääntökulma on usein alle 360 siipi tai hammastanko

Kuva 6.6 Hammastankovääntösylinteri.

7. HYDRAULIMOOTTORIT

7.1 Yleistä

Hydraulimoottorit muuttavat hydraulisen energian mekaaniseksi energiaksi eli pyöriväksi

liikkeeksi ja vääntömomentiksi. Ne muistuttavat rakenteeltaan vastaavia pumppuja. Toiset

tyypit voivatkin toimia sekä moottoreina ja pumppuina. Moottorit voidaan jakaa

pyörimisnopeutensa mukaan hidaskäyntisiin ja nopeakäyntisiin. Hidaskäyntimoottorit ovat

hitaasti pyöriviä, mutta ne tuottavat hyvin pienillä pyörimisnopeuksilla lähes maksimi-

vääntömomenttinsa. Nopeakäyntimoottorit puolestaan pyörivät nopeasti ja niiden

suurimmat vääntömomentit saadaan käyntinopeusalueen yläosassa. Moottorit voidaan

jakaa pyörimisnopeutensa mukaan seuraavasti:

53

Hydraulimoottoreita käytetään yleensä kohteissa, joissa niiden pyörimisnopeutta on

voitava säätää. Käyttö on usein sellaista, jossa ajon aikana esiintyy massan kiihdytys,

tasainen ajovaihe ja pysäytys. Moottoria on voitava usein ajaa edestakaisin pyörimis-

suuntaa vaihtaen. Käytön aikana voi esiintyä negatiivista kuormaa, jolloin moottorin on

jarrutettava ja pidettävä karkaamaan pyrkivä kuorma hallinnassa. Suurimmat säätö-

mahdollisuudet ovatkin järjestelmissä, joissa säätötilavuuspumppu pyörittää säätö-

tilavuusmoottoria.

Rakenteeltaan hydraulimoottorit voivat olla hammaspyörä-, siipi- tai mäntämoottoreita.

Lisäksi ne voivat olla vakio- tai säätötilavuuksisia.

7.2 Hammaspyörämoottori

Hammaspyörämoottoreita on kahta tyyppiä kuten pumppujakin eli ulko- ja sisäryntöiset

mallit. Ulkoryntöisissä hammaspyörämoottoreissa pyörät sivuavat toisiaan ulkokehältään,

kun taas sisäryntöisessä hammaspyörät ovat sisäkkäin.

Ulkoryntöiset hammaspyörämoottorit ovat nopeakäyntisiä ja niiden pyörimisnopeusalue

on 500-4000 r/min. Sisäryntöiset-gerotor-moottorit ovat keskinopeusalueen moottoreita ja

niiden pyörimisnopeusalue on 200-1000 r/min. Toinen sisäryntöinen moottorimalli on ns.

orbitaalimoottori, jonka pyörimisnopeusalue on 5-2000 r/min. Orbitaalimoottorille ei ole

vastinetta pumpuissa.

Ulkoryntöiset hammaspyörämoottorit ovat vakiotilavuuksisia ja eroavat pumpuista

sisäiseltä rakenteeltaan. Niissä on ulkoinen vuotoliitäntä .Ulkoryntöinen hammas-

pyörämoottori ei ole hydraulisesti tasapainossa. Moottorin käyntiinlähtömomentti onkin

pieni ja sen käyntiominaisuudet pienillä kierroslukualueilla eivät ole hyvät. Moottoreita

voidaan käyttää sekä avoimissa että suljetuissa hydraulijärjestelmissä.

Gerotor-moottorit vastaavat rakenneominaisuuksiltaan sisäryntöisiä hammasrengas-

pumppuja. Ne ovat vakiotilavuuksisia moottoreita, joissa sisä- ja ulkohammaspyörät

pyörivät toisiinsa nähden. Moottorin kierrostilavuus on melko pieni samoin kuin siitä

saatava vääntömomenttikin.

Orbital-moottori eroaa edellä olevasta gerotormoottorista siinä, että sen rakenteesta

johtuen kukin hammaslovi täyttyy monta kertaa kierroksen aikana. Jos sisähammas-

pyörässä on kuusi hammasta ja ulkohammaspyörässä seitsemän, niin yhden kierroksen

aikana täyttyy 42 hammaslovea. Näin sen kierrostilavuus on pumpun kokoon nähden suuri

ja siitä saadaan suuri vääntömomentti. Moottorin käydessä sisähammaspyörä vierii

staattorikehää pitkin, jolloin sen hampaat vuoron perään työntyvät kehän hammastiloihin

54

ja niistä pois. Hammaspyörä on kytketty jakoventtiiliin ,joka pyörii sen mukana avaten ja

sulkien paineja paluukanavan sopivaan aikaan. Moottori on vakiotilavuuksinen.

Kuva 7.1 Orbital-moottorin rakenne.

7.3 Siipimoottorit

Siipimoottorit voivat olla nopea- tai hidaskäyntisiä. Niiden rakenteet ovat vastaavia

siipipumppujen kanssa.

Kuva 7.2 Siipimoottorin rakennekuva.

Monikammioinen rakenne on mahdollinen vain vakiotilavuuksisissa siipimoottoreissa.

Säätötilavuuksiset siipimoottorit ovat yksikammioisia ja niiden kierrostilavuuden säätö

tapahtuu muuttamalla roottorin ja staattorin välistä epäkeskisyyttä. Paineen epätasainen

jakautuminen rasittaa moottorin laakereita ja pienentää siitä saatavaa vääntömomenttia.

Hidaskäyntiset siipimoottorit ovat monikammioisia. Hidaskäyntisistä siipimoottoreista

saatavat vääntömomentit ovat suuria ja niiden kierroslukualue on 2-1000 r/min kattaen

myös keskinopeusalueen.

55

7.4 Mäntämoottorit

Hidaskäyntisiä mäntämoottoreita ovat radiaali- eli säteismäntämoottorit, joissa on ulkoiset virtauskanavat. Ne ovat vakiotilavuuksisia ja niiden tilavuusvirtaa ohjataan akselin mukana pyörivän jakolevyn avulla. Pumpusta ne eroavat juuri pyörivän jakolevyn ansiosta. Moottorin pyöriessä jakolevy kytkee sylinterit vuorollaan tulo- ja lähtö-liitäntöihin, jolloin saadaan jatkuva pyörimisliike. Koko ajan useampi sylinteri on kytkettynä paineisiksi, joten moottorista saatava momentti on tasainen. Mäntä ja sylinteri nojaavat kampiakselin ja moottorin rungon pallomaisiin pintoihin. Liukupinnat ovat hydrostaattisesti voidellut, jolloin niiden kitka on pieni. Moottorin pyöriessä sylinterirakenne mäntineen liikkuu sivusuunnassa, jolloin erillistä nivelöintiä ei tarvita. Rakenteen mekaanishydraulinen hyötysuhde on hyvä antaen moottorille suuren käyntiinlähtömomentin.

Kuva 7.3 Radiaalimäntämoottorin rakennekuva.

Nokkarengasmoottorit ovat sisäisin virtauskanavin toteutettuja säteismäntämoottoreita.

Niiden sylinteriryhmä ei pyöri, mutta pyörivä jakoventtiili ohjaa nesteen sylintereihin.

