Sami Harri HYDRAULISEN JÄRJESTELMÄN LÄMPENEMISEN TUTKIMINEN

Transkriptio

1 Sami Harri HYDRAULISEN JÄRJESTELMÄN LÄMPENEMISEN TUTKIMINEN Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma Huhtikuu 2008

2 KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma TIIVISTELMÄ Työn tekijä: Sami Harri Työn nimi: Hydraulisen järjestelmän lämpenemisen tutkiminen Päivämäärä: Sivumäärä: liitettä Työn ohjaaja: Pääsuunnittelija Jorma Välimäki Työn valvoja: DI Teuvo Aho Lillbacka Powerco Oy valmistaa hydraulisia letkuliitinpuristimia. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin hydraulisen järjestelmän lämpenemistä vertailemalla kahta sarjatuotannossa olevaa konetta keskenään ja selvitettiin mahdollisuutta olla käyttämättä erillistä jäähdytintä koneissa. Koneita testattiin laaditun testaussuunnitelman mukaan valituilla mittausvälineillä. Lämpötilaa mitattiin viidestä eri pisteestä molemmista koneista. Tutkimuksen tulokseksi saatiin, että putkikokoa ja komponenttikokoa kasvattamalla saataisiin koneiden painehäviötä ja sitä kautta lämpenemistä merkittävästi pienemmäksi. Käytännössä lämpötilat nousivat kuitenkin odotettua enemmän ja myös komponenttien hinnat vaikuttivat ratkaisussa. Useasti on taloudellisesti järkevämpää poistaa lämpöä jäähdyttimellä kuin valita suuremmat ja kalliimmat komponentit. Tulokseksi saatiin, että tässä tapauksessa jäähdyttimen poisjättäminen ei muodostunut varteenotettavaksi vaihtoehdoksi. Taajuusmuuttajien ja proportionaalitekniikan hyödyntämisen tutkiminen olisi hyvä jatkotutkimuskohde. Avainsanat: hydraulinen järjestelmä, hydraulisen järjestelmän lämpeneminen, jäähdytin, letkuliitinpuristin

3 CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERCITY OF APPLIED SCIENCES ABSTRACT Degree Programme in Mechanical and Production Engineering Author: Sami Harri Name of thesis: Heating of a Hydraulic System Date: 10 April 2008 Pages: Appendices Instructor: Jorma Välimäki Supervisor: Teuvo Aho Lillbacka Powerco Oy manufactures hydraulic crimping machines. In this thesis the aim was to study heating of a hydraulic system by comparing two crimping machines with each other. Also the possibility to leave off the cooler from the machine system was tested. There was a plan how to test the machines with certain tools. The temperature was measured from five different places in both machines. The result was that by enlarging the pipes and components it would be possible to reduce the pressure loss and in that way to reduce heating, too. In practise, the temperatures raised more than expected, and leaving off the cooler was not realistic. Also the prices of the components affected the result when considering if it would be economically reasonable to use larger components or not. In the future it would be useful to examine the possibilities of frequency converters and proportional technique. Keywords: hydraulic system, heating of a hydraulic system, cooler, crimping machine

4 TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYS 1 JOHDANTO Tutkimusongelman kuvaus Opinnäytetyön rakenne Kohdeyrityksen taustaa Yrityksen historia Lillbacka nykyisin Yritysprofiili ja liikeidea Tuotteiden kansainvälinen saatavuus ja monikäyttöisyys 4 2 HYDRAULISTEN LETKULIITINPURISTINTEN KÄYTTÖ Perustietoa hydrauliikasta Hydraulinesteet Kavitaatio Hydraulisen järjestelmän komponentteja Hydraulinen teho ja hyötysuhde Hydraulisen järjestelmän lämpeneminen Hydraulijärjestelmän suunnittelu Avoin ja suljettu hydraulijärjestelmä Hydraulisten letkuliitinpuristinten tekniikka Puristinmallit 13 3 HYDRAULISEN JÄRJESTELMÄN LÄMPENEMISEN TUTKIMINEN Testaussuunnitelma Testauksessa käytetyt mittausvälineet Lämpenemisen mittaaminen Virtausnopeudet, painehäviöt ja komponenttivalinnat Virtausnopeuden laskeminen Puristusliike: virtausnopeudet kiinnipäin ajettaessa Puristusliike: virtausnopeudet kiinnipäin ajettaessa poistuvalla puolella l. varren puolella Paluuliike: virtausnopeudet aukipäin ajettaessa Paluuliike: virtausnopeudet aukipäin ajettaessa poistuvalla puolella l. männän puolella Yhteenveto mittaustuloksista Lämpenemisen yhteenveto Virtausnopeuksien yhteenveto 31 4 JOHTOPÄÄTÖKSET, POHDINTAA JA JATKOTUTKIMUS- MAHDOLLISUUDET 32 LÄHTEET 34

5 LIITTEET 1. Peruskäsitteitä 2. Kaaviomalli hydraulisen järjestelmän suunnittelusta 3. Esimerkki hydraulikaaviosta 4. Kuva peruskoneesta FP Kuva S-koneesta FP 120 S 6. Putkikoon valintataulukko 7. Hydrauliletkujen painehäviötaulukko 8. Kuvia tuotteista, joita puristimilla voidaan valmistaa 9. Lillbacka Powerco Oy:n valmistamat puristinsarjat

6 1 1 JOHDANTO Tässä opinnäytetyössä tutkittiin Lillbacka Powerco Oy:n valmistaman sarjatuotannossa olevan letkuliitinpuristimen tyyppimerkinnältään FP120S VS400 (ns. S-kone) lämpenemistä sekä mahdollisuutta jättää tästä koneesta pois erillinen jäähdytin. 1.1 Tutkimusongelman kuvaus Letkuliitinpuristin FP120 VS400 (ns. peruskone) toimi tässä tutkimuksessa vertailukoneena. Peruskone toimii moitteettomasti ilman jäähdytintä. S-kone on kehitetty peruskoneesta ja se on nopeampi kuin peruskone, mutta nopeuden lisääntyminen on aiheuttanut sen, että kone lämpenee liikaa vaatien erillisen jäähdyttimen käyttöä. Vertaamalla S-koneen lämpenemistä peruskoneeseen saadaan kuva lämpötilatasosta, johon S-koneen hydraulisen järjestelmän suunnittelulla tulisi pyrkiä. S-koneen nopeutta on saatu kasvatettua asettamalla siihen suurempi hydraulipumppu. Kasvanut nopeus on aiheuttanut lämpöhäviöiden ja siten koneen käyntilämpötilan kasvamisen, ja sitä on ollut pakko rajoittaa erillisellä jäähdyttimellä. Tällöin myös koneen ulkonäköön on jouduttu tekemään rakenteellisia muutoksia, jotka esimerkiksi suurentavat koneen kokoa. Liitteissä 4 ja 5 on kuvat peruskoneesta FP 120 ja S-koneesta FP 120S. 1.2 Opinnäytetyön rakenne Johdannossa kuvataan tutkimusongelma ja tausta lyhyesti. Toisessa luvussa kerrotaan hydrauliikan teoreettisesta taustasta sekä letkuliitinpuristinten tekniikasta. Kolmannessa luvussa tutkitaan hydraulisen järjestelmän lämpenemistä käytännössä. Neljännessä luvussa tehdään tutkimustuloksista johtopäätökset, pohditaan tuloksia ja tehdään jatkotutkimusehdotuksia. Lopussa ovat lähteet ja liitteet.

7 2 1.3 Kohdeyrityksen taustaa Lillbacka Powerco Oy on suomalainen yksityishenkilöiden omistama osakeyhtiö, joka on perustettu vuonna Yhtiön toiminnan ytimen muodostavat puristinteknologiat sekä logistiikkapalvelut. (Lillbacka Powerco 2007.) Yrityksen historia Lillbacka Powerco sai alkunsa, kun Jorma Lillbacka perusti vuonna 1969 metallialan alihankintayrityksen Alahärmään. Ensimmäinen oma tuote oli vuonna 1973 valmistunut letkuliitinpuristin, jonka jälkeen silloinen Lillbackan konepaja aloitti näiden tuotteiden valmistamisen. Tuotteita alettiin myydä ympäri maailmaa, ja Finn-Power-brandi tuli tunnetuksi. Vilkkaan innovoinnin ja tuotekehittelyn tuloksena Lillbacka alkoi valmistaa myös levyntyöstökoneita samalla brandillä. Vuonna 1980 Lillbacka saavutti markkinajohtajuuden letkuliitinpuristinten valmistuksessa, ja samana vuonna Suomen presidentti myönsi palkinnon suurelle suomalaiselle ulkomaanviejälle. Vuonna 1994 Lillbackan kaksi osa-aluetta, puristinvalmistus ja ohutlevytyökoneiden valmistus, kasvoivat voimakkaasti; tällöin puristinvalmistus eriytettiin omaksi yhtiökseen ja se nimettiin Lillbacka Powerco Oy:ksi. Vuonna 2002 Lillbackan ohutlevytyökeskusten osuus yrityksestä myytiin ja Lillbacka keskittyi kehittämään ja valmistamaan hydraulisia puristimia. (Lillbacka Powerco 2007 ; Lillbacka Powerco Oy:n internetsivut 2007.) Vuonna 2001 Lillbacka Powerco Oy:lle kertyi liikevaihtoa n. 15 miljoonaa euroa ja työntekijöitä yhtiöllä oli noin 150, joista puristintuotannossa oli noin 80. Finn-Powertuotenimeä kantavat puristimet olivat tuolloin saavuttaneet noin 35 prosentin markkinaosuuden maailman letkuliitinpuristinmarkkinoista. (Finn-Power Lillbacka 2001.) Lillbacka nykyisin Lillbackalla on useita eri liiketoiminta-aloja: puristinteknologia, logistiikka, merikuljetukset, hotelli- ja ravintolapalvelut sekä vapaa-ajan aktiviteetit (Lillbacka Powerco 2007). Lillbacka Powerco Oy:n päätoimiala on metalliteollisuus ja puristinten

