AUTOMAATIOTEKNIIKAN LUENNOT (2008) OSA 2

Transkriptio

1 AUTOMAATIOTEKNIIKAN LUENNOT (2008) OSA 2 KOULUTUSOHJELMAT: Muovitekniikka Puutekniikka SISÄLLYSLUETTELO: 5. HYDRAULIIKKA JOHDANTO HYDRAULINESTEET HYDRAULIPUMPUT PAINEVARAAJAT HYDRAULIIKKAVENTTIILIT HYDRAULISYLINTERIT HYDRAULIMOOTTORIT MUUT HYDRAULIJÄRJESTELMÄN KOMPONENTIT HYDRAULIJÄRJESTELMÄT SERVO- JA PROPORTIONAALITEKNIIKKA PATRUUNATEKNIIKKA VESIHYDRAULIIKKA HYDRAULIJÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU 58 1

2 5. HYDRAULIIKKA 5.1. JOHDANTO Hydrauliikan ominaisuuksia Kuva 5.1 Hydraulijärjestelmän rakenne. Saadaan aikaan suuria voimia ja momentteja suhteellisen pienillä ja keveillä laitteilla. Helppo toteuttaa lineaarinen liike ja pyörimisliike. Voiman, momentin ja nopeuden helppo säätö. Tehon, energian siirto taipuisaakin letkua pitkin mahdollista. Ylikuormitus ei riko (aina paineenrajoitusventtiili). Neste on lähes kokoon puristumatonta (tarkka). Vuodot ja ilmavaivat kiusallisia. Arka lämpötilan vaihtelulle, hyötysuhde ei kovin hyvä. Ei ole kimmoisa järjestelmä, tehohäviöt suuria pitkillä siirroilla Hydrauliikan valinta ja käyttö Kuinka suuria voimia tarvitaan? o Alaraja 20 50kN o Ei ole paineilmaa käytettävissä Kuinka nopeita liikkeitä tarvintaan? o Nopeille liikkeille pneumatiikka Säätöjen tarkkuus? 2

3 Hydrauliikkakomponentit ovat huomattavasti kalliimpia, kuin pneumaattiset. Hydrauliikkaa käytetään yhä enemmän teollisuuden ja liikkuvan kaluston koneissa ja laitteissa. Teollisuuden puristimet valssit ja työstökoneiden työliikkeet ovat hyvin usein hydrauliikalla toteutettuja. Liikkuvan kaluston maatalouskoneet ja kaivurit sekä erilaiset nostimet ovat hydraulisia. Koska hydraulikomponentteja valmistetaan useissa eri maissa ja tuotantolaitoksissa ovat yhteiset standardit tärkeitä. Komponenttien ominaisuudet ja testausmenetelmät ovat pääosin standardoitu. Näitä standardoituja ominaisuuksia ovat mm. nimellispaineet, liitäntämitat ja komponenttien koot. Euroopassa standardoinnista huolehtivat CETOP (Comite des Transmissions Oleohydrauliques et Pneumatiques), ISO (International Organization for Standardization) ja DIN. Suomessa SFS:n (Suomen Standardisoimisliitto) standardit ovat suoria tai hieman sovellettuja käännöksiä edellisistä standardeista. Hydrostatiikka Hydrostatiikka käsittelee levossa olevia nesteitä tai kaasuja. Hydrodynamiikka Hydrodynamiikka käsittelee liikkeessä olevia nesteitä tai kaasuja. Hydraulitekniikka Hydraulitekniikka on se osa hydrauliikkaa, joka käsittelee kokoon puristumattomia väliaineita kuten öljyjä. Öljyhydrauliikka Öljyhydrauliikka käyttää väliaineena öljyjä. Yleensä, kun puhutaan hydrauliikasta, tarkoitetaan juuri öljyhydrauliikkaa. Mobilehydrauliikka Mobilehydrauliikkaa käytetään liikkuvan kaluston koneissa ja -laitteissa. Hydrostaattinen voimansiirto Hydrostaattinen voimansiirto käyttää hyväkseen nesteen paine-energiaa. Hydrodynaaminen voimansiirto Hydrodynaaminen voimansiirto käyttää hyväkseen nesteen liike-energiaa Hydrostatiikka Hydrodynaaminen tehonsiirto: liike-energia Hydrostaattinen tehonsiirto: paine-energia P=F/A 7 35MPa Hydrostaattinen paine: Vapaaseen pintaan kohdistuva paine: p 0 =F/A + p i + ρ*g*h 3 F h