Mäntään kohdistuva nestepaine painaa männän ulospäin. Tällöin sen päässä olevat

nokkarullat painuvat pyörivää nokkarengasta vasten. Nokkarullan osuessa renkaan nokan

kaltevalle osalle syntyy nokkarengasta pyörittävä momentti. Syntyvä momentti pyörittää

nokkarengasta eteenpäin ja jakoventtiili ohjaa työpaineen seuraavalle sylinterille. Näin

pyörimisliike jatkuu kunkin sylinterin tehdessä vuorollaan työvaiheen.

Kuva 7.4 Nokkarengasmoottorin rakennekuva.

56

Radiaalimäntämoottorien ominaisuuksia: hidaskäyntisiä, suuri vääntömomentti.

Moottorin pyörimisnopeusalue on 1-500 r/min ja siitä saadaan lähes maksimi

vääntömomentti jo käynnistyksessä. Moottoria käytetään napamoottorina kuorma-autoissa

ja työkoneissa ja muissa laitteissa, joissa tarvitaan suurta käyntiinlähtömomenttia.

Moottori voidaan kytkeä vapaapyörintään vetämällä männät irti nokkarenkaasta. Tämä

tapahtuu järjestämällä moottorin vuotoliitännän kautta kotelon sisään pieni paine, joka

irrottaa männät nokkarenkaasta.

Aksiaalimoottori vastaa rakenteeltaan pumppua, johon on lisätty jakokara tilavuusvirtojen

ohjaamaan. Moottorin sylinteriryhmä on kiinteä ja siinä olevat männät nojaavat

vinolevyyn, joka on kiinni pyörivässä akselissa. Jakoventtiili ohjaa paineisen nesteen

sylintereihin ja niistä pois. Mäntään kohdistuva paine aiheuttaa voiman, joka painaa

akselilla olevaa vinolevyä ja saa aikaan pyörivän liikkeen. Vinolevyn pyöriessä akselin

mukana jakoventtiili avaa ja sulkee tulo- ja lähtöliitännät.

Kuva 7.5 Aksiaalimäntämoottorin rakennekuva.

7.5 Hydraulimoottorin suojaus

57

8. MUUT HYDRAULIIKKAJÄRJESTELMÄN KOMPONENTIT

8.1 Säiliö

Tehtävät:

o öljyn varastointi

o öljyn puhdistaminen

o ilmanpoistaminen

o öljynjäähdytys

o vaahdonpoistaminen

Koko:

o 2..3 kertaan pumpun nimellisvirta minuutissa

Rakenne:

o yleensä teräslevyä

o paineeton

Kuva 8.1 Säiliön rakennekuva. Pumppu voidaan sijoittaa myös säiliön sisälle.

8.2 Letkut ja putket

Kylmävedetty tarkkuusteräsputki (SFS 2230), ryhmitelty nimellispaineen mukaan: 10, 16,

25, 40 MPa:

p= 0…16MPa q<10 l/min v=1…2 m/s

p= 16…40MPa q<10 l/min v=2…3 m/s

p= 0…16MPa q>10 l/min v=3…5 m/s

p= 16…40MPa q>10 l/min v=5…7 m/s

Imuputki: v = 0,5…1,5 m/s

Paluuputki: v = 1…3 m/s

58

Liittäminen:

Kierreliittimet

Leikkuurengasliittimet

Laippaliitokset (suuret putket)

Letkut:

Matalapaineletkut, keskipaineletkut, suurpaineletkut, erikoissuurpaineletkut

Rakenne:

Kuva 8.2 Letkun kudoskerrokset. Letkun ja sen liittimien liitokset voidaan tehdä kierrettävillä tai puristettavilla liittimillä

8.3 Suodattimet

erittäin tärkeitä hydrauliikkajärjestelmissä

suodatusaste: 5…25m

suodattimen koko määräytyy läpimenevästä tilavuusvirrasta

imusuodatin ja imusihti

painesuodattimet:

kestävät korkeita paineita kalliita

käytetään suojaamaan esim. servoventtiileitä

paluusuodatin:

yleinen pienissä järjestelmissä

Suurissa järjestelmissä käytössä on erillinen suodatinpiiri.

59

Kuva 8.3 Erilaisia suodattimia.

8.4 Muut komponentit

Jäähdytys- ja lämmityslaitteet:

öljyn lämpötila ei saisi nousta yli +70C

häviöteho muuttuu lämmöksi

yleensä öljy jäähtyy riittävästi säiliössä

jos raskas kuormitus tai kuumaympäristö ilma- tai vesijäähdytin

pakkasella öljy voi olla liian paksua käytetään sähkölämmitystä

Painemittarit, paineenkytkimet

Lämpömittarit, tilavuusvirtamittarit ja ilmanpoistoventtiilit

60

9. KYTKENTÄTEKNIIKKA

9.1 Paineen säätö

Paineenrajoitusventtiili rinnan pumpun kanssa:

Kuva 9.1Paineenrajoitusventtiili pumpun yhteydessä.

Suoraohjatulla paineenrajoitusventtiilillä saadaan huonohko ominaiskäyrä, mutta nopea

toiminta. Esiohjatulla paineenrajoitusventtiilillä saadaan puolestaan hyvä ominaiskäyrä,

mutta hidas toiminta.

Erisuurien paineiden järjestäminen järjestelmään:

Kuva 9.2Kolme paineenrajoitusventtiiliä.

Portaallinen paineensäätö saadaan järjestettyä suuntaventtiilien ja useiden

paineenrajoitusventtiilien avulla. Kuvassa esimerkki, jolla saadaan kolme eri suurta

painetasoa. Portaaton paineensäätö saadaan paineservo- tai paineproportionaaliventtiilin

avulla.

61

Tyhjäkäyntihäviöiden pienentäminen:

Kuva 9.3 Suuntaventtiilillä, jossa on suljettu keskiasento, syntyy enemmän tyhjäkäyntihäviöitä verrattuna käyttöön, jossa

suuntaventtiilin keskiasento on avoin.

Tyhjäkäyntihäviöitä pienennetään, jotta järjestelmän lämpötila saadaan pysymään

hyväksyttävällä tasolla ja lisäksi sähköenergiaa säästyy.

Kuva 9.4 Järjestelmän häviöiden pienentäminen käyttämällä kahta paineenrajoitusventtiiliä.

Paineenalennusventtiilin käytöllä voidaan alentaa järjestelmän painetta kohteisiin, jossa

paineen on oltava alhaisempi.

62

Seurantaventtiilin eli sekvenssiventtiilin käyttö:

Kuva 9.5 Sylintereiden toimintajärjestyksen toteutus seurantaventtiilin avulla.

9.2 Tilavuusvirran säätö

Sylinterin liikenopeuden säätökeinoja:

Pumpun pyörimisnopeus

Tätä käytetään lähinnä liikkuvan kaluston hydrauliikassa eli mobiilihydrauliikassa.Tällöin

käytössä on siis dieselmoottori. Teollisuudessa on yleensä pumpun käyttömoottorina

sähkömoottori. Koska sähkömoottorin pyörimisnopeuden säätö tulee yleensä kalliiksi, sitä

käytetään hyvin harvoin tilavuusvirran säätöön.

