HORNETIN HYDRAULIIKKAPUTKISTON MATERIAALIVAIHTOEHTOJEN VERTAILU

Transkriptio

1 Teknillinen kokeakoulu Konetekniikan osasto Lentotekniikka HORNETIN HYDRAULIIKKAPUTKISTON MATERIAALIVAIHTOEHTOJEN VERTAILU Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä takastettavaksi diplomi-insinööin tutkintoa vaten. Espoossa Laui Vanamo Työn valvoja: Pofessoi Olli Saaela Työn ohjaaja: Diplomi-insinööi Heny Paajanen

2 TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Työn nimi: Päivämäää: Osasto: Pofessuui: Työn valvoja: Työn ohjaaja: Laui Vanamo Honetin hydauliikkaputkiston mateiaalivaihtoehtojen vetailu Sivumäää: 118 Konetekniikan osasto Kul-34 Lentotekniikka Pofessoi Olli Saaela Diplomi-insinööi Heny Paajanen Honetissa käytettävissä MMS 105-mateiaalistandadin mukaisissa titaaniputkissa on havaittu vuotoja ja muodonmuutoksia. Työn takoituksena oli selvittää SAE-AMS standadin mukaisen titaanin ja SAE-AMS-6845-standadin mukaisen uostumattoman teäksen soveltuvuutta kovaavaksi putkimateiaaliksi. Työssä tutkittiin mateiaalien ominaisuuksia sekä käyttäytymistä taivutuksessa ja painekäsittelyssä. Lisäksi tutkittiin mateiaalien väsymistä impulssikuomituksen alaisena. Kijallisuusselvityksessä tutkittiin hydauliikan toimintapeiaatteita, lentokoneiden hydaulisten jäjestelmien akennetta ja putkentaivutuksen tekniikkaa. Lisäksi tutustuttiin hydauliikkaputkien asentamiseen liittyviin ohjekijoihin ja katoitettiin putkiston mateiaalivaihdoksiin liittyvää menettelyä. Selvitysten peusteella SAE-AMS-4945 sopii hyvin MMS-105:n kovaajaksi. Myös uostumaton teäs sopii kovaavaksi hydauliikkaputkien mateiaaliksi.

3 HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT TO THE MASTER S THESIS Autho: Title of thesis: Date: Depatment: Pofessoship: Supeviso: Instucto: Laui Vanamo Evaluation of Honet Hydaulic Tubing Mateials 3 May 007 Numbe of pages: 118 Depatment of Mechanical Engineeing Kul-34 Aeonautical Engineeing Pofesso Olli Saaela Heny Paajanen M.Sc. (Tech) Leaks and defomations have been obseved in the MMS 105 titanium hydaulic tubes of the Honet aicaft. The aim of the study was to find out if these poblems can be avoided by using titanium tubes accoding to SAE-AMS-4945 o stainless steel tubes accoding to SAE- AMS Mateial chaacteistics and behaviou duing bending and autofettage and unde impulse fatigue loading wee investigated. An intoduction to hydaulics, aicaft hydaulic systems and tube bending is povided. Technical manuals concening tube fabication and pocedues fo using altenative tubing mateials wee also studied. Titanium SAE-AMS-4945 tuned out to be a good altenative fo MMS 105. Stainless steel is also suitable tubing mateial.

4 Alkulause Työ suoitettiin Teknillisen Kokeakoulun Kevytakennetekniikan laboatoiossa Ilmavoimien ahoittamana pojektina. Kiitän pofessoi Olli Saaelaa ja diplomi-insinööi Heny Paajasta saamastani tilaisuudesta tehdä diplomityö kiinnostavasta ja haastavasta aiheesta. Haluan eityisesti kiittää kaikesta avokkaasta avusta ja suuesta käsivällisyydestä. Lausun myös kiitokset Patia Oy:n sekä Finnai Oy:n henkilökunnalle avokkaista tiedoista ja muusta avusta. Kiitos sinulle, Leena! Espoossa Laui Vanamo 4

5 Sisällysluettelo Alkulause...4 Sisällysluettelo...5 Käsitteitä Johdanto...7 Lentokoneiden hydauliikkajäjestelmät Hydomekaniikan peiaatteet Hydauliikan komponentit Jäjestelmä Pumppu Säiliö Venttiilit Paineakku Hydauliset toimielimet Suodatus ja jäähdytys Putket, letkut ja kiinnittimet Tiivisteet ja hydauliikkaneste Mateiaalien lujuusoppia Mateiaalien elastisplastinen käyttäytyminen Väsyminen Hydauliikkaputkien mateiaalit Yleistä Titaani Ominaisuudet Väsyminen Muokkaus ja työstäminen Standadit Ruostumaton teäs Ominaisuudet Väsyminen Muokkaus ja työstäminen Standadit Ohjekijallisuus Putkien taivuttaminen Taivutusmenetelmät Vetotaivutus Ongelmatilanteita Hydauliikkaputkien jännitykset ja muodonmuutokset Putken taivutusjännitykset Autofettage taivuttamattomissa putkissa Painejännitysten laskenta Takka laskentamenetelmä Putkien kestävyys Jännitykset ja jäännösjännitykset Yhdistetyt jännitykset taivutetuissa putkissa Muodonmuutokset Väsymistakastelu Vitaus- ja massatakastelu Tosittaminen ja hyväksyntä Johtopäätökset ja suositukset Yhteenveto Lähteet