4 jos h<5m, niin p h <0,05MPa ja ilmanpaine p i =0,1MPa ei tarvitse huomioida Kuinka suuri paine on astiassa, kun F 1 =2kN ja A 2 =0,1m 2 Pascalin lain mukaisesti paine leviää astiassa tasaisesti p=f 1 /A 1 = F 2 /A 2 kn P = 2 40kPa 2 0,05m = F 2=4kN Ennen SI järjestelmän käyttöönottoa oli käytössä useita erilaisia paineen yksiköitä. Seuraavassa on lueteltu niistä muutamia, jotka vielä saattavat olla osittain käytössä. Anglosaksisissa maissa psi on vielä hyvin yleisesti käytössä. 1 bar = 100 kpa = 0.1 MPa 1 kp/cm2 = 1 at = 0, bar = 98066,5 Pa 1 atm = bar = Pa 1 psi =1 lbf/in2=0, bar= 6894,8 Pa Tilavuusvirta: Tilavuusvirralla tarkoitetaan aikayksikössä virranneen nestemäärän tilavuutta. SI järjestelmässä tilavuus-virran yksikkö on kuutiometriä sekunnissa (m3/s). Koska tämä yksikkö on usein liian suuri, käytetään kerrannaisyksikköä eli litraa minuutissa (1/min). Q=A * v Q = tilavuusvirta [m3/s] v = virtausnopeus [m/s] A = putken poikkipinta-ala [m2] Pumpun tuottama tilavuusvirta (Q) saadaan kertomalla sen kierrostilavuus (Vk) pyörimisnopeudella (n). Q=Vk * n Vk= kierrostilavuus [m3/kierros] [m3/r] n = pumpun pyörimisnopeus [r/s] Pumpun kierrostilavuutena kuutiometri on suuri yksikkö ja tavallisimmin tuotetiedoissa pumppujen kierrostilavuudet ilmoitetaan yksikkönä cm3/kierros. Joissakin tapauksissa käytetään pumpun tilavuuden yksikkönä radiaanitilavuutta eli sitä tilavuutta, jonka 4

5 pumppu tuottaa pyörähtäessään yhden radiaanin. Pumpun kierrostilavuus (Vk) on silloin jaettava 2 x π eli radiaanin arvolla. Vrad= Vk /2 * π Vrad = Radiaanitilavuus [m3/rad] Vk = Pumpun kierrostilavuus [m3/r] Radiaani on säteen mittainen osa ympyrän kehästä eli 2πr = ympyrän kehä. Kun täysi ympyrä on 360 astetta saadaan radiaanin arvoksi asteina: Rad = 360 / 2π eli radiaanin likiarvo asteina on 57,295 astetta. Pyörimisnopeuden tilalla on käytettävä kulmanopeutta ω. ω=2πn ω = Kulmanopeus [rad/s] n = Pyörimisnopeus [r/s] Pumpun tilavuusvirta (Q) saa näin muodon: Q= ω * Vrad Kun kokoon puristumaton neste virtaa supistuvassa putkessa, niin putken jokaisessa poikkileikkauksessa kulkee sama tilavuusvirta (Q). Putken jokaisessa poikkileikkauksessa kulkeva tilavuusvirta (Q) voidaan laskea yhtälöstä: ` Q=A * v Q = tilavuusvirta [m3/s] A = putken pinta-ala [m2] v = nesteen virtausnopeus [m/s] Voidaan siis todeta, että A1 * v1 = A2 * v Hydraulinen teho W = F*s = p*a*s = p*v P=W/t = p*v/t = pv P=p*V F=p*A V=A*v η=p/p m P m = mekaaninen teho P m =P/η Hyötysuhde: Kaikissa hydraulisissa toimilaitteissa on liikkuvissa osissa välyksiä ja siten myös vuotoja. Paineen kasvaessa ja viskositeetin pienentyessä vuodot suurenevat, samoin kuin niiden aiheuttamat häviötkin. Komponenttien toisiinsa nähden liikkuvien osien välillä on kitkaa, joka sekin vaihtelee virtausten, lämpötilojen ja paineiden vaihteluiden mukana. Nesteen virratessa komponenttien kanavissa ja putkiliittimissä esiintyy pyörteilyä, jonka aiheuttamat pyörrehäviöt ovat eräs häviöiden muoto. Myös pyörrehäviöt vaihtelevat 5