Säätötilavuuspumppu

Pumpun säätö voidaan toteuttaa:

-käsiohjauksena

-servo-ohjauksena

-sähkömoottorin avulla tai paineilman avulla

Säätötilavuuspumppu on kuitenkin kallis ratkaisu sylinterin liikenopeuden säätämiseen.

63

Virtaventtiili

Nopeuden säätö virtaventtiileillä on aina häviösäätöä, joten jos tehot ovat suuria ja

säätöalueet laajoja, järjestelmissä on suoritettava tarkat lämpötilatarkastelut.

Ylimääräinen öljy johdetaan paineenrajoitusventtiilin kautta säiliöön, mikä aiheuttaa

suuria järjestelmään suuria häviöitä.

Kuva 9.6 Sylintereiden liikenopeuden säätö sijoittamalla vastusvastaventtiili tuloputkeen.

Kuva 9.7 Kuristin kytkettynä toimilaitteen rinnalle. Oikealla kuristin on kytketty paluuputkeen, jolloin voidaan estää kuorman

karkaaminen.

64

Kuva 9.8 Sylinterin nopea liike ja hidas lähestymisliike.

10. HYDRAULIJÄRJESTELMÄT

10.1 Yleistä

Hydraulisen käytön etuja:

-mahdollisuus tuottaa suuria voimia ja momentteja

-tarkka ja portaaton nopeuden, voiman ja momentin säätö

-nopeus saadaan pysymään vakiona kuormituksen vaihdellessa

-hyvä asemointitarkkuus toimilaiteille

-ylikuormitussuoja voidaan toteuttaa paineventtiileillä

-teho viedään toimilaitteelle putkia ja letkuja pitkin

-voidaan käyttää samanaikaisesti useita toimilaitteita

-hydraulineste voitelee ja jäähdyttää toimilaitteen

-toimilaitteen jarrutus voidaan toteuttaa hydraulisesti

Hydraulisen käytön haittoja:

-korkeat paineet aiheuttavat tiivistysongelmia

-tarkat valmistustoleranssivaatimukset komponenteissa

-väliaine (öljy) on likaavaa ja ympäristöä saastuttavaa

-väliaineen ominaisuudet (esim. viskositeetti) riippuvat lämpötilasta

-järjestelmässä syntyy tehohäviöitä ja järjestelmän hyötysuhde on usein melko

huono (0,6…0,8)

-ilma aiheuttaa ongelmia järjestelmässä

-jokaiselle järjestelmälle tarvitaan yleensä oma koneikko

65

Hydraulitekniikassa on kyse energiansiirtoketjusta. Pumppu muuttaa mekaanisen energian

hydrauliseksi energiaksi (tilavuusvirta ja paine). Koska pumppu toimii syrjäytys-

periaatteella, pumpun jälkeinen paineen nousu on rajoitettava paineenrajoitusventtiilillä.

Yleensä pumpulle kannattaa järjestää vapaakierto, jolloin tehohäviöt ovat mahdollisimman

pienet.

Kuva 10.1 Hydraulipumpulle on järjestetty ns. vapaakierto.

Suuntaventtiilien avulla tilavuusvirta ohjataan halutulle toimilaitteelle. Yksinkertaisimmat

suuntaventtiilit ovat 2/2-venttiilejä, mutta usein hydrauliikassa käytetään jousikeskitteisiä

4/3-venttiilejä.

Hydrauliikkakaavioiden piirtämisessä ja lukemisessa on otettava huomioon, että venttiilit

ja toimilaitteet piirretään kaavioon lähtötilannetta vastaavaan asentoon eli ohjaamattomaan

asentoon.

10.2 Avoin järjestelmä

- öljy palaa toimilaitteen jälkeen säiliöön - ominaisuudet:

o tilava säiliö hyvä jäähdytys o vuotoöljyt palaavat säiliöön o pumpun imuputkessa syntyy helposti alipaine (kavitaatio)

- pumppu on yleensä yksisuuntainen. toimilaitteen suunnanvaihto hoidetaan venttiileillä

- pumpulla ei yleensä voi jarruttaa toimilaitetta - järjestelmässä voi olla useita toimilaitteita - toimilaitteina voivat olla sylinterit ja moottorit

66

Kuva 10.2 Avoin hydraulijärjestelmä, jossa toimilaitteena on hydraulimoottori. 1) säiliö, 2) säätötilavuuspumppu,

3)säädettävä paineenrajoitusventtiili, 4) 4/3-suuntaventtiili, 5) toimilaitteen paineenrajoitusventtiilit ja

6)vakiotilavuusmoottori.

Kuva 10.3 Avoin hydraulijärjestelmä, jossa toimilaitteena on hydraulisylinteri.

10.3 Suljettu järjestelmä

- öljy palaa toimilaitteen jälkeen pumpun imupuolelle - ominaisuudet:

o toimilaitteen tilavuusvirta on melkein sama kuin pumpun antama tilavuusvirta

o nestetilavuus on pieni lämpenemisvaara

67

o tehohäviöt ovat pienet o öljyn jäähdytystä varten tarvitaan syöttöpumppu o pumppu voi toimia toimilaitteen jarruna o pumppu on kaksi suuntainen ja usein säätötilavuuksinen o kavitaatiovaara on pienempi kuin avoimessa järjestelmässä

Kuva 10.4 Suljettu hydraulijärjestelmä, jossa toimilaitteena on hydraulimoottori. 1) kahteen suuntaan toimiva

säätötilavuuspumppu, 2) yhteen suuntaan toimiva vakiotilavuuspumppu, 3) paineenrajoitusventtiili, maksimi syöttöpaine,

4)suodatin, 5) vastaventtiili, 6) 2/2-suuntaventtiili, moottorin ohjaus vapaalle, 7) moottorin suojaventtiili, 8) 3/3-suuntaventtiili,

paineohjattu huuhteluventtiili, 9) paineenrajoitusventtiili, syöttöpaineen asetus ja 10) kahteen suuntaan pyörivä vakiotilavuus-

moottori.

10.4 Puolisuljettu järjestelmä:

o osa nesteestä palaa takaisin säiliöön

Kuva 10.5 Puolisuljettu hydraulijärjestelmä, jossa toimilaitteena on hydraulisylinteri.

68

11. SERVO- JA PROPORTIONAALITEKNIIKKA

11.1 Servotekniikka

Yleistä:

asema-, nopeus- ja voimaservot servojärjestelmä voi olla venttiili- tai pumppuohjattu servoventtiili ohjaa ja säätää tilavuusvirtaa portaattomasti annettujen

käskysuureiden mukaan venttiiliin on liitetty takaisinkytkentä ominaisuuksia:

o nopeatoiminta o tarkka (paikoitus 0,1…0,01mm) o kallis o huonohyötysuhde o vaatii puhtaan öljyn

Kuva 11.1 Servojärjestelmän toimintaperiaate.