8 3 valmistus. Osakeyhtiön varsinainen toiminimi on Lillbacka Powerco Oy. Rinnakkaistoiminimenä on Lillbacka Powerco Ltd, ja aputoiminiminä ovat Lillbacka Powerline, MSC Karting, Powerpalace, Powerland, Powerpark, Powerco Rally Concept ja Park Hotel Härmä. (Yritys- ja yhteisötietojärjestelmä.) Lillbackalla on USA:ssa tytäryhtiö, joka on vastuussa myynnistä, markkinoinnista ja huollosta Pohjois- ja Etelä-Amerikkaan. Lillbacka Global Oy on toinen tytäryhtiö, jonka toimiala on kuljetus- ja huolinta. Kuljetusasiakkaat ovat lähinnä Suomessa teollisuuden ja kaupan alalta. Powerlinen alla Lillbacka Powerco Oy:llä on kaksi rahtialusta: Global Carrier ja Global Freighter. Powerpark on huvipuisto, ja se sijaitsee Etelä-Pohjanmaalla Alahärmässä, joka on myös yhtiön kotipaikka. Huvipuisto on rakentunut tunnetun Mika Salo -kartingradan ympärille. Alueella on luksustasoinen hotelli, viihdyttävä huvipuisto, leirintäalue ja Euroopan suurin sisämikroautorata. Alue on viime vuosina kasvanut vuosittain. (Lillbacka Powerco 2007.) Yritysprofiili ja liikeidea Lillbacka Powerco Oy sanoo luottavansa yli 30 vuoden kokemuksella henkilöstöönsä, tutkimukseen ja tuotekehitykseen, designiin, laatuun, omaan valmistukseen monien asioiden ja komponenttien osalta, sähköisten osien omaan tuotantoon, jatkuvaan laadunvarmistukseen sekä siihen, että koneet valmistetaan yksilöllisen huolellisesti ja että tuotteilla on hyvät Aftes Sales -palvelut. (Lillbacka Powerco 2007.) Lillbacka Powerco Oy:n arvot ovat asiakastyytyväisyys, pitkäaikainen sitoutuminen ja työyhteisön arvostaminen. Yrityksen visio on johtaa puristinvalmistusta, pitää yllä hyvää liiketoimintaa ja säilyttää arvostus itseä ja asiakkaita kohtaan. Finn-Power-laatu tarkoittaa, että tehdään oikeita asioita ja että asiat tehdään oikein. Lisäksi se tarkoittaa jatkuvaa tuotekehitystä ja tuotekehitysideoiden huomioonottamista sekä muutosten huomioimista siten, että laatustandardit täyttyvät. (Lillbacka Powerco 2007.)

9 Tuotteiden kansainvälinen saatavuus ja monikäyttöisyys Yhtiön tuotteista 95 % myydään ulkomaille. Tytäryhtiö USA:ssa ja yhteistyökumppanit yli 35 maassa takaavat, että Lillbacka Powercon tuotteita on saatavilla ympäri maailman. Lillbacka Powerco Oy:n tuotteilla pystytään toteuttamaan monenlaisia asioita (Liite 8). Puristinteknologiasta tekevät erinomaisen sen äänettömyys, puhtaus, nopeus, turvallisuus ja ympäristöystävällinen tuotantotapa. On olemassa myös mahdollisuus manuaaliseen koneenkäyttöön, ja se on välttämätöntä paikoissa, joissa on esimerkiksi tulipalovaara. Puristustekniikka on myös taloudellinen verrattuna muihin tekniikoihin, joilla valmistetaan samoja tuotteita. Finn-Power-puristimien vahvuus on juuri monikäyttöisyys, sillä ne toimivat metallille, kumille, kuiduille ja muoville. Asiakkaille voidaan myös räätälöidä halutunlainen kone. Luotettavuus, voima, tehokkuus, nopeus, turvallisuus, helppous ja huollettavuus ovat Finn-Power-puristimen päävahvuuksia. (Lillbacka Powerco 2007.)

10 5 2 HYDRAULISTEN LETKULITINPURISTINTEN KÄYTTÖ Hydraulisia letkuliitinpuristinten käyttö on nykyisin paljon laajempaa kuin vain letkuliittimien puristaminen. Puristimilla voidaan letkuliittimien puristamisen lisäksi valmistaa monenlaisia erikoissovelluksia, kuten esimerkiksi autoissa käytettäviä erikoisosia ja lisäksi niitä käytetään putki- ja kaapelivalmistuksessa sekä lentoteollisuuden teknisessä varustelussa. (Finn-Power 2007.) Liitteessä 8 on esitetty letkuliitinpuristimella valmistettuja erilaisia tuotteita. 2.1 Perustietoa hydrauliikasta Hydraulijärjestelmässä on kyse energiansiirtoketjusta, jossa sähkömoottorilla tai polttomoottorilla tuotettu mekaaninen energia muutetaan hydrauliseksi energiaksi. Putkessa siirrettävä hydraulinen energia muutetaan koneen työkohteissa takaisin mekaaniseksi energiaksi. (Fonselius 1995, 2.) Energiamuodon muuttumista havainnollistetaan seuraavassa kuviossa: Sähkömoottori Hydraulipumppu Puristinleuka Mekaaninen Hydraulinen Mekaaninen Energia Energia Energia KUVIO 1. Energiamuodon muuttuminen hydraulisessa letkuliitinpuristimessa Hydrauliikkaa käytetään teollisuudessa hyvin erilaisissa sovelluksissa. Hydraulisissa järjestelmissä hydraulipumppu tuottaa hydraulisen energian, joka ohjataan venttiilien avulla halutulle toimilaitteelle. Tavallisia toimilaitteita ovat hydraulisylinterit ja -moottorit. Hydrauliikka on hyvin käyttökelpoinen sovelluksissa, joissa tarvitaan suuria voimia ja momentteja. (Fonselius, Rinkinen & Vilenius 1997.)

11 6 Hydraulisten laitteiden ohjaus hoidetaan usein sähköisesti. Elektroniikalla saadaan aikaan monipuoliset ohjausmahdollisuudet. Hydrauliikan säädettävyyttä käytetään hyväksi servotekniikassa ja proportionaalitekniikassa (Liite 1). (Fonselius 1995.) Vanhimmissa hydraulisissa sovelluksissa käytettiin väliaineena vettä. Nykyisin useimmiten hydrauliikka on öljyhydrauliikkaa. Toisaalta kasvava ympäristötietoisuus ja paloturvallisuusnäkökohtien parempi huomioonottaminen ovat tuomassa vettä uudelleen varteenotettavaksi hydrauliväliaineeksi. (Fonselius ym ) Taulukossa 1 esitellään rinnakkain hydrauliikan käytön etuja ja haittatekijöitä. TAULUKKO 1. Hydrauliikan käytön edut ja haittatekijät (Fonselius 1995, 3) Edut Haittatekijät Saadaan aikaan suuria voimia ja momentteja pienillä Korkea paine ja jatkuva käyttö vaativat huoltoa ja keveillä komponenteilla öljyvuotojen estämiseksi Lineaarinen ja pyörivä liike voidaan toteuttaa helposti Tehonsiirrossa voi syntyä tehohäviöitä Voiman, momentin ja nopeuden muuttaminen on Komponenttien toimivuus ja pitkä kestoikä edellyttävät helppoa puhdasta järjestelmää Ylikuormituksen eston toteuttaminen Useimmat komponentit on standardoitu Sähköhydrauliset toimilaitteet mahdollistavat sähköisen ohjaustekniikan liittämisen hydrauliikkaan Hydraulinesteet Hydraulisissa järjestelmissä käytettävät väliaineet ovat seuraavat: 1) mineraaliöljyt 2) synteettiset hydraulinesteet 3) kasviöljyperustaiset hydraulinesteet 4) palamattomat nesteet 5) vesi Hydraulinesteiden tehtäviä ovat energian välitys pumpulta toimilaitteelle, hydraulikomponenttien liikkuvien osien voitelu, järjestelmän jäähdytys, järjestelmän korroosion esto ja järjestelmästä irronneiden epäpuhtauksien kuljetus suodattimeen. Hydraulinesteet ovat korkealuokkaisia öljyjä, joihin on lisätty erilaisia ominaisuuksia

