Juho Rautio BETONIRUISKUTUSLAITTEEN MUUTOS HYDRAULITOIMISEKSI

Transkriptio

1 Juho Rautio BETONIRUISKUTUSLAITTEEN MUUTOS HYDRAULITOIMISEKSI

2 BETONIRUISKUTUSLAITTEEN MUUTOS HYDRAULITOIMISEKSI Juho Rautio Opinnäytetyö Kevät 2011 Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Oulun seudun ammattikorkeakoulu

3 TIIVISTELMÄ Oulun seudun ammattikorkeakoulu Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma, tuotantotalous Tekijä: Juho Rautio Opinnäytetyön nimi: Betoniruiskutuslaitteen muutos hydraulitoimiseksi Työn ohjaaja: Eero Korhonen Työn valmistumislukukausi ja -vuosi: kevät 2011 Sivumäärä: liitettä Opinnäytetyön aiheena oli suunnitella sähkökäyttöisen betoniruiskun muutos hydraulitoimiseksi. Ongelmana on ollut sähkömoottorin suuri virrankulutus. Koska työmailla yleisesti käytössä olevat sulakkeet eivät kestä kulutuksesta aiheutuvia virtapiikkejä, betoniruiskuttaminen keskeytyy. Työn tilaaja Concretec Oy etsi vaihtoehtoista ratkaisua ja päätyi hydraulijärjestelmän käyttöön. Tilaaja oli hankkinut ennalta hydraulimoottorin ja miettinyt hydraulista energiaa tuottavan voimanlähteen. Nämä komponentit asettivat työlle tiettyjä rajoituksia. Muutoin laitteen suunnittelulle annettiin melko vapaat kädet. Hydraulijärjestelmän mitoittaminen aloitettiin tutustumalla laitteistoon tilaajan tiloissa Oulunsalossa. Siellä tehtiin muistiinpanoja laitteiston teknisistä tiedoista ja itse ruiskutusprosessista. Sitten aloitettiin aiheen opiskelu ja sopivien komponenttien vertailu. Kun valmiista laitteistosta oli mielikuva, aloitettiin tehojen laskenta. Lähtökohtana oli jo hankittu hydraulimoottori, jonka mukaan kaikki muut komponentit valittiin. Laitteisto mitoitettiin aika karkeasti, koska vielä ei tiedetä komponenttien tarkkaa sijoituspaikkaa ja esimerkiksi betoniruiskutuslaitteen käynnistystilanteessa tarvittava vääntömomentti on arvioitu. Lopulliseksi ratkaisuksi saatiin edullinen ja rakenteeltaan yksinkertainen hydraulijärjestelmä. Laitteiston yksinkertaisuus mahdollistaa edullisuuden ja toimintavarmuuden. Laite hyödyntää betoniruiskutustyötä tehdessä työmaalla olevaa dieselkäyttöistä polttomoottoria, joka toimii myös paineilmakompressorin voimanlähteenä. Hydraulijärjestelmästä tehtiin hydrauliikkakaavio ja valittiin tarvittavia komponentteja esimerkiksi ja avuksi. Tätä opinnäytetyötä yhdessä hydrauliikkamyyjien asiantuntemusta apuna käyttäen voidaan tilata tarvittavat komponentit ja valmistaa laitteisto. Asiasanat: Betoniruiskutus, hydrauliikka, hydraulijärjestelmä, hydrauliikan mitoitus 3

4 SISÄLLYS TIIVISTELMÄ SISÄLLYS MERKKIEN SELITYKSET 6 1 JOHDANTO 7 2 RUISKUBETONOINTI KUIVASEOSTEKNIIKALLA Käyttökohteet Prosessi Ruiskuttaminen 9 3 HYDRAULIIKKA Yleistä Hydraulipumput Hydraulimoottorit Ohjaus ja säätö Huolto ja öljyt 16 4 ANALYYSI NYKYLAITTEISTOSTA 18 5 BETONIRUISKUN HYDRAULIIKAN MITOITUS Työn lähtötiedot Komponenttien valinta Hydraulimoottori Vaihteisto Hydraulipumppu ja säiliö Suuntaventtiili Paineenrajoitusventtiili Vastusventtiili Vastaventtiili Letkut ja liittimet Painehäviöt ja kertavastukset Tehojen tarkastelu Moottori Pumppu Lämpöhäviötehot ja jäähdytin 33 4

5 6 BETONIRUISKUN KÄYTTÖ Turvallisuus Käyttöönotto Huolto ja öljyt 37 7 YHTEENVETO 38 LÄHTEET 40 LIITTEET Liite 1 Lähtötietomuistio Liite 2 Tekniset tiedot Meyco GM Liite 3 Planeettavaihde Liite 4 Hydrauliikkakaavio Liite 5 Piirrosmerkit 5

6 MERKKIEN SELITYKSET P = teho T = vääntömomentti n = pyörimisnopeus p = paine q = tilavuusvirta = hyötysuhde 6

7 1 JOHDANTO Opinnäytetyön tilaajana toimii Concretec Oy, joka on betonirakenteiden tiivistämisen ja vahvistamisen erikoisasiantuntija. Yrityksen palveluihin kuuluvat suunnittelupalvelut, konsultointi, rakennekorjaukset, injektointi, ruiskubetonointi, ankkurointityöt, poraukset, vedenalaiset rakennekorjaukset ja höyrytyspalvelut. (Concretec Oy. 2011, linkit Palvelut.) Opinnäytetyön lähtökohtana on Concretec Oy:n tarve saada betoniruiskutuslaitteisto, joka ei ole riippuvainen sähköverkosta. Ongelmana on ollut betoniruiskua pyörittävän sähkömoottorin suuri virran tarve. Työmailla suurin yleisesti käytössä oleva sulake ei riitä kuormitetulle sähkömoottorille. Tilaaja on päättänyt vaihtaa sähkötoimisen moottorin hydraulitoimiseen ja poistaa virransaanti ongelma kokonaan. Hydraulimoottori on jo hankittu ja voimanlähdekin on tiedossa. Betoniruiskuttamiseen tarvitaan paineilmaa, jota tuotetaan ilmakompressorilla. Kompressoria pyörittää Deutz-Fahrin kuusisylinterinen dieselmoottori, joka on aina työmaalla tehtäessä betoniruiskutustöitä. Ajatuksena on ottaa tältä polttomoottorilta käyttöteho myös betoniruiskun pyörittämiseen. (Liite 1.) Vaatimuksena on, että laitteen kierrosnopeutta tulisi voida säätää helposti. Tällä varmistetaan se, että betonimassan määrä saadaan halutuksi ruiskutusprosessissa. Säädettävyydellä on myös suora vaikutus laatuun. Betoniruiskuttaminen on myös saatava keskeytettyä haluttaessa nopeasti. Laitteen käyttö ja turvallisuus on myös huomioitava. Tilaajan kanssa sovittiin hydraulijärjestelmän mitoitettavan siten, että mitoitusta apuna käyttäen voidaan hankkia osat ja rakentaa laitteisto. Yrityksessä on omaa osaamista koneiden rakentamisesta, ja se aikookin valmistaa laitteiston itse. 7