Asemaservo:

yleensä venttiiliohjattu tarkoituksena saada tarkka asema, joka seuraa käskysuuretta käsky annetaan usein jännitteenä, eroelin muodostaa jännitteiden

erotuksen käskyn ja takaisinkytkennän välillä servovahvistin muuttaa erojännitteen servoventtiilille sopivaksi virraksi käyttö

o teollisuusrobotit o automaatiotyöstökoneet o puristimet

69

Venttiiliohjattu sähköhydraulinen asemaservo:

Nopeusservo:

tarkoituksena saada toimilaitteelle nopeus, joka seuraa käskysuuretta yleensä pumppuohjattu ja toimilaitteena on hydraulimoottori moottorin nopeus pysyy vakiona kuormituksesta riippumatta

70

Voimaservot

toimilaitteelle voima, joka seuraa käskysuuretta usein venttiiliohjattu toimilaitteelle vakiovoima tai vakiomomentti

11.2 Hydraulisen servojärjestelmän komponentit

Venttiiliohjatussa servojärjestelmässä tarvitaan aina erillinen pumppukoneisto, joka antaa

tasaisen syöttöpaineen servoventtiilille esim. 7 MPa. Pumppukoneistossa käytetään

vakiotilavuuspumppua ja paineenrajoitusventtiiliä tai vakiopainesääteistä säätö-

tilavuuspumppua. Teho koneikossa on yleensä alle 15 kW. Hydrauliöljyn on oltava hyvin

suodatettua, ettei servoventtiili saa toimintahäiriöitä. Yleensä suositellaan muutaman

mikrometrin absoluuttista painesuodatusta ennen servoventtiiliä. Servoventtiili on

periaatteessa hyvälaatuinen suunta-venttiili, joka pystyy säätämään tilavuusvirtaa

suhteessa venttiilin ohjausvirtaan.

Kuva 11.2 Yksiasteinen sähköinen servoventtiili.

71

Kuva 11.3 Servoventtiilin luistin peitot.

Servoventtiilit ovat yksi-, kaksi- tai kolmeasteisia riippuen venttiilin läpi menevästä

tilavuusvirrasta. Useampiasteisissa servoventtiileissä käytetään joko mekaanista tai

sähköistä takaisinkytkentää pääluistin asemasta. Servoventtiilin ideaalinen ominaiskäyrä

on suora. Siis venttiilin läpimenevä tilavuusvirta on suoraan verrannollinen ohjausvirtaan.

Kuva 11.3 Kaksiasteinen sähköhydraulinen servoventtiili.

Suuntaa-antavia arvoja servoventtiileille ovat:

-ohjausvirta 0...20 mA

-hystereesi < 1%

-askelvasteen nousuaika 0,005...0,01 s

-rajataajuus 50...200 Hz

-kuollut alue < 1%

Servoventtiilien ohjaukseen tarvitaan elektroniikkakortti . Servojärjestelmissä on aina

takaisinkytkentä. Servoventtiilille menevä virta on pienempi kuin proportionaali-

venttiileillä. Vahvistinkorttien käyttöjännite on tyypillisesti 24 V DC. Vahvistimet on

varustettu PID-säätimillä. Toimilaitteet hydraulisissa servojärjestelmissä ovat

hydraulisylintereitä tai hydraulimoottoreita. Sylinterit voivat olla tavallisia sylintereitä,

72

kuitenkin usein varustettuna läpimenevällä männänvarrella. Jos sylinterin tiivisteiden

kitkat aiheuttavat virhettä, voidaan käyttää männänrenkaita tai tiivisteetöntä mäntää.

Haittana on pieni vuoto männän toiselta puolelta toiselle puolelle. Hydraulimoottorit ovat

yleensä monimäntäisiä moottoreita, jolloin saadaan tasaisempi toiminta.

11.3 Servojärjestelmän ominaisuuksia

Hydrauliselle servojärjestelmälle asetetaan seuraavia vaatimuksia:

- riittävä nopeus

- riittävä tarkkuus

- riittävä jäykkyys

- hyvä stabiilius

Nopeus järjestelmässä on yleensä hyvä, sillä servoventtiilien aikaviiveet ovat muutamien

millisekuntien luokkaa. Järjestelmän tarkkuus riippuu usein servoventtiilin ja ohjaus-

laitteiden tarkkuudesta. Asemaservoissa päästään normaalisti 0,1 mm:n tarkkuuteen ja

0,01 mm:n tarkkuus on mahdollinen. Yleensä tarkkuus saadaan paremmaksi hitailla

järjestelmillä. Jäykkyys kuvaa kuinka herkkä järjestelmä on ulkoisille häiriöille. Yleensä

hydrauliikan jäykkyys on hyvä. Jäykkyys saadaan hyväksi sijoittamalla servoventtiili

mahdollisimman lähelle toimilaitetta. Järjestelmän pitää olla kaikissa toimintaolosuhteissa

stabiili eli toimilaite ei saa värähdellä. Jos järjestelmän vahvistus on liian suuri, on vaara,

että järjestelmä alkaa värähdellä.

Uusimmissa servojärjestelmissä on pyritty adaptiiviseen säätöjärjestelmään, eli säätö-

järjestelmä virittyy itsenäisesti erilaisiin tilanteisiin. Järjestelmät vaativat toimiakseen

tietokonetta, joka mahdollistaa adaptiivisen säädön. Servojärjestelmälle asetettavat

vaatimukset ovat usein toisilleen vastakkaisia, joten kaikkia hyviä ominaisuuksia on

vaikea saada järjestelmästä samanaikaisesti, vaan usein joudutaan tekemään

kompromisseja vaatimusten välillä.

Hydraulisen servojärjestelmän suunnittelu on vaikeaa ja ammattitaitoa vaativaa työtä.

Yleensä järjestelmästä tehdään matemaattinen malli, jonka avulla suunnitellaan koko

järjestelmä. Servojen suunnittelu vaatii kokemusta. Yhä enemmän on ruvettu käyttämään

tietokonetta servojen suunnittelussa ja ohjauksessa. On olemassa valmiita ohjelmia joihin

syötetään tiedot servojärjestelmästä ja tietokone mitoittaa servojärjestelmän. Toisaalta

servopaketteja on saatavana valmiina ja näiden käyttö on helpompaa kuin suunnitella

järjestelmä irtokomponenteista. Yleensä hydrauliseen servojärjestelmään kannattaa mennä

vasta, kun tehtävää ei pystytä ratkaisemaan muulla tekniikalla, koska hydrauliset

servojärjestelmät ovat melko kalliita. Kuitenkin hydraulisia servojärjestelmiä käytetään

paljon ja niille löytyy mitä erilaisimpia teknisiä sovelluksia.

73

11.4 Proportionaalitekniikka

Yleistä:

Proportionaaliventtiileillä täytetään aukko ON/OFF- ja servoventtiilien välissä. Systeemin

muuttuu verrannollisena tulosuureeseen ja lähtösuuren mittaus puuttuu. Tosin

takaisinkytkentä on myös mahdollinen (Regel-venttiili).

Ominaisuudet:

o parempi hyötysuhde

o halvempi

o ei niin arka epäpuhtauksille kuin servojärjestelmä

Kuva 11.4 Proportionaalijärjestelmän perusperiaate.

Proportionaaliventtiilit:

Proportionaalimagneetin liikematka on riippuvainen ohjausvirran suuruudesta.

Painepropot:

o suoraohjattuja tai esiohjattuja paineenrajoitus- tai paineenalennusventtiilejä

o käytetään paineen ohjaukseen (esim. koulun puristin)

Vastuspropot ja virransäätöpropot:

o toimilaitteen nopeuden säätö

o virransäätöventtiilillä kuorman muutoksista riippumaton nopeus, joka on

verrannollinen venttiilin ohjausvirtaan

Suuntapropot:

o yksi-, kaksi- tai kolmeasteinen 4-tieventtiili

74

Kuva 11.5 Ylhäällä vasemmalla on ilman takaisin kytkentää oleva proportionaalimagneetti. Oikealla on neliliitäntäinen

suuntaproportionaaliventtiili varustettuna takaisinkytkennällä.