6 Käsitteitä d = halkaisija E = kimmomoduli M = taivutusmomentti p = paine = säde R = taivutussäde S t = mutolujuus S y = myötölujuus t = seinämän paksuus u = dimensioton etäisyys putken keskipisteestä (y/ o ) y = etäisyys putken keskipisteestä ε = venymä ε t = mutovenymä λ = suuntakulma = jännitys a = jännitysamplitudi a = ekvivalentti jännitysamplitudi k = keskijännitys φ = taivutuskulma Ala- ja yläindeksit: e = elastinen i = sisäpuolinen, sisäo = ulkopuolinen, ulkop = plastinen = säteen suuntainen z = pituussuuntainen, aksiaalinen θ = kehän suuntainen 6

7 1 Johdanto Hydauliikkajäjestelmien viat kuuluvat yleisimpiin lentokonejäjestelmien häiiöihin ja ne aiheuttavat lentotoiminnassa unsaasti hankalia tilanteita. Ilmavoimien Honet F18-hävittäjän kokeapaineisen hydauliikkaputkiston mateiaalina on titaani Ti-3Al-.5V. Titaaniset vaaosaputket valmistetaan enimmäkseen Patia Aviation Oy:n putkityöpajalla Hallissa. Titaani on kuitenkin vasin vaativa mateiaali taivuttamisen ja muun muovauksen kannalta. Joidenkin putkien valmistaminen on osoittautunut hankalaksi. Muutamiin putkiin on myös ilmaantunut jatkuvia käytönaikaisia ongelmia, kuten vuotoja liitoksissa. Eäs esille noussut vaihtoehto on joidenkin tiettyjen titaanisten vaaosaputkien kovaaminen helposti taivutettavasta uostumattomasta teäksestä (SAE-AMS-T-6845) valmistetuilla putkilla. Useimpien putkien mateiaalina säilyy kuitenkin titaani. Honet-kalustossa tällä hetkellä käytettävät titaaniset hydauliikkaputket ovat Boeingin (McDonnell Douglasin) MMS 105- standadin mukaisia. Sitoutuminen tähän standadiin ajoittaa tajolla olevaa putkivalikoimaa. Mikäli voitaisiin käyttää yleisen SAE-AMS-4945-standadin mukaista titaania tai uostumatonta teästä, voitaisiin todennäköisesti välttää mateiaalin saatavuudesta johtuvia pullonkauloja, jotka voivat johtaa AoG-tilanteeseen (Aicaft on Gound). Hydauliikkaputkiston yleisin liitintyyppi on Pemaswage-liitin, jonka mateiaalina on joko titaani tai teäs. Titaaniliittimien kovaaminen teäsliittimillä saattaisi helpottaa vaaosien vaastointia ja siten vähentää vaaosa- ja vaastointikustannuksia. Tämä työn tavoitteena on luoda selvitys uostumattoman teäksen käytöstä kovaavana putkimateiaalina tietyissä eityistapauksissa, titaanin ei mateiaalistandadien eoista sekä liitinmateiaalin vaihtamisesta. Lisäksi tavoitteena on keätä mahdollisimman paljon tietoa aiheesta ja laatia peusteet mateiaalimuutoksen tosittamiseen. 7

8 Työhön sisältyvät seuaavat vaiheet Kijallisuusselvitys ei mateiaaleista ja mateiaalistandadeista Kijallisuusselvitys putkentaivutuksen ja painekäsittelyn (autofettage) tekniikasta Taivuttamisen ja painekäsittelyn matemaattinen takastelu HN-ohjekijallisuuden läpikäynti putkisto- ja liitinmateiaalien kannalta Hyväksyntämenettelyn selvittäminen ja esimekkitapauksien tosittaminen Työkalukysymysten ja kustannusvaikutusten selvittäminen 8

9 Lentokoneiden hydauliikkajäjestelmät Lentokoneiden suoituskyvyn ja koon kasvu johti 1930-luvulle mennessä tilanteeseen, jossa ohjainpintojen, laskutelineiden, jaujen, konekivääitonien, pommiluukkujen ja muiden laitteiden käsittelyyn vaadittiin mekaanisia jäjestelmiä tehokkaampia keinoja. Rakennemateiaalien, hydauliikkanesteiden ja tiivisteiden kehitys johti 1930-luvulla psi:n ( kpa) käsikäyttöisiin hydauliikkajäjestelmiin. Toisen maailmansodan loppuun mennessä lentokoneiden hydauliikkajäjestelmät olivat laajoja, teknisesti vakiintuneita ja luotettavia kokonaisuuksia, joiden käyttöpaine oli noussut 3000 psi:in (0680 kpa) asti. Nykyaikaisissa suuissa matkustajakoneissa voi olla satoja hydaulisia komponentteja ja jäjestelmän teho voi olla yli 1000 hv. Edellä mainittu 3000 psi:n käyttöpaine on säilynyt yleisenä, mutta myös 4000 psi:n (Concode, B-1B) ja 5000 psi:n (F-, Supe Honet, F-35, V-, A380) jäjestelmiä on suunniteltu ja otettu käyttöön. Painonsäästön vuoksi suunnitellaan jopa 8000 psi:n jäjestelmien käyttöönottoa (V-). [1] 9