8 2 RUISKUBETONOINTI KUIVASEOSTEKNIIKALLA 2.1 Käyttökohteet Pääasialliset käyttökohteet ovat betoni- ja tiilirakenteiden korjaukset ja kalliorakenteiden vahvistus. Suomessa ruiskubetonointia on käytetty yleensä kalliovahvistukseen. Muita yleisiä pinnoituskohteita ovat latomukset, maaluiskat, sillat ja hissikuilut. Menetelmän etuja ovat pieni muotintarve, hyvä pumpattavuus, ohuiden vapaamuotoisten rakenteiden luotettava betonointi ja erilaisten pohjamateriaalien pinnoitusmahdollisuus. Uusilla betonimassoilla ja laitteistoilla saavutetaan korkealuokkainen lopputulos. Menetelmällä voidaan myös tehdä vaativia betonirakenteiden korjauskohteita käyttäen erilaisia valmislaasteja ja pintarakenteita. (Concretec Oy. 2011, linkit Palvelut -> Ruiskubetonointi.) Ruiskubetonointi on jakautunut kahteen eri perustekniikkaan, jotka poikkeavat toisistaan laitteistojen ja betonimassan suhteen. Märkäseostekniikka eroaa kuivaseostekniikasta siten, että valmiiksi sekoitettu betonimassa pumpataan ruiskusuuttimelle eikä veden lisäystä tarvita. Märkäseostekniikan pääasiallisia käyttökohteita ovat suuret ruiskutettavat pinnat kuten kalliorakenteiden vahvistaminen. (Concretec Oy. 2011, linkit Palvelut -> Ruiskubetonointi.) 2.2 Prosessi Tekniikka perustuu laitteistoon (kuva 1), jossa maakostea betoniseos puhalletaan paineilmalla jopa 100 metriä pitkällä siirtoletkulla betonointipaikalle. Siirtoletkun päässä olevalla ruiskusuuttimella lisätään tarvittava vesi betoniseokseen. Laitteistoa on viime vuosina kehitetty siten, että se mahdollistaa korkealuokkaisten kuivabetonien käytön ja soveltuu erinomaisesti betonirakenteiden korjaukseen. Kehittynyt kuivaseostekniikka on avannut lisämahdollisuuksia myös betonituoteteollisuudelle. Tekniikan avulla voidaan valmistaa entistä monimuotoisempia ja kevyempiä betonituotteita kohtuullisin kustannuksin. (Concretec Oy. 2011, linkit Palvelut -> Ruiskubetonointi.) 8

9 KUVA 1. Laitteiston toimintaperiaate (Rockcrete Co. 2011, linkit -> Rockcreter 95 -> Manual) Betoniruiskun sisällä oleva revolveri pyörii ja päästää betonimassaa letkuun. Betonimassaa siirretään letkussa paineilman avulla ruiskutussuuttimelle. Kun betonimassa on saapunut ruiskutussuuttimelle asti, lisätään siihen haluttu vesi määrä. Ruiskutussuuttimen halkaisija on letkun halkaisijaa pienempi, joten virtausnopeus kasvaa suuttimella ja lennättää valmiin betonimassan ruiskutettavaan kohteeseen. 2.2 Ruiskuttaminen Ruiskuttaminen tapahtuu työpareittain. Toinen työntekijöistä pitää letkua kädessä ja ohjaa betonimassan haluttuun paikkaa halutulla voimakkuudella letkun päässä olevasta massasuuttimesta (kuva 2). Hän myös säätää betonimassan kosteutta niin ikään letkun päässä olevalla vesisuuttimella. Toinen työntekijöistä on koneiden käyttäjä. Hän valvoo paineilman tuottoa ja syöttää betoniruiskuun betonia niin, ettei se pääse milloinkaan loppumaan. He ovat radiopuhelimen välityksellä koko ajan yhteydessä. Ruiskuttaja kertoo koneenkäyttäjälle betonia syötettävän määrän ja koneenkäyttäjä voi säätää betoniruiskun pyörimisnopeutta haluttuun suuntaa. Koneen käyttäjä pysäyttää laitteiston käskyn saatuaan tai mahdollisen ongelman ilmaantuessa. (Alatarvas ) 9

10 KUVA 2. Ruiskuttaja työssä (Betola Oy. 2011, linkit -> Betonikorjaukset -> Ruiskubetonointi) 10

11 3 HYDRAULIIKKA 3.1 Yleistä Hydrauliset tehonsiirtojärjestelmät muuttavat mekaanisesti tuotetun energian hydrauliseksi tehoksi. Mekaaninen teho siis siirtyy hydrauliseksi paineeksi ja tilavuusvirraksi. Tehoa välittävänä aineena on neste. Mekaaninen energia tuotetaan tavallisimmin sähkö- tai polttomoottorilla. Työkohteen toimilaitteet muuttavat hydraulisen energian takaisin mekaaniseksi energiaksi. (Kajaste Kauranne Vilenius 2008, 1.) Hydraulisten järjestelmien etuina muihin tehonsiirtotapoihin on joustavuus ja komponenttien hyvä teho-painosuhde. Teho siirtyy putkia pitkin, ja putket voidaan kuljettaa käyttökohteeseen sopivaa reittiä pitkin. Kun komponentit ovat tehokkaita, mutta pienikokoisia, on niidenkin sijoittaminen helppoa. Koska hydraulikomponentteja valmistetaan useissa eri maissa ja tuotantolaitoksissa, ovat yhteiset standardit tärkeitä. Komponenttien ominaisuudet ja testausmenetelmät on pääosin standardoitu. Näitä standardoituja ominaisuuksia ovat esimerkiksi nimellispaineet, liitäntämitat ja komponenttien koot. (Kajaste, ym. 2008, 1). Hydrauliikkaa käytetään yhä enemmän teollisuudessa ja liikkuvan kaluston koneissa ja laitteissa. Teollisuuden puristimet, valssit, paperikoneet ja työstökoneiden työliikkeet ovat usein hydrauliikalla toteutettuja. Liikkuvan kaluston maatalouskoneet ja kaivurit sekä erilaiset nostimet ovat hydraulisia. (Kajaste, ym. 2008, 2). 3.2 Hydraulipumput Pumpuilla muutetaan mekaaninen teho hydrauliseksi. Mekaaninen teho on useimmiten pyörivän liikkeen muodossa, sillä teholähteenä käytetään tavallisesti sähkö- tai polttomoottoria. Hydrauliikassa käytettävät pumput toimivat yleensä syrjäytysperiaatteella, jolla tarkoitetaan pumpun syrjäytyskammioiden koon jaksottaista vaihtelua. Se voidaan toteuttaa esimerkiksi edestakaisin liikkuvan männän avulla. Syrjäytysperiaatteella toimivassa pumpussa kukin yksittäinen 11

12 syrjäytyskammio suorittaa vähintään yhden imu- ja painejakson yhtä käyttöakselin kierrosta eli työkiertoa kohti. Näistä jaksojen vuoroittaisista vaihteluista seuraa, että pumpun tuottama tilavuusvirta vaihtelee eli sykkii. Vaihtelun suuruus riippuu pumpputyypistä ja kammioiden lukumäärästä. Tämä aiheuttaa taas järjestelmän paineen sykkimisen. Järjestelmään syntyy paine vasta silloin, kun pumpun tuottaman tilavuusvirran kulkua vastustetaan esimerkiksi sylinterin liikuttaman kuorman avulla. (Keinänen Kärkkäinen 2003, 120.) Rakenteellisesti pumppu voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Käytännössä pumput voidaan luokitella lähes poikkeuksetta hammaspyöräpumppuihin, ruuvipumppuihin, siipipumppuihin ja mäntäpumppuihin (kuvat 4, 5, 6 ja 7). Toimintaperiaate on kaikissa sama. Teollisuudessa käytetään pumpun käyttömoottorina sähkömoottoria, jonka pyörimisnopeutta ei aina voida muuttaa. Tällöin vakiotilavuuspumppu antaa tietyn vakiona pysyvän tilavuusvirran. Säätötilavuuspumpulla voidaan tilavuusvirtaa muuttaa käyttömoottorin pyörimisnopeudesta riippumatta. Liikkuvassa kalustossa pumpun käyttömoottorina on yleensä polttomoottori, jolloin sen pyörimisnopeuden muutoksella voidaan vaikuttaa pumpun tuottamaan tilavuusvirtaan. (Kajaste, ym. 2008, 137.) Rakenteen mukaan saavutetaan pumpuille erilaisia ominaisuuksia esimerkiksi hyötysuhteen, käyttöpaineen, pyörimisnopeuden tai säädettävyyden osalta. Esimerkiksi mäntäpumpuilla (kuva 6) saadaan tuotettua korkea paine, mutta sen tilavuusvirta ei välttämättä ole riittävän tasaista. Jos halutaan tilavuusvirran olevan tasaista eikä haluta korkeita paineita, valitaan käytettäväksi ruuvipumppu (kuva 7). Nykyaikaisessa mobilekäytössä mäntäpumput ja hammaspyöräpumput (kuva 3) ovat syrjäyttäneet siipipumput (kuva 4) paremman toimintavarmuuden ja hyötysuhteen ansiosta. (Kajaste, ym. 2008, 151.) 12