Kuva 11.6 Proportionaaliventtiilien piirrosmerkit.

75

12. PATRUUNATEKNIIKKA

12.1 Yleistä

Pyrkimys yhä suurempaan pakkaustiheyteen hydrauliikassa aiheutti voimakkaan

patruunaventtiilien kehitystyön 1970-luvulla. Patruunaventtiili itse on jo vanha keksintö.

Lähinnä venttiilien soveltuvuutta ja ohjaustekniikkaa on parannettu, verrattuna

aikaisempiin sovelluksiin. Nykyisellä patruunatekniikalla voidaan monimutkainenkin

hydraulijärjestelmä sijoittaa kompaktiin lohkoon, näin vältytään työläältä ja tilaa vievältä

putkitukselta. Lohkon rakentaminen ja suunnittelu on kallista ja vaativaa, joten lohkon

käyttö sopii parhaiten sarjatuotantoon. Patruunaventtiilejä voidaan tietenkin sijoittaa

erillisiin lohkoihin, jolloin jokaisella venttiilillä on oma lohko. Lohkojen suunnittelua

varten on nykyisin olemassa CAD-ohjelmia, joilla lohkon suunnittelu onnistuu hyvin.

12.2 Patruunatekniikan perusteet

Alla olevassa kuvassa esitetään patruunaventtiilin rakenneperiaatteita. Venttiili on

periaatteessa 2/2-venttiili. Siinä on kaksi työliitäntää A ja B sekä ohjaus-liitäntä X.

Rakenne voi olla istukka- tai luistityyppinen. Yleensä venttiilin sisällä on jousi, jonka

tehtävänä on sulkea venttiili pienillä paine-eroilla. Venttiilin avautumiseen vaikuttavat

paineet, työliitännöissä ja ohjausliitännässä. Pinta-alat, joihin paineet vaikuttavat,

vaihtelevat patruunaventtiilin rakenteesta riippuen. Patruunan karan muotoilulla on paljon

merkitystä patruunan käyttäytymiselle, koska karaan vaikuttaa paineiden lisäksi erilaisia

virtausvoimia. Patruunan kara on saatavana myös vaimennuksella varustettuna.

Patruunoiden ulkomitat on standardoitu, jolloin eri valmistajien patruunat voidaan sijoittaa

samanlaisiin upotuksiin. Pinta-alasuhde on patruunaventtiilissä valmistajasta riippuva,

mutta se on aina < 1. Patruunaventtiili on toiminnaltaan hyvin nopea verrattuna

perinteisiin suuntaventtiileihin.

Kuva 12.1 Patruunaventtiilin rakenneperiaatteet, vasemmalla luistiventtiili ja oikealla istukkaventtiili.

76

Kuva 12.2 Patruunaventtiililohko.

Patruunatekniikan perusideana on, että hydraulijärjestelmän suunnittelussa erotetaan

toisistaan päätehopuoli ja ohjaussignaalipuoli toisistaan. Samoin lähdetään ajatuksesta, että

paineen ja tilavuusvirran säätö onnistuu käyttämällä kahta hydraulista vastusta, tulo- ja

lähtövastusta. Vastukset saadaan aikaan 2-tiepatruunaventtiileillä. Päätehopuolella ovat

vain patruunat ja niiden ohjauksella saadaan patruunat toimimaan joko suunta-, vasta-,

paine-, virransäätö-, proportionaali- tai jopa servoventtiileinä.

Kuva 12.3 Patruunaventtiilit toimilaitteen ohjauksessa.

Yllä oleva kuva esittää toimilaitteen ohjausta käyttämällä neljää patruunaa. Patruunat

voivat toimia samanaikaisesti eri venttiileinä. Patruunat mitoitetaan päävirtauksen mukaan.

Ohjausventtiilit voivat olla oleellisesti pienempää kokoa. Patruunaventtiilit voivat olla

rakenteeltaan istukka- tai luistityyppisiä. Venttiilien nimelliskoot vaihtelevat NS 16...100.

Patruunaventtiilit läpäisevät suurempia tilavuusvirtoja verrattuna samankokoisiin muihin

venttiileihin. Patruunaventtiilit ovat tyypillisesti edullisimmillaan melko suurilla tilavuus-

virroilla. Patruunoiden ohjaustapa ratkaisee, minkä toiminnan patruuna toteuttaa. Ohjaus-

paine voidaan esim. ottaa painelinjasta ennen patruunaa. Yhdistämällä eri ohjaustapoja

saadaan patruuna toimimaan kahden venttiilin tavoin.

77

Seuraava kuva esittää eri venttiilitoimintojen toteuttamista patruunatekniikalla.

Kuva 12.4 Esimerkki yksitoimisen sylinterin ohjauksesta patruunatekniikalla, jossa patruunoiden ohjaus on toteutettu 3/2-

suuntaventtiileillä.

78

13. VESIHYDRAULIIKKA

13.1 Yleistä

Vesihydrauliikka on yksi hydrauliikan laji, jota on kehitetty viime vuosikymmenien

aikana. Komponenttien tarjonta on monipuolistunut ja nesteiden laatu parantunut.

Vesihydrauliikalla on ollut perinteisiä ja säännöllisiä käyttäjiä jo useita vuosia.

Terästeollisuus on ollut yksi näistä. Terästeollisuuden suurin riski lienee tulipalo.

Terästeollisuudessa käsiteltävät massat ja voimat ovat suuria, mikä on johtanut

hydrauliikan laajaan käyttöön. Öljyn esiintyminen tuotantolinjan useassa vaiheessa

aiheuttaa yhdessä kuuman, punahehkuisen kappaleen kanssa ilmiselvän palovaaran. Tästä

johtuen eteenkin valssaamot käyttävät yhä laajemmassa mittakaavassa vesihydrauliikkaa.

Nykyään on käytössä paljon 50- ja 60-luvulla rakennettuja vesihydraulijärjestelmiä, mikä

todistaa vesihydrauliikan olleen varteenotettava hydrauliikan muoto jo vuosikymmenien

ajan. Painetasot näissä vanhoissa järjestelmissä ovat tyypillisesti 200... 250 bar.

Hydraulinesteenä on käytetty vesi-öljy seoksia suhteessa 95/5. Vanhojen järjestelmien

suurimmat ongelmat liittyvät komponenttien kulumiseen, vuotoihin ja nesteen laatuun.

Komponenttien kehittyessä ja nesteen laadun parantuessa vesihydrauliikka valtaa myös

uusia alueita. Autoteollisuudessa on käytetty jonkin verran vesihydrauliikkaa

hitsausroboteissa ja elintarviketeollisuudessa matalapaineisempi hydrauliikka on yksi

vaihtoehto automatisoinnissa pneumatiikan ohella . Offshore -teollisuudessa voidaan

harkita öljyn korvaamista merivedellä. Tulevaisuudessa ympäristölainsäädäntö tulee

asettamaan yhä suurempia päästörajoituksia, mikä koskee myös hydraulijärjestelmien

aiheuttamia vuotoja.

