AARNO IMMONEN HYDRAULIKOMPONENTTIEN KÄYTTÖIÄN TARKASTELU. Diplomityö

Transkriptio

1 AARNO IMMONEN HYDRAULIKOMPONENTTIEN KÄYTTÖIÄN TARKASTELU Diplomityö Tarkastaja: professori Jari Rinkinen Tarkastaja ja aihe hyväksytty Konetekniikan osastoneuvoston kokouksessa

2 I Tiivistelmä TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Konetekniikan koulutusohjelma IMMONEN, AARNO: Hydraulikomponenttien käyttöiän tarkastelu Diplomityö, 85 sivua, 5 liitesivua Kesäkuu 2007 Pääaine: Hydrauliikka ja automatiikka; Hydraulitekniikka Tarkastaja: professori Jari Rinkinen Avainsanat: käyttöikä, kuluminen, hydraulikomponentti, kunnossapito, vikaantuminen Hydraulikomponenttien valmistajat eivät useimmiten anna ohjeita tuotteidensa käyttöiästä. Lisäksi joidenkin komponenttien kunnonvalvonta on hyvin vaikeaa. Erityisesti prosessiteollisuudessa yksittäisten komponenttien vikaantumisesta aiheutuvat taloudelliset menetykset saattavat olla huomattavat. Näistä syistä tarve käyttöiän tarkasteluun on ollut suuri. Työn tärkein tavoite onkin selventää sen määrittelyä. Työssä tarkastellaan eri käyttöparametrien vaikutusta komponenttien kestoon tutkimusten, käytännön kokemusten ja valmistajien ilmoitusten perusteella. Prosessiteollisuudesta kerättäviä kokemuksia arvioidaan vertaamalla niitä tutkimustuloksiin ja teorioihin. Mahdollisuuksia käyttöiän määrittämiseen kunnonvalvonnan avulla arvioidaan komponenttiryhmittäin. Näiden tietojen perusteella tarkastellaan vikaantumisiin liittyvien seurantatietojen keräämisen tarvetta käytännön sovelluksista. Lisäksi määritetään eniten vaikuttavat käyttöparametrit tietojen keruuta varten. Seurantatiedot mahdollistavat myöhemmin eri käyttöparametrien yhteisvaikutusten tutkimisen. Seurannasta saatavien tietojen analysointia varten määritellään menetelmä, jolla voidaan arvioida todellisten komponenttien vikaantumisen tilastollista käyttäytymistä. Tietokonesimulaation mahdollisuuksia tarkastellaan taloudellisimman käyttöiän määrittämisessä komponentille seurantatietojen tuloksiin ja vikaantumiseen liittyviin kustannuksiin perustuen. Menetelmää voidaan useimmissa tapauksissa soveltaa ennakoivaan käyttöiän määrittelyyn. Työssä havaittiin että tarkastelluissa järjestelmissä, joissa öljyn puhtausluokat olivat jo hyvät, käyttöpaine, -lämpötila ja öljyn lisäaineistus olivat merkittävimmin komponenttien kestoikään vaikuttavia parametreja. Useimmiten pienilläkin parannuksilla saavutetaan merkittävä lisäys kestoikään. Öljyn puhtaus on silti perusedellytys pitkän käyttöiän saavuttamiseksi.

3 II Abstract TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Mechanical Engineering IMMONEN, AARNO: Study on the Service-Life of Hydraulic Components Master of Science Thesis, 85 pages, 5 Appendix pages June 2007 Major: Hydraulics and Automation; Hydraulics Examiner: Professor Jari Rinkinen Keywords: service-life, wear, hydraulic component, maintenance, failure Hydraulic-component manufacturers do not usually comment on the service-life of their products. Additionally, for some components, condition monitoring is very difficult. Especially in process industry, losses due to failure of single component can be remarkable. For these reasons there has been a great demand for a study on service-life. Accordingly, the main target of this thesis is to help determine it. The effects of different parameters on the life of components are studied based on experiences, research publications and values provided by the manufacturers. Experiences are collected from process industry. The results are evaluated and justified based on studies and theories. Possibilities of determining the service life by means of condition monitoring are studied separately for every component group. The need for collecting statistical data on failures in practical applications is evaluated upon these facts. To help collecting the data, the most influencing parameters are listed. The data enables further investigation of synergies of different operation parameters. A method for estimating the statistical behaviour of real components, based on collected data, is provided. The possibilities of determining the most cost-effective service-life by computer simulation, using statistical model and given losses due to failure, is being evaluated. The method is found to be applicable in most cases. In studied hydraulic systems, which hade low contamination levels, pressure, temperature, and oil additive contents were the most influencing parameters. Furthermore even small improvements may improve component life noticeably.

4 III Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Kunnossapitoyhdistys ry:n Hydrauliteknisen toimikunnan Hydraulikomponenttien eliniän hallinta työryhmän ohjaamana. Ohjausryhmässä olivat mukana: Ekström, Kaj; Hägglunds Drives Oy Lillqvist, Peter; MOOG Oy Luhtanen, Tommi; Oy Teboil Ab Mattila, Heikki; Polarteknik PMC Oy Ab Nikkilä, Pekka; Alfa Hydrauliikka Oy Nousiainen, Timo; Oy Colly Company Ab Oinonen, Ari; Parker Hannifin Oy Pylkkänen, Heikki; Bosch Rexroth Oy Räihä, Kaarle; Hydrauliikkahuolto K. Räihä Oy Haluan kiittää kaikkia edellä mainittuja kokemuksiensa ja tietojensa jakamisesta. Samoin haluan kiittää kaikkia kunnossapidon, valmistajien, huoltojen ja myyjien kokemuksia ja mielipiteitä esille tuoneita henkilöitä. Erityisesti haluan kiittää Kaarle Räihää Hydrauliikkahuolto K. Räihällä kesinä 2003 ja 2004 saamistani kesätyökokemuksista. Purkupöydällä huoltoon tulleiden pumppujen ja moottoreiden kappaleita pyöritellessäni heräsi kiinnostus myös kulumisen teoriaan. Työn tarkastajalle professori Jari Rinkiselle esitän erityisen kiitoksen opastuksesta työn suoritukseen liittyvissä asioissa. Tampereella Aarno Immonen GSM:

5 IV Sisällys Lyhenteet ja merkinnät 1. Johdanto Hydraulikomponentin käyttöiän määritteleviä tekijöitä Rakenteellinen väsyminen Kulumismekanismit Abrasiivinen kuluminen Adhesiivinen kuluminen Väsymiskuluminen Eroosio- ja kavitaatiokuluminen Kemialliset vikaantumismekanismit Käyttöikäkokemuksia Kokemuksia pumpuista Vakiopainesäädetyt vinolevypumput Suljetun piirin vinolevypumput Vakiopainesäädetyt kulmaroottoripumput Muut pumpputyypit Kokemuksia venttiileistä Luistityyppiset säätöventtiilit Kaksitilaisesti ohjatut venttiilit Muut venttiilityypit Kokemuksia moottoreista Kokemuksia sylintereistä Kokemuksia putkiston komponenteista Kokemuksia öljystä Kokemuksia suodattimista Käyttöikään liittyviä tutkimuksia ja määritelmiä Pumput Paineen ja tuoton vaikutus Epäpuhtauksien vaikutus Öljyn ominaisuuksien vaikutus Venttiilit Moottorit Sylinterit Putkisto Öljy Suodattimet Kunnonvalvontamenetelmien tarkastelua Pumppujen kunnonvalvonta Venttiilien kunnonvalvonta Moottorien kunnonvalvonta Sylintereiden kunnonvalvonta Putkiston komponenttien kunnonvalvonta Öljyn kunnonvalvonta Suodattimien kunnonvalvonta Seurantatietojen kerääminen ja käsittely Käyttöiän määrittely simuloimalla Tulosten tarkastelu Johtopäätökset Lähteet... 81