13 Seuraavassa on esitetty kuvia yleisimmistä pumppumalleista. KUVA 3. Hammaspyöräpumpun rakenne (Kajaste - Kauranne Vilenius 2008, 151) KUVA 4. Roottoripumpun rakenne ja toimintaperiaate (Kajaste - Kauranne Vilenius 2008, 154) 13

14 KUVA 5. Säätötilavuuksinen yksikammioinen siipipumppu (Kajaste - Kauranne Vilenius 2008, 158) KUVA 6. Mäntäpumppu (Edupoli Oy. 2011, linkit -> Kemiantekniikka -> Mäntäpumppu) 14

15 KUVA 7. Ruuvipumppu (Edupoli Oy. 2011, linkit -> Kemiantekniikka -> Ruuvipumppu) 3.3 Hydraulimoottorit Hydraulimoottorit muuntavat pumppujen tuottaman hydraulisen energian takaisin mekaaniseksi energiaksi eli pyörimisliikkeeksi. Rakenteeltaan moottorit muistuttavat paljon pumppuja ja joitakin niistä onkin mahdollista käyttää sekä moottoreina että pumppuina. Edellisessä luvussa (3.2) esitetyt pumpputyypit toimivat siis käänteisesti moottoreina. Rakenteeltaan ne ovat samanlaisia eli toimivat syrjäytysperiaatteella. Moottorit voidaan jakaa pyörimisnopeutensa mukaan hidaskäynti-, keskikäynti- ja nopeakäyntimoottoreihin. Todellisuudessa moottorit voivat kattaa useita eri nopeusalueita, eikä jaottelu ole näin ollen aina selvä. (Kajaste, ym. 2008, 173.) 15

16 Rakenteeltaan hydraulimoottorit voivat olla pumppujen tavalla hammaspyörä-, siipi- tai mäntämoottoreita. Lisäksi ne voivat olla vakio- tai säätötilavuuksisia. Koska niiden pyörimisnopeutta on voitava säätää, on oltava erilaisia säätötapoja. Vakiotilavuusmoottoreita säädetään niille tulevan tilavuusvirran määrää säätämällä. Säätötilavuusmoottoreita säädetään muuttamalla niiden kierrostilavuutta, jolloin pyörimisnopeus muuttuu tilavuusvirran pysyessä vakiona. (Keinänen Kärkkäinen 2003, 219). 3.4 Ohjaus ja säätö Hydraulijärjestelmissä tarvitaan erilaisia venttiilejä säätämään ja ohjaamaan järjestelmän toimintoja. Esimerkiksi halutaan muuttaa hydraulimoottorin suuntaa tai on rajoitettava pyörimisnopeutta. Lisäksi koko järjestelmä on suojattava paineiskuilta, jotka voivat vaurioittaa putkistoja ja toimilaitteita. Toimintojen toteuttamiseen käytetään venttiilejä, jotka jaotellaan toimintojensa mukaan. Paineventtiileillä säädetään hydraulijärjestelmän painetta tai toimintaa. Virtaventtiileillä säädetään järjestelmän tilavuusvirtaa. Suuntaventtiileillä ohjataan tilavuusvirtaa järjestelmän eri osiin. Erikoisventtiilejä ovat servo-, proportionaalija patruunaventtiilit. Niillä voidaan toteuttaa edellä mainittujen toimintojen lisäksi useita erikoistoimintoja. (Keinänen Kärkkäinen 2003, 176). 3.5 Huolto ja öljyt Hydraulijärjestelmän pitkän ja häiriöttömän toiminnan varmistamiseksi järjestelmää on huollettava säännöllisesti. Yleisimpiä huoltotoimenpiteitä ovat öljynvaihdot ja suodattimienvaihdot. Nesteen sisältämien epäpuhtauksien määrän kasvu nopeuttaa komponenttien kulumista ja nesteen vanhenemista. Tämä taas johtaa laitteiston toimintahäiriöiden määrän kasvuun. Komponentteja asennettaessa ja järjestelmiä huollettaessa on syytä noudattaa erityistä huolellisuutta. Putkiston sisään jää helposti metallilastuja, hiomapölyä, hitsausroiskeita ja saumausaineita. Osa epäpuhtauksista voi olla kovempaa ainetta kuin itse komponenttipinnat, jolloin ne voivat järjestelmälle hyvin vaarallisia. (Kajaste, ym. 2008, 373.) 16

17 Hydraulijärjestelmän parhaan hyötysuhteen varmistamiseksi on tärkeää, että nesteen lämpötila pysyy tiettyjen rajojen sisäpuolella. Sopivan käyttölämpötilan ylläpitämiseksi nestettä saatetaan joutua jäähdyttämään tai lämmittämään. Kun lämpötila on järjestelmälle ja nesteelle liian korkea, aiheuttaa se viskositeetin arvon laskun myötä suuremmat vuotohäviöt ja nesteen voiteluominaisuudet huononevat. (Kajaste, ym. 2008, 397.) Lisäksi korkeat lämpötilat vaurioittavat tiivisteitä. Liian alhainen lämpötila aiheuttaa nesteen viskositeettiarvon kasvamisen. Tämä kasvattaa virtauksessa kitkahäviöitä, jolloin myös kavitaatiovaara pumpun imukanavassa kasvaa. Jäykempi neste ei pysty tunkeutumaan ahtaisiin välyksiin yhtä tehokkaasti kuin notkeampi neste. Komponenttien toisiinsa nähden liikkuvat osat pääsevät näin ollen koskettamaan toisiaan ja kuluminen nopeutuu. (Kajaste, ym. 2008, 397.) 17

18 4 ANALYYSI NYKYLAITTEISTOSTA Betoniruisku on BASF Oy:n tekemä ja tarkoitettu kuivaruiskubetonointiin. Ruisku pyörii sähkömoottorilla, jonka maksimiteho on 7,5 kw. Ruiskun pyörivä osa on niin sanottu revolveri, joka on varustettu yhdeksällä 50 mm halkaisijaltaan olevalla reiällä. Revolvereita on saatavana erilaisia, mutta tämä malli on Concretec Oy:n käytössä. Tarkemmat tekniset tiedot ovat liitteessä 6. Revolveri annostelee kierrosnopeutensa mukaan kuivabetonin määrän, mitä korkeampi kierrosnopeus on sitä enemmän massaa se tuottaa. Revolverin alla on vaihteisto, joka alentaa sähkömoottorin kierrosnopeuden betoniruiskulle sopivaksi. (Alatarvas ) Kuivabetoni siirretään letkua pitkin ruiskutuspaikalle. Etäisyys voi olla jopa sata metriä. Siirtäminen tapahtuu paineilman avulla, joka tuotetaan erillisellä paineilmakompressorilla. Sen paineilman tuotto on noin 8 m 3 /min ja paine 6 bar. Ruiskutussuuttimen päässä olevasta vesiuuttimesta lisätään vielä tarvittava määrä vettä valmiin seoksen aikaansaamiseksi. (Alatarvas ) KUVA 8. Betoniruisku (BASF Oy. 2011, linkit -> Tuotteet -> Ruiskubetonointikalustot -> Meyco GM) 18