10 .1 Hydomekaniikan peiaatteet Sana hydauliikka johdetaan keikan sanoista hydo; vesi, ja aulis; putki, letku. Hydomekaniikka koostuu hydostatiikasta ja hydodynamiikasta. Hydostatiikassa takastellaan tasapainossa olevaa ideaalinestettä. Hydostatiikan peuslaki tunnetaan Pascalin lakina. Sen mukaan suljetussa astiassa olevaan kokoonpuistumattomaan juoksevaan aineeseen kohdistuva ulkoinen paine välittyy sellaisenaan aineen kaikkiin osiin ja astian seinämiin iippumatta astian muodosta. Paine vaikuttaa kohtisuoaan astian seinämiä vastaan. Mekaanisesti tuotetun paineen lisäksi nesteeseen vaikuttaa hydostaattinen paine ja ulkoinen ilmanpaine. Lentokoneen hydaulisissa jäjestelmissä ainoastaan mekaanisesti tuotetulla paineella on todellista mekitystä. Kuva 1 esittää hydaulisen vahvistamisen peiaatetta. s 1 A F 1 na F s p p Kuva 1. Voiman hydaulinen vahvistaminen. Jos mäntään 1 vaikuttaa ulkoinen voima F 1, aiheutuu siitä nesteeseen paine: p F1 A = (-1) 10

11 Pascalin lain peusteella vallitsee sylinteissä sama paine p, joten männän välittämä voima on suuuudeltaan: F pna= = (-) nf 1 Tätä peiaatetta takoitetaan voiman hydaulisella vahvistamisella. Voiman vahvistuminen tapahtuu siitymän kustannuksella. Jos kitkaa ei oteta huomioon ja neste oletetaan puistumattomaksi, saadaan voiman ja siitymän iippuvuus: F1 s1 F1 s1 s1 F 1s1 F s s = = = F nf n = (-3) Hydodynamiikassa takastellaan liikkeessä olevaa nestettä ja otetaan huomioon nesteen massa, kitka ja kokoonpuistuvuus sekä vitaukseen kohdistuvat häviöt. Häviöt aiheutuvat kitkasta sekä nesteen äkillisistä nopeuden- tai suunnanmuutoksista. Häviöteho muuttuu lämmöksi. 1 Kun takastellaan kokoonpuistumattoman nesteen stationaaista vitausta, pysyvät massa- ja tilavuusviat vakioina. Benoullin yhtälön mukaan enegia säilyy vitauksessa. Todellisessa vitauksessa tulee myös ottaa huomioon painehäviöt, joten vitausta kuvaa yhtälö: p 1 ρv1 ρv + ρ gz1+ = p + ρgz + + p (-4) Tässä p on painehäviö, ρ on nesteen tiheys ja v on vitausnopeus. Kokeuseon z vaikutus on lentokoneissa mekityksetön. Painehäviöitä aiheuttavat kitkavastukset ja komponenttien ketavastukset. Muita hydaulisten jäjestelmien toimintaan ja ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä ovat jousto, paineiskut ja kavitaatio. Jousto aiheutuu komponenttien joustosta ja nesteen kokoonpuistuvuudesta. Niistä aiheutuu väähtelyjä ja toiminnan epätakkuutta. Äkillisiä paineiskuja aiheuttaa laitteiden ja venttiilien toiminta. Ne voivat pahimmillaan aiheuttaa vauioita ja väsymistä. Kavitaatiolla takoitetaan ilmiötä, jossa nesteeseen muodostuu kuplia. Kavitaatio aiheuttaa kulumista ja häviöitä. [] 11

12 . Hydauliikan komponentit Tavallisen hydauliikkajäjestelmän osia ovat pumput, säiliöt, putket, letkut, venttiilit, suodattimet, tiivisteet, akut, toimielimet sekä hydauliikkaneste...1 Jäjestelmä Kuvassa on esitetty yksinketainen hydaulinen jäjestelmä, jossa on toimieliminä kolme toimisylinteiä, yksi sevo sekä yksi hydaulimoottoi. Kuva. Hydaulisen jäjestelmän kaavio. [3] 1