13.2 Nesteet

Vesihydrauliikan nesteet ovat kehittyneet viime vuosina erittäin nopeasti. Yleisimmin

vesihydraulijärjestelmissä käytetään HFA-nesteitä. HFA nesteet jaetaan liitteen mukaisesti

kolmeen ryhmään. Uusimpana tulokkaana on neste, jota ei voida suoraan sijoittaa

mihinkään näistä ryhmistä. Se on synteettinen mikroemulsio, jossa yhdistyvät synteettisen

nesteen biologinen hajoavuus ja mikroemulsion hyvä voitelu- ja korroosionestokyky.

Nesteen hyvien ominaisuuksien ansiosta konsentraattipitoisuus on voitu alentaa 1...3

prosenttiin, kun aikaisemmilla nesteillä pitoisuusvaatimus oli yleisesti 5 %.

Oletettavaa on, että vesihydrauliikassa tullaan käyttämään kahta nestettä. Kustannussyistä

HFA tulee pysymään yleisimpänä nesteenä, jolloin voidaan käyttää 'mustaa',

rakenneteräksestä valmistettua putkistoa. Kohteissa, joissa käytetään joka tapauksessa

haponkestävää putkistoa (esiin. kemianteollisuus) käytetään puhdasta vettä, jolle myös

joidenkin valmistajien vesihydrauliikkakomponentit on jo suunniteltu. Puhdasta vettä

käytetään myös kohteissa, joissa tuotteen pilaantumisriski on suuri esim. elintarvike-

teollisuus. Terästeollisuudessa HFA:n käyttö tulee jatkumaan vielä hyvin pitkään.

79

13.3 Komponentit

Pumput:

Hydraulijärjestelmän sydämenä toimii pumppu. Pumput ovat pääosin vakiotilavuus-

pumppuja. Yleisin käytettävä pumpputyyppi on rivimäntäpumppu, jonka tyypillinen

kestoikä on kulutusosia (tiivisteet ja venttiilit) lukuun ottamatta 30 vuotta.

Rivimäntäpumput ovat suurikokoisia ja konstruktioltaan monimutkaisia ja siten melko

kalliita. Pienimpiä pumppuja lukuun ottamatta rivimäntä pumput ovat matalakierroksisia

(esim. 600 rpm). Niiden kampikoneisto on öljyvoideltu, minkä vuoksi pumppu vaatii

säännöllistä huoltoa. Rivimäntäpumpun etuna on, että ne sietävät myös likaista vettä ja

niillä päästään korkeisiin paineisiin (esim. 800 bar) ja suuriin tuottoihin (esim. 700 1/min).

Radiaalimäntäpumput ovat konstruktioltaan modernimpia ja kooltaan oleellisesti

pienempiä kuin rivimäntäpumput. Niitä voidaan pyörittää suoraan 1500 rpm:n sähkö-

moottorilla, jolloin kokonaisuus yksinkertaistuu Pumput ovat täysin vesivoideltuja, eivätkä

tarvitse huoltoa. Mäntien suuren lukumäärän vuoksi yleensä vähintään viisi, radiaali-

mäntäpumpun tuotto on tasaisempaa kuin rivimäntäpumppujen. Pumput ovat yleistyneet

voimakkaasti järjestelmissä, jossa painetaso on enintään 320 bar ja tuotto muutama sata

litraa minuutissa pumppua kohden. Radiaalimäntäpumpuista on kokemuksia noin

kymmenen vuoden ajalta.

Aksiaalimäntäpumpuista on vielä melko vähän kokemuksia, mutta on oletettavaa, että

myös ne tulevat pienen kokonsa ansiosta kasvattamaan markkinaosuuksiaan eteenkin

pienemmissä teholuokissa.

Venttiilit:

Vesihydrauliikan venttiilit ovat tähän asti olleet lähes poikkeuksetta istukkatyyppisiä,

lukuun ottamatta joitakin matalalle paineelle tarkoitettuja venttiileitä. Pilot-venttiileitä,

jotka ovat olleet kuulaistukkaventtiileitä, on valmistettu kokoja NS 3, 6 ja 10. Niitä

voidaan ohjata sähköisesti, mekaanisesti tai hydraulisesti. Markkinoille on tullut

keraamiluistiventtiileitä, jotka soveltuvat yli 300 bar paineille. Venttiilit lähestyvät

rakenteeltaan öljyventtiileitä ja lähitulevaisuudessa niiden toiminnot monipuolistuvat.

Materiaalien ja eteenkin korkealaatuisten keraamien tulo on mahdollistanut luotettavan ja

pitkäikäisen luistiventtiilin rakentamisen. Keraamiluistiventtiili tulee lähivuosina

syrjäyttämään kuulaistukkaventtiilit kokoluokissa NS 3, 6 ja 10. Suuremmat kuin NS10

kokoiset venttiilit ovat 2/2-toimisia. Monimutkaisemmat toiminnot toteutetaan

yhdistelemällä useita 2/2-venttiileitä). Venttiilit ovat istukkarakenteen ansiosta täysin

tiiviitä. Veden alhaisesta viskositeetista johtuvan suurenvirtausnopeuden vuoksi venttiilin

rakenteella on suuri merkitys.

Hydrauliventtiilistöt rakennetaan useimmiten lohkotekniikalla. Vesihydrauliikan

venttiileitä löytyy sekä patruuna- että pinta-asenteisina. Proportionaaliventtiileillä voidaan

säätää periaatteessa mitä tahansa hydrauliikalla säädettävissä olevaa suuretta. Yleisimpiä

ovat paineen, aseman ja virtauksen säädöt. Proportionaalitekniikka on voimakkaan

kehityksen alla. Paineventtiileistä markkinoilta löytyy mm. paineenrajoitusventtiileitä,

paineenalennusventtiileitä ja ylivirtausventtiileitä.

80

Muut komponentit:

Vesihydrauliikan nopeaa leviämistä on jarruttanut moottorin puuttuminen. Joitakin

matalammille paineelle soveltuvia moottoreita on jo markkinoille. Myös servoventtiili

antaa odottaa itseään. Sen markkinoille tuleminen kestänee vielä useita vuosia. Sen sijaan

yhä useammat säädöt voidaan toteuttaa nopeasti kehittyvillä proportionaaliventtiileillä ja

niiden ohjauskorteilla.

Sylinterit ovat rakenteeltaan hyvin lähellä öljyhydrauliikan sylintereitä. Materiaalivalinnat

riippuvat käytetystä hydraulinesteestä. HFA järjestelmissä sylinterien perusmateriaalina

voidaan käyttää normaaleja rakenneteräksiä. Puhtaan veden järjestelmissä vaaditaan

haponkestäviä materiaaleja, veden kestäviä messinkejä tai muoveja. Vesisylinterien

tiivistemateriaalit ja ohjauslaakereiden mitoitus eroavat öljyhydraulisylinteristä.

Putkistossa voidaan käyttää samoja periaatteita kuin sylinterien perusmateriaalin

valinnassa.

Kuva 13.1 Vesihydrauliikkaan tarkoitettuja komponentteja.