19 Betoniruiskussa on alennusvaihteisto, joka muuttaa sähkömoottorin pyörimisnopeuden revolverille sopivaksi. Vaihdelaatikko on sellainen kokonaisuus, että sen välityksiä on vaikea lähteä muuttamaan, koska valmiiden osien hankkiminen on vaikeaa tai jopa mahdotonta. Tarvittavat hammasrattaat voisi kuitenkin suunnitella ja teettää, mutta se tulisi erittäin kalliiksi. Taloudellisin vaihtoehto on nostaa hankitun hydraulimoottorin kierrokset vaihteiston avulla vastaamaan sähkömoottorin pyörimisnopeutta ja antaa betoniruiskun vaihdelaatikon olla entisellään. Voi vaikuttaa epäedulliselta ensin nostaa pyörimisnopeutta ja heti perään laskea sitä, mutta tämä tuntuu kuitenkin järkevimmältä vaihtoehdolta. Aluksi on määriteltävä sähkömoottorin vääntömomentti rpm:n kohdalla, jolloin teho on 7,5 kw (liite 2). Laitteen teknisissä tiedoissa pyörimisnopeudeksi ilmoitetaan rpm, mutta käytetään yksinkertaisuuden vuoksi arvoa rpm. Vääntömomentti lasketaan kaavalla 1, joka on johdettu tehon kaavasta (SKS-mekaniikka Oy, 31). Vääntömomenttia tarvitaan myöhemmin mitoitettaessa hydraulimoottorille sopivaa vaihdetta. Koska vaihteelta ulos tulevan pyörimisnopeuden on vastattava sähkömoottorin kierrosnopeutta, pitää huomioida myös moottorin vääntömomentin riittävyys. P T n P 9550 T 9550 n KAAVA 1 P = teho (kw) T = vääntömomentti (Nm) n = pyörimisnopeus (1/min) Sijoitetaan tarvittavat arvot kaavaan 1. 7,5kW 9550 T 48Nm 1500rpm Tarvittavaksi vääntömomentiksi saatiin siis 48 Nm rpm:n kohdalla. 19

20 Seuraava tarkasteltava asia on polttomoottorin tehon 83 kw:n riittävyys. Polttomoottori pyörittää myös paineilmakompressoria. Sen tehon kulutus on selvitettävä, jotta tiedetään paljonko 83 kw:sta jää hydraulisen energian tuottamiseen. Paineilmakompressorin tuotto on 8 m 3 /min ja 6 bar:n paineista ilmaa. Kompressorin tarvitsemaa tehoa ei lähdetty laskemaan, vaan katsottiin Kaeserin esitteestä vastaavan ruuvikompressorin tarvitsema teho. Esitteen mukaan kompressorin käyttämiseen tarvittava teho on 45 kw (Kaeser kompressorit Oy. 2011, linkit -> Esitteet -> BSD-sarja.) Polttomoottorin tehosta paineilmakompressori käyttää 45 kw, jolloin hydraulisenenergian tuottamiseen jää tehoa 38 kw. Tämä teho riittää helposti hydraulisen energian tuottamiseen, koska korvattavan sähkömoottorin teho on 7,5 kw. 20

21 5 BETONIRUISKUN HYDRAULIIKAN MITOITUS 5.1 Työn lähtötiedot Mitoituksen lähtökohtana voidaan pitää sähkömoottoria, jonka maksimi kierrosnopeus on rpm tehon tuolloin ollessa 7,5 kw (liite 2) ja tarvittu vääntömomentti 48 Nm. Betoniruiskun käynnistyksessä tarvittavaa vääntömomenttia ei tiedetä, joten se täytyy päätellä. Toinen suunnittelussa huomioitava asia on valmiiksi hankittu hydraulimoottori. On kuitenkin tarkasteltava selviytyykö moottori kyseisestä tehtävästä ja onko sitä näin ollen mahdollisista käyttää. Hydraulipumppu mitoitetaan moottorin tarvitseman tilavuusvirran ja painetason mukaan. Hydraulipumppu ottaa käyttövoimansa polttomoottorilta 83 kw, jonka tehosta pumppu voi käyttää vajaan 38 kw. 5.2 Komponenttien valinta Komponenttien valinnassa jo hankittu hydraulimoottori on määräävä tekijä. Sen ympärille valitaan muut komponentit ja mitoitetaan laitteisto. Hydraulipumpun valinnassa polttomoottorin pyörimisnopeus rpm on huomioitava siten, että niiden väliin ei tarvitsisi laittaa erillistä vaihdetta. Lisäksi tiedetään korvatun sähkömoottorin teho 7,5 kw niin voidaan verrata tulevan laitteiston tehoa siihen Hydraulimoottori Hydraulimoottori oli järjestelmään ainut valmiiksi hankittu komponentti. Se on Sauer-Danfossin valmistama orbitaalimoottori malliltaan OMT Kuvasta 9 nähdään, että moottorin tarvitsema tilavuusvirta on 50 l/min kierrosluvun ollessa 200 rpm. Pumpun tuottaman paineen ollessa 200 bar moottorin vääntömomentti on noin 700 Nm. Moottorin tuottama teho näillä arvoilla on 16,7 kw hyötysuhteen pysyessä 83 prosentin tuntumassa. (Oy Sauer-Danfoss Ab. 2011, linkit -> Products -> Orbital motors -> Large motors -> OMT.) 21

22 KUVA 9. Hydraulimoottorin ominaiskuvaaja (Oy Sauer-Danfoss Ab. 2011, linkit -> Products -> Orbital motors -> Large motors -> OMT) Vaihteisto Hydraulimoottorin ja betoniruiskua käyttävän akselin väliin on laitettava vaihde, joka nostaa kierrokset vastaamaan sähkömoottorin tuottamat rpm. Hydraulimoottorin kierrosnopeudeksi on valittu 200 rpm, joten vaihteen tulisi kertoa kierrokset yli seitsemällä. Vaihteen ominaisuuksiin kuuluu, että vääntömomentti alenee samassa suhteessa kuin kierrosnopeus suurenee ja sama pätee myös toisinpäin. Tämä tarkoittaa sitä, että moottorin vääntömomentin tulee olla yli seitsemänkertainen suhteessa betoniruiskua käyttävän akselin vääntömomenttiin nähden. Valitaan käytettäväksi planeettavaihde (kuva 10), joka on kompaktin kokonsa ja korkean hyötysuhteensa ansiosta järkevin vaihtoehto tähän tehtävään. 1- portaisen planeettavaihteen hyötysuhde on 97 %, joten se ei kuluta tehoa merkittävästi. Planeettavaihde voidaan asentaa ns. väärin päin, jolloin se kertoo moottorin kierrokset. Tässä tapauksessa tehdään juurikin tällainen asennus. 22

23 Etsitään Reggiana Riduttorin katalogista (liite 3) sopiva 1-portainen planeettavaihde. Valitaan RR 105/72 M, välityssuhteeltaan 7,2:1. Sen toisioakselin vääntömomentti on 650 Nm ja hetkellisesti se voidaan ylittää, jolloin suurin sallittu arvo on Nm (Reggiana Riduttori. 2011, linkit -> Products -> Planetary gears). KUVA 10. Planeettavaihde (Reggiana Riduttori. 2011, linkit -> Products -> Planetary gears) Sähkömoottorin vääntömomentti on 48 Nm pyörimisnopeuden ollessa rpm. Kun tämä vääntömomentti kerrotaan 7,2:lla, saadaan moottorilta vaadittava vääntömomentti 346 Nm. Huomataan, että moottori selviytyy helposti tästä tehtävästä, koska sen vääntömomentti on tuolloin 700 Nm (kuva 9). Moottorin pyörimisnopeudeksi saadaan tätä vaihdetta käyttämällä 208 rpm. On kuitenkin huomioitava, että käynnistettäessä betoniruiskua tarvittava vääntömomentti on paljon suurempi. Käynnistyksessä tarvittavaa vääntömomentin arvoa ei ole käytettävissä, joten asiassa on luotettava kokemukseen. Tutkiessa asiaa huomattiin, että tarvittava vääntömomentti on keskimäärin kaksinkertainen verrattuna käyntinopeudessa vaadittavaan vääntömomenttiin. Voidaan to- 23