12 7 parantavia lisäaineita. Hydraulinesteiden käyttöikää voidaan pidentää hyvällä suodatuksella ja tarvittaessa jäähdytyksellä. Öljyn valinnassa on otettava huomioon käyttöolosuhteet sekä komponenttien ja järjestelmänvalmistajan ohjeet. Eri öljyjä ei saa sekoittaa toisiinsa. (Fonselius 1995, ; Koneenosiensuunnittelu ) Öljyn viskositeetti on valittava käyttölämpötilan mukaan. Lämpötilan kohoaminen pienentää öljyn viskositeettia ja näin ollen voitelukykyä. Lämpötilan lasku nostaa öljyn viskositeettia, jolloin öljy tulee paksummaksi ja liikkuvien osien liike hidastuu. Öljyn viskositeetti-indeksi kuvaa, kuinka hyvin öljy säilyttää viskositeettinsa, kun lämpötila vaihtelee. Öljyjen jähmepiste tulee valita vähintään 10 C alhaisemmaksi kuin koneen alhaisin toimintalämpötila. Arktisiin oloihin tarkoitetut öljyt ovat käytettävissä noin 50 C:seen saakka. Öljyn valinnassa tulee ottaa huomioon, että öljy ei saa hapettua eli sitoutua kemiallisesti happeen, mikä tarkoittaa öljyn vanhenemista ja pilaantumista. Hapettuessaan öljyn voitelukyky heikkenee aiheuttaen toimintahäiriöitä venttiileissä. Kun lämpötila nousee yli +60 C:n, vauhdittuu öljyn hapettuminen. Hapettumista edesauttavat myös eräät metallit ja öljyn ilmapitoisuus. Öljyyn voidaan myös lisätä hapettumisenestoainetta pitkittämään öljyn käyttöikää. Öljyn tulee myös ehkäistä järjestelmän metallien ruostumista. Öljyllä on oltava riittävä paineenkesto, öljyn ei saa vaahdota, ja öljy ei saa reagoida tiiviste- tai letkumateriaalien kanssa. On sanottu yleisenä totuutena, että noin 80 hydrauliikan vioista aiheutuu öljyn epäpuhtauksista. Öljyn mekaaniset epäpuhtaudet tulee minimoida samoin kuin viskositeetti ja kemialliset muutokset. (Fonselius 1995, ; Fluid Finland 1/2004, 12) Kavitaatio Kavitaatio syntyy silloin, kun nesteen paine paikallisesti laskee tietyissä olosuhteissa alle nesteen höyrystymispaineen. Kun nesteen höyrystymispaine on saavutettu, alkaa neste kylmäkiehua ja samalla nesteestä (yleensä jokin öljy) erkaantuu höyrykuplia. Paineen kohotessa höyrykuplat muuttuvat jälleen nesteeksi ja höyrykuplat romahtavat kasaan. Mikäli paineen nousu on hyvin nopea, kuten pumpuissa, kuplien romahtaminen tapahtuu hyvin rajuna. Tällöin kuplat, jotka sijaitsevat lähellä metallipintoja, aiheuttavat pintaan iskeytyessän metallihiukkasten irtoamista törmäyskohdasta. Ilmiö aiheuttaa aina kavi-

13 8 taatiokorroosiota sekä tehohäviötä järjestelmässä. Useat pumppuvalmistajat ilmoittavat imuaukon minimipaineeksi 0,1 0,3 bar alipainetta, jotta voidaan välttyä kavitaatiolta. Myös perämoottorin käydessä syntyy samanlainen tilanne, kun potkurin lavan toiselle puolelle syntyy alipaine ja vesi alkaa kylmäkiehua muodostaen pieniä kuplia. Tyhjiökuplat joutuvat seuraavan lavan painepuolelle eivätkä kestä ympäröivää painetta vaan hajoavat, synnyttävät meteliä ja voivat aiheuttaa moottorin hajoamisen. Kavitaatiota tulee pyrkiä välttämään, ja tämän perustana ovat äkkinäisen paineen muutoksen välttäminen sekä alipaineen syntymisen estäminen. (Fluid Finland 2/2002, 5 6 ; Fonselius 1995, ) Hydraulisen järjestelmän komponentteja Pumput, venttiilit, sylinterit, moottorit, letkut ja putket, suodattimet sekä jäähdytys- ja lämmityslaitteet ovat hydraulisen järjestelmän komponentteja. Komponenttien valinnalla ja erilaisilla yhdistelmillä voidaan vaikuttaa koneen hyötysuhteeseen ja lämpenemiseen. (Fonselius 1995, ) Esimerkkinä komponenttivalinnoista on, että Lillbacka Powerco käyttää koneissaan hammaspyöräpumppua, jolla on saatu parempi hyötysuhde kuin aikaisemmin käytetyllä siipipumpulla. Jatkuvalla tuotekehityksellä parannetaan tuotteiden ominaisuuksia ja laatua. Jäähdytys- ja lämmityslaitteilla rajoitetaan koneen käyttöolosuhteita, jotta saadaan varmistettua koneen tarkoituksenmukainen toiminta ja turvallisuus. Öljyn lämpötilan ei saisi nousta yli +70 C:n sillä kuten jo edellä mainittiin, korkea lämpötila lyhentää öljyn käyttöikää, viskositeetti laskee ja voitelu pettää. Koneen kaikki häviöteho muuttuu järjestelmässä lopulta lämmöksi, ja sitä pitää poistaa usein ulkoisin laittein. (Fonselius 1995, 93.) Hydraulijärjestelmään kuuluu myös muita pieniä komponentteja, esim. painemittareita, painekytkimiä, lämpömittareita, tilavuusmittareita, ilmanpoistoventtiileitä ja muita varusteita. Komponentit ja varusteet valitaan järjestelmään tarpeen ja parhaan yhteensopivuuden mukaan. (Fonselius 1995, 94.)

14 Hydraulinen teho ja hyötysuhde Hydraulisen tehon lähteitä ovat hydraulipumput, joissa mekaaninen teho muutetaan hydrauliseksi tehoksi. Tehoa kuluttavat hydrauliset toimilaitteet, sylinterit ja moottorit, joissa hydraulinen energia muutetaan jälleen mekaaniseksi energiaksi. Väliaineen avulla kuljetettava hydraulinen teho muodostuu väliaineen paineesta ja tilavuusvirrasta seuraavasti: P = q p P = hydraulinen teho, W q = tilavuusvirta, m 3 /s p = paine-ero, N/m 2 Kun tehoa muutetaan muodosta toiseen, osa siitä menee hukkaan vuotojen ja erilaisten kitkojen vuoksi. (Fonselius 1995, 29.) Hydraulisen järjestelmän lämpeneminen Hydraulijärjestelmän häviöt muuttuvat aina lämmöksi. Häviöitä ovat paine-, nopeus-, vuoto- ja mekaaniset häviöt. Kohonnut lämpötila voi aiheutua mm. suuresta sisäisestä vuodosta, ylikuormituksesta, virheellisestä paine- ja virtausventtiilien asetuksista, jäähdyttimen tai lämmittimen vaurioitumisesta, likaisesta öljystä, väärästä öljystä, lämmön siirtymistä estävistä likakerroksista tai liian suuresta tuotosta putkistoon nähden. (Fluid Finland 1/2004, ) Mekaanisia häviöitä syntyy hankauspinnoissa, tiivisteissä ja laakereissa. Paine- ja nopeushäviöt syntyvät öljyn virtauksessa kitkahäviöinä. Kitka tarkoittaa tässä öljyn sisäistä kitkaa eli viskositeettia. Kun öljyn virtausta vastustetaan, joutuu pumppu tekemään työtä vastuksen voittamiseksi ja öljyn lämpötila alkaa nousta. Mitä suurempi putken halkaisija on, sitä pienemmät kitkahäviöt ovat, ja mitä suurempi on pumpun tuotto, sitä suuremmat ovat kitkahäviöt. (Fluid Finland 1/2004, ) Nopeushäviöt syntyvät, kun virtausta kuristetaan, ja tällöin kuristuskohdassa öljyn virtausnopeus kasvaa ja paine pienenee. Samalla osa virtausenergiasta muuttuu lämmöksi.