6 järjestelmässä vallitsevien paineiden, virtausnopeuksien ja lämpötilojen mukana. Hydraulisten toimilaitteiden kokonaishyötysuhde onkin näiden häviöiden yhteissumma. eli ηkok=ηvol * ηkitka Hydraulisten järjestelmien kokonaishyötysuhteen määritteleminen on erittäin vaikeaa, sillä niiden toiminta ei ole yhtäjaksoista ja tasaista, vaan siinä esiintyy suuria vaihteluja. Laitteiston tehontarve vaihtelee työliikkeiden aikana ja järjestelmässä esiintyy suuria hetkittäisiä tehohuippuja ja vastaavasti jaksoja, jolloin tehoa tarvitaan hyvin vähän. Järjestelmän käyttämästä tehosta voi työliikkeiden taukojen ja sylinterien paluuliikkeiden aikana suuri osa mennä häviötehoksi. Jos näitä aikoja on työajasta paljon, huononee järjestelmän kokonaishyötysuhde huomattavasti. Hydraulisista komponenteista pumput muuttavat mekaanista tehoa hydrauliseksi tehoksi. Hydraulimoottorit ja sylinterit taas muuttavat hydraulista tehoa mekaaniseksi tehoksi. Hydraulipumput: Panto= M * ω * ηkok Sylinterit: Panto = F * v Hydraulimoottorit: Panto = Q x Δp x ηkok Lämpeneminen: Hydraulijärjestelmässä syntyvät tehohäviöt muuttuvat lämmöksi. Lämpö on saatava poistumaan järjestelmästä. Jos lämpöä syntyy enemmän kuin järjestelmästä pystytään poistamaan, kasvavat tehohäviöt huononevan voitelun ja lisääntyvien vuotojen vaikutuksesta. Lämpenemisen myötä öljyn kestoikä alenee ja sen mukana koko järjestelmän toimintavarmuus heikkenee. Normaali hydraulijärjestelmän käyttölämpötila on C. Synteettisiä hydraulinesteitä käytettäessä voidaan lämpötilaa nostaa huomattavasti. Tällöin järjestelmän tiiviste- ym. materiaalit on valittava käyttölämpötilan mukaisiksi HYDRAULINESTEET 5.2.1Tehtävät siirtää teho voidella jäähdyttää tiivistää estää korroosio epäpuhtauksien poistaminen 5.2.2Viskositeetti ja muut ominaisuudet Dynaaminen viskositeetti N s [ η ] = = Pa s SI-järjestelmä, aikaisemmin 1cP = 1mPas 2 m 6