6 V Lyhenteet ja merkinnät h min...keskimääräinen voitelukalvon paksuus [µm] i...summausoperaattori, partikkelikokojakaumien määrä [-] 1 k...reaktionopeusvakio [ s ] n...käytetty pyörimisnopeus [kierrosta/min] 2 3 n...eri partikkelikokojen konsentraatio öljyssä [ 1/ m ] Fi p 2...käytetty käyttöpaine [bar] t...toteutuva käyttöikä [s] 1 1 A...reaktion lämpötilariippuvuusvakio [ s ] E...reaktion aktivaatioenergia [J/mol] a L 1...kestoikä vertailupisteessä [h] L 2...saavutettava kestoikä [h] L...kestoikä 90 % varmuudella [h] L 10 10(1) L 10(2)...saavutettava kestoikä 90 % varmuudella [h]...kestoikä vertailupisteessä 90 % varmuudella [h] M 1...käytetty vääntömomentti [Nm] M...vertailuvääntömomentti [Nm] t1 2 Q...pumpun tuotto käyttöiän lopussa [ 3 Q o...pumpun tuotto aluksi [ m / s ] R...yleinen kaasuvakio [J/mol K] T...lämpötila [K] 3 m / α i...kulumiskerroin kullekin partikkelikokojakaumalle [ λ...voitelukalvon ominaispaksuus [-] v 1...käytetty viskositeetti [cst] v 2...viskositeetti vertailutilanteessa [cst] σ 1...pinnankarheuden neliöllinen keskiarvo [µm] σ...pinnankarheuden neliöllinen keskiarvo [µm] 2 EP...korkea paine (Extreme Pressure) ISO VG...öljyn viskositeettiluokitus ISO-standardin mukaan MTTF...keskimääräinen aika vikaantumisten välillä (Mean Time Between Failure) NBR...nitriilibutadieeni ppm...miljoonasosaa (parts per million) s ] 3 m / s ]

7 1 1. Johdanto Erityisesti prosessiteollisuudessa toimivien hydraulikomponenttien oikean huoltotai vaihtovälin määrittäminen on ollut vaikeaa. Komponenttien kuormitukseen vaikuttavat monet parametrit, eikä valmistajilta useinkaan saa tietoa siitä, kuinka pitkään komponentit kestävät tietyn tyyppistä käyttöä. Usein käyttöikää ei kommentoida mitenkään. Prosessiteollisuudessa hydraulikomponentteja on kohteissa joissa on harvoin mahdollisuus huoltoseisokkiin ja toisaalta komponenttien suuresta määrästä johtuen liian aikaisin huoltoon ottaminen aiheuttaa turhia kustannuksia. Toisaalta komponenttien käyttäminen vikaantumiseen asti aiheuttaa usein huomattavia menetyksiä ja voi aiheuttaa vaaraa ihmisille. Tämän diplomityön tavoitteena on löytää hydraulikomponenttien kestoikään kriittisimmin vaikuttavat parametrit ja arvioida näiden yhteisvaikutuksia. Teollisuudessa vallitsevan tilanteen ja käytäntöjen kartoittamiseksi tehdään kyselyjä muutamissa prosessiteollisuuden tehtaissa. Yhtenä tavoitteena on kehittää hydraulikomponenttien käyttöikään liittyvän tiedon keruuta. Tarkoituksena on auttaa prosessiteollisuuden kunnossapitoa arvioimaan kokonaisuuden kannalta optimaaliset huolto- tai vaihtovälit komponenteille. Tätä tarkoitusta varten tutkitaan myös vikapuumallin soveltuvuutta käyttöiän määrittämisen apuvälineenä. Aihetta on tutkittu aikaisemmin lähinnä vain yksittäisten komponenttien osalta, ja tällöinkin on tarkasteltu yhden tai muutaman parametrin vaikutuksia komponentin kestoikään. Tähän työhön otetaan kaikki tyypilliset teollisuushydrauliikan komponentit mukaan. Tärkeimpien tarkastelunkohteiden ja työn suuntaviivojen selvittämiseksi tehdään pienimuotoinen kyselykierros prosessiteollisuuden kunnossapidosta vastaavien tahojen keskuudessa. Työn luonteesta johtuen kaupallisilta tahoilta saatavaa julkaisematonta tietoa käsitellään luottamuksellisesti, eikä esimerkiksi komponenttivalmistajia mainita nimeltä. Tästä syystä asioita käsitellään muutenkin vain yleisellä tasolla.

8 2 2. Hydraulikomponentin käyttöiän määritteleviä tekijöitä Hydraulikomponentin käyttöikä on se aika jonka se pystyy kokonaisuuden kannalta edullisimmin toimimaan ilman huoltoa. Se voi olla samalla myös vaihto- tai huoltoväli, riippuen komponentin huollettavuudesta. Optimaalinen käyttöikä riippuu paljon komponentin sijoituskohteen kriittisyydestä. Prosessiteollisuudessa yksittäisen komponentin vikaantumisesta aiheutuvien suorien ja epäsuorien menetysten suhde sen vaihdosta aiheutuviin kustannuksiin voi olla huomattavan suuri. Pienessä koneessa taas vastaava suhde saattaa olla päinvastainen. Komponentin luotettavuus voidaan määritellä sen kyvyksi säilyttää ominaisuutensa tiettyjen rajojen sisällä tietyillä toimintapisteen parametreilla. Epäluotettavuus ei siis välttämättä tarkoita komponentin täydellistä pettämistä, vaan myös ominaisuuksien riittävän suuri muutos katsotaan epäluotettavuudeksi. Tapahtumaa joka aiheuttaa komponentin ominaisuuksien muutoksen pois sallituista rajoista, kutsutaan vikaantumiseksi. (Polovko 1963) Komponentin vikaantumiseen kuluva aika on siten sen kestoikä. Vikaantuminen voi olla äkillinen satunnainen ilmiö, tai se voi olla seurausta pitkäaikaisesta ominaisuuksien heikkenemisestä, kuten kulumisesta. Vikaantuminen voi myös olla itsenäinen, tai olosuhteista ja muista komponenteista riippuva. Vikaantumisen tyyppi vaikuttaa mahdollisuuksiin määritellä sille tunnuslukuja. Hydraulikomponenttien vikaantumiset perustuvat useimmiten ominaisuuksien pitkäaikaiseen heikkenemiseen ja muista komponenteista tai tekijöistä riippuviin mekanismeihin. Satunnaisen ilmiön aiheuttama vika voisi olla venttiilin jumiutuminen riittävän suuren epäpuhtauspartikkelin vaikutuksesta. Se voisi olla riippumaton ilmiö, esimerkiksi työstöstä jääneen lastun irrotessa, tai riippuva ilmiö suodatuksen toiminnan vikaantuessa. Vikaantuminen voidaan jakaa myös lopulliseen tai tilapäiseen vikaantumiseen. (Polovko 1963) Hydraulikomponenttien kohdalla tilapäisten vikaantumisten osuus on kuitenkin vähäistä. Todellisia luotettavuuden arvoja ei saada selville, ellei kaikkia komponentteja käytetä niiden vikaantumiseen asti. Sen sijaan ottamalla riittävän suuri näytesarja komponenteista, voidaan tulosten perusteella määrittää kaikille vastaaville

9 3 komponenteille käyttökelpoinen luotettavuuden malli. Se ei vastaa täysin todellista tilannetta, mutta näytesarjan koosta riippuen sillä voidaan kohtuullisella todennäköisyydellä mallintaa todellista tilannetta. Mitä suurempi osuus kaikista komponenteista otetaan mukaan näytesarjaan, sitä suuremmalla todennäköisyydellä se edustaa todellista tilannetta. (Lipson & Seth 1973) Kestoikää mallinnetaankin usein näytesarjan perusteella määritetyn vikaantumistodennäköisyystiheysjakauman avulla. Jonkin laakerin vikaantumistodennäköisyystiheysjakauma on esitetty kuvassa 1. Se on normeerattu siten, että käyrän alle jäävä pinta-ala on 1. Tällöin pinta-ala α kuvaa todennäköisyyttä, jolla laakeri vikaantuu ajanhetken X jälkeen. Käyttöiän määrityksen kannalta kiinnostavampaa on se, millä todennäköisyydellä komponentti on vikaantunut ajanhetkeen X mennessä, eli pinta-ala (1- α). (Lipson & Seth 1973) Kuva 1. Vikaantumistodennäköisyysfunktio ja siitä määritelty luottamustaso α. (Lipson & Seth 1973) Todennäköisyystiheysfunktioiden määrittäminen perustuu yleensä muutamiin erilaisiin tilastollisiin jakaumiin. Kestoikään voidaan useimmiten soveltaa Weibulljakaumia tai logaritmista normaalijakaumaa. Kaksiparametrisella Weibull-jakaumalla voidaan mallintaa ilmiöitä, joiden tapahtumisen alarajana on ajan alkuhetki. Kolmiparametrisella jakaumalla taas voidaan mallintaa ilmiöitä, joiden toteutumisen alaraja ei todennäköisesti ole alkuhetki. Kaksiparametrinen Weibull-jakauma ja logaritminen normaalijakauma ovat yleisimmin käytettyjä mekaanisiin kulumisilmiöihin liittyviä jakaumia. Kolmiparametrista Weibull-jakaumaa käytetään muun muassa väsymislujuuden mallintamiseen. Tavallisella normaalijakaumalla voidaan mallintaa komponenttien laadullisten erojen hajontaa. Eksponentiaalijakauma on yksi Weibull-