15 10 Vuotohäviöllä tarkoitetaan järjestelmän sisäisiä (esim. tiivistevauriot, välysvuodot) tai ulkoisia vuotoja (esim. vuotavat liittimet). Myös häviösäätöjen yhteydessä muodostuu lämpöä. Häviösäädöllä tarkoitetaan nopeuden säätöä, jossa vakiotuottoisen pumpun tilavuusvirrasta osa johdetaan virransäätöventtiilin kautta toimilaitteelle käyttämättömän osan virratessa paineenrajoitusventtiilin kautta säiliöön. Näin osa sähkömoottorin tehosta muuttuu lämmöksi, joka lämmittää öljyä. (Fluid Finland 1/2004, ) Jos johtumalla tai säteilemällä poistuva lämpömäärä on liian pieni, on hydraulista järjestelmää jäähdytettävä erillisen laitteen avulla. Normaali hydraulijärjestelmän käyttölämpötila on +35 C 65 C. Synteettisillä öljyillä voidaan käyttölämpötilaa nostaa hieman korkeammaksi, mutta öljyn ikä lyhenee, mitä korkeammalle lämpö nousee. Jos järjestelmä käy koko ajan, on erityisen tärkeää, että lämpöä poistuu sama määrä kuin järjestelmä käydessään synnyttää. Jos järjestelmää käytetään jaksoittain, on käyntijakson jälkeen tarkistettava, että lämpötila on sallituissa rajoissa. (Keinänen & Kärkkäinen 2005, 180.) Hydraulijärjestelmän suunnittelu Hydraulisen järjestelmän käyttötilanne on pohdittava ja analysoitava huolellisesti, että järjestelmä voitaisiin suunnitella mahdollisimman hyväksi toiminnaltaan ja turvallisuudeltaan. Hydrauliikan avulla voidaan tuottaa joustavasti suuria voimia ja momentteja. Laitteet ovat usein tuotettuihin voimiin nähden pieniä. Yksinkertaisen hydraulisen järjestelmän suunnittelu on vielä melko helppoa, mutta monimutkaiset järjestelmät ovat hyvin vaativia suunnitella. Suunnitteluvirheen vuoksi koneeseen saattaa jäädä vakavia puutteita tai virheitä, jotka aiheuttavat esimerkiksi suuriakin tehohäviöitä tai turvallisuusriskejä. Koska hydraulijärjestelmissä käytetään suuria voimia ja momentteja, on koneen tai järjestelmän mekaaniset rakenteet suunniteltava ja mitoitettava huolellisesti. Suunnittelussa on huomioitava myös ympäristötekijät. (Fonselius ym. 1997, 182 ; Fonselius 1995, 96.) Liitteissä 2 ja 3 on kaaviomalliesimerkit hydraulisen järjestelmän suunnittelusta. Kun rakennetaan todellista hydraulijärjestelmää, on suoritettava virtaushäviöiden laskenta ja mahdollisesti myös simulointi. Lähtökohtaisesti on tiedettävä putkien pituudet, liittimien ja käyrien määrä ja laatu sekä järjestelmän öljyn laatu ja ominaisuudet. Laskelmia varten

16 11 on olemassa tietokoneohjelmia ja taulukoita. On muistettava, että kaikki tehohäviö muuttuu lämmöksi. (Keinänen & Kärkkäinen 2005, 305.) Tuotekehityksen tulokset tulee testata tarkkaan ennen tuotteiden markkinoille laskua. Hydraulijärjestemän suunnittelu ja tuotekehitys on hyvin moninainen prosessi. Nykyään järjestelmiä simuloidaan usein virtuaalisesti. Nykyään, ja tuskin täysin tulevaisuudessakaan, ei kuitenkaan ole kokonaan mahdollista olla tekemättä käytännön testejä. (Holopainen 2000, ; Mynett & Sadarjoen & Hin 1995.) Avoin ja suljettu hydraulijärjestelmä Avoin järjestelmä on yksinkertainen ja soveltuu sekä sylinterien että moottorien käyttämiseen. Avoimessa hydraulijärjestelmässä öljy palaa toimilaitteen jälkeen säiliöön. Järjestelmässä on tilava säiliö ja hyvä luonnollinen jäähdytys, sillä pitkä putkisto toimii myös jäähdyttävänä osana. Avoimessa järjestelmässä pumpun imuputkessa voi syntyä alipaine, mikä tarkoittaa kavitaatiovaaraa. Pumppu on usein yhteen suuntaan pumppaava, ja pumpulla ei voi yleensä jarruttaa toimilaitetta. Toimilaitteen suunnanvaihto toteutetaan venttiileillä, ja järjestelmässä voi olla useita toimilaitteita. (Fonselius ym. 1997, ) Lillbacka Powrco Oy:n hydrauliset puristimet toimivat avoimella järjestelmällä. Suljetussa järjestelmässä öljy palaa toimilaitteen jälkeen pumpun imupuolelle. Suljetussa järjestelmässä toimilaitteen tilavuusvirta on melkein sama kuin pumpun tilavuusvirta, ja öljyn tilavuus on pieni, mikä aiheuttaa lämpenemisvaaran. Tehohäviöt tässä järjestelmässä ovat pienet. Öljyn jäähdytystä ja vuotojen korvaamista varten tarvitaan syöttöpumppu ja erillinen huuhteluventtiili. Pumppu voi toimia toimilaitteen jarruna ja pumppu on useimmiten kahteen suuntaan pumppaava. Toimilaitteen suunnanvaihto on hallittu. Kavitaatiovaara on syöttöpaineen ansiosta pieni. Järjestelmässä on yleensä yksi toimilaite tai muutama toimilaite kytkettynä rinnan. (Fonselius ym. 1997, ) Puolisuljetuissa järjestelmissä osa nesteestä palaa säiliöön ja osa pumpun imupuolelle. Puolisuljetuilla järjestelmillä saavutetaan hyvä hyötysuhde, koska tehonsiirrossa ei ole venttiilien painehäviöitä. Jos paluuvirtaus ei riitä pumpun tilavuusvirran tarpeeseen,

17 12 pumppu saa lisätäytöksen imuventtiilin kautta suoraan säiliöstä. Toimilaite on usein kaksitoiminen sylinteri, jossa tilavuusvirrat menevät sen mukaan, mikä on sylinterin liikesuunta. Sylinterin suuntaa vaihdetaan muuttamalla pumpun antaman tilavuusvirran suuntaa. (Fonselius ym. 1997, ) 2.2 Hydraulisten letkuliitinpuristinten tekniikka Letkuliitinpuristimet ovat koneita, joilla voidaan puristaa, muotoilla tai supistaa pyöreitä tai pyöreähköjä muotoja. Kun hydraulisylinteriin pumpataan öljyä, mäntä alkaa liikkua ja leuat lähestyvät toisiaan säteittäisesti. Näin syntyy puristus. Paluuliike eli leukojen avautuminen saadaan aikaan siten, että öljy pumpataan männän toiselle puolelle eli vastakkaiselle puolelle puristukseen verrattuna, ja kun mäntä menee edeltä, pääsevät leuat avautumaan jousien avulla. Puristuspää koostuu tavallisesti kahdeksasta perusleuasta, jotka yhdessä muodostavat pyöreän puristuspinnan. Perusleukoihin voidaan kiinnittää erikokoisia vaihtoleukoja sen mukaan, mihin halkaisijamittaan puristusta ollaan tekemässä. Koska puristimella tulee voida puristaa halkaisijaltaan erikokoisia puristuksia, tulee puristusmitan olla säädettävä. Esimerkiksi jos halutaan puristaa liitin hydrauliletkuun, jonka puristusmitta on 25,3 mm, valitaan haluttua puristusmittaa lähimpänä oleva leukasarja, kuten 22 mm, ja säädetään ohjauksesta puristusmitaksi vaihtoleuan nimellismitta lisättynä erotus puristusmittaan. Vakiokokoisten vaihtoleukojen nimellismitat ovat kokoluokan mukaan 5 10 mm:n välein. Tavallisesti tämän suurempaa puristusta ei ole järkevää tehdä enää yhdellä puristuksella, vaan on hyvä tehdä puristus useammassa jaksossa. Jos puristetaan yli 10 mm esimerkiksi metalliputkea, pyrkii aine puristettaessa pakenemaan johonkin, ja yleensä se pakenee juuri näiden leukojen väliin. Kun tätä metallia on loputa paljon näiden leukojen välissä ja puristetaan aivan leukojen nimellismittaan, voivat leuat vioittua. (Finn-Power Lillbacka 1/01.) Hyvin usein puristinta käytettäessä puristinpään ei tarvitse aueta maksimiavautumaan, vaan riittää kun leuat aukeavat muutamia millejä eli juuri sen verran, että kappaleen saa vaihdettua leukojen väliin. Tästä on paljon hyötyä varsinkin sarjatyössä, jossa puristetaan sellaisia kappaleita, joissa riittää hyvin pieni avautuma. Tämä säästää valtavasti sekä koneenkäyttäjää että aikaa, kun puristuksen tyhjän liikkeen osuus jää pieneksi. (Finn- Power Lillbacka 1/01.) Kuvio 2 havainnollistaa puristavia leukoja käytännössä.

18 13 KUVIO 2. Kuviossa näkyvät puristavat leuat 8 kpl (Lillbacka Powerco 2007a) Puristimissa käytetään hydrauliikkaa, koska puristimelta vaaditaan suuria voimia ja liikkeen hyvää hallittavuutta. Finn-Power-puristimen mekaaninen tarkkuus on erinomainen, jopa 0,01 mm, ja koneen luvataan pystyvän puristamaan 0,1 mm:n tarkkuudella. (Finn-Power Lillbacka 1/01, 12.) 2.3 Puristinmallit Powercon puristinmallisto on laaja. Liitteessä 9 on tiiviissä muodossa esitetty kaikki puristinsarjat, joita Lillbacka Powerco Oy valmistaa. Puristimia valmistetaan pieniin huoltotöihin, sarjavalmistukseen sekä suuriin erikoistarpeisiin. Pienin puristin on käsipumpulla varustettu P16-malli. Vaikka puristin on pienikokoinen, löytyy siitä puristusvoimaa silti noin N. Tämän kaltainen pieni puristin soveltuu erityisen hyvin satunnaisiin korjaus- ja huoltotöihin, esimerkiksi verstaisiin ja huoltoautoihin. Keskiraskaaseen sarjaan sijoittuvat P-koneet edustavat pöydälle sijoitettavia puristinmalleja, jotka soveltuvat hyvin verstaiden satunnaiskäyttöön sekä vaativaan sarjatuotantoon. Näissä koneissa hydraulipumppua pyörittää sähkömoottori. Puristusvoimaa P-sarjan koneissa löytyy N. Raskaan sarjan puristimiin kuuluu FP-