24 deta moottorivaihdepaketin olevan onnistuneesti mitoitettu. Mikäli tämä vääntömomentti ei riitä esimerkiksi tukkeuman vuoksi, on mahdollista nostaa hetkellisesti järjestelmän painetta. Paineen nostolla voidaan saada aikaan jopa 200 Nm:n vääntömomentin lisäys Hydraulipumppu ja säiliö Hydraulipumpulta vaaditaan seuraavia ominaisuuksia. Sen on tuotettava tilavuusvirtaa moottorin tarvitsema 52,4 l/min ja painetta vähintään 220 bar. Ensin on päätettävä halutaanko säätötilavuuspumppu. Sillä voitaisiin säätää pumpun tilavuusvirta halutuksi, vähentää lämmöntuottoa ja säästää energiaa. Koska laitteiston pyörimisnopeutta ei muutella paljoa ja ruiskuttaminen tapahtuu täysillä kierroksilla, säädettävän pumpun edut eivät tule tarpeeksi hyvin esille. Pyritään mitoittamaan vakiotilavuuspumppu mahdollisimman tarkasti moottorin tarvitsemille pyörimisnopeudelle. Valitaan hydraulipumpuksi vakiotilavuuksinen hammaspyöräpumppu, koska tässä tapauksessa ei tarvita mäntäpumpuille ominaista korkeaa paineen tuottoa. Italialaisen OMBF:n valikoimassa on sopiva pumppu (kuva 11). Sen tuotto on polttomoottorin pyörimisnopeuden eli rpm kohdalla 54 l/min. Pumpun malli on HPT-336 ja muut tekniset tiedot ovat: suurin paine 250 bar, maksimi kierrosnopeus rpm, alhaisin sallittu kierrosnopeus 650 rpm, imuliitäntä 1 ja paineliitäntä 3/4. Tällaisia pumppuja myy Hydromarket Oy. Pumppua tilattaessa sen pyörimissuunta on ilmoitettava. (Hydromarket Oy. 2011, linkit -> Tuotteet -> Komponentit -> Hydrauliikkakompomponentit -> Hammaspyöräpumput). 24

25 KUVA 11. Hammaspyöräpumppu HPT-336 (Hydromarket Oy. 2011, linkit -> Tuotteet -> Komponentit -> Hydrauliikkakompomponentit -> Hammaspyöräpumput) Hydraulipumpun ja polttomoottorin väliin asennetaan kytkin, jotta polttomoottoria voidaan käyttää ilman, että pumppu pyörisi. Kytkimiä on saatavana erilaisiin käyttötarkoituksiin soveltuvia, ja niiden valinnassa opastavat hydraulikomponentteja myyvät yritykset. Oikea kytkin valitaan pumpun oston yhteydessä, kun tiedetään akselityyppi. On huomioitava, että polttomoottorin kampiakselin päähän joutuu todennäköisesti teettämään sovitteen, jotta kytkin saadaan siihen kiinni. Hydraulipumpun ja kytkimen asentamisessa polttomoottorin jatkoksi tuenta on tehtävä huolella, koska näihin komponentteihin kohdistuu suuret vääntävät voimat. Hydraulimoottori kytketään siis suoralla välityksellä moottoriin eikä polttomoottorin ja pumpun väliin tarvita erillistä välitystä. Polttomoottorin kierrosnopeus rpm on sopiva nopeus myös pumpulle. Öljysäiliön koon suositusarvo on 2-3 kertaa pumpun tilavuusvirta minuutissa (Keinänen Kärkkäinen 2003, 282). Hydraulipumpun tuotto on 54 l/min, joten säiliön koon tulisi olla väliltä litraa. Valitaan Hydromarket Oy:n valikoimasta 120 litran öljysäiliö mobilekäyttöön (kuva 12). Säiliö on hyvin varustel- 25

26 tu, sillä siinä on pohjamaalaus, täyttökorkki huohottimella, paluusuodatin, tyhjennystulppa ja kiinnitys kannakkeet. Säiliön malli on MS120 ja mitat 470X370X770 mm. Säiliönä suositellaan käytettävän valmista pakettia, jolloin öljynsuodatus ja säiliön ilmanvaihto on otettu oikein huomioon. (Hydromarket Oy. 2011, linkit -> Tuotteet -> Komponentit -> Hydrauliikkakompomponentit -> Öljysäiliöt ja tarvikkeet.) KUVA 12. Öljysäiliö mobilekäyttöön (Hydromarket Oy. 2011, linkit -> Tuotteet -> Komponentit -> Hydrauliikkakompomponentit -> Öljysäiliöt ja tarvikkeet) Suuntaventtiili Betoniruisku on saatava pysäytettyä nopeasti. Valitaan tätä toimintoa suorittamaan 4/2-suuntaventtiili. Venttiilillä ohjataan virtaus moottorille tai säiliöön, sen piirrosmerkki löytyy liitteestä 4. Tähän järjestelmään valitaan vipuohjattu malli, jota ohjataan lihasvoimalla. Halvin ratkaisu olisi normaali palloventtiili, jolla virtaus moottorille voitaisiin myös estää. Tällä ratkaisulla ei kuitenkaan voitaisi toteuttaa pumpun vapaakiertoa, ja sen vuoksi tämä vaihtoehto hylätään. 3/2-26

27 suuntaventtiilillä voitaisiin toteuttaa myös pumpun vapaakierto, mutta sen saatavuus on huonompi. 4/2-suuntaventtiilin voi korvata tai varustaa kauko-ohjauksella, jolloin ruiskuttaja voi itse keskeyttää ruiskutustyön. Tällaisia venttiilejä on saatavilla useilta eri valmistajilta, mutta ne tarvitsisivat toimiakseen sähkökytkentöjä. Mikäli halutaan korvata käsikäyttöinen venttiili kauko-ohjatulla, suositellaan otettavan yhteyttä niitä myyviin yrityksiin ja valittava sopiva venttiili sen tietotaitojen pohjalta. Valintaa tehdessä on huomattava, että venttiilin on läpäistävä tilavuusvirtaa 54 l/min ja paineenkeston tulee olla yli 250 bar Paineenrajoitusventtiili Paineenrajoitusventtiilin tehtävä on rajata hydraulijärjestelmän suurin käyttöpaine. Se suojaa näin järjestelmän komponentteja liian suurelta paineelta. Esimerkiksi suljettaessa tai aukaistaessa jokin järjestelmän venttiili aiheutuu siitä paineisku, jonka paineenrajoitusventtiili pyrkii vaimentamaan. Tämän hydraulijärjestelmän paine halutaan rajata bar:n välille, joten valitaan Hydromarketin valikoimasta punainen paineenrajoitusventtiili. Sen tuotekoodi on TBBE-12 ja koko ¾ tuumaa. Paineenrajoitusventtiilin on kyettävä päästämään koko pumpun tuotto tarvittaessa lävitseen. (Hydromarket Oy. 2011, linkit -> Tuotteet -> Komponentit -> Hydrauliikkakompomponentit -> Paineenrajoittimet.) KUVA 13. Säädettävä vastusventtiili (Hydromarket Oy. 2011, linkit -> Tuotteet - > Komponentit -> Hydrauliikkakompomponentit -> Paineenrajoittimet) 27