10 4 jakauman erityismuoto. Sille on ominaista vakio vikataajuus. Se ei siis huomioi aiemmin tapahtunutta, eikä siten sovellu kulumisilmiöiden mallintamiseen. (Lipson & Seth 1973) Todellisuudessa ilmiöiden jakaumat eivät noudata tarkalleen näitä jakaumia, mutta esimerkiksi laakerilaskennassa on saavutettu hyviä tuloksia mallintamalla kestoikää Weibull-jakaumalla. Hydraulikomponentit koostuvat monista pienemmistä osista, kuten laakereista, männistä, tiivistimistä ja luisteista. Kaikkien osien vikaantumisen todennäköisyystiheysfunktiot, ja siten niiden kestoiät ovat erilaisia ( Kuva 2). Lisäksi niiden muutokset toimintapisteen parametrien funktiona ovat erilaisia, jopa erisuuntaisia (Polovko 1963). Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että tietyssä toimintapisteessä komponentit voivat kestää hyvin tarkkaan saman ajan, ja vikaantumismekanismi on lähes aina sama. Toisessa toimintapisteessä saman komponentin kesto voi vaihdella huomattavasti, ja määräävä vikaantumismekanismi voi myös muuttua. Edellä mainittu on varmasti yksi syy siihen, miksi valmistajat eivät usein kommentoi komponenttiensa luotettavuutta millään konkreettisilla arvoilla. Kuva 2. Esimerkki hydraulikomponentin eri osien vikaantumisen todennäköisyystiheysfunktioista. Keskimääräinen vikaantumisväli MTTF (Mean Time To Failure) kuvaa komponenttien vikaantumiseen kuluvan ajan keskiarvoa. Sen soveltuvuus käytännön kunnossapidon tueksi on huono, varsinkin jos yksittäisten komponenttien välillä on suurta

11 5 hajontaa ja ei ole mahdollisuutta käyttää rinnakkaisia järjestelmiä. Esimerkiksi laakereilla MTTF on viisinkertainen verrattuna yleisesti mitoituksessa käytettyyn L 10 -kestoikään, jossa 10 % komponenteista voi vikaantua (Parker Hannifin 2004). Jos ei ole mahdollisuutta valvoa komponentin kuntoa, käyttöiän tulisi perustua sen vikaantumistodennäköisyysjakaumaan, ja siitä valittuun luottamustasoon. Käyttöiän analyyttinen määrittäminen voidaan siis tehdä sitä tarkemmin, mitä vähemmän mahdollisesti vikaantuvia osia komponentti sisältää, ja mitä keskittyneemmät ovat näiden kestoiän arvot. Tärkeintä on että käyttöikä on lyhyempi kuin kestoikä. Tällöin voidaan puhua ennakoivasta kunnossapidosta. Valmistajilla on tapana ilmoittaa esimerkiksi pyöriville koneille maksimi painetaso, maksimi pyörimisnopeus, maksimi epäpuhtaustaso ja viskositeetin raja-arvot. Todellisuudessa komponentit useimmiten kestävät käyttöä myös näiden annettujen rajojen ulkopuolella, kuitenkin vain lyhyitä aikoja. Tämän toteamuksen tarkoituksena ei ole kannustaa alimitoitukseen. Päinvastoin, sillä sama pätee myös toiseen suuntaan, ja sopivalla ylimitoituksella on mahdollista pidentää komponentin kestoa. Annetut ohjearvot liittyvät usein tiettyihin keston todennäköisyystasoihin. Samanlaisina myytävien komponenttien valmistuksessa tehtävät virheet ja mittatoleranssit aiheuttavat eri komponenttiyksilöiden kestoikien jakautumisen tiettyjen jakaumien mukaan. Osa komponenteista ei kuitenkaan kestä edes valmistajan sallimilla parametreilla tapahtuvaa käyttöä. Luotettavuuden tätä puolta varten ovat lainsäädännöt vastuista ja takuukysymyksistä. Valmistaja voi vaikuttaa näihin asioihin omalla laadunvarmistuksellaan. Kuitenkaan täyttä varmuutta ei voida käytännössä saavuttaa. Komponentin käyttöikään liittyvä haluttu luottamustaso riippuu sen kriittisyydestä. Kriittisimmille komponenteille vaaditaan suurempi varmuustaso, ja ne otetaan huoltoon aiemmin, kuin samoissa olosuhteissa toimivat vähemmän kriittiset komponentit. Komponentin kriittisyyteen perustuvan kriittisyysmatriisin käyttöä on esitelty kuvassa 3. Siinä otetaan huomioon vian seurausten vaikutus sekä vian esiintymistodennäköisyys. Kriittisin komponentti on sellainen joka vikaantuu suurella todennäköisyydellä ja jonka vikaantuminen aiheuttaa suuret kustannukset. Toisaalta harvoin vikaantuva ja vain vähän toimintaan vaikuttava komponentti voidaan jättää vähemmälle huomiolle. (Rusanen et al. 2005)

12 6 Kuva 3. Viikakriittisyysmatriisi. (Rusanen et al. 2005) H. Rusanen, T. Koivula ja J. Rinkinen (Rusanen et al. 2005) olivat kehittäneet myös monipuolisemman vian kriittisyyden analysointimenetelmän, jonka periaate käy ilmi taulukosta 1. Siinä on neljä tunnuslukua eri vikamuodoille. Nämä ovat: vakavuus (S), esiintymistiheys (O), vian aiheuttajan havaittavuus (Dc) ja vian havaittavuus (Df). Vakavuuden ja esiintymistiheyden tulo (SO) vastaa kriittisyysmatriisilla määritettyä kriittisyyttä. Vian aiheuttajan havaittavuus ja vian havaittavuus kertovat mahdollisuuksista kyseisen vikamuodon suhteen tapahtuvaan kunnonvalvontaan. Havaittavuuden maksimiarvot (BestDf ja BestDc) kuvaavat vikamuodon korkeinta havaittavuustasoa. (Rusanen et al. 2005) Taulukko 1. Ehdotus vikakriittisyysanalyysilomakkeeksi. (Rusanen et al. 2005) Tällä menetelmällä pystytään ottamaan huomioon kunnonvalvonnan tuomat mahdollisuudet käyttöiän määrittämiseen. Jos kunnon valvottavuus on huono, ja komponentin kriittisyys korkea, on vikaantumistodennäköisyyteen perustuvan käyttöiän määrittely tärkeää.