19 14 mallisto, joka soveltuu sarja- ja linjakäyttöön sekä erityisen paljon voimaa vaativiin kohteisiin, kuten suurien hydrauliletkujen liittimiin tai vahvojen teräsputkien muokkaukseen. FP-koneista löytyy voimaa maksimissaan N. (Finn-Power Lillbacka 1/01.) Laitteiden, joiden nopeus ylittää 10 mm/s, on oltava suojattuna niin, että koneen liikkuviin osiin ei ole mahdollisuutta saada sormia tai muita jäseniä. Powercon valmistamissa puristimissa käytetään neljää erilaista ohjaustapaa puristimien ohjaamiseen. Käsipumpulla varustetuissa puristimissa ei ole mitään pysäytysautomatiikkaa, vaan ne on varustettu mittalaitteella, johon haluttu mitta asetetaan, ja kun mitta on saavutettu, lopetetaan pumppaaminen. Mitan saavuttaminen osoitetaan mekaanisella mittatikulla tai lampulla, joka syttyy kun mitta on saavutettu. Muissa puristimissa käytetään kolmenlaista ohjausta, MS-, IS- tai VS-ohjausta. MS-ohjaus on hyvä perusohjaus, jossa ei ole minkäänlaisia hienouksia. Siihen kuluu ainoastaan mittalaite, jolla haluttu mitta saadaan säädettyä, ja ohjauspaneeli, jossa on napit sekä puristusliikkeelle että paluuliikkeelle. IS-ohjauksessa on jo jonkin verran enemmän varusteita, kuten maksimiavautuman säätö, sekä mahdollisuus liittää lisävarusteita, kuten takavaste ja jalkapoljin. VS-ohjauksessa on näyttö, ja siihen voi tallettaa puristusmittoja muistiin. Lisäksi VS-ohjauksessa on puristusmäärälaskuri ja myös maksimiavautuma on säädettävissä tarkemmin. (Finn-Power Lillbacka 1/01.)

20 15 3 HYDRAULISEN JÄRJESTELMÄN LÄMPENEMISEN TUTKIMINEN Työssä tutkittiin erityisesti S-koneen lämpenemistä sekä mahdollisuutta jättää siitä pois erillinen jäähdytin. Peruskone toimi tässä tutkimuksessa vertailukoneena. Työn lähtökohtana pidettiin sitä, että peruskone toimii moitteettomasti ilman jäähdytintä. S-kone on kehitetty peruskoneesta, ja se on nopeampi kuin peruskone, mutta nopeuden lisääntyminen on aiheuttanut kuitenkin sen, että S-kone lämpenee liikaa vaatien erillisen jäähdyttimen käyttöä. Vertaamalla S-koneen lämpenemistä peruskoneeseen saadaan kuva lämpötilatasosta, johon S-koneen hydraulisen järjestelmän suunnittelulla tulisi pyrkiä. 3.1 Testaussuunnitelma Esiselvitysvaiheessa pohdittiin mahdollisia menetelmiä, joilla nykytilannetta voitaisiin ruveta kartoittamaan. Tässä päädyttiin lämpötilatestiin, jonka avulla pystytään toteamaan koneen lämpötilat eri pisteissä. Lisäksi päädyttiin mittaamaan ajat, jotka kone käyttää sekä puristus- että paluuliikkeen tekemiseen. Puristus- ja paluuliikkeeseen käytetyt ajat mitattiin sen takia, että saataisiin selville käyttääkö kone liikkeen tekemiseen koko pumpun tilavuusvirran vai kuristavatko kanavat virtausta niin paljon, että osa tilavuusvirrasta menee paineohjatun vastaventtiilin kautta säiliöön. Uuden hydraulijärjestelmän komponenttien mitoituksen lähtökohtana käytettiin komponenttien läpi menevää tilavuusvirtaa ja painetta. Komponentit valittiin valmistajien laatimien arvojen perusteella siten, että komponentin läpimenevästä tilavuusvirrasta muodostuva painehäviö pysyisi kohtuullisena. Suositeltu painehäviö olisi n. 3 4 % käyttöpaineesta. Myös järjestelmässä käytetyt putket ja letkut valittiin sen mukaan, että saatiin näissä kulkevat virtausnopeudet mahdollisimman lähelle suositeltuja arvoja. Kone kytkettiin toistamaan automaattisesti puristusliikettä. Leukojen avautumaksi säädettiin 30 mm ja paineen nostamiseksi leukoja puristettiin tuurnaa vasten siten, että

21 16 hydrauliikkajärjestelmän paine nousi jokaisella puristuskerralla arvoon 100 bar. Konetta käytettiin niin kauan, että lämpötila ei enää noussut tai nousu oli hyvin vähäistä. Työkierron alkaessa kone toimi siten, että molemmat pumput olivat käytössä aina niin kauan, kunnes viimeiset 2 mm asetetusta puristusmitasta olivat saavuttamatta, jolloin isompi pumppu kytkettiin vapaakierrolle ja loppupuristus tehtiin pienellä pumpulla. Näin saavutettiin suurempi tarkkuus ja pystyttiin pitämään moottoriteho kohtuullisena koneen maksimipaineella 350 bar. Järjestelmässä oli myös paineohjattu vapaakiertoventtiili, jonka tehtävänä oli kytkeä isompi pumppu vapaakierrolle myös silloin jos paine olisi noussut jossakin puristuksen vaiheessa yli 100 baariin. 3.2 Testauksessa käytetyt mittausvälineet Painemittari HMG 1000 on painemittari, jolla voidaan mitata eripituisia jaksoja muistiin ja näin voidaan selvittää esimerkiksi aika, jonka jokin sykli kestää. Lämpötilamittari µ-musycs-datalokkeri on mittaväline, jolla voidaan mitta-anturia vaihtamalla mitata lähes mitä suuretta tahansa, kuten kiihtyvyyttä, lämpötilaa, värähtelyä, painetta, jne. Mittarin etu on se, että lämpötila voidaan mitata useista pisteistä yhtä aikaa ja näin koneen ovia ei tarvitse avata mittauksen tekemiseksi vaan saadaan jatkuva lämpötila suoraa tietokoneen näytölle. Yleismittari FLUKE on varustettu lämpötilanturilla, ja tätä mittaria käytetään varmistuksena toisen mittarin paikkansapitävyydestä. 3.3 Lämpenemisen mittaaminen Mittaamista varten laadittiin testiohjelma, jossa mitattiin lämpötilat viidestä (5) eri pisteestä. Mittauspisteitä valittiin useampia sen takia, että pystyttäisiin kartoittamaan mahdollista kohtaa, joka lämpenee muita enemmän. Pisteiksi valittiin öljyn lämpötila venttiililohkon lämpötila suuntaventtiilin lämpötila

22 17 paluuventtiilin lämpötila (sylinterin pohjassa) ympäristön lämpötila 1 m:n päässä koneesta. Lämpötilamittaukset suoritettiin datalokkerilla siten, että mitattaviin kohtiin asennettiin lämpöanturi. Lämpötilat mitattiin, jotta saatiin selville mahdolliset kuristuskohdat, joissa lämpö nousee voimakkaasti. Paineet koneesta mitattiin sekä puristusliikkeellä että paluuliikkeellä. Myös putkiston virtausnopeudet laskettiin, jotta myöhemmin voidaan valita esimerkiksi isommat virtausputket ja saada tällä tavoin syntyvää lämpöä vähenemään. Realististen testitulosten aikaansaamiseksi konetta pitäisi pystyä käyttämään arvoilla, jotka vastaavat mahdollisimman hyvin koneen normaalia käyttöä. Jos nimittäin konetta käytettäisiin koneesta saatavilla maksimiarvoilla, se lämpenisi paljon enemmän, mutta sillä ei olisi mitään tekemistä koneen normaalin käytön kanssa, eikä sellaisilla tuloksilla ole myöskään mitään arvoa. Koneen normaalia käyttöä ei ole kuitenkaan helppoa arvioida, koska koneilla tehdään hyvin monenlaisia puristuksia. Pitkällisen pohdinnan tuloksena päädyttiin kuitenkin seuraaviin arvoihin: käytetään iskunpituutena 30 mm ja hydrauliikkajärjestelmän paine nostetaan jokaisella puristuksella arvoon 100 bar. Taulukossa 2 esitetään vakiokoneen lämpötilamittaukset minuuttiin eli lämmönnousun tasaantumiseen saakka. Vakiokoneen lämpenemistä pidettiin tässä tutkimuksessa tavoitteellisena tasona. Kuviossa 3 on havainnollistettu vakiokoneen lämpötilat ajan funktiona.