Yhteenveto:

Vaikka vesihydrauliikka on tunnettu jo kauan, on vasta 90-luvulla korkeapaineiset

vesihydraulijärjestelmät tulleet enemmän esiin koneenrakennuksessa. HFA-nesteillä

toimivia järjestelmiä valmistetaan ehkä eniten, mutta nyttemmin myös puhtaan veden

järjestelmiä on ruvettu käyttämään yhä enemmän.

Vesi ja mineraaliöljy eroavat melko voimakkaasti toisistaan. Suurimpana erona voidaan

pitää viskositeettien eroa. Veden viskositeetti onkin monta kymmentä kertaa pienempi

kuin mineraaliöljyn. Myös tiheydet ja puristuskertoimet sekä useat muut ominaisuudet

poikkeavat paljon mineraaliöljyn arvoista. Tämä tuokin perustan vesihydrauliikan monille

81

erityispiirteille perinteiseen öljyhydrauliikkaan verrattuna. Koska vesihydrauliikan

markkinoilla oleva komponenttivalikoima on tällä hetkellä rajallinen verrattuna öljy-

hydrauliikkaan ja kuitenkin tästä huolimatta hyvinkin monimutkaisia toimintoja pystytään

toteuttamaan, luo myös tämä oman erityispiirteensä vesihydrauliikkaan. Tämä tarkoittaa

vielä tänään ehkä hieman kalliimpia komponentteja ja järjestelmiä kuin öljyhydrauliikassa,

mutta todennäköisesti jo huomenna öljyhydrauliikan kanssa sekä laadullisesti että

hinnallisesti kilpailukykyisiä , ympäristöystävällisiä ja turvallisia ominaisuuksia.

14. HYDRAULIJÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU

14.1 Yleistä suunnittelusta

Jotta hydraulinen järjestelmä voitaisiin suunnitella systemaattisesti ja järkevästi, tilanne on

luonnehdittava ja analysoitava mahdollisimman huolellisesti. Hydrauliikka tarjoaa monia

joustavia tapoja tuottaa suuria voimia ja momentteja tarkasti. Toimilaitteet ovat tehoon

nähden suhteellisen pieniä.

Usein joudutaan pohtimaan, käytetäänkö hydraulista, pneumaattista vai sähköistä

toteutusta. Suurin ero hydrauliikan ja pneumatiikan välillä on ero painetasossa;

pneumatiikassa 0,7 MPa ja hydrauliikassa 10...35 MPa. Paineilma on kokoonpuristuvaa,

hydrauliöljyt ovat lähes kokoonpuristumattomia. Kun voimien ja momenttien tarpeet ovat

kohtuulliset, on usein taloudellista lähteä liikkeelle pneumaattisesta ja sähköisestä

toteutuksesta, sillä lähes kaikissa teollisuuslaitoksissa on paineilmaverkosto ja

sähköverkosto valmiina eikä energian saanti aiheuta lisäkustannuksia. Pneumatiikkaa

käytetään, kun tarvitaan nopeita liikkeitä ja tarvittavat voimat ovat pieniä. Pneumaattinen

järjestelmä on yksinkertainen ja edullinen. Hydrauliikalla saadaan aikaan suuria voimia ja

momentteja ja lisäksi järjestelmällä on hyvä jäykkyys. Mutta hydrauliikka vaatii oman

energialähteen (pumppu, moottori, säiliö ja muut varusteet) ja tämä lisää kustannuksia.

Hydraulisen käytön etuja ovat:

- mahdollisuus tuottaa suuria voimia ja momentteja

- tarkka ja portaaton nopeuden ja pyörimisnopeuden säätö

- portaaton voiman ja momentin säätö

- nopeus pysyy vakiona kuormituksen vaihdellessa

- saadaan aikaan juohevia liikkeellelähtöjä, pysäytyksiä ja suunnanvaihtoja

- hyvä asemointitarkkuus toimilaitteille, ylikuormitussuoja voidaan toteuttaa

paineventtiileillä

- hyvät järjestelmän dynaamiset ominaisuudet

- venttiilien sekvenssitoiminnat ovat mahdollisia

- järjestelmää voidaan ohjata sähköisesti

- teho viedään toimilaitteelle putkia pitkin

- voidaan käyttää samanaikaisesti useita toimilaitteita

82

- hydraulineste voitelee ja jäähdyttää toimilaitteen

- järjestelmän muunneltavuus on mahdollista

- jarrutus voidaan toteuttaa hydraulisesti

Hydraulisen käytön haittoja ovat:

- väliaine (öljy) on likaavaa ja ympäristöä saastuttava

- väliaineen ominaisuudet (viskositeetti) riippuvat lämpötilasta ja käyttölämpötila on

rajattu

- järjestelmässä syntyy tehohäviöitä

- järjestelmän hyötysuhde voi olla melko huono

- ilma voi aiheuttaa ongelmia järjestelmässä

- jokaiselle järjestelmälle tarvitaan yleensä oma koneikko

14.2 Hydraulijärjestelmän suunnittelu

1. Selvitetään suunnittelun lähtötiedot:

annettu tehtävä, toimilaitteet, kuormituksen laatu, kuormasta aiheutuvat mekaaniset

voimat (hitausvoimat)

ympäristö

laitteiden sijoittelu (lay-out)

järjestelmältä vaadittu kestoikä

toteutusaikataulu

kustannustavoitteet

erikoisvaatimukset (tietyn valmistajan komponentit)

järjestelmän työkierto

muut toteutusmahdollisuudet

2. Laaditaan järjestelmästä toimintakaavio, joka esittää ajan funktiona toimilaitteiden

toiminnan ja ohjausimpulssit.

3. Valitaan avoin tai suljettu hydraulijärjestelmä.

4. Valitaan järjestelmälle alustava nimellispaine.

5. Valitaan tarkoitukseen sopivien komponenttien tyypit (sylinterit, moottorit, pumppu ja

venttiilit).

6. Piirretään järjestelmästä hydrauliikkakaavio standardipiirrosmerkeillä ja

tarkastellaan toimintaa ja eri kytkentävaihtoehtoja.

7. Lasketaan toimilaitteiden dimensiot annettujen kuormitusten pohjalta.

83

8. Dimensioista ja nopeusvaatimuksista päästään tarvittavaan tilavuusvirtaan, jolloin

voidaan laatia tilavuusvirtakuvio esim. ajan funktiona.

9. Arvioidaan uudestaan järkevää toteutustapaa (pyritään mahdollisimman pieniin

tehohäviöihin).

10. Valitaan järjestelmälle sopiva ohjaus (usein sähköinen).

11. Tarkistetaan toimilaitteiden tehontarpeet ja järjestelmän paine. Lasketaan

hydraulipumpun ja käyttömoottorin tekniset arvot.

12. Varustetaan hydrauliikkakaavio tarvittavilla lisälaitteilla (painemittarit, suodattimet,

liittimet jne.)

13. Valitaan komponentit valmistajien luetteloista. Huomioidaan komponenttien

saatavuus, yhteensopivuus ja huolto.

14. Lasketaan sopivat putkikoot (imu-, paine- ja paluuputket) ja letkut.

Putkistohäviöiden laskemista varten on olemassa nomogrammeja ja valmiita

tietokoneohjelmia.

15. Selvitetään eri komponenteissa syntyvät tehohäviöt (hyötysuhteet).

16. Työkierron perusteella lasketaan järjestelmän tehohäviö ja lämpötasapaino

(tarvitaanko jäähdytysjärjestelmää?).