28 5.2.6 Vastusventtiili Vastusventtiiliä käytetään virtauksen säätöön. Kyseisessä hydraulijärjestelmässä sen tehtävä on säätää hydraulimoottorin ohivirtausta, jolloin moottorin kierrosnopeus on hallittavissa. Hydromarketin verkkosivuilta löytyy sopiva vastusventtiili tähän tehtävään (kuva 14). Sen malli on FPSB-08 ja koko ½ tuumaa. (Hydromarket Oy. 2011, linkit -> Tuotteet -> Komponentit -> Hydrauliikkakompomponentit -> Muut komponentit.) KUVA 14. Säädettävä vastusventtiili (Hydromarket Oy. 2011, linkit -> Tuotteet - > Komponentit -> Hydrauliikkakompomponentit -> Muut komponentit) 28

29 5.2.7 Vastaventtiili Vastaventtiiliä eli puhekielessä takaiskuventtiiliä tarvitaan, kun halutaan sallia virtaus vain yhteen suuntaan. Kyseiseen hydraulijärjestelmään tarvitaan kaksi vastaventtiiliä. Venttiilien aukeaminen ei saa olla painerajoitettu, sillä ne tulevat paluupuolelle ja virtauksen halutaan olevan mahdollisimman vapaata sallittuun suuntaan. Hydromarketilta löytyy sopiva 1 tuuman kokoinen vastaventtiili (kuva 15). (Hydromarket Oy. 2011, linkit -> Tuotteet -> Komponentit -> Hydrauliikkakompomponentit -> Muut komponentit). KUVA 15. Vastaventtiili (Hydromarket Oy. 2011, linkit -> Tuotteet -> Komponentit -> Hydrauliikkakompomponentit -> Muut komponentit) 29

30 5.3 Letkut ja liittimet Hydrauliletkujen ja putkien valinnassa määrääviä tekijöitä ovat järjestelmän paine ja tilavuusvirta. Tämän hydraulijärjestelmän käyttöpaine voidaan kohottaa jopa 250 bar:in, joten letkujen on kestettävä vähintään se. Letkujen paineen kesto määrittää myös sen materiaalin, rakenteen ja seinämänvahvuuden. Letkun sisähalkaisija voidaan laskea kaavalla 2, kun tiedetään tilavuusvirta, joka tässä tapauksessa on 54 l/min eli 9 *10-4 m 3 /s. d 2* q * v KAAVA 2 d = sisähalkaisija q = tilavuusvirta v = virtausnopeus Lasketaan ensin sisähalkaisija imuputkelle, jonka suositeltava virtausnopeus on 1 m/s. Sijoitetaan arvot kaavaan 3 (Keinänen Kärkkäinen 2003, 277) m / s d 2* 0,034m 34mm *1m / s Saadaan imuputken sisähalkaisijaksi noin 1 ¼ tuumaa. Koska kyseessä on imuputki, jossa ei ole painetta, sen seinämänpaksuus ei ole kovin tärkeä. Käytettäessä hammaspyöräpumppua kavitaatiovaara on pieni, mikäli pumppua ei asenneta kovin paljon säiliön yläpuolelle. Joka tapauksessa pumpun imuliitännässä vallitsevan paineen tulisi olla suurempi kuin valmistajan ilmoittama minimipaine, jotta pumpun imukyky olisi taattu (Kajaste, ym. 2008, 141). 30

31 Seuraavaksi lasketaan pumpulta moottorille menevän letkun sisähalkaisija. Tätä kutsutaan paineletkuksi. Sen suositeltava virtausnopeus on 5 m/s. Sijoitetaan painepuolen arvot kaavaan 2. Letkua hankittaessa on varmistettava sen paineenkesto, jotta se tulee kestämään (Keinänen Kärkkäinen 2003, 277) m / s d 2* 0,015m 15mm *4m/ s Paineletkun sisähalkaisijaksi saadaan 15 millimetriä. Lähin letkukoko on ¾ tuumaa eli noin 19 mm. Letkukoko suurenee hiukan, joten on laskettava todellinen virtausnopeus letkussa kaavalla 3 (Keinänen Kärkkäinen 2003, 277). v 4 q d Sijoitetaan arvot kaavaan 3. KAAVA m / s v 3,2m / s 2 (0,019m ) Saadaan virtausnopeudeksi 3,2 m/s. Se on aika paljon alhaisempi kuin tavoiteltu 5 m/s, mutta hyväksytään se. Lasketaan vielä paluupuolen letkun sisähalkaisija. Sopiva virtausnopeus letkussa on noin 2 m/s. Sijoitetaan paluupuolen arvot kaavaan m / s d 2 0,024m 24mm 3m / s Sopivaksi sisähalkaisijaksi saadaan 24 mm. Valitaan letkukooksi 1 tuuma eli noin 25 mm. Letkukoko kasvaa hiukan, joten virtausnopeus hiukan hidastuu. Näin pienellä nopeuserolla ei ole järjestelmän toiminnan kannalta mitään merkitystä. Paluuletkun ei tarvitse olla yhtä paineenkestävä kuin painepuolen letkun, mutta tämäkin letku kannattaa valita samasta paineluokasta. 31

32 Lisäksi tarvitaan vielä letkuja moottorin ohivirtauksen järjestämiseen ja paineenrajoittimen toimintaa varten. Niiden letkukoossa on huomioitava järjestelmän paine ja tilavuusvirta. Koko pumpun tuoton on voitava kulkea niiden läpi kuristamatta virtausta. Painepuolen letkukoko ja materiaali sopii siis hyvin myös näille letkuille. Liittimet voidaan valita vasta sitten tarkemmin, kun tiedetään komponenttien malli ja tarkka sijoituspaikka. Tiedettäessä letkukoot ja niiden pituudet teetetään letkut oikean mittaisiksi ja puristetaan niihin holkit päihin. Liittimiä on monenlaisia ja kannattaa huomioida, ettei letku saa tehdä kovin jyrkkiä mutkia. Tällaisissa tapauksissa on hyvä käyttää 90 asteen liittimiä. T-haaroja tulee muutamia, ainakin painemittarin liitäntään, moottorin ohivirtausliitäntään ja paineenrajoitus liitäntään. Hydraulimoottorin liitäntä kannattaa toteuttaa pikaliittimillä, sillä se nopeuttaa huomattavasti laitteiston liittämistä ja purkamista. Letkut liikkuvat saadessaan paineiskuja. Mikäli on vaarana, että ne pääsevät hankaamaan johonkin, on ne suojattava esimerkiksi suojaspiraaleilla, jos kiinnittimien käyttö ei ole mahdollista. 5.4 Painehäviöt ja kertavastukset Koska suunnitellun laitteiston komponenttien valinnat eivät ole tarpeeksi tarkkoja, eikä laitteiston todellisten putkien pituuksia tiedetä, ei järjestelmän virtaushäviötä voida tarkkaan tietää. Arvioidaan niiden olevan maksimissaan 10 bar. Oletus perustuu siihen, että letkuissa käytetään suurimpia mahdollisia liitinkokoja sekä siihen, että hydraulipumpun ja -moottorin välinen etäisyys on maksimissaan 5 metriä (Keinänen Kärkkäinen 2003, 277). 5.5 Tehojen tarkastelu Moottori Hydraulimoottorin tuottama teho 200 barin paineella ja 52,4 l/min tilavuusvirralla on 17,5 kw. Sen hyötysuhde on tuolloin noin 83 %. Moottorin tuottama teho on siis 14,5 kw. Otetaan vielä huomioon planeettavaihteisto, jonka hyötysuhde on 97 %. Moottori- vaihdepaketin tuottamaksi tehoksi saadaan 14,1 kw. Huoma- 32