13 7 2.1 Rakenteellinen väsyminen Koneensuunnittelussa tavoitellaan usein komponentin tasalujuutta mitoituksen perustana. Tämä tarkoittaa sitä, ettei mikään yksittäinen osa olisi ylimitoitettu tai erityisesti ei ainakaan selvästi toista heikompi. Saman periaatteen mukaan hydraulikomponentin eri osien tulisi käytössä rasittua tai kulua lähes yhtä vähän. Ongelmana on kuitenkin jo edellisessä luvussa esille tullut toimintapisteiden ja kuormitustilanteiden määrä. Usein toimilaitteiden mitoitus on kuitenkin vaikeaa, koska todellisia kuormituksia ei tunneta tarkkaan. Mekaanisten rakennevaurioiden käsittely ei pääasiassa kuulu tämän työn aihepiiriin. Useimmiten mekaaniset vauriot ovat ylikuormituksen, valmistusvirheen tai väärinkäytön aiheuttamia. Toisaalta ne voidaan lukea myös hydraulijärjestelmän suunnitteluvirheiksi, jos todellisia kuormituksia ei ole otettu huomioon. Teollisuushydrauliikassa ei yleensä ole tarpeen mitoittaa komponentteja äärellisen kestoiän mukaan. Jos näin kuitenkin tehdään, komponentin kestoikä voi jäädä hyvinkin lyhyeksi värähtelevässä tai usein toistuvassa käytössä. Äärellisellä kestoiällä teräkselle sallitut kuormanvaihtokerrat ovat suurimmillaan vain joitain miljoonia. Riippuen rasitushuippujen esiintymistaajuudesta, väsymisvaurio voi ilmetä hyvinkin lyhyen käytön jälkeen. Toisessa ääripäässä harvoin esiintyvät kuormitushuiput voivat lisätä rakenteen kuormituskertymää hyvinkin hitaasti, ja väsyminen voi tapahtua pitkän ajan kuluessa. Jälkimmäinen tyyppi edustaa usein sellaista tapausta, jossa paineiskujen tai muiden häiriöiden takia todellisia kuormituksia ei tiedetä. Joihinkin mekaanisiin väsymisilmiöihin ei voida vaikuttaa mitoituksella. Esimerkiksi säätöventtiileihin integroidut elektroniikkakomponentit altistuvat lämpötilan, sekä tärinän aiheuttamille jännitysvaihteluille. Nämä yhdessä tai erikseen voivat aiheuttaa juotoksen tai komponentin jalan väsymismurtuman. Myös venttiileissä käytettävien jousten ominaisuudet muuttuvat virumisen ja väsymisen seurauksena pitkän ajan kuluessa. 2.2 Kulumismekanismit Useissa hydraulikomponenteissa toistensa suhteen liikkuvien pintojen kuluminen on ratkaisevassa asemassa määritettäessä niiden käyttöikää. Tämä on aihe, jossa eri

14 8 valmistajien rakennesuunnittelun ja materiaalivalintojen erot korostuvat. Eri valmistajien nimellisesti samoilla suoritusarvoilla toimivat komponentit eroavat rakenteiltaan ja materiaalivalinnoiltaan toisistaan. Tässä luvussa käsitellään tribologisia näkökulmia yleisesti, jotta myöhemmin voidaan paremmin tarkastella eri ratkaisujen eroja. Vaikka hydraulikomponenteissa öljyä on yleensä läsnä liikkuvien pintojen välillä, se ei yksinään riitä takaamaan, ettei kulumista tapahtuisi. Liian ohut voiteluöljykalvo, likapartikkelit öljyn seassa tai öljyn vääränlaiset ominaisuudet aiheuttavat toistensa suhteen liikkuvien osien kulumista. Seuraavassa käsitellään lyhyesti yleisimpiä hydraulikomponentteihin vaikuttavia kulumismekanismeja Abrasiivinen kuluminen Abrasiivisella kulumisella tarkoitetaan kulumismekanismia, jossa pintojen suhteellisen liikkeen johdosta pinnankarheuksien huiput poistavat materiaalia toisesta pinnasta tai muokkaavat pintaa. Kuluminen tapahtuu kyntämisen, leikkaamisen tai murtumisen kautta. Yksi tämän kulumismekanismin erityismuoto on niin sanottu kolmen kappaleen abrasiivinen kuluminen, jossa pintojen väliin joutunut, usein muokkauslujittunut ja molempia pintoja kovempi, likapartikkeli toimii materiaalia irrottavana elimenä. (Kivioja et al. 2004; Williams & Hynicica 2001) Tämä on hydraulikomponenttien yleisin kulumismekanismi (Williams & Hynicica 2001). Nyt käsiteltävissä teollisuushydraulijärjestelmissä kiinteiden epäpuhtauksien aiheuttama kuluminen on kuitenkin muita hydraulijärjestelmiä vähäisempää, johtuen hyvästä suodatuksesta ja saavutetusta puhtaustasosta. Yleisesti on tiedossa että kyseisen komponentin välysten kokoluokkaa olevien likapartikkelien eliminoiminen on tärkeintä. Suuret partikkelit tulevat yleensä joka tapauksessa suodatetuksi, vaikka ne eivät mahtuisikaan välyksiin aiheuttamaan kulumista, ja toisaalta selvästi välystä pienemmät partikkelit kulkevat sen läpi aiheuttamatta muutoksia pintoihin. Abrasiivinen kuluminen on yleensä hidasta ja tasaista, niin sanottua tasaista kulumista. Yleensä siinä lähinnä pinnanlaatu muuttuu hiukan, kappaleen säilyttäessä muotonsa melko hyvin. Materiaalihukka aikayksikköä kohti on lähes vakio kuormituksen ja liukunopeuden ollessa vakiot. Abrasiivisen kulumisen ominaispiirteisiin kuuluu myös irronneiden hiukkasten lähteminen öljyn mukana kiertoon. Tämä kulumismekanismi ei yleensä aiheuta nopeita katastrofaalisia vikaantumisia, elleivät irronneet partikkelit

15 9 aiheuta herkempien elimien kuten säätöventtiilien jumiutumista tai vaurioitumista. Abrasiivisen kulumisen kehityksen seuraaminen on mahdollista esimerkiksi öljynäytteistä tehtävien kulumishiukkasanalyysien perusteella Adhesiivinen kuluminen Adhesiivista kulumista tapahtuu, kun toistensa suhteen liikkuvien pintojen pinnankarheuksien huiput tarttuvat kovan paineen alaisina toisiinsa kiinni. Tässä tapauksessa pintojen välinen voitelukalvo ei riitä pitämään pintoja täysin erillään toisistaan. Kulumisen nopeus riippuu siitä, murtuuko toinen pinnankarheuksien kohoumista irti omasta pinnastaan. Irronnut partikkeli voi jäädä pysyvästi osaksi toista pintaa, tai se voi irrota syntyneestä sidoksesta ja lähteä öljykiertoon. Usein irronnut ja samalla muokkauslujittunut partikkeli aiheuttaa myös abrasiivista kulumista. Vaikka materiaalia ei irtoaisi, pintaan syntyy kuitenkin plastista muodonmuutosta. Adhesiivinen kuluminen huomataan useimmiten takertelevana liikkeenä, kun liukupintojen pinnanlaatu heikkenee. Ilmiön vakavin aste on kiinnileikkautuminen. (Kivioja et al. 2004) Adhesiivisen kulumisen syntyyn vaikuttaa usein heikko voitelutilanne, niin sanottu rajavoitelu, jossa voiteluainekalvo ei riitä pitämään pinnankarheuksien huippuja erossa toisistaan. Rajavoitelu voidaan määritellä esimerkiksi voitelukalvon ominaispaksuuden λ [-] avulla: λ = σ h 2 1 min + σ 2 2 (1) missä h min [µm] on keskimääräinen voitelukalvon paksuus ja σ 1 [µm] sekä σ 2 [µm] ovat pinnankarheuksien neliölliset keskiarvot. Voitelukalvon ominaispaksuudella λ 4 pintojen välistä kosketusta ei juuri tapahdu, jolloin ollaan niin sanotulla nestevoitelualueella. Alle yhden olevilla λ arvoilla jonkinasteinen kosketus on jatkuvaa. Tällöin puhutaan rajavoitelutilanteesta. Näiden tilanteiden välillä olevaa voitelutilannetta kutsutaan sekavoitelualueeksi ( Kuva 4). (Kivioja et al. 2004)