7 Kinemaattinen viskositeetti V η 2 m = [ V ] = SI-järjestelmä, aikaisemmin 1cSt = 1 mm²/s s s Konventionaaliset liukuarvot -yleisin Engler-aste Lämpötilan kasvaessa nesteen viskositeetti pienenee merkittävä ominaisuus öljyillä. Paineen kasvaessa viskositeetti suurenee. VI= Viskositeetti-indeksi -ilmaisee viskositeetin riippuvuuden lämpötilasta VI= ISO VG- luokitus viscosity grade ^ 2 VG 2 No = viskositeetti mm s VG 3 VG 32 = 32 mm 2 /s, lämpötila 40. VG 1500 Hydraulinesteiden tiheyksien määritys suoritetaan ISO 3675 normin mukaan +15 ºC:ssa. Usein ne ilmoitetaan käyttäen vettä vertailuaineena, jolloin öljyn suhteellisen tiheyden arvoksi saadaan 0,90. Toinen tapa ilmoittaa tiheys on yksikkö kg/m³. Seuraavassa on tiheyksien suuruusluokat, kun nesteen lämpötila on 15 C. Mineraaliöljy 880 kg/m3 Kasviöljy 900 kg/m3 Öljyä vedessä -emulsio kg/m3 Vettä öljyssä -emulsio 950 kg/m3 HFC- nesteet kg/m3 HFD-nesteet kg/m3 Jähmepiste ilmoittaa sen lämpötilan, jossa nesteessä oleva parafiini alkaa muodostua kiteiseksi. Se siis ilmoittaa lämpötilan, jossa neste lakkaa valumasta omalla painollaan. Leimahduspiste on se lämpötila, jossa höyrystyneen nesteen ja ilman seos avotulen läheisyydessä leimahtaa. Neste ei kuitenkaan vielä tässä lämpötilassa syty palamaan. Syttymispiste on se lämpötila, jossa nestepinta syttyy avoliekin läheisyydessä palamaan itsestään. Hydraulinesteeseen kohdistuu liukupinnoissa ja pienissä virtausaukoissa suuria mekaanisia leikkausrasituksia. Niiden vaikutuksesta nesteen viskositeetti voi muuttua tilapäisesti tai pysyvästi. Nesteen on kestettävä järjestelmässä esiintyvät rasitukset niin, että sen viskositeettiarvot eivät muutu pysyvästi siinä esiintyvissä leikkaustilanteissa. Nesteen on suojattava järjestelmässä olevia kulumiselle alttiita pintoja niin, että ne eivät syövy tai kulu liian nopeasti. Tämän vuoksi nesteisiin lisätään aineita, jotka muodostavat suojattaville pinnoille vaikeasti rikkoutuvan kalvon. Kalvo estää metallisen kosketuksen rajapinnoissa. 7

8 Hydraulinesteen mukana järjestelmässä kiertävä vesi aiheuttaa korroosiota ja heikentää nesteen voiteluominaisuuksia. Järjestelmissä on käytettävä nesteitä, jotka eivät helposti muodosta veden kanssa emulsiota. Jo pienet vesimäärät samentavat öljyn ja noin 2 %:n vesimäärä tekee öljystä maitomaista. Hapen sekoittuminen hydraulinesteeseen vanhentaa sitä nopeasti. Hapettuneen öljyn kyky erottaa vettä ja ilmaa heikkenee voimakkaasti. Öljy muuttuu lietteiseksi ja tummaksi ja komponenttien syöpyminen nopeutuu. Kun mineraaliöljypohjaisen nesteen käyttölämpötila nousee yli +60 C lämpötilan, kasvaa hapettumisnopeus kaksinkertaiseksi jokaista kymmenen celsiusasteen nousua kohti. Käytetyt hydraulinesteet kuuluvat ongelmajätteisiin ja ne on hävitettävä asianmukaisella tavalla. Mineraaliöljypohjaiset ja synteettiset öljyt hävitetään kuten muutkin jäteöljyt. Kasviöljyperustaiset öljyt hajoavat luonnossa eivätkä siten muodosta suurta ongelmaa. Näidenkin öljyjen lisäaineet ovat usein haitallisia Nestelajit Eri kohteissa käytettävät hydraulinesteet ovat ominaisuuksiltaan erilaisia. Jos järjestelmää käytetään pelkästään ulkona, ovat sen vaatimukset toiset kuin pelkästään sisällä käytettävillä hydraulijärjestelmillä. Näiden erilaisten käyttöolosuhteiden vuoksi on kehitetty erilaisia nesteitä, joiden kemialliset ominaisuudet vastaavat kussakin paikassa vallitsevia olosuhteita. Hydraulinesteet voidaankin jakaa seuraaviin ryhmiin: mineraaliöljyt kasviöljyt ja kasviöljyperustaiset nesteet vesi emulsiot synteettiset nesteet. Mineraaliöljyt: Pääosa hydraulijärjestelmissä käytettävistä nesteistä on mineraaliöljyjä. Ne ovat raakaöljypohjaisia öljyjä, joiden kemiallinen rakenne ja jalostusaste vaihtelee. Mineraaliöljyjen ominaisuudet riittävät sellaisenaan useissa käyttötilanteissa, mutta kun vaatimukset kasvavat, tehostetaan öljyjen ominaisuuksia erilaisilla lisäaineilla. Mineraaliöljyt luokitellaan DIN - normissa neljään ryhmään: 1. H - nesteet ovat lisäaineistamattomia perusöljyjä vaatimattomiin käyttökohteisiin. Nykyisin tämä luokka on poistettu normista. 2. HL - nesteissä perusöljy on lisäaineistettu ruostumista ja öljyn vanhenemista vastaan. 3. HLP - nesteissä perusöljy on lisäaineistettu öljyn paineenkeston parantamiseksi. Samalla on saavutettu paremmat kulumisenesto-ominaisuudet. 4. HV nesteet on lisäaineistettu viskositeetin lämpötilariippuvuuden pienentämiseksi, mutta muut ominaisuudet vastaavat HLP - öljyjä. 8