23 18 TAULUKKO 2. Vakiokoneen lämpötilat. FP120 VAKIOLÄMPÖTILATESTI Kokonaiskesto 26,02 x 1000 s AIKA ÖLJY BLOKI SUUNTAVENT. PALUUVENT. ILMA ,88 18,31 18, , ,86 21,68 18, ,67 27,78 28,18 25,91 17, ,92 31,6 33,75 29,03 18, ,99 35,86 35,97 33,23 17, ,86 38,81 39, , ,88 40,69 41,81 38,13 17, ,57 43,68 44,42 40,69 17, ,59 46,04 46,95 43,65 17, ,7 47,81 49,92 45,07 17, ,54 48,55 50,9 47,44 17, ,88 51,7 53,4 49,65 16, ,56 53,71 54,64 51,23 17, ,37 55,13 55,5 53,36 17, ,62 57,19 58,94 55,5 17, ,7 59,26 59,65 57,05 16, ,19 60,34 61,61 59,06 16, ,83 61,91 63,59 60,88 16, ,76 63,42 64,56 61,84 16, ,36 64,17 66,01 63,82 16, ,76 65,77 67,81 64,76 16, ,59 66,65 69,19 66,45 17, ,18 70,44 67,84 17, ,19 69,88 71,66 69,08 12, ,65 71,13 72,34 70,17 17, ,17 71,65 72,96 70,69 17, ,06 72,21 73,73 72,34 17, ,5 72,42 74,05 72,52 16, ,76 74,2 75,6 73,26 16, ,72 74, ,91 16, ,81 74,76 76,64 74,69 16, ,6 76,97 77,55 75,78 15, ,86 76,88 78,41 76,1 16, ,94 77,97 79,22 77,45 16, ,63 77,7 79,67 77,9 15, , ,92 78,03 16, ,64 79,73 80,97 78,5 16, ,3 79,36 81,09 79,4 15, ,87 80,19 82,22 79,94 15, ,132 80,69 83,48 80,78 16, ,93 81,93 83,48 81,29 16, ,19 82,11 84,08 81,49 16, ,04 82,17 84,35 82,41 16, ,43 82,89 85,09 82,67 15, ,13 83,13 84,75 82,75 15,88

24 LÄMPÖTILA 19 LÄMPÖTILAT FP AIKA min KUVIO 3. Vakiokoneen lämpötilat ajan funktiona ÖLJY BLOKI SUUNT.VENT PALUUVENT. ILMA Taulukossa 3 esitetään jäähdyttimellä varustetun S-koneen lämpötilamittaukset minuuttiin eli lämmönnousun tasaantumiseen saakka. Kuviossa 4 on havainnollistettu jäähdyttimellä varustetun S-koneen lämpötilat ajan funktiona. TAULUKKO 3. Jäähdyttimellä varustetun S-koneen lämpötilat FP120S LÄMPÖTILATESTI Kokonaisaika 18,17 x 1000 s AIKA ÖLJY BLOKI SUUNTAV. PALUUVENT. ILMA 0 17,81 17,56 17,87 17,25 18, ,55 30,6 30,52 26,69 11, ,63 38,94 39,86 36,38 18, ,63 44,65 44,57 41,44 18, ,2 47,14 47,94 45,04 18, ,17 49,97 50,75 48,25 22, ,1 52,33 52,42 49,14 17, ,12 53,09 53,35 50,97 16, ,2 54,55 55,15 52,42 17, ,56 55,12 55,05 52,38 17, ,6 55,85 56,55 54,51 11, ,05 56,08 55,14 18, ,72 57,48 58,15 56,11 17, ,77 57,75 58,37 56,46 16, ,24 58,49 59,13 58,07 13, ,31 58,68 59,15 57,4 17, ,18 59,36 59,72 58,34 14, ,26 59,38 60,11 58,42 15,42 (jatkuu)

25 LÄMPÖTILA TAULUKKO 3 (jatkuu) ,11 59,47 60,14 58,66 17, ,21 59,77 59,79 59,06 16, ,12 59,75 60,2 58,62 16, ,42 60,12 60,79 59,22 15, ,3 60,1 60,63 59,17 15, ,03 60,78 61,5 59, ,65 59,31 60,01 59,19 17, ,91 60,35 61,16 60,06 16, ,91 60,82 61,17 59,76 15, ,64 59,64 60,4 59,8 15, ,67 61,23 61,73 60,18 15, ,02 60,49 61,19 59,63 15, ,89 59,37 60,15 59,91 17, ,98 58,07 59,18 58,74 17,04 LÄMPÖTILAT FP120S ÖLJY BLOKI SUUNT.VENT PALUUVENT. ILMA AIKA min KUVIO 4. Jäähdyttimellä varustetun S-koneen lämpötilat ajan funktiona Taulukossa 4 esitetään ilman jäähdytintä olevan S-koneen lämpötilamittaukset minuuttiin eli lämmönnousun tasaantumiseen saakka. Kuviossa 5 on havainnollistettu ilman jäähdytintä olevan S-koneen lämpötilat ajan funktiona.

26 LÄMPÖTILA 21 TAULUKKO 4. Ilman jäähdytintä olevan S-koneen lämpötilat LÄMPÖTILAMITTAUS FP120S ilman jäähdytintä Kokonaisaika 9,11 x 1000 s AIKA ÖLJY BLOKI SUUNTAVENT. PALUUVENT. ILMA 0 28, ,69 27,31 18, ,1 40,96 43,67 36,87 18, ,26 49,53 51,96 45,06 17, ,86 55,54 59,52 50,99 18, ,02 61,26 65,63 56,63 17, ,54 66,65 71,06 62, ,92 70,9 77,21 67,69 17, ,34 74,69 80,15 71,01 17, ,74 78,73 83,99 74,82 18, ,79 82,29 88,57 79,22 18, ,63 84,61 91,17 81,42 17, ,21 88,7 95,83 86,38 17, ,35 99,7 89,74 17, ,37 94,86 103,62 93,43 17, ,28 99,72 107,7 97,08 17, ,64 102,46 111,41 100,6 17, ,69 103,63 110,81 100,88 17,06 LÄMPÖTILAT FP120S(ilman jäähdytintä) ÖLJY BLOKI SUUNT.VENT PALUUVENT. ILMA AIKA min KUVIO 5. Ilman jäähdytintä olevan S-koneen lämpötilat ajan funktiona.

27 Virtausnopeudet, painehäviöt ja komponenttivalinnat Virtaushäviöt hydrauliikkajärjestelmissä voidaan jakaa kahteen eri ryhmään. Kun neste hankaa putken seinämiin, puhutaan kitkahäviöistä, ja kun virtauksen suuntaa tai nopeutta muutetaan, syntyy kertahäviöitä. Häviöt aiheuttavat paineen laskua järjestelmässä virtausenergian muuttuessa lämmöksi. Laminaarisessa virtauksessa neste virtaa tasaisesti ilman pyörteitä ja nestehiukkaset liikkuvat yhdensuuntaisesti. Turbulentissa virtauksessa nesteessä on pyörteitä ja nestehiukkaset liikkuvat välillä jopa virtaussuuntaa vastaan. Laminaarisessa virtauksessa häviöt kasvavat lineaarisesti virtausnopeuden funktiona, eli nopeuden kasvaessa häviöt nousevat suhteessa nopeuteen. Turbulentissa virtauksessa virtausnopeuden kasvu kasvattaa häviötä virtausnopeuden toiseen potenssiin, eli hyvin jyrkästi, ja siksi hydrauliikkajärjestelmässä olisi edullista välttää turbulenttisia virtauksia. Koska virtauskanavien koko tällöin tulisi kuitenkin epätaloudellisen suureksi, joudutaan hydrauliikkajärjestelmien putkistoissa normaalisti turbulenttiselle virtausalueelle. On olemassa laskukaavoja ja käyriä, joiden avulla virtaushäviöitä voidaan määrittää. (Keinänen & Kärkkäinen 2005, ) Taulukoista saatavat arvot ovat useimmiten käytännön työssä riittäviä, ja tästä on esimerkki liitteessä Virtausnopeuden laskeminen Hydraulijärjestelmästä laskettiin virtausnopeudet, joiden perusteella voidaan päätellä, onko järjestelmä virtausopilliselta pohjalta suositusarvojen mukainen vai löytyisikö siitä mahdollisesti jotain parannettavaa.

28 23 S-kone FP 120S VS 400 hydrauliikassa käytetyt komponentit pumppu 72 / 14,112 l/min =>yht. 86,112 l/min paineputki, pikkupumppu 16 x 2 mm paineputki, isopumppu 18 x 1,5 mm hydrauliletku, paine ½ = 12,7 mm paluuputki 18 x 1,5 mm Bloki ns 10 9 mm 10 mm Keskimääräinen virtausnopeus = tilavuusvirta / pinta-alalla v = q/a Pumpun tuoton laskemisessa on käytetty moottorin pyörimisnopeutena 1440 r/min ja pumpun hyötysuhdetta ei ole huomioitu. S- koneesta mitattuja arvoja: Käytettiin 30 mm avautumaa ja mittauksissa ei käytetty tuurnaa. paluuliikkeeseen kulunut aika 0,75 sekuntia paluuliikkeen tarvitsema paine 64 bar (piikki) 75,1 bar puristusliikkeen tarvitsema paine 20 bar avautumisnopeus v v = 30 mm / 0,85 s = 35,294 mm/s = 0, m/s koneen teoreettinen paluunopeus v = q / A = 0, m 3 /s / m 2 = 0,763 m/s = 76,3 mm/s nopeuden saavuttamiseen tarvittava öljymäärä q = v x A = 0, m/s x 0,0188 m 2 = 6,635 x 10-4 m 3 /s = 0, m 3 /s = 39,811 l/min