16 10 Kuva 4. Voitelutilanteet voitelukalvon paksuuden funktiona. Kitkakertoimen arvot esimerkinomaisia. (Kivioja et al. 2004) Voitelukalvon ominaispaksuus on useissa käytännön sovelluksissa alle 1, usein vain 0,1 (Ludema 2001). Tämä, yhdistettynä liukupintojen hyvään liukoisuuteen keskenään, kasvattaa riskiä adhesiivisen kulumisen esiintymisestä. Kuten kuvasta 5 nähdään, teräs teräs -liukupari on korkean liukoisuutensa vuoksi huono. Lyijy, tina, magnesium, kadmium ja kupari sen sijaan ovat teräkseen liukoisuudeltaan heikkoja, ja siten soveltuvia terästä vastaan liukuvien pintojen materiaaliksi. Samat materiaalit ovat yleisiä laakeripronssien seosaineita (Kivioja et al. 2004). Kuva 5. Metallien liukoisuus toisiinsa. (Kivioja et al. 2004)

17 11 Adhesiivisen kulumisen ennustaminen ei ole nykytiedon mukaan mahdollista (Ludema 2001). Vaikka voitelukalvo ei riittäisi pitämään vastinpintoja erossa toisistaan, voivat metallin pinnan muokkauslujittunut kerros, työstövaiheessa syntynyt pienirakeinen Beilby-kerros, pintoihin kiinnittyneet voiteluainemolekyylit tai erikoispinnoitukset estää pinnankarheuksien huippujen yhteen tarttumisen (Ludema 2001;Kivioja et al. 2004). Rajavoitelualueella toimivat hydrauliöljyissä käytettävät lisäaineet ovat tyypiltään joko kulumisenesto- tai EP (Extreme Pressure) -lisäaineita. Näistä ensin mainittu toimii paremmin kevyemmillä kuormituksilla ja alhaisemmissa lämpötiloissa. EP-lisäaineet vaativat sen sijaan noin C lämpötilan kemiallisen reaktion käynnistymiseen ja voitelukalvon syntymiseen (Kivioja et al. 2004). Vaikka teollisuushydrauliikassa öljyn lämpötila on yleensä C, pintojen välillä paikalliset lämpötilahuiput yltävät EPlisäaineiden toiminta-alueelle. Lisäaineisiin perustuva voitelu toimiikin sitä paremmin, mitä pahemmat olosuhteet ovat. Ne eivät normaalissa nestevoitelutilanteessa reagoi ollenkaan, vaan ovat vain reservissä mahdollisia rajavoitelutilanteita varten. Näiden kemiallisiin reaktioihin perustuvien lisäaineiden hyviin ominaisuuksiin kuuluu syntyneen voitelukalvon kestävyys. Se on kovemmin kiinni pinnassa kuin fysikaalisen tai kemiallisen adsorption kautta syntyneet voiteluainekalvot (Kivioja et al. 2004; Kuva 6).

18 12 a) b) c) Kuva 6. Voiteluaineiden kiinnittyminen metallipintaan: a) kemiallisen reaktion avulla b) kemiallisella adsorptiolla c) fysikaalisella adsorptiolla. (Kivioja et al. 2004) Käytännössä kriittisimmät tekijät adhesiivisen kulumisen kannalta ovat öljyn voiteluominaisuudet ja sen lisäaineistus. Muihin rakenteeseen, materiaalinvalintaan tai pinnoitukseen liittyviin kysymyksiin ei voida yleensä vaikuttaa muuten kuin komponentin ostohetkellä. Toiset komponentit vaativat öljyltä enemmän lisäaineitusta toimiakseen.

19 Väsymiskuluminen Väsymiskulumista esiintyy hydraulikomponenteissa useimmiten vierivän kosketuksen yhteydessä. Vierintälaakereiden kuormankantokyky perustuu vierintäelementtien ja vierintäratojen elastiseen deformaatioon, sekä voiteluaineen viskositeetin voimakkaaseen paineriippuvuuteen (Kivioja et al. 2004). Voiteluainekalvon viskositeetin kasvu kosketusalueella vaikuttavan paineen vuoksi, ja kosketusalan kasvu riittävät pitämään vierivät pinnat irti toisistaan, öljyn ja pintojen ominaisuuksista riippuen kuitenkin usein vain noin 0,025 2,5 μm etäisyydellä toisistaan (Roylance 2001). Tällainen tilanne on erittäin herkkä epäpuhtauksille, ja välykseen mahtuvat riittävän kovat epäpuhtaudet voivat nostaa perusmateriaalin pintapaineen moninkertaiseksi suunniteltuun arvoon verrattuna (Kuva 7). Toisaalta edes paksuhko voitelukalvo ei riitä ehkäisemään väsymistä, jos vaikuttavat voimat ovat riittävän suuria. Paine välittyy silti öljykalvon läpi (Scott 2001). Toistuvat kuormitukset voivat aiheuttaa vierinnän tyypistä ja pinnan laadusta riippuen joko pinnasta tai pinnan alta alkavan särön etenemistä ja pinnan kuoriutumista. Vierinnän yhteydessä tapahtuva liukuminen nostaa maksimi leikkausjännityksen esiintymiskohdan materiaalin pintaan, kun taas puhtaasti vierivässä tilanteessa maksimileikkausjännitys jää noin 10 µm syvyydelle useimmilla tavallisilla vierintälaakereilla (Liang et al. 2001). Kuva 7. Pintapaineen kasvu kiinteän epäpuhtauspartikkelin vaikutuksesta. (Miettinen 2005) Karkaisusyvyyden ja suurimman leikkausjännityksen esiintymissyvyyden kohdatessa väsyminen kiihtyy (Scott 2001). Usein pinta pysyy pitkään visuaalisesti lähes muuttumattomana, kunnes kuoriutuminen alkaa. Tämän jälkeen kuluminen on nopeaa, koska vierintäelinten vaurioituessa kuluminen leviää nopeasti koko kosketusalueelle.

20 14 Väsymiskuluminen voi ilmetä myös väsymis-muodonmuutoksena. Tämä esiintyy yleensä vierintäelementtien lyhyen edestakaisen liikkeen aikaansaamana vierintäelementtien jälkien kulumisena vastinpintaan. Pinnasta ei tällöin irtoa materiaalia, vaan se deformoituu plastisesti väsyttävän kuormituksen vaikutuksesta. (Fey et al. 2001; Liang et al. 2001) Eroosio- ja kavitaatiokuluminen Suurilla virtausnopeuksilla jyrkät virtauskanavan suunnanmuutokset ovat todennäköisiä eroosiokulumisen aiheuttajia. Kun virtausnopeus on riittävän suuri, öljyn mukana liikkuvien vain muutamien mikrometrien kokoisten kiinteiden partikkeleiden liikemäärä on riittävä irrottamaan materiaalia kovistakin kappaleista. Kavitaatiokuluminen on yleistä usein samoissa kohteissa, kuin eroosiokuluminenkin. Suuret virtausnopeudet ja äkilliset virtauskanavan muutokset voivat aikaansaada paineenlaskun, öljyn höyrystymisen, ja lopulta pinnan vaurioitumisen kavitaatiokuplan romahtaessa kasaan. Vaurioiden syntyminen ja vakavuusaste ovat voimakkaasti riippuvia kavitaatiokuplan romahdusmekanismista (Kuva 8; Knapp et al 1970), kavitaatiolle altistuvasta materiaalista (Yabuki et al. 2001) ja öljyn ominaisuuksista (Koivula 2002). Kuva 8. Kavitaatiokuplan romahdustapoja. (Knapp et al s. 344)

21 15 T. Koivula (Koivula 2002) oli tutkinut kavitaation aiheuttaman kuluman suuruutta eri öljyillä (Taulukko 2). Öljyn vaahtoamisominaisuuksien ja kavitaation irrottaman materiaalin määrät eri öljyillä nähdään kuvasta 9. Kavitaation synnyttävät olosuhteet oli pyritty pitämään vakioina testin aikana ja testattavana materiaalina käytettiin alumiinia. Vaahdon häviämisnopeuden tulkittiin kertovan öljyn seassa olevan kaasun määrästä. Öljyn kaasupitoisuudella ja siten myös sen puristuskertoimella on kavitaatiovaurioita vähentävä vaikutus. Vaikka samalla niin sanotun ilmakuplakavitaation riski kasvaa, pienempi puristuskerroin auttaa öljyä absorboimaan kavitaatiossa syntyvät paikalliset paineiskut. Öljyn lisäaineista viskositeetti-indeksin nostajilla on todettu olevan kavitaatiovaurioita pahentava vaikutus. Öljyn seassa olevan veden vaikutus vaurioihin oli Koivulan mukaan pieni alle ppm pitoisuuksilla. (Koivula 2002) Taulukko 2. Kavitaatiokulumistestissä käytetyt öljyt. (Koivula 2002) Kuva 9. Kavitaatiotestissä saadut kulumismäärät ja vaahdon häviämisnopeus eri öljyillä. (Koivula 2002)