13 Hydauliikkajäjestelmät voidaan jakaa peiaatteeltaan avoimiin ja suljettuihin jäjestelmiin sekä näiden yhdistelmiin. Peiaatteiden pääeo on, että suljetussa systeemissä kietävä neste on jatkuvasti paineistettua, kun taas avoimessa systeemissä neste on paineenalaista vain jos jokin toimilaite on toiminnassa. Kuvan jäjestelmä on tyypiltään suljettu. [4].. Pumppu Hydauliikkapumppu muuntaa mekaanista tehoa hydauliseksi ja liikuttaa nestettä jäjestelmän läpi. Painetta syntyy, kun jäjestelmässä on vastusta. Moottoikäyttöiset pumput saavat yleensä käyttövoimansa suoaan lentokoneen moottoeista. Kevyissä koneissa tai isojen koneiden vaajäjestelmissä voidaan myös käyttää eillistä sähkömoottoia pumpun käyttämiseen. Koneessa voi myös olla käsikäyttöinen pumppu jäjestelmän testaamiseen, maakäyttöön tai vaalaitteena. Pumppaus voi tapahtua esimekiksi hammasattaiden, hammaspyöien, oottoien tai mäntien avulla. Aksiaalisessa mäntäpumpussa (kuva 3) on useita pieniä sylinteeitä ja mäntiä, joita liikutetaan joko vinoon asentoon asennetun käyttöakselin tai eityisen vinolevyn avulla. Mäntäpumpun männät voidaan myös asentaa iviin tai säteittäisesti. Kuva 3. Aksiaalinen mäntäpumppu. [3] Pumput voidaan jakaa vakiotilavuus- ja vakiopainepumppuihin sen mukaan, tuottavatko ne jäjestelmään tasaista tilavuusvitaa vai tasaista painetta. Tilavuusvitaa voidaan säätää vinolevyn kulmaa muuttamalla. Painetta taas voidaan säätää vitausta kuistamalla. [4] 13

14 Taulukossa 1 on vetailtu eityyppisten pumppujen ominaisuuksia. Taulukko 1. Pumppujen ominaisuudet. [4] Toimintapeiaate Toimintatapa Maksimipaine Vitaus Hammaspyöä Vakiotilavuus kpa (1500 psi) Pienehkö Hammasengas Vakiotilavuus kpa (1500 psi) Keskisuui Siipi Vakiotilavuus kpa (1500 psi) Suui tai paine ja yli Mäntä Vakiotilavuus tai paine kpa ( psi) Suui..3 Säiliö Pumppu pumppaa hydauliikkanesteen systeemiin säiliöstä, jonne neste lopuksi palaa. Säiliö toimii nesteen vaastona, kovaa vuotojen aiheuttaman nesteen poistuman ja toimii puskuina, mikäli lämpölaajeneminen, paineakut tai esim. mäntien liike aiheuttavat nesteen ylivuotoa. Säiliössä neste auhoittuu ja ilmakuplat poistuvat. Kuva 4. Paineistettu sylinteimäinen säiliö. [3] Säiliö voi olla paineistamaton tai paineistettu (kuva 4). Paineistamattomaan säiliöön kuuluu huohotusventtiili, joka pitää ilmanpaineen säiliössä ulkoilman tasalla. Paineistus takaa tasaisen nestesyötön myös matalassa ilmanpaineessa. Säiliö voidaan paineistaa syöttämällä imupumpulla paineilmaa nesteen paluukanavaan, syöttämällä moottoien vuodatusilmaa säiliöön tai käyttämällä itse hydauliikkajäjestelmän painetta sopivan sylintein ja männän avulla. [4] 14

15 ..4 Venttiilit Venttiilit voidaan yleisesti jakaa vita-, paine- ja suuntaventtiileihin (kuva 5). Suuntaventtiili ohjaa vitauksen kulkusuuntaa ja siten jäjestelmän toimintaa sekä toimilaitteiden liikesuuntia. Paineventtiileitä käytetään jäjestelmän paineen säätöön, kuten ohivitaukseen, paineenajoitukseen tai alennukseen, sekä toimilaitteiden voimien ja momenttien ohjaukseen. Vitaventtiileitä käytetään toimilaitteiden liikenopeuden ohjaukseen kuistamalla vitausta. Toimintoja voidaan myös yhdistää samaan laitteeseen. a) b) Kuva 5. a) Yksiketainen suuntaventtiili b) Paineenalennusventtiili. [3] Venttiileitä voidaan ohjata manuaalisesti, sähköisesti, mekaanisesti, hydaulisesti, pneumaattisesti tai edellisten yhdistelmällä. Venttiili voi olla yksinketainen passiivinen suuntaventtiili tai monipuolinen ohjauslaite, jolla voidaan säätää vitausta takasti ja potaattomasti. Venttiilin sulku- tai kuistinkappaleen toimintapeiaate vaihtelee suuesti. Kappale voi olla esimekiksi lautas-, kuula-, katio-, luisti- tai läppämallinen. [5] 15

16 ..5 Paineakku Paineakku vaimentaa paineiskuja ja pitää yllä tasaista painetta jäjestelmässä. Lisäksi akkuun on vaastoitu iittävästi paineenalaista hydauliikkanestettä täkeiden jäjestelmien käyttöön hätätilanteessa. Kuva 6. Sylinteimäinen paineakku. [3] Kalvoakun muodostaa säiliö, joka on jaettu joustavalla kalvolla kahteen osaan. Toinen osa täytetään paineistetulla kaasulla ja toinen hydauliikkanesteellä. Rakkoakussa säiliön sisällä on elastinen säkki, joka on täytetty painekaasulla. Kolmannessa mallissa on sylintein sisällä liikkuva mäntä (kuva 6). [4]..6 Hydauliset toimielimet Toimielin muuttaa hydaulisen tehon mekaaniseksi tehoksi ja liikkeeksi. Tavallisimpia toimielimiä ovat hydauliikkasylinteit ja moottoit. Hydauliseksi sevoksi kutsutaan jatkuvatoimista hydaulista laitetta, jossa on takaisinkytkentä ja jonka toimielimen toiminta vastaa potaattomasti ohjaussignaalia. Sevoja käytetään mm. ohjausjäjestelmässä. 16