9 HL - luokan nesteet soveltuvat käytettäviksi alle 20 MPa:n paineisissa ja HLP - ja HV luokan nesteet yli 20 MPa:n paineisissa järjestelmissä. Mineraaliöljypohjaiset hydraulinesteet täyttävät kaikki ne toiminnalliset vaatimukset, jotka hydraulinesteiltä vaaditaan, mutta niiden ongelma on se, että ne ovat kaikki palavia nesteitä. Tästä ei yleensä aiheudu ongelmia normaalikäytössä, mutta palovaarallisissa paikoissa niitä ei voida turvallisesti käyttää. Kasviöljyt: Voiteluominaisuuksiltaan kasviöljyperustaiset hydraulinesteet ovat mineraaliöljyjen luokkaa, jopa parempiakin. Niillä on korkea viskositeetti-indeksi eikä niiden viskositeetti ole yhtä paljon riippuvainen paineesta ja lämpötilasta kuin mineraaliöljyillä. Kasviöljyjen perusöljyt ovat myös myrkyttömiä, mutta niiden vaatima lisäaineistus heikentää tätä etua. Lisäaineita tarvitaan kuitenkin huomattavasti vähemmän kuin mineraaliöljyissä. Kasviöljyperustaisten hydrauliöljyjen haittoina ovat olleet niiden huonot kylmäominaisuudet ja mineraaliöljyjä lyhyempi käyttöikä. Tiivisteaineiden kannalta kasviöljyperustaiset öljyt ovat ongelmattomia. Tavallisin kasviöljyperustainen hydrauliöljy on kotimainen rypsiöljy. Sillä on useita hyvälle voiteluaineelle kuuluvia ominaisuuksia, kuten alhainen kitkakerroin ja hyvät tartuntaominaisuudet metallipinnoille. Se myös kestää hyvin mekaanista rasitusta ilman, että sen viskositeettiarvot muuttuvat. Rypsiöljyjä on saatavana viskositeetiltaan samoilla arvoilla kuin mineraaliöljyjäkin. Käytössä on todettu, että kasviöljyn lämpötila pysyy käytössä C mineraaliöljyjen lämpötilaa alhaisempana. Tämä vähentää nesteen lämpenemisen aiheuttamia haittoja kuumissa olosuhteissa. Haittapuolena kasviöljyperustaisissa nesteissä on niiden tahraavuus eli kuivuneiden öljytahrojen vaikea poistaminen. Tällaisen öljyn hinta on korkeampi kuin mineraaliöljyjen, mutta liikkuvan kaluston hydrauliikassa se on ympäristöä ajatellen hyvä vaihtoehto. Toinen vasta kokeiluvaiheessa oleva kasviperustainen hydrauliöljy on mäntyöljy. Juuri ympäristösyistä kasviöljyperustaisten öljyjen käyttö tulee tulevaisuudessa lisääntymään. Vesi: Puhdas vesi ilman lisäaineita on yksinkertaisin ja halvin hydraulineste. Se ei pala, ei likaa ympäristöä eikä sen viskositeetti muutu liikaa lämpötilan noustessa. Vesi kuitenkin ruostuttaa ja hapettaa metalleja ja jäätyy kylmässä. Alhainen viskosi-teetti aiheuttaa suuria vuotoja normaali välyksisissä komponenteissa. Veden huonot voiteluominaisuudet aiheuttavat nopeata kulumista erityisesti pumpuissa ja moottoreissa. Vesihydraulisten järjestelmien komponentit onkin edellä lueteltujen seikkojen vuoksi valmistettava ruostumattomista ja syöpymättömistä materiaaleista. Näitä materiaaleja ovat ruostumaton ja haponkestävä teräs, messinki, keraamit ja muovit. Vuotojen pienentämiseksi komponenteissa on lisäksi oltava normaalia pienemmät välykset. Vettä hydraulinesteenä käytetään myrkyttömyytensä vuoksi elintarviketeollisuudessa. Emulsiot ja synteettiset nesteet: Nesteillä, joilla ei ole taipumusta syttyä tai ylläpitää liekkejä, kutsutaan nimellä emulsio. Emulsio tarkoittaa hydraulinesteistä puhuttaessa veden ja öljyn tai veden ja polyglykolin seoksia. Niitä käytetään järjestelmissä, joissa mineraaliöljyjen käyttö aiheuttaa palo- tai 9