29 24 sylinteristä poistuva öljymäärä Sylinteristä poistuvan öljymäärän laskemisessa käytettiin sylinterin pinta-alasuhdetta, jonka avulla saatiin suoraan pumpun tuotosta selville paluupuolelta poistuva öljymäärä. Männän pinta-alat ovat 804 cm 2 /188 cm 2 = 4,2766 teoreettinen 86,112 l/min x 4,276 = 368,214 l/min mittauksista saaduilla arvoilla 39,811 l/min x 4,276 = 170,255 l/min (paluuliikkeeseen todellisuudessa käytetty öljymäärä) paluuliikkellä hyödyntämättä jäävä öljymäärä 86,112 l/min 39,811 l/min = 46,301 l/min paluuliikkeellä männän puolella vaikuttava paine P 1 = P2 / (A 1 /A 2 ) 64 bar / 4,276 = 14,96 bar (järjestelmässä olevien komponenttien ja putkiston aiheuttama paine, joka muodostuu mm. virtausvastuksista molempiin virtaussuuntiin sekä kitkoista.) Peruskone FP 120 VS 400 hydrauliikassa käytetyt komponentit pumppu 35,8 / 14,112 l/min =>yht. 49,912 l/min paineputki, pikkupumppu 16 x 2 mm paineputki, isopumppu 18 x 1,5 mm hydrauliletku, paine ½ = 12,7 mm paluuputki 18 x 1,5 mm Bloki ns 10 9 mm 10 mm Pumpun tuoton laskemisessa on käytetty moottorin pyörimisnopeutena 1440 r/min ja pumpun hyötysuhdetta ei ole huomioitu.

30 25 Koneen hydraulijärjestelmässä on käytössä muuten aivan kaikki samat osat paitsi pumppu, joka on pienempi: pumppu 35,8 /14,112 l/min Vertailukoneesta mitattuja arvoja: Käytettiin 30 mm avautumaa ja mittauksissa ei käytetty tuurnaa. paluuliikkeeseen kulunut aika 0,95 sekuntia paluuliikkeen tarvitsema paine 55,5bar 66,6 bar (piikki) puristusliikkeen tarvitsema paine bar avautumisnopeus v v = 31,579 mm/s = 0, m/s koneen teoreettinen paluunopeus v = q / A = 0, m 3 /s / 0,0188 m 2 = 0,04430 m/s = 44,3 mm/s nopeuden saavuttamiseen tarvittava öljymäärä q = v x A = 0, m/s x 0,0188 m 2 = 5,9368 x 10-4 m 3 /s = 35,62 l/min sylinteristä poistuva öljymäärä Sylinteristä poistuvan öljymäärän laskemisessa käytettiin sylinterin pinta-alasuhdetta, jonka avulla saatiin suoraan pumpun tuotosta selville paluupuolelta poistuva öljymäärä. Männän pinta-alat ovat 804 cm 2 /188 cm 2 = 4,2766 teoreettinen 49,912 l/min x 4,276 = 213,42 l/min mittauksista saaduilla arvoilla 35,62 l/min x 4,276 = 152,31 l/min paluuliikkeellä hyödyntämättä jäävä öljymäärä 49,912 l/min 35,62 l/min = 14,292 l/min

31 26 paluuliikkeellä männän puolella vaikuttava paine P 1 = P2/ (A 1 /A 2 ) 55,5 bar / 4,276 = 12,97 bar (järjestelmässä olevien komponenttien ja putkiston aiheuttama paine, joka muodostuu mm. virtausvastuksista molempiin virtaussuuntiin sekä kitkoista.) Puristusliike: virtausnopeudet kiinnipäin ajettaessa S-kone v = q / A =( l /1000 l/60 s) m 3 /s /A(m 2 ) putki 18 x 1,5 mm v = 0,0012 m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 6,790 m/s (vain iso pumppu) putki 16 x 2 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0,006 2 m 2 ) = 2,079 m/s ( vain pikku pumppu) letku ½, 12,7 mm v = 0,00144 m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 11,367 m/s bloki Ø 10 mm v = 0,00144 m 3 /s / ( x 0,005 2 m 2 ) = 18,33 m/s bloki Ø 9 mm v = 0,00144 m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 22,635 m/s Peruskone v = q / A =( l /1000 l/60 s) m 3 /s /A(m 2 ) putki 18 x 1,5 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 3,376 m/s (vain iso pumppu)

32 27 putki 16 x 2 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0,006 2 m 2 ) = 2,079 m/s ( vain pikku pumppu) letku ½, Ø 12,7 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 6,566 m/s bloki Ø 10 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0,005 2 m 2 ) = 10,59 m/s bloki Ø 9 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 13,075 m/s Puristusliike: virtausnopeudet kiinnipäin ajettaessa, poistuvalla puolella l. varren puolella S-kone Varren puolelta poistuva öljymäärä = pumpun tuotto / pinta-alasuhde = 86,112 l/min / 4,276 = 20,138 l/min = 0, m 3 /s virtausnopeudet: paluuputki Ø 18 x 1,5 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 1,899 m/s letku ½, 12,7 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 2,649 m/s Peruskone Varren puolelta poistuva öljymäärä = pumpun tuotto / pinta-alasuhde 49,912 l/min / 4,276 = 11,672 l/min = 0, m 3 /s

33 28 virtausnopeudet: paluuputki Ø 18 x 1,5 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 1,1 m/s letku ½, Ø12,7 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 1,535 m/s Paluuliike: virtausnopeudet aukipäin ajettaessa S-kone Koneen paluuliikkeeseen käyttämä öljymäärä (mitattu) q = v x A= 0,03529 m/s x 0,0188 m 2 =39,811 l/min = 0, m 3 /s Blokissa olevat virtausnopeudet ovat samat kuin kiinnipäin ajettaessa, mutta koska blokissa osa öljystä menee painepatruunan kautta tankkiin, muuttuu öljymäärä ja sen vuoksi myös virtausnopeus blokin jälkeen olevassa paineletkussa. letkussa oleva virtausnopeus letku ½, Ø 12,7 mm = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 5,23 m/s Peruskone Koneen paluuliikkeeseen käyttämä öljymäärä (mittattu) q = v x A = 0, m/s x 0,0188 m 2 = 35,62 l/min =0, m 3 /s Blokissa olevat virtausnopeudet ovat samat kuin kiinnipäin ajettaessa, mutta koska blokissa osa öljystä menee painepatruunan kautta tankkiin, muuttuu öljymäärä ja sen vuoksi myös virtausnopeus blokin jälkeen olevassa paineletkussa. letkussa oleva virtausnopeus letku ½, Ø 12,7 mm

34 29 v = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 4,685 m/s Paluuliike: virtausnopeudet aukipäin ajettaessa poistuvalla puolella l. männän puolella S-kone Sylinteristä poistuva öljymäärä poistuva öljymäärä = pumpun tuotto / pinta-alasuhde sylinteristä poistuva öljymäärä (teoreettinen) 86,112 l/min x 4,276 = 368,214 l/min mittauksista saaduilla arvoilla 39,811 l/min x 4,276 = 170,255 l/min = 0, m 3 /s letku ½, Ø 12,7 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 22,39 m/s bloki Ø 10 mm v = 0, m 3 /s / ( x 0,005 2 m 2 ) = 36,121 m/s paluuputki Ø 18 x 1,5mm v = 0, m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 16,05 m/s Peruskone sylinteristä poistuva öljymäärä poistuva öljymäärä = pumpun tuotto / pinta-alasuhde sylinteristä poistuva öljymäärä (teoreettinen) 49,912/ 4,276 = 213,424 l/min = 0,00355 m 3 /s (teoreettinen)

35 30 mittauksista saaduilla arvoilla 35,62 l/min x 4,276 = 152,31 l/min = 0,00253 m 3 /s letku ½, Ø 12,7 mm v = 0,00253 m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 19,97 m bloki Ø 10 mm v = 0,00253 m 3 /s / ( x 0,005 2 m 2 ) = 32 m/s paluuputki Ø 18 x 1,5mm v = 0,00253 m 3 /s / ( x 0, m 2 ) = 14,31 m/s 3.5 Yhteenveto mittaustuloksista Lämpenemisen yhteenveto S-kone varustettuna jäähdyttimellä toimii hyvin, sillä lämpötilat tasaantuvat nopeasti. Öljyn lämpötila tasaantui noin 57 C :seen 310 minuutin kohdalla. Testattaessa S-konetta ilman jäähdytintä nousi lämpötila nopeasti 160 minuutin kohdalla 100 C :seen. Tämä on huono seikka, sillä öljyn lämpötilan ei saisi mielellään nousta yli 60 C:n eikä ainakaan yli 70 C:n. Vakiokoneen kohdalla testissä huomattiin, että käytetyllä iskutaajuudella kone lämpeni huomattavasti oletettua hyvää tasoa enemmän. Lämpötila tasaantui noin 80 C:seen 440minuutin kohdalla. 310 minuutin kohdalla, jolloin jäähdyttimellä varustetun S-koneen lämpötila oli 57 C, vakiokoneen lämpötila oli jo 73 C. Tulos ei ole hyvä, mutta käytännössä tulos ei kuitenkaan ole aivan niin huono kuin miltä se teoriassa näyttää, sillä tehtäessä työtä ei mittauksessa käytettävää iskutaajuutta käytetä, koska kappaleen vaihtaminen vaatii myös oman aikansa ja näin kone saa palautumisaikaa eikä lämpene aivan yhtä nopeasti.