33 taan, että tämä on kaksi kertaa niin suuri teho kuin sähkömoottorin. Suuret tehohäviöt tulevat hydrauliikan huonosta hyötysuhteesta sekä siitä, ettei aina ole saatavilla ideaalista komponenttia vaan järjestelmä koostuu kompromisseista Pumppu Hydraulipumpun paineen täytyy olla 10 bar korkeampi kuin hydraulimoottorin, jotta painehäviöt saadaan katettua. Moottorin maksimipaineeksi on valittu 200 bar, joten pumpun maksimipaine säädetään paineenrajoitusventtiilillä 210 bar:n tietämille. Moottorin tarvitsema tilavuusvirta on maksimissaan 52,4 l/min saavuttaakseen suurimman halutun pyörimisnopeuden. Pumpulta lähtevä teho on siis 210 bar:n paineella ja 52,4 l/min tilavuusvirralla 18,3 kw. Pumpun hyötysuhde on 90 prosenttia eli pumpun tarvitsema maksimiteho on 20,3 kw. 5.6 Lämpöhäviötehot ja jäähdytin Kaikki järjestelmässä syntyvä häviöteho muuttuu lämmöksi (Keinänen Kärkkäinen 2003, 283). Tämän vuoksi myös järjestelmän lämpötasapaino kuuluu tarkasteltaviin asioihin. Hydraulipumppu ja -moottori ovat suurimpia lämmön tuottajia, joten kohdistetaan tarkastelu niihin. Kyseisen järjestelmän hyvä asia on, että öljy virtaa koko ajan. Se kuljettaa tehokkaasti lämpöä pois komponenteilta, jolloin tiivisteet eivät joudu alttiiksi liialliselle kuumuudelle. Toinen huomioitava asia on, että konetta saatetaan käyttää pitkiäkin aikoja kerrallaan kesälämpimässä, jolloin lämpötila voi nousta liian korkeaksi ilman asiallista jäähdytystä. Poimitaan tietoja edellisen sivun laskelmista ja saadaan häviötehoksi pumpulle 2,1 kw ja moottorille 3 kw eli yhteensä 5,1 kw. Nämä komponentit tuottavat lämpöä järjestelmään. Osa lämpötehosta puolestaan siirtyy ympäristöön. Järjestelmän lämmönsiirtokyky riippuu järjestelmässä olevien lämpöä pois siirtävien osien pinta-aloista ja niiden lämmönläpäisyluvuista (Kajaste - Kauranne Vilenius 2008, 84). Merkittävin lämpöä pois siirtävä järjestelmän osa on säiliö, myös putket ja letkut hoitavat tätä tehtävää. Heikolla ilmavirralla lämmönläpäisyluvun ohjearvo on 7 W/m 2 K (Kajaste, ym. 2008, 84). 33

34 Seuraavaksi täytyy laskea, mikä on säiliön jäähdyttävä pinta-ala. Säiliön koko on 470X370X770 mm ja sen täyttöaste oli 80 % sen korkeudesta. Saadaan säiliön jäähdytyspinta-alaksi 1,1 m 2 ja arvioidaan putkiston vastaavaksi alaksi 1 m 2. Käytetään laskelmissa ympäristön lämpötilana 21 C ja sijaintipaikassa kulkee heikko ilmavirtaus. Laitteiston käyttölämpötilan tavoitearvoksi asetetaan 60 C (Kajaste - Kauranne Vilenius 2008, 87). Ratkaistaan säilöin ja putkiston jäähdytysteho kaavalla 4 (Kajaste - Kauranne Vilenius 2008, 87). Siitä nähdään, tarvitaanko lisäjäähdytintä. P k A( T k Tu ) KAAVA 4 P = jäähdytysteho (W) k = lämmönläpäisykerroin W/ m 2 K A = jäähdyttävä pinta-ala (m 2 ) T k = Järjestelmän käyttölämpötila (K) T u = Ympäristön lämpötila (K) Sijoitetaan arvot kaavaan P 7W / m K 2,1 m ((273 60) (273 21)) K 570W 0, 6kW Saadaan säiliön ja putkiston jäähdytystehoksi 0,6 kw. Se ei riitä poistamaa tarvittavaa määrää lämpöä, joten lisäjäähdyttimen asentaminen on tarpeellista. Jäähdyttimen tehon täytyy olla siis 4,5 kw. Valitaan käytettäväksi ilmajäähdytintä, koska se asennetaan osittain polttomoottorin jäähdyttimen eteen ja näin ollen saadaan hyöty moottorin flektistä. Lasketaan jäähdytysteho astetta kohti kaavalla 5 (Nestepaine Oy. 2011, linkit Hydrauliikka -> öljynjäähdytin). 34

35 Pv 4,5kW P 01 0,15kW / T1 T3 60Cº 30Cº C KAAVA 5 P 01 =Jäähdytysteho astetta kohti (kw/cº) Pv = Jäähdytettävä osuus (kw) T1 = öljyn tavoite lämpötila (Cº) T3 = jäähdyttimelle tuleva ilman lämpötila (Cº) Hankittaessa oikeata jäähdytintä kyseiseen järjestelmään on kerrottava myyjälle jäähdytysteho astetta kohti (0,15 kw/cº) ja jäähdyttimen läpi kulkeva tilavuusvirta (54 l/min). Näillä tiedoilla saadaan valittua varmuudella sopiva jäähdytin. 35

36 6 BETONIRUISKUN KÄYTTÖ 6.1 Turvallisuus Betoniruiskun turvallisuus ei ole muuttunut hydraulijärjestelmän asennuksen jälkeen. Pyöriviä komponentteja ei ole esillä sen enempää kuin sähkökäytöllä. Ainoa eroava tekijä on kuuma hydrauliöljy. Esimerkiksi letkun rikkoontuessa öljy voi lentää kauaskin paineen alaisena, joten koneenkäyttäjän on käytettävä suojalaseja. Kyseisissä työskentelyolosuhteissa suojalasien käyttö on muutoinkin perusteltua. Toinen huomioitava seikka on komponenttien ja letkujen lämpiäminen, niihin koskemista on vältettävä. Esimerkiksi horjahtaessa letkuun koskeminen ei kuitenkaan aiheuta palovammaa. Hydraulipumppua käyttävä akseli pyörii rpm, ja siihen kohdistuu suuret voimat. Akselin läheisyydessä työskentely ilman akselisuojaa on ankarasti kielletty, sillä esimerkiksi puseronhihan tarttuminen akseliin voi aiheuttaa hengenvaaran. Rakennettaessa laitteistoa akselisuojaan on kiinnitettävä erityistä huomiota. Se voidaan valmistaa esimerkiksi rautaverkosta. Laitteiston rakentaja vastaa kuitenkin kokonaan sen turvallisuudesta. 6.2 Käyttöönotto Hydraulijärjestelmän käyttöönotossa on huolehdittava erityisesti puhtaudesta. Hitsausroiskeet ja muut vastaavat epäpuhtaudet kuten hiomapöly on puhdistettava järjestelmästä ennen käyttöönottoa. Liittimien kireys ja letkut on syytä tarkastaa ennen kuin kaadetaan öljy säiliöön. Öljysäiliön suositeltava täyttöaste on 80 prosenttia sen korkeudesta. Käynnistettäessä betoniruiskua tulee huolehtia, että hydraulipumpun ja polttomoottorin välinen kytkin on kiinni. Seuraavaksi vastusventtiili avataan täysin ja tarkastetaan, että 4/2 suuntaventtiili on vapaakiertoasennossa. Sitten voidaan käynnistää polttomoottori ja pumppu alkaa tuottaa painetta järjestelmään. Tässä vaiheessa virtaus ei kuitenkaan vielä mene hydraulimoottorille asti vaan palaa tankkiin tekemättä työtä. Seuraavaksi ohjataan suuntaventtiilillä virtaus mootto- 36