17 Hydauliikkasylintei (kuva 7) tuottaa pituussuuntaisia voimia ja liikkeitä. Hammastangon ja pyöän avulla pituussuuntainen liike voidaan muuttaa myös pyöiväksi. Yksitoiminen sylintei toimii nestevoimalla yhteen suuntaan, kaksitoiminen molempiin suuntiin. Sylintei on balansoitu, mikäli voimat ovat samanlaiset molempiin suuntiin. Tandemsylinteissä on useita sylinteeitä peäkkäin. Eityisesti laskutelineiden sylinteeissä on usein vaimennusjäjestelmä, joka hidastaa liikettä ääipäissä, sekä lukitus ääiasentoon. [5] Kuva 7. Hydauliikkasylintei. [3] Hydauliikkamoottoi tuottaa momentteja ja pyöiviä liikkeitä. Moottoien toimintapeiaate muistuttaa käänteistä pumppua ja joitakin pumppuja voidaankin käyttää myös moottoeina. Mekanismi voi peustua siipiin, hammaspyöiin tai mäntiin, kuten pumpuissa. Mäntiä käytetään kun tavitaan enemmän vääntöä. Moottoin pyöimisnopeutta voidaan säädellä tilavuusvian avulla ja vääntöä paineen avulla. [4]..7 Suodatus ja jäähdytys Koska hydauliikkajäjestelmän komponenttien toleanssit ja välykset ovat tyypillisesti hyvin pieniä, aiheuttavat hydauliikkanesteessä olevat epäpuhtaudet helposti ongelmia. Nesteessä saattaa olla valmistusvaiheessa syntyneitä metallilastuja tai hiomapölyä sekä muottihiekan jäänteitä. Jäjestelmän komponenttien kulumisen myötä jäjestelmään ketyy metallien ja tiivistemateiaalien hiukkasia. [5] Suodatinelementit on yleensä tehty käsitellystä selluloosapapeista tai kankaasta, sintatusta metallista, metallilangasta tai -vekosta. Näillä pystytään suodattamaan 5-40 µm hiukkaset. Toiset suodattimet ovat ketakäyttöisiä mutta metallisuodattimet voidaan yleensä puhdistaa ja 17

18 käyttää uudestaan. Jäjestelmän painepuolella voidaan käyttää lamellisuodatinta, jossa pinoon ladottujen metallilevyjen väliset aot toimivat suodattimena. Kuva 8. Suodatin. [3] Liian kokea hydauliikkanesteen lämpötila voi aiheuttaa voiteluominaisuuksien heikkenemistä, koostumuksen muuttumista tai sakkautumista. Liian matala lämpötila taas jäykistää nesteen liikettä. Kitkan vuoksi nestettä pitää yleensä jäähdyttää. Jäähdytys tapahtuu tavallisesti polttoaineen avulla. Jäähdytysivoilla vaustettu hydauliikkaputki voidaan vetää polttoainesäiliön kautta tai voidaan käyttää tavallisen jäähdyttäjän tapaista lämmönvaihdinta, jossa polttoaine jäähdyttää putkiston sisällä kietävää hydauliikkanestettä. [4]..8 Putket, letkut ja kiinnittimet Hydauliikkaputkien mateiaali iippuu painetasosta. Alumiinit, kuten 1100-H14, 3003-H-14, 04-T3 tai T4 sekä 505-0, sopivat enimmillään 1500 psi:n jäjestelmiin. Alumiinin laadut 6061-T4 tai T6 sopivat jopa 3000 psi:n jäjestelmiin, mutta yleisimmin lentokoneiden kokeapainejäjestelmissä käytetään uostumattomia teäslaatuja 18-8 tai 1-6-9, sekä titaania Ti-5Al-.5V. Putkisto tulee suunnitella mahdollisimman kompaktiksi, mutta putkilinjoissa täytyy myös olla mutkia, jotta väähtelyt tai lämpölaajeneminen eivät vauioita akenteita. Ideaalinen 18