22 16 Materiaalin ominaisuudet vaikuttavat myös kavitaationsietokykyyn (Yabuki et al. 2001). Testit eri pintamateriaaleilla ja eri väliaineilla ovat osoittaneet, että tärkein kavitaatiovaurion syy on kavitaatiokuplan romahtamisesta johtuva nestesuihku, ja siitä aiheutuvan paineiskun kyky irroittaa materiaalia pinnalta (Knapp et al. 1970). Deformoituneelta pinnalta lähtee yleensä sitä suojannut ohut oksidikalvo, ja perusmateriaali altistuu korroosiolle (Liang & Totten 2001; Kuva 10). Korroosion vaikutus kavitaatiovaurioiden yhteydessä riippuu pinnan materiaalin ja väliaineen kemiallisesta aktiivisuudesta. Materiaaliominaisuuksiltaan pinnan tulisi olla kova ja sitkeä. Koska nämä ominaisuudet eivät yleensä toteudu samassa materiaalissa, hyviä tuloksia on saatu kovilla materiaaleilla kuten volframikarbideilla ja toisaalta myös sitkeillä materiaaleilla kuten kumilla. Muokkauslujittuvuus on myös toivottu ominaisuus. (Knapp et al. 1970) Kuva 10. Kavitaation ja korroosion yhteisvaikutus. (Liang & Totten 2001) Venttiilien ja pumppujen sekä moottoreiden virtausta ohjaavien reunojen läheisyydessä tapahtuvat kavitaatiovauriot kuuluvat tämän työn piiriin. Sen sijaan muualla, kuten liittimien tai putkien yhteydessä ilmenevä kavitaatio pitäisi pystyä välttämään komponenttien oikealla mitoituksella. 2.3 Kemialliset vikaantumismekanismit Kemiallisiin vikaantumismekanismeihin kuuluvat öljyn, tiivistimien, letkujen, liittimien ja tietyissä määrin elektroniikkakomponenttien kemiallisten reaktioiden kautta tapahtuva vanheneminen ja ominaisuuksien heikkeneminen. Myös korroosio kuuluisi tässä yhteydessä käsiteltäviin ilmiöihin, mutta yleensä sen esiintyminen on vääristä materiaalivalinnoista johtuvaa. Jos korroosio on jossain tapauksessa komponentin käyttöiän määrittävä tekijä, on sen käyttäytyminen joka tapauksessa mahdotonta ennustaa.

23 17 Kemiallinen reaktionopeus riippuu lämpötilasta, mekaanisesta energiasta, säteilystä ja reagoivien aineiden ominaisuuksista. Yleisesti tätä riippuvuutta kuvataan Arrheniuksen yhtälöllä: k E ( a ) R T = A e (2) 1 1 jossa k [ s ] on reaktionopeusvakio, A [ s ] on reaktion lämpötilariippuvuusvakio, E a [J/mol] on reaktion aktivaatioenergia, R [J/mol K] on yleinen kaasuvakio ja T [K] on lämpötilan absoluuttiarvo. Yhtälöstä nähdään, että tarvittavan aktivaatioenergian pienentäminen katalyytein tai tuomalla mekaanista energiaa, ja lämpötilan T kasvattaminen nopeuttavat reaktiota. Todellisuudessa edellä esitettyä yhtälöä ei voida luotettavasti käyttää kaikille yhdisteille, sillä reaktiomekanismit ja kemiallinen rakenne ovat usein vahvasti lämpötilariippuvia. Lisäksi reaktiot ovat usein autokatalyyttisiä, eli syntyneet reaktiotuotteet toimivat katalyytteinä samalle reaktiolle (Näsman 1996). Lämpötilariippuvuus on kuitenkin useimmiten tyypiltään lähes eksponentiaalinen. Toisaalta muiden reaktioita katalysoivien ilmiöiden vaikutuksia ja varsinkin yhteisvaikutuksia on vaikea arvioida. Useimmiten hydraulikomponenttien yhteydessä käsiteltävät kemialliset vanhenemis- ja vikaantumisilmiöt liittyvät liukenemiseen, haihtumiseen tai useimmin hapettumiseen. Letkuilla ja tiivistimillä kemiallisten ominaisuuksien heikkeneminen on yleensä seurausta polymeerin pehmentimen haihtumisesta ja polymeeriketjujen hapettumisesta. Nämä ilmiöt näkyvät käytännössä kovettumisena ja haurastumisena. (Näsman 1996) Mekaaninen liike vaikuttaa myös kemiallisiin ominaisuuksiin. Pitkät polymeeriketjut voivat katketa mekaanisten jännitysten seurauksena, ja syntyvät lyhyet kaasumaiset molekyylit voivat haihtua tai katalysoida uusia reaktioita. Yleisimmin tämä ilmenee usein taipumaan joutuvien letkujen haurastumisena, mutta myös esimerkiksi kavitaatiossa vapautuvan mekaanisen energian on havaittu pystyvän katkomaan molekyylien pääketjuja ja siten nopeuttamaan niiden hajoamista. Reaktioon vaaditaan kuitenkin myös vapaata happea. (Schnabel 1981) Kavitaatio voi siis aiheuttaa letkujen E a

24 18 vikaantumista sekä mekaanisten vaurioiden että kemiallisen hajoamisen katalysoinnin kautta. Öljyyn kavitaatio voi vaikuttaa pienessä mittakaavassa tapahtuvan dieselilmiön muodossa hapettaen öljyä. (Hurmola 2006)

25 19 3. Käyttöikäkokemuksia Teollisuuden toimintatapojen, olosuhteiden, arvostusten ja ongelmien kartoittamiseksi tehtiin haastattelukierros kuteen prosessiteollisuuden tehtaaseen (viisi metsäteollisuuden tehdasta ja yksi terästehdas). Keskittyminen prosessiteollisuuden komponentteihin johtui toisaalta muita järjestelmiä suuremmasta tarpeesta käyttöiän määritykselle komponenttien kriittisyyden takia, sekä hyvistä mahdollisuuksista siihen käyttöolosuhteiden hyvän hallinnan vuoksi. Esimerkiksi mobilehydrauliikan sovelluksissa käyttöikään merkittävästi vaikuttavia muuttujia on selvästi enemmän. Teollisuuskäytöissä toimintatavat ovat melko yhtenäisiä, ja esimerkiksi nyt käsitellyissä käytöissä suodatuksen merkitys oli tiedostettu hyvin. Silti tässä yhteydessä ei voida mainita öljyn puhtausluokista muuta, kuin että ne olivat useimmiten suosituksia paremmat. Kuitenkin yksittäisilläkin tehtailla öljyn puhtausluokat vaihtelivat kohteen mukaan. Öljyn lämpötila säiliössä pyrittiin useimmissa tapauksissa pitämään C:ssa. Järjestelmien työpaineet vaihtelivat alle 10 MPa ja noin 30 MPa välillä, keskimääräisen arvon ollessa noin 15 MPa. Väliaineena käytettiin useimmiten mineraaliöljypohjaisia tai synteettisiä hydrauliöljyjä ISO VG -luokaltaan 46 tai 68. Edellä esitetyt arvot kuvaavat vain keskimääräistä käyttöä, joten poikkeuksiakin löytyi. Haastattelujen pohjalla käytettiin kaikissa kohteissa samaa kyselykaavaketta, minkä lisäksi aiheesta keskusteltiin vapaamuotoisesti. Tehdaskäyntien lisäksi haastateltiin maahantuoja-, valmistaja- ja huoltoyritysten edustajia. Tässä kappaleessa käydään läpi syntyneitä käsityksiä käytännössä esiintyvistä ilmiöistä ja ongelmista. Alun perin tarkoituksena oli saada tehtailta hydrauliikan kunnossapitoon liittyvää tietoa mahdollisten huoltoseurantatietojen ja muistiinpanojen muodossa. Tämän kaltaisia kattavia tietoja ei kuitenkaan ollut saatavilla. Pääasiassa kaikki saadut tiedot perustuvat haastateltujen kokemukseen ja muistiin. Ongelmana näin saatujen tulosten käsittelyssä on niiden subjektiivisuus. Komponenttien kestoa arvioitiin joillain ajan arvoilla, tai toisissa tapauksissa aikahaarukoilla. Näiden vertailu keskenään on kuitenkin melko turhaa, koska vastauksiin liittyviä luottamustasoja ei pystytä arvioimaan. Koska harvoja komponentteja käytettiin systemaattisesti vikaantumiseen asti, saadut tulokset kertovat yleensä vain