36 Virtausnopeuksien yhteenveto Liitteessä 6 on esitetty suositusvirtausarvot putkistoille. Voidaan todeta mittaustulosten perusteella, että sekä vakiokoneessa että S-koneessa olevat putket ovat alimitoitettuja. Vakiokoneeseen verrattuna S-koneen arvot ovat huonompia, mutta lisäksi nähdään, että myös vakiokoneen arvot ovat suositusten yläpuolella.

37 32 4 JOHTOPÄÄTÖKSET, POHDINTAA JA JATKOTUTKIMUSMAHDOL- LISUUDET Putkikokoa ja komponenttikokoa kasvattamalla saataisiin koneiden painehäviötä ja sitä kautta lämpenemistä merkittävästi pienemmäksi. Vaikka komponenttikokoja kasvatettaisiin, niin testauksen jälkeen tuntuu miltei mahdottomalta, että jäähdyttimen voisi jättää järjestelmästä kokonaan pois, sillä peruskoneenkin lämpötilat nousivat huomattavasti odotettua enemmän. Myös koneissa olevien sylinterien pinta-alasuhde aiheuttaa ongelmia, sillä painehäviö kasvaa virtausnopeuden toiseen potenssiin. Mittauksista ja laskennoista huomattiin, että koneessa olevan pumpun tuottoa ei paluuliikkeellä pystytty täysin hyödyntämään, vaan osa öljystä ohjattiin paineohjatun vastaventtiilin kautta tankkiin ja näin ollen muodostui hukkatehoa. Pumpun tuottoa voisi olla mahdollista optimoida esimerkiksi taajuusmuuttajalla (Liite 1) tai muuttamalla pintaalasuhdetta edullisemmaksi siten, että esimerkiksi avattaisiin puristinta pienemmällä pumpulla isomman pumpun ollessa vapaakierrolla, jolloin ison pumpun tuotto pystyttäisiin ohjaamaan vapaakierrolla tankkiin. Tällä hetkellä nykyisellä edellä mainitulla pinta-alasuhteella tämä ei ole mahdollista, sillä paluuliike jäisi liian hitaaksi. Taajuusmuuttajalla voitaisiin saavuttaa myös etu, että S-koneissa käytetyn mekaanisen suojan auetessa muutettaisiin pumpun tuottoa moottorin pyörimisnopeutta pienentämällä peruskoneen tasolle, jolloin S-konetta olisi mielekkäämpää käyttää suurempien kappaleiden kuin 40 mm puristamiseen. Tällä hetkellä mekaanisten suojien ollessa auki isompi pumppu kytkeytyy vapaakierrolle eli kone on hidas. Proportionaalitekniikan avulla ja säätötilavuuspumpulla voisi olla myös mahdollista optimoida pumpun tuottoa. Taajuusmuuttajien ja proportionaalitekniikan (Liite 1) hyödyntämisen tutkiminen olisi hyvä jatkotutkimuskohde. Nykyisessä koneikossa komponenttien hinnat osaltaan aiheuttavat sen, että on tehtävä kompromisseja, ja on monesti myös taloudellisempaa poistaa lämpöä jäähdyttimellä kuin valita huomattavasti suuremmat komponentit. Komponenttikokoja valittaessa useat muutkin seikat vaikuttavat. Esimerkiksi suuntaventtiilin kohdalla seuraava koko on esiohjattu, ja saatujen kokemusten perusteella nyt käytetty suoraan ohjattu venttiili toimii

38 33 testatuissa koneissa paremmin. Tuotekehityksessä on otettava samaan aikaan useat muuttujat huomioon. Tarkalla testauksella, suunnittelulla ja tuotekehityksellä synnytetään uusia toimivia innovaatioita.

39 34 LÄHTEET DUNLOPHIFLEX Saatavissa: Luettu: Dörr, H. & R. Ewald & J. Hutter & F. Liedhegener & A. Schmitt Der Hydraulik Trainer. Osa 2. Proportionaali- ja servotekniikka. Würzburg: Held Gmbh. Finn-Power Crimping machines. Quality for professionals. Esite Finn-Power Lillbacka Esite Finn-Power Lillbacka 1/01. Swaging machines. Esite, 1/01. Fluid Finland. 2/2002. No1. Saatavissa: Luettu Fluid Finland. 1/2004. No7. Saatavissa: Luettu Fonselius, J Koneautomaatio. Hydrauliikka. 8. painos. Helsinki: Painatuskeskus Oy. Fonselius, J & J. Rinkinen & M. Vilenius Koneautomaatio. Hydrauliikka II. 2. painos. Helsinki: Oy Edita Ab. Götz, W Sähköhydraulinen proportionaali- ja säätötekniikka teoriassa ja käytännössä. Stuttgart: HP/VEKZ Robert Bosch GmbH. Helsingin ammattikorkeakoulu. Saatavissa: servotekniikka/sisalto.htm. Luettu Holopainen, T R&D example of paper machine hydraulic system. In a Modelling and simulation of multi technological machine systems. VTT. Technical Research centre of Finland. Espoo. Saatavissa: Luettu Iso sivistyssanakirja. Sivistyssanat hakemistoineen painos. Helsinki: WSOY. Keinänen, T. & P. Kärkkäinen Automaatiojärjestelmien hydrauliikka ja pneumatiikka. 1. painos. Helsinki: WSOY. Koneenosiensuunnittelu Porvoo: WSOY. Lillbacka Powerco A Company behind Finn-Power Crimping Products. Esite Lillbacka Powerco Oy:n internetsivut. Saatavissa: Luettu Lillbacka Powerco 2007a. Sisäinen materiaali.

40 35 Lillbacka Powerco 2007b. Sisäinen materiaali. Mynett, A. E & I. A. Sadarjoen & A. J. S Hin 1995.Turbulent Flow Visualization computationaland Experimental Hydraulics. Abstract. Saatavissa: Luettu Yritys- ja yhteisötietojärjestelmä. Saatavissa: Luettu

41 LIITE 1 PERUSKÄSITTEITÄ (Dörr ym.1986; Fonselius 1995; Götz 1993; Iso sivistyssanakirja 2005; Keinänen ym. 2005; Helsingin ammattikorkeakoulu) Hydrauliikka = yleisnimitys kaasujen ja nesteiden hydrostatiikan ja hydrodynamiikan teknisille sovelluksille. Puhuttaessa yleensä hydrauliikasta tarkoitetaan nimenomaan öljyhydrauliikkaa. Hydrostatiikka = tarkastelee relatiivisessa ja absoluuttisessa levossa olevia nesteitä tai kaasuja. Hydrodynamiikka = tarkastelee liikkeessä olevia nesteitä tai kaasuja. Hydraulitekniikka = hydrauliikan osa, joka käsittelee kokoonpuristumattomia väliaineita, erityisesti nesteitä (öljyjä). Öljyhydrauliikka = käyttää väliaineena paineenalaista öljyä. Pneumatiikka = paineilmatekniikka = käyttää väliaineena paineenalaista kaasua. Mobilehydrauliikka = osa öljyhydrauliikkaa ja sitä käytetään liikkuva kaluston koneissa. Hydrostaattinen tehonsiirto = käyttää paine- eli potentiaalienergiaa. Hydrodynaaminen tehonsiirto = käyttää hyväksi liike-energiaa. Proportionaalitekniikka = laitteet ja välineet, joissa käytetään proportionaaliventtiileitä. Tarkoittaa jatkuvatoimista laitetta, jossa lähtösignaalin suuruus on riippuvainen tulosignaalin suuruudesta. Kun järjestelmää ohjaavan laitteen antama ohjaus muuttuu, niin arvon muutos muuttaa lähtösignaalin arvoa ennalta asetetun suhteen mukaisesti. Proportio = oikea suhde, tasasuhtaisuus. Ohjaus voi olla mekaaninen, hydraulinen tai sähköinen, yleisimmin sähköinen, mikä mahdollistaa suunnan, nopeuden ja voiman portaattoman säädön. Servotekniikka = Servotekniikassa yhdistyvät säätötekniikka, elektroniikka, tietotekniikka ja mekaanisten rakenteiden staattiset ja dynaamiset ominaisuudet. Servotekniikan avulla pyritään ratkaisemaan ongelmia, jotka liittyvät erilaisten laitteiden nopeuden, aseman, paineen tai jonkin muun fyysisen suureen säätöön. Taajuusmuuttaja eli taajuudenmuuttaja eli invertteri eli moottorivaihtosuuntaaja = sillä hoidetaan sähkömoottorin nopeudensäätö.

42 Kaaviomalli hydraulisen järjestelmän suunnittelusta (Fonselius ym. 1997, 187) LIITE 2

43 Esimerkki hydraulikaaviosta (Lillbacka Powerco 2007b) LIITE 3

44 Kuva peruskoneesta FP120 (Lillbacka Powerco Oy:n internetsivut 2007) LIITE 4

45 Kuva S-koneesta FP120S (Lillbacka Powerco Oy:n internetsivut 2007) LIITE 5

46 Putkikoon valintataulukko (DUNLOPHIFLEX 2007) LIITE 6

47 Hydrauliletkujen painehäviötaulukko (DUNLOPHIFLEX 2007) LIITE 7