19 taivutussäde on,5-3 ketaa putken sisähalkaisija. Hydauliikkaputken taivuttaminen vaatii huolellisuutta ja oikeita työvälineitä jotta voidaan välttää poimuttuminen ja vääistyminen jotka heikentävät putkea ja aiheuttavat häviöitä. Myös katkaisu ja putken pään viimeistely vaativat takkuutta ja oikeita työkaluja. Putken halkaisija iippuu vaadittavasta tilavuusviasta ja seinämän paksuus painetasosta. Taulukossa on esitetty eäitä standadoituja mittoja. Muitakin mitoituksia on olemassa. Putket voidaan valmistaa hitsaamalla tai kylmävetämällä, jolloin ne ovat saumattomia. [5] Taulukko. Putkien tuumapohjaisia mittoja tuuman halkaisijaan saakka. [4] OD Seinämä ID Koodi OD Seinämä ID Koodi (in) (in) (in) (in) (in) (in) 1/8 0,08 0, /8 0,035 0, ,03 0, ,04 0, ,035 0, ,049 0, /16 0,03 0, ,058 0, ,035 0, ,065 0, /4 0,035 0, ,07 0, ,04 0, ,083 0, ,049 0, ,095 0, ,058 0, /4 0,049 0, ,065 0, ,058 0, /16 0,035 0, ,065 0, ,04 0, ,07 0, ,049 0, ,083 0, ,058 0, ,095 0, ,065 0, ,109 0, /8 0,035 0, /8 0,049 0, ,04 0, ,058 0, ,049 0, ,065 0, ,058 0, ,07 0, ,065 0, ,083 0, / 0,035 0, ,095 0, ,04 0, ,109 0, ,049 0, ,049 0, ,058 0, ,058 0, ,065 0, ,065 0, ,07 0, ,07 0, ,083 0, ,083 0, ,095 0, ,095 0, OD = Oute Diamete, ulkohalkaisija 0,109 0, ID = Inne Diamete, sisähalkaisija 0,1 0,

20 Putket yhdistetään liittimillä (kuva 9), joiden mateiaali iippuu putkimateiaalista. Laajennetussa liitoksessa putken pää muokataan katiolaajennukseksi, joka painetaan kiistysmuttein avulla liittimen katiopintaa vasten. Laajentamattomassa liitoksessa ei putken päätä tavitse muokata. Pysyvä liitos voidaan tehdä pässäämällä liitinkappale putkeen kiinni hydaulisesti tai mekaanisesti. Tällaisia liitoksia ovat mm. Pemaswage- tai Dynatube-liitos. Liitos voidaan myös tehdä juottamalla tai hitsaamalla. [4] a) b) c) d) Kuva 9. a) Laajennettu liitos b) Laajentamaton liitos c) Pemaswage-liitos d) Dynatube-liitos. [3] Letkuja käytetään matalapaineisissa jäjestelmissä tai kohteissa joissa on liikkuvia osia tai voimakasta väähtelyä. Letkuissa nimellismitta takoittaa sisähalkaisijaa ja putkissa ulkohalkaisijaa. Letkujen peusmateiaali on synteettinen kumi (Buna-N, Neopeeni, Butyyli) tai teflon. Letkussa on lisäksi muita keoksia, kuten puuvillaa tai teäslankapunosta. Matalapaineletkuissa (alle 50 psi) ei ole metallipunosta. Keskipaineletkuissa (1500 psi, pienet letkut jopa 3000 psi) on yksi ja kokeapaineletkuissa (3000 psi) useampia teäspunoksia. Liitokset voivat olla ketakäyttöisiä, avattavia tai pikalukollisia. Asennuksessa tulee ottaa huomioon taivutussäde ja joustovaa sekä välttää kieteisyyttä. [4] 0

21 ..9 Tiivisteet ja hydauliikkaneste Tiivisteitä tavitaan unsaasti hydauliikkajäjestelmän kaikissa liitoksissa ja komponenteissa. Yleisin malli on yksinketainen O-engas, joka toimii molempiin suuntiin. V- ja U-enkaat toimivat pahaiten vain yhteen suuntaan. Luokitus määittelee, minkälaisia tiivisteitä tulee käyttää eilaisten nesteiden kanssa. Hydauliikkanesteen tehtävinä ovat tehon välitys, voitelu, jäähdytys sekä suojaus kooosiota vastaan. Valinta peustuu käyttöolosuhteisiin, lämpötilaan, painetasoon ja kooosioolosuhteisiin. Hyvältä hydauliikkanesteeltä vaaditaan sopivaa viskositeettia, hyvää kemiallista pysyvyyttä sekä matalaa leimahdus- ja syttymispistettä. Käytössä on mineaali- ja kasviöljyjä, emulsioita ja vedettömiä synteettisiä nesteitä kuten Skydol. [4][5] 1

22 3 Mateiaalien lujuusoppia Tässä kappaleessa käsitellään lyhyesti hydauliikkaputkien lujuus- ja väsymislaskentaan liittyviä peiaatteita. 3.1 Mateiaalien elastisplastinen käyttäytyminen Kuvassa 10 on esitetty vetokokeen tuloksena saatava mateiaalin elastisplastinen jännitysvenymäkäyä. Vetokokeen avulla voidaan helposti määittää aineen myötöaja, mutolujuus ja mutovenymä. [6] S t eng Todellinen jännitysvenymäkäyä S y ε eng ε 0. = 0,00 ε t S t = Vetomutolujuus S y = Myötöaja ε 0. = 0, % venymä ε t = Mutovenymä Kuva 10. Jännitysvenymäkäyä. [8]

23 Vetokokeesta saatava venymä ε eng on ns. tekninen venymä (engineeing), joka on vetosauvan mittapituuden muutoksen (L - L 0 ) suhde alkupeäiseen mittapituuteen L 0. Tyypillisesti vetokokeessa käytetään tuuman mittapituutta. Nimellinen jännitys eng taas on vetävän voiman F suhde sauvan alkupeäiseen poikkipinta-alaan A 0. [6] ε eng eng L L = L = F A o o o (3-1) Mikäli takastellaan suuia plastisia muodonmuutoksia, tulee kuitenkin käyttää todellista venymää ja todellista jännitystä, jotka ottavat huomioon vetosauvan kuoutumisen: [7] ε = ln 1 = ( + ε eng) ( 1+ ε ) eng eng (3-) Pienillä venymän avoilla eli elastisella alueella teknisen ja todellisen venymän avot lähestyvät toisiaan. 3