26 20 vikaantumistodennäköisyystiheysfunktion alkupäästä, ehkä muutaman tai muutaman kymmenen prosentin vikaantumiseen liittyvästä käyttöiästä. Lisäksi eri parametrien merkityksen arviointi on tällöin vaikeaa. Pisimmillä käyttöiän arvoilla toimivista komponenteista saadut kokemukset liittyivät usein vanhoihin malleihin. Joillain komponenteilla oli ainakin aiemmin esiintynyt ongelmia, mutta uudemmissa malleissa näihin kohteisiin oli tehty muutoksia. Kokemukset perustuivatkin usein vanhoihin malleihin ja aikaisempiin olosuhteisiin, eikä vallitsevasta tilanteesta voitu sanoa varmuudella mitään. Saatuja vastauksia käsitellään tässä yhteydessä anonyymeinä, koska tarkoituksena ei ollut arvostella eri tehtaiden kunnossapitokäytäntöjä, ja erityisesti eri valmistajien komponenttien vertailuun ei haluttu lähteä. Yhtenä tehdaskäyntien tavoitteena oli kartoittaa tarpeita eri komponenttien kestoikään liittyvien asioiden tutkimiseksi. Tämän kyselyn tulokset on esitetty kuvassa 11. Kuva 11. Teollisuuden kunnossapidon mielipiteitä tärkeysjärjestyksestä eri komponenttien kestoiän tarkastelun suhteen. Pumppujen, venttiilien ja moottoreiden nähdään olevan yleisesti tärkeimmiksi koetut kohteet. Samalla nähdään kuitenkin myös hajontaa eri tehtaiden arvostusten välillä. Kyselyn perusteella saatua arvojärjestystä käytettiin myös työn painottamisessa ja jatkossa komponentit käsitellään tärkeysjärjestyksessä.

27 Kokemuksia pumpuista Pumput koettiin yleisesti tärkeimmäksi komponenttiryhmäksi käyttöiän tutkimisen kannalta. Toisaalta niistä tuntui löytyvän myös eniten kokemusperäistä tietoa. Suurin osa mukana olleilla tehtailla käytetyistä pumpuista oli vinolevytyyppisiä säätötilavuuspumppuja. Muutamia poikkeuksia lukuun ottamatta kaikki olivat vakiopainesäädettyjä. Tällaisen poikkeuksen muodostavat esimerkiksi moottorikäyttöjen yhteydessä olevat suljetun piirin pumput. Lisäksi käytössä oli jonkin verran kulmaroottoripumppuja. Muiden pumpputyyppien osuus oli pieni, ja niitä käytettiin yleensä kohteissa joissa oli pienet tehovaatimukset. Pumppujen käytöissä oli eroja, mutta muihin komponentteihin verrattuna niiden käytöt muistuttavat enemmän toisiaan. Jatkuva toiminta hydraulijärjestelmän ollessa toiminnassa sekä useimmiten lähes vakio työpaine olivat syitä sille, miksi eri tehtailta saadut arviot olivat edes jossain määrin yhteneviä Vakiopainesäädetyt vinolevypumput Tämä pumpputyyppi oli selvästi yleisin teollisuuskäytöissä. Käyttökohteesta riippuen toiminta saattaa olla tyypiltään suurimman osan ajasta vain vuotoja kompensoivaa tai työsykli voi olla tiuha ja tilavuusvirran vaihtelut suuria. Käytön tyyppi vaikuttaa voimakkaasti pumpun kuormitus- ja kulumismekanismeihin. Valmistajasta ja mallista riippuen rakenteissa on eroja, mutta usein tietyt samat kohteet ovat kriittisimpiä kaikkien valmistajien komponenteissa. Samanlaisessa käytössä erimerkkiset komponentit saattavat kestää eri ajan. Jokin tietty kulumismekanismi voi tällöin vaikuttaa tyyppivialta ja suunnitteluvirheeltä. Osassa tapauksista tilanne onkin tämä. Toisaalta kyseessä voi olla myös suunnittelussa tehdyistä eri ominaisuuksien välisistä kompromisseista. Toisenlaisessa käytössä pumppujen kestoiät voivat olla päinvastaiset. Tyypillinen teollisuushydrauliikassa käytettävä painetaso on noin 15 MPa. Tällaisessa jatkuvassa käytössä pumppujen vaihtovälinä oli useimmiten käytetty keskimäärin noin viidestä seitsemään vuotta eli noin tuntia. Tämä arvio on melko väljä ja sisältää erityyppisiä käyttöjä sekä erilaisia varmuustasoja vikaantumisen suhteen. Korkeammilla, noin 30 MPa paineilla pumppujen vaihtovälin arviot olivat kolmen ja neljän vuoden välillä. Tunteina siis noin Toisaalta matalilla alle 10 MPa painetasoilla voitiin vähemmän kriittisissä kohteissa päästä yli kymmenen

28 22 vuoden vaihtoväleihin. Yleisesti suurilla pumpuilla kestoikä on lyhyempi kuin pienillä. Näille valmistaja sallii yleensä pienemmän pyörimisnopeuden ja siksi toimintapiste on lähellä maksimipyörimisnopeutta tavallisella sähkömoottorikäytöllä (Hurmola 2006). Erityisesti kavitaatioherkkyyden oli todettu olevan suuri kookkaillla pumpuilla. Paineen vaikutus kestoikään on siis huomattava. Vaikka käyttöpaine vaikuttaa suoraan verrannollisesti useisiin pumpun osia kuormittaviin voimiin, kuluminen tai vikaantuminen eivät ole suoraan verrannollisia siihen. Muiden kestoikään vaikuttavien parametrien vaikutuksesta ei osattu antaa osviittaa. Epäpuhtauspartikkeleiden kuluttava vaikutus oli tiedossa, mutta koska öljyn puhtaustasot olivat kaikilla hyvät, ei kulumisen vähentämiseen nykyisestä suodatusta parantamalla uskottu. Tyypilliset ongelmat tämän tyyppisillä pumpuilla liittyivät sylinteriryhmän ja venttiililevyn väliseen kulumiseen kavitaatiovaurioihin samassa kohteessa mäntien liukukenkien ja vinolevyn väliseen kulumiseen vinolevyn kääntölaakeroinnin kulumiseen tai kiinnileikkautumiseen vinolevyn kulman säätömekanismin kulumiseen tai säätömännän tahmautumiseen tietyillä rakenneratkaisuilla sylinteriryhmää ja mäntien liukukenkien ohjainlevyä kuormittavan jousipaineen vähenemiseen kulumisen seurauksena tai akselintiivistimen vikaantumiseen. Näiden keskinäinen suhde riippuu pumpun mallista ja käytöstä. Kuluneisuus ilmenee yleensä pumpun sisäisten vuotojen kasvuna ja tuoton alenemisena. Jos mitoitus on tehty tarkasti, eikä reserviä ole riittävästi käytössä, prosessi saattaa häiriintyä. Toisaalta sisäinen vuoto lisää öljyn lämpenemistä sekä kasvattaa kotelossa vaikuttavaa painetta. Riittävän suuri kotelopaine yhdistettynä jo muuten kuluneeseen pumppuun voi sen sallivilla rakenneratkaisuilla aiheuttaa mäntien liukukenkien irtoamista vinolevyltä imuvaiheen aikana. Painekanavan avautuessa tapahtuva iskumainen kuormitus vaurioittaa niitä ja vinolevyä. Käyttöakselin laakereiden kuluminen ei poikkeuksia lukuun ottamatta vaikuta näiden pumppujen kestoikään, sillä paineen aiheuttamat voimat kohdistuvat vinolevyn laakerointiin.