17. Valitaan säiliön koko, muoto, putkiliittimet jne.

18. Selvitetään asennusnäkökohdat ja eri sijoittelumahdollisuudet.

19. Tehdään kustannuslaskelmat ja kustannusarvio

20. Laaditaan lopullinen hydrauliikkakaavio komponenttiluetteloineen.

21. Tehdään asennusjärjestyssuunnitelma ja -aikataulu sekä asennuskuvat.

Paineen valinta:

Tärkeä lähtökohta järjestelmän mitoituksessa on painealueen valinta. Yleensä

toimilaitteelta vaaditaan tietty teho. Hydraulinen teho on paineen ja tilavuusvirran tulo.

Lisäämällä painetta voidaan pienentää tilavuusvirtaa ja päinvastoin. Usein pyritään

käyttämään mahdollisimman korkeaa painetta hydraulijärjestelmässä.

Tällä saavutetaan seuraavia etuja tilavuusvirran pienentyessä:

- toimilaitteen koko saadaan pieneksi

- putket ja venttiilit ovat pieniä

- pienituottoinen pumppu sallii suuremman pyörimisnopeuden

84

- järjestelmän kokonaispaino saadaan pieneksi , laite ja asennuskustannukset

pienenevät

Vastaavasti korkeasta paineesta on seuraavia haittoja:

- komponenteilta ja väliaineelta vaaditaan suurempaa paineenkestoa

- nesteen kokoonpuristuminen saattaa kasvaa , komponenteissa on pienet välykset

(tukkeentumisvaara)

- komponentit ovat äänekkäitä, kestoikä voi lyhentyä

Hydraulijärjestelmän paine on riippuvainen aina toimilaitteen kuormituksesta. Suunnan

muutoksissa voi syntyä painehuippuja hitauskuormien ansiosta.

14.3 Hydraulijärjestelmän mitoitusesimerkki

Alla oleva kuva esittää hydraulijärjestelmää, jossa on hydraulimoottorikäyttöinen kuljetin

ja hydraulisylinterikäyttöinen työnnin, joka työntää kappaleet pois kuljettimelta rulla-

radalle.

Kuva 14.1 Laitteiston rakennekuva.

Mitoituksen lähtöarvoina ovat seuraavat tiedot

Hydraulimoottorikäyttö:

- käynnistysmomentti 1200 Nm, jossa on lepokitka ja kuljettimen kiihdytys

- jatkuva käyttömomentti 750 Nm

- moottorin pyörimisnopeus on säädettävissä alueella 0,33...0,58 r/s

- moottori pyörii vain yhteen suuntaan

- moottorilta ei vaadita jarrutusta

- toiminta-aika maksimi 45 min/h

- moottorin akselille ei kohdistu radiaalikuormitusta

- moottorin etäisyys koneikosta on n. 10 m

85

Hydraulisylinterikäyttö:

- suurin voimantarve 35 kN, jossa on huomioitu kiihdytys ja kitkat

- paluuliikkeessä voima ei ole merkityksellinen

- sylinterin iskunpituus on 600 mm

- työntönopeus on 0,16 m/s

- paluunopeus on vähintään sama

- toiminta enintään 300 kertaa tunnissa

- etäisyys koneikosta on noin 10 m

Järjestelmätyypin valinta:

Suljettu järjestelmä sopii hyvin hydraulimoottorikäyttöön, mutta sylinterikäyttö puoltaa

avoimen järjestelmän käyttöä. Koska siirrettävä teho on pieni eikä moottorilta vaadita

suunnanvaihtoa, valitaan käyttöön avoin järjestelmä.

Paineen alustava valinta:

Koska moottoripiirin maksimipaine esiintyy hetkellisenä käynnistyksen yhteydessä,

pyritään tämä paine määräämään mahdollisimman korkealle. Usein saatavilla olevat

komponentit määräävät maksimipaineen. Vaadittaessa luotettavuutta ja pitkää kestoikää ei

painetta kannata nostaa liian korkealle. Sylinterikäytössä paine vaikuttaa voiman ja pinta-

alan suhteeseen. Männänvarren nurjahdusmahdollisuus on myös otettava huomioon.

Valitaan alustavasti paineeksi 15 MPa (paine olisi voitu valita korkeammaksikin).

86

Komponenttien valinta:

Kuljettimen moottorin pyörimisnopeuden säätö pumpun antamaa tilavuusvirtaa

muuttamalla olisi hyötysuhteen kannalta hyvä ratkaisu. Kuitenkin pieni teho ja säätöalue

pyörimisnopeudessa puoltavat muita ratkaisuja. Toisaalta säätötilavuuspumppu on melko

kallis ratkaisu. Valitaan tässä tapauksessa virransäätöventtiili pyörimisnopeuden säätöön.

Sylinteri- ja moottorikäyttö voitaisiin hoitaa yhdellä vakiotilavuuspumpulla ja

päävirtauksen säädöllä. Tämä aiheuttaa kuitenkin kuormien vaihtelun vuoksi

kohtuuttomasti tehohäviötä Lämmönmuodostusta voidaan hieman vähentää valitsemalla

sylinterin halkaisija ja moottorin kierrostilavuus siten, että kummankin järjestelmän

maksimipaineet ovat samansuuruisia. Tämä johtaa helposti suureen sähkömoottoriin,

koska kaikki toiminnat vaativat maksimitehon samanaikaisesti.

Valitaan kummallekin piirille oma pumppu. Valitaan hydraulimoottorille sivuvirtauksen

säätö ja vakiotilavuuksinen pumppu. Koska hydraulisylinteri ei tarvitse nopeuden säätöä,

valitaan myös sen käyttöön vakiotilavuuksinen pumppu. Jotta vältytään kahden

sähkömoottorin käytöltä valitaan kaksoispumppu. Hydraulimoottoriksi valitaan

hidaskäyntinen hydraulimoottori ja hydraulisylinteriksi valitaan kaksitoiminen sylinteri.

Hydraulimoottorin ohjaukseen ei käytetä suuntaventtiiliä, vaan vapaakierto hoidetaan

vapaakierto-/paineenrajoitusventtiilillä. Hydraulisylinteriä ohjataan 4/3-suuntaventtiilillä

(sähköohjaus ja vapaakierto pumpulle keskiasennossa). Suodatukseen valitaan paluuvirta-

suodatus.

Hydraulikaavio:

Seuraava kuva esittää järjestelmän hydraulikaaviota. 4/3- suuntaventtiilin keloilla Y1 ja

Y2 saadaan sylinteri liikkumaan edestakaisin. Venttiilin keskiasennossa pumppu on

vapaakierrolla. Toinen pumppu kytketään vapaakierrolle, kun kela Y3 on jännitteetön.

Kelojen jännitteeksi valitaan tasavirtajännite 24 V. Ohjauslogiikka voidaan toteuttaa esim,

releillä. Toimilaitteet kytketään järjestelmään letkuilla, jotta sallitaan vapaampi kiinnitys

toimilaitteille. Kummankin pumpun painetaso on säädettävissä erikseen sopivan

suuruiseksi. Vastaventtiilien tehtävänä on huolehtia siitä, että öljy ei pääse virtaamaan

väärinpäin pumppuihin. Järjestelmällä on yhteinen paluuvirtasuodatin.

87

88

89