24 Kuvassa 11 on esitetty jännitysvenymäkäyien idealisoituja malleja. Epälineaainen käyä kuvaa yleensä pahaiten metallista mateiaalia, jolla on taipumusta muokkauslujittumiseen. a) b) c) d) ε ε ε ε Kuva 11. Jännitysvenymäkäyiä. a) Täydellisen plastinen b) Ideaalinen elastoplastinen c) Lineaaisesti lujittuva d) Epälineaaisesti lujittuva. [8] Epälineaaisesti lujittuvan mateiaalin plastista jännitysvenymäkäyää voidaan kuvata useilla eilaisilla yhtälöillä: n Hollomon : = Kε Ludwik : = + hε Swift : = K Voce : = A 0 m n ( ε + ε 0) + ( B A) ( 1 exp( nε) ) (3-3) Tässä ketoimet K, n, h, m, ε 0, A ja B ovat ainevakioita. Ketoimet eivät ole samoja ei kaavoissa vaikka niitä mekitään samalla kijaimella. [8] 4

25 3. Väsyminen Putken väsyminen tapahtuu pitkän ajan kuluessa suuuudeltaan vaihtelevien paine- ja jännityspulssien vaikutuksesta. Kuvassa 1 on esitetty yksinketaisen väsyttävän jännityksen aaltomuotoja, kun keskijännitys k on nolla tai nollasta poikkeava. Muuttuja a on jännitysamplitudi. a a k a) b) k c) d) Kuva 1. Väsyttävä jännitys. a) k = 0, b) k > 0, c) a vaihteleva, d) a ja k vaihtelevia. Yleisessä tapauksessa kuomitus on amplitudiltaan ja keskijännitykseltään vaihteleva. 5

26 Väsymismutumisen ajankohdan aviointiin käytetään kumulatiivisen vauioitumisen mallia: Missä: ni = C (3-4) N i i n i = kuomitusjaksojen lukumäää kuomitustasolla i N i = kuomitustasoa i vastaava kestoluku eli mutumaan johtavien kuomitusjaksojen määä C = vakio Palmgen-Minein menetelmän mukaan vakion C avoksi oletetaan 1. Jos sekä keskijännitys että amplitudi vaihtelevat, voidaan kuomitusjaksot eottaa toisistaan esimekiksi ainflowmenetelmällä. Kuomitustasojen ja kestolukujen suhteet selviävät mateiaalikohtaisista S-Nkäyistä eli Wöhle-käyistä (kuva 13). w 1,0E+03 1,0E+04 1,0E+05 1,0E+06 1,0E+07 1,0E+08 N Kuva 13. S-N-käyä. Monilla aineilla käyä muuttuu tasaiseksi kestoluvun tienoilla. Tätä jännitystasoa kutsutaan väsymislujuudeksi tai vaihtolujuudeksi w. S-N-käyien kokeellisessa määityksessä keskijännitys on usein nolla. 6

27 Mikäli keskijännitys poikkeaa nollasta takasteltavassa tilanteessa, voidaan kestävyyttä avioida esimekiksi kovaamalla todellinen jännitysheilahdus a Goodmanin likikaavan mukaisella ekvivalentilla jännitysheilahduksella a : [6] a a = k 1 S t (3-5) Kaavassa S t on mateiaalin staattinen mutolujuus. 7

28 4 Hydauliikkaputkien mateiaalit Aluksi lentokoneiden hydauliikkaputkien mateiaalina käytettiin yleisesti kupaia. Kupain taipumus mutua täinän vaikutuksesta ja jäjestelmien painetason nousu johtivat alumiinin ja sittemmin uostumattoman teäksen (Coosion Resistant Steel, CRES) käyttöön. Titaani on yleistynyt viime vuosikymmeninä painonsäästön vuoksi. [4] 4.1 Yleistä Sotilaskoneissa käytettävät hydauliikkaputket valmistetaan tiukkojen standadien mukaan. Taulukossa 3 on esitetty muutamia standadeja. Hydauliikan lisäksi putkia käytetään paineilma-, polttoaine-, öljy-, happi- ja jäähdytysjäjestelmissä sekä instumenteissa ja huohotinputkissa. Taulukko 3. Mateiaalistandadeja (Monet MIL-standadit on muutettu SAE-AMS-standadeiksi). [9] Standadi Mateiaali Tila SAE-AMS-T-8506 AISI 304 Annealed MIL-T-8504 AISI 304 Annealed MIL-T-8606 AISI 304L, 31, 347 Annealed SAE-AMS-T-6845 AISI 304 1/8 Had SAE-AMS-5897 AISI 347 1/8 Had MIL-T-5695 AISI 304 1/4 Had ½ Had SAE-AMS-5556 AISI 347 Solution heat teated SAE-AMS-5557 AISI 31 Solution heat teated SAE-AMS-T WW-T-700/ , -H1 H14, -H16, -H18 WW-T-700/ , -H3, -H34, -H36, -H38 WW-T-700/ , -T4, -T6 MMS-105CWSR Ti-3Al-.5V Cold Woked, Stess Relieved SAE-AMS-4945B Ti-3Al-.5V Cold Woked, Stess Relieved 8