29 23 Toisaalta kuluneisuus näkyy kierrostilavuuden säädön epätarkkuutena. Säädin saattaa jumiutua jonkin tietyn kulmanarvon kohdalle tai olla toiminnaltaan takerteleva. Tähän vaikuttaa säätimen männän adhesiivinen kuluminen sekä vinolevyn laakeroinnin kiinnileikkautuminen. Erityisesti lyhytamplitudinen säätöliike aiheuttaa voitelukalvon pettämistä ja kiinnileikkautumista. Esimerkkinä tällaisesta toimii kuormituskäyttö, jossa vakiopaineella pidetään yllä kuormitusta, mutta tilavuusvirtaa tarvitaan käytännössä vain vuotojen kompensointiin Suljetun piirin vinolevypumput Suljetun piirin pumppujen käyttö eroaa oleellisesti edellisistä, vaikka rakenne on perusratkaisuiltaan lähes sama. Suurin rakenteellinen ero on kulman säätyminen molempiin suuntiin, vaikka useimmiten käyttö tapahtuukin aina samaan suuntaan. Käytössä oleellisin ero tulee suljetun piirin syöttöpumpun muodostamasta paineesta. Pumpun imukanavassa on siis aina noin 0,1 0,3 MPa absoluuttinen paine. Tämä vähentää selvästi kavitaatiovaurioiden riskiä pumpun imupuolella. Käytön jatkuvuudesta ja kuormituksen vaihtelusta johtuen pumpun kierrostilavuuden säädöltä vaaditaan paljon. Kovien vaatimusten takia se voi myös kulua, ja toisaalta jo pienikin kuluminen voi olla haitallista. Vinolevyn kääntölaakerointi aiheuttaa ongelmia myös näillä pumpuilla. Erityisen herkkä ratkaisu on laakeroinnin toteuttaminen rullalaakerein. Tällöin esiintyy usein väsymiskulumisesta johtuvaa laakeriratojen muokkautumista, joka voi johtaa säädön virheelliseen toimintaan. Säätimeen liittyvien servoventtiilien yhteydessä oli havaittu ongelmia venttiilin karan jumiutuessa seisokin aikana. Tätä ongelmaa käsitellään laajemmin venttiilien kohdalla. Pääosin näidenkin pumppujen kestoiän arviot olivat samaa luokkaa vakiopainesäädettyjen pumppujen kanssa, huomioiden painetason ja pumpun kierrostilavuuden. Usein käytetyt painetasot olivat melko alhaisia ja saavutetut käyttöiät pitkiä. Joillain tehtailla näitä pumppuja oli tietoiseesti huollettu lyhyemmillä huoltoväleillä niiden suuremman kriittisyyden vuoksi. Painesuodatusta ei käytetä suljetunpiirin järjestelmissä, ja toisaalta käytettävien moottoreiden yksikköhinnat ovat suuria. Pumpusta irtoavien partikkeleiden aiheuttamaa riskiä oli siten haluttu pienentää lyhentämällä huoltoväliä.

30 Vakiopainesäädetyt kulmaroottoripumput Kulmaroottoripumppujen rakenteesta johtuen sen laakerointi ottaa vastaan kaiken paineesta aiheutuvan kuormituksen ja on siten useimmiten käyttöiän määrittävä tekijä. Kuitenkin myös jakolevyn ja sylinteriryhmän päädyn, kierrostilavuudensäätömekanismin sekä männänrenkaiden ja männänrengasuran kuluminen on tyypillistä näille komponenteille. Sylinteriporauksetkin kuluvat, mutta eivät yleensä yhtä nopeasti kuin muut osat. Käytännössä käyttöikä jää usein vastaavassa käytössä olevaa vinolevypumppua lyhyemmäksi. Taas suuri koko, korkea painetaso ja suuri kulman arvo vaikuttavat kulumiseen käyttöikää lyhentäen. Suurilla, ja heikosti laakeroiduilla pumpuilla käyttöikä voi jäädä korkeilla paineilla tuntiin. Näiden pumppujen osuus oli erittäin pieni, ja yleensä kyseessä olivat vanhat hydraulijärjestelmät Muut pumpputyypit Hammaspyöräpumppuja ja siipipumppuja käytettiin myös jonkin verran haastattelun kohteina olleilla tehtailla. Rakenteeltaan ne ovat molemmat selvästi yksinkertaisempia kuin mäntäpumput. Myös yksikköhinnat ovat edullisempia ja siksi vaihto voidaan tehdä useammin. Tuntimääräisiä käyttöiän arvioita näille ei esitetty. Kuitenkin käyttöikä on yleensä selvästi lyhyempi kuin aiemmin mainituilla pumpputyypeillä. Hammaspyöräpumpun kuluminen perustuu suurimmaksi osaksi abraasioon ja on siksi tasaista. Pumpun vaihtotarve määritellään usein sen suorituskyvyn heikkenemisestä. Katastrofaalisen hajoamisen riski hammaspyöräpumpuilla on erittäin pieni. Siipipumpussa on enemmän liikkuvia osia, ja suurempi todennäköisyys nopealle katastrofaaliselle hajoamiselle. Siipien murtuminen ja pesän pinnan murtuminen voivat aiheuttaa nopean vaurioitumisen, mutta yleensä myös siipipumppujen käyttöiän määrittelee abrasiivinen kuluminen, syntyvien välysten aktiivisesta kompensoinnista huolimatta. Säätyvätilavuuksisissa pumpuissa säätimen vikaantuminen voi myös aiheuttaa vaihtotarpeen.

31 Kokemuksia venttiileistä Venttiilityyppien erilaisuudesta johtuen niille ei voida määrittää yleistä vikaantumismekanismia tai arvioita kestoiälle. Karkeasti jaettuna luistityyppisillä venttiileillä ongelmat liittyvät useimmiten epäpuhtauksiin ja niistä aiheutuvaan kulumaan, kun taas istukkatyyppisillä venttiileillä tiivistyspinnan väsymiskuluminen on yleisempää. Venttiilien käytöt eroavat selvästi toisistaan, mikä aiheuttaa kestoiän arvojen hajonnan. Saadut kestoikäkokemusarviot vaihtelivat yksittäisillä tehtaillakin jopa 100 %, joten kovin tarkkoja arvioita on turha esittää tässä yhteydessä Luistityyppiset säätöventtiilit Säätöventtiileille havaitut ongelmat voidaan jakaa kuuteen ryhmään: karan ja/tai holkin kuluminen epäpuhtaudet karan ja holkin välissä takaisinkytkennän ongelmat integroidun elektroniikan vikaantuminen ulkoiset vuodot ja ohjausasteen vika. Erityisesti säätöventtiileiden kohdalla monilla tehtailla oli havaittu luotettavuuden parantumista viimeisen noin kymmenen vuoden aikana. Syyksi uskottiin suodatuksen parantumista. Yhden arvion mukaan ongelmia esiintyy enää noin kymmenesosa aiempaan verrattuna. Kuluminen oli useimmiten eroosioon perustuvaa karan reunoja pyöristävää, mutta myös abrasiivista ja adhesiivista kulumista oli havaittu. Epäpuhtaudet olivat usein öljyn hapettumistuotteita. Suodatusta parantamalla ei uskottu saavutettavan merkittävää parannusta vallitsevaan tilanteeseen nähden. Ongelma venttiilien kesto- ja käyttöiän määrittämisessä ennakoivasti ilmenee hyvin kuvassa 12 esitetyn erään venttiilivalmistajan säätöventtiilihuollon kirjanpidon perusteella. Kuvaaja perustuu 1101 venttiilin huoltotietoihin. Joillain venttiilityypeillä erottuu hieman toisia selvemmin yksittäisiä vikaantumiskohteita. Yleisesti kuitenkin vikamuodot vaihtelevat yksittäisilläkin venttiilityypeillä. Jokaisella vikamuodolla on oma todennäköisyystiheysjakauma, ja siksi käyttöiän määrittäminen on vaikeaa. Toisaalta