37 rille, mutta moottori ei vielä jaksa välttämättä pyöriä. Sitten aletaan kiristää vastusventtiiliä, jolloin yhä suurempi osa virtauksesta kohdistuu moottorille. Vastusventtiiliä kiristetään niin kauan kunnes betoniruiskun haluttu pyörimisnopeus on saavutettu. Lopetettaessa ruiskuttaminen edelliset toimenpiteet suoritetaan päinvastaisessa järjestyksessä. 6.3 Huolto ja öljyt Hydraulijärjestelmän kuntoa on syytä tarkkailla jatkuvasti. Mikäli vikoja tai puutteita havaitaan, pieninkin epäkohta on korjattava välittömästi. Näin vältytään suuremmilta vaurioilta ja koneen käyttöaste paranee, koska suuret ja aikaa vievät remontit pystytään ennakoivalla toiminnalla ehkäisemään. Ennen jokaista kesää olisi syytä tehdä keväthuolto, jossa tarkastetaan laitetta normaalia tarkemmin ja vaihdetaan paluusuodatin. Öljyn kuntoa kannattaa pitää silmällä, sillä se voitelee komponentteja ja ehkäisee näin kulumista. Koska järjestelmässä on käytössä suuri öljytilavuus, sen vaihtoväliä ei taloudellisista syistä kannatta pitää kovinkaan tiheänä. Vaihtoväliksi voidaan arvioida kerran kahdessa vuodessa, mutta jos öljyn kunto on hyvä, ei sen vaihto silloinkaan ole perusteltua. Sopiva hydrauliöljy järjestelmälle on esimerkiksi Teboilin 32 S. Kyseisen öljyn viskositeetti arvo on 32 cst lämpötilan ollessa 40 C. Mikäli on vaarana, että öljyä joutuu luontoon, suositellaan käytettäväksi biohajoavia öljyjä. Niitä löytyy kaikkien suurimpien öljyntuottajien valikoimista. 37

38 7 YHTEENVETO Työssä mitoitettiin hydraulijärjestelmä, jonka avulla tilaaja voi hankkia tarvittavat komponentit ja valmistaa laitteiston. Laitteelle asetettiin tiettyjä toiveita, joista osa on nähtävillä lähtötietomuistiossa (liite 1) ja osan tavoitteista on asettanut nyt korvattu tekniikka (liite 2). Hydraulijärjestelmän kriittiset komponentit on mitoitettu ja niiden paikka on esitetty hydrauliikkakaaviossa (liite 4). Hydrauliikkakaaviossa käytetyt piirrosmerkit on selitetty liitteessä 5. Rakentamalla betoniruiskutuslaite hydraulitoimiseksi mitoituksen mukaan tulee siitä varmasti toimiva kokonaisuus. Betoniruiskutuslaite asennetaan henkilöautolla vedettävän peräkärryn päälle ja on näin ollen helposti liikuteltavissa. Laitteiston paino ylittää 750 kg ja vaatii siksi vähintään e1-luokan ajokortin. Toinen laitteiston osa eli ns. hydraulista energiaa tuottava laitteisto liikkuu toisella peräkärryllä. Sen paino tulee nousemaan, koska siihen lisätään polttomoottorin ja paineilmakompressorin lisäksi vielä öljysäiliö ja hydraulipumppu. Betoniruisku ja hydraulista energiaa tuottava laitteisto liitetään toisiinsa työmaalla hydrauliletkuilla, joiden päissä on pikaliittimet. Pikaliittimet nopeuttavat huomattavasti laitteiston liittämistä ja purkamista. Mitoituksen jälkeen laitteen voidaan todeta täyttäneen sille asetetut vaatimukset, tosin vasta lopullinen käytännön toiminta paljastaa laitteen toimivuuden. Hydraulijärjestelmä on rakenteeltaan yksinkertainen ja näin ollen virhealttius pieni. Osin laitteiston yksinkertaisuuden vuoksi kustannukset saatiin pysymään kurissa. Laitteisto on mitoitettu hydrauliikalle tyypillisesti kompromissein, joten laitteiston kokonaishyötysuhde jää välttävälle tasolle. Jotta hyötysuhde olisi saatu paremmaksi, järjestelmä painetta olisi pitänyt kasvattaa. Tämä tarkoittaa sitä, että hydraulimoottori olisi pitänyt vaihtaa ja tilalle hankittu kovemmille paineille soveltuva malli. Pumppuna olisi voitu käyttää hammaspyöräpumpun sijaan mäntäpumppua, jonka hyötysuhde on paljon parempi. Kun otetaan turvallisuudessa huomi- 38

39 oon pari seikkaa lisää laitteen alkuperäisten turvallisuus- ja käyttöohjeiden lisäksi, on laite turvallinen käyttää. Työssä tarvittiin koulussa opiskeltuja aineita, ja etenkin hydrauliikan tuntemus oli ensiarvoisen tärkeää. Muutoin aiheen opiskelu olisi vienyt paljon aikaa ja työn valmistuminen olisi voinut viivästyä. Myös teknisen piirustuksen taitoja tuli kerrattua, sillä hydraulikaavion (liite 4) piirtämisessä käytin Automation Studio 3.0 -ohjelmaa. Opinnäytetyöstä on varmasti hyötyä sekä minulle että yritykselle, jonka betoniruiskutustyö helpottuu uuden energiantuottamistavan myötä. 39

40 LÄHTEET Alatarvas A. Yrittäjä, Concretec Oy Keskustelu Oulunsalo. Tekijän hallussa. BASF Oy Saatavissa: Hakupäivä Betola Oy Saatavissa: Hakupäivä Concretec Oy Saatavissa: Hakupäivä Edupoli Oy Saatavissa: Hakupäivä Huhtanen, Pentti Hydrauliikka 6 op. Opintojakson oppimateriaali syksyllä Oulu: Oulun seudun ammattikorkeakoulu, tekniikan yksikkö. Hydromarket Oy Saatavissa: Hakupäivä Kaeser kompressorit Oy Saatavissa: Hakupäivä Kajaste, Jyrki Kauranne, Heikki Vilenius, Matti Hydraulitekniikka. Helsinki. WSOY. Keinänen, Toimi Kärkkäinen, Pentti Hydrauliikka ja pneumatiikka. Porvoo. WS Bookwell Oy. Nestepaine Oy Saatavissa: Hakupäivä

41 Oy Sauer-Danfoss Ab Saatavissa Hakupäivä Reggiana Riduttori Saatavissa Hakupäivä Rockcrete Co Saatavissa: Hakupäivä SKS-mekaniikka Suunnittelijan kaavasto. 41

42 LÄHTÖTIETOMUISTIO LIITE 1 LÄHTÖTIETOMUISTIO Tekijä Juho Rautio Tilaaja Concretec Oy Tilaajan yhdyshenkilö ja yhteystiedot Arto Alatarvas Puhelin Sähköposti arto.alatarvasoncretec.com Työn nimi Betoniruiskutuslaitteen muutos hydraulitoimiseksi Työn kuvaus Hydraulijärjestelmän mitoitus. Sähköllä aiemmin toteutetun tekniikan muutos hydrauliseksi mukaan lukien hydraulisenenergian tuottaminen työmaaoloissa. Työn tavoitteet Betoniruiskuttaminen ei ole enää riippuvainen sähköverkosta Tavoiteaikataulu Työ tulisi olla valmis vuoden 2011 maaliskuun loppuun mennessä Päiväys ja allekirjoitukset Juho Rautio Arto Alatarvas

43 TEKNISET TIEDOT MEYCO GM LIITE 2 (BASF Oy. 2011, linkit -> Tuotteet -> Ruiskubetonointikalustot -> Meyco GM)

44 PLANEETTAVAIHDE LIITE 3 (Huhtanen P., Oulunseudun ammattikorkeakoulu. 2011, opetusmoniste.)

45 HYDRAULIIKKAKAAVIO LIITE 4

46 PIIRROSMERKIT LIITE 5