29 Kokeapainejäjestelmissä (3000 psi ja yli) käytetään yleisimmin 18-8-tyyppistä uostumatonta teästä (esim. AISI 304), mutta titaanin seos Ti-3Al-.5V ja tyyppinen uostumaton teäs ovat myös yleisiä. Joitakin poikkeuksia lukuunottamatta alumiinin käyttö on ajoitettu matalapainejäjestelmiin. [4] Putkien liittimet tehdään yleensä putkien kanssa yhteensopivasta mateiaalista. Joissain tapauksissa mateiaaleja voidaan kuitenkin sekoittaa. CRES-liittimiä voidaan käyttää sekä CRES-putkien että titaaniputkien kanssa, mutta titaanisia Pemaswage-liittimiä ei voida käyttää CRES-putkien kanssa. [9] 4. Titaani Ti-3Al-.5V (ASTM gade 9) on titaanin α/β-seos, jota käytetään melko unsaasti polttoaineja hydauliikkaputkien sekä joidenkin akenneosien mateiaalina. Kevyen, lujan ja muokattavan putkimateiaalin tave oli pitkälti syynä seoksen kehittämiseen. Concode, Lockheed C5A ja Boeing 767 olivat ensimmäiset koneet, joissa sitä käytettiin. Tämän lisäksi seosta käytetään mm. uheiluvälineissä hyvän väännönsietokyvyn ja keveyden vuoksi. [10] 4..1 Ominaisuudet Ti-3Al-.5V sijoittuu lujuusavoiltaan seostamattoman titaanin ja yleisesti käytetyn Ti-6Al- 4V-seoksen väliin. Seos on kuitenkin muovattavuudeltaan selvästi paempi kuin Ti-6Al-4V ja soveltuu siksi paemmin putkien valmistukseen. Sitä käytetään myös nauhamaisten ja valssattujen tuotteiden sekä takokappaleiden valmistukseen. [11] Ti-3Al-.5V:n lujuus on vasin suui ja lujuus/painosuhde eittäin hyvä. Sen tiheys on pienempi kuin uostumattomilla teäksillä. Se soveltuu hitsattavaksi yleisellä TIGmenetelmällä ja vedettäväksi samanlaisilla laitteilla kuin uostumattomat teäsputket. Mateiaali sietää hyvin viumista sekä kooosiota, kuten kuoppa-, ako-, eoosio- ja jännityskooosiota. Sen hinta on suhteellisen edullinen veattuna unsaammin seostettuihin titaaneihin. Lämpölaajenemiskeoin on pieni. 9

30 Seoksen lujuusominaisuuksia voidaan paantaa lämpökäsittelyllä, mutta kakenevuus on vähäistä. Hehkutus voidaan suoittaa asteessa (1-3 h) ja jännityksenpoisto asteessa (1-3 h), minkä jälkeen kappale jäähdytetään ilmassa. [10][11] Ti-3Al-.5V saattaa altistua väsymiselle tai kooosiolle joissain olosuhteissa. Altistavia ympäistötekijöitä ovat esimekiksi klooi, happi, vetykloidihappo ja ikkihappo. Seos saattaa myös käsiä vetyhauaudesta mm. kokean lämpötilan, galvaanisen kytkennän tai ympäistön alhaisen ph:n vaikutuksesta. [11] Titaanin Ti-3Al-.5V yleisiä mateiaaliavoja on koottu taulukkoon 4. Avoja voidaan muokata lämpökäsittelyllä. Taulukko 4. Ti-3Al-.5V:n mateiaaliavoja huoneenlämpötilassa. [11] Annealed Cold woked, stess elieved Mutolujuus [MPa (psi)] 60 (90000) 86 (15000) Myötölujuus [MPa (psi)] 485 (70000) 74 (105000) Mutovenymä [%] Kimmomoduli [GPa (psi)] 103 (14, ) 100 ( ) Tiheys [g/cm 3 ] 4,48 Lämpölaajenemiskeoin [m/m C] 9, (0-100 C) 4.. Väsyminen Titaaniseosta Ti-3Al-.5V on käytetty lentokoneiden kokeapaineisissa hydauliikkajäjestelmissä putkistomateiaalina yli 0 vuoden ajan. Kokemuksien peusteella mateiaalin väsymisominaisuuksia pidetään yleisesti hyvinä tässä käyttöympäistössä. Ti-3Al-.5Vputken väsymislujuus on suunnilleen puolet mateiaalin vetolujuudesta. Väsymiselle altistavia tekijöitä ovat tietty kideakenteen laatu, jäännösjännitykset, joita syntyy putkien oikaisussa ja taivutuksessa, pintaviat ja vauiot, akenneviheet sekä putken muotoviheet. Titaani on huomattavasti uostumatonta teästä hekempää kolhuille ja naamuille. [1] 30