10 räjähdysvaaran. Näiden nesteiden ominaisuudet vaihtelevat suuresti, mutta yleisesti niiden voiteluominaisuudet ovat huonommat kuin mineraali- ja kasviöljyjen. Nesteet luokitellaan ISO - ja CETOP -standardeissa ryhmiin HFA, HFB, HFC ja HFD. HFA - nesteet ovat öljyä vedessä -seoksia, joissa on öljyä noin 2-20 tilavuusprosenttia. Öljy parantaa nesteen voiteluominaisuuksia ja kasvattaa viskositeettia. Viskositeetti jää kuitenkin paljon huonommaksi kuin mineraaliöljyillä. Suuri vesipitoisuus aiheuttaa korroosiota, kulumista ja vuotoja komponenteissa. Näiden haittojen vuoksi neste täytyy lisäaineistaa. HFB - nesteet ovat vettä öljyssä -seoksia, joissa on öljyä tilavuusprosenttia. Suuren öljypitoisuuden ansiosta nesteet ovat voitelu- ja viskositeettiominaisuuksiltaan lähes mineraaliöljyjen luokkaa. Korroosioneston vuoksi nesteet on lisäaineistettava. HFC - nesteet ovat polyglykoli - vesiseoksia, joissa on vettä tilavuusprosenttia. Nesteen viskositeetti riippuu polylygolin määrästä seoksessa, mutta voiteluominaisuudet ovat miltei mineraaliöljyjen luokkaa. HFD -nesteet ovat synteettisiä nesteitä, jotka eivät sisällä vettä. Ne kestävät korkeita lämpötiloja, eikä niiden viskositeetti muutu. Synteettiset öljyt: Synteettiset öljyt vastaavat ominaisuuksiltaan lähinnä mineraaliöljyperustaisia öljyjä ja ne käyttäytyvät kuten mineraaliöljytkin. Niillä on hyvä hapettumis- ja lämmönkestävyys sekä hyvät viskositeettiominaisuudet. Niiden juoksevuus säilyy hyvin alhaisissa lämpötiloissa ja ne kestävät hyvin kylmissä olosuhteissa. On olemassa myös kasviöljyperustaisia synteettisiä öljyjä sekä liikkuvan kaluston että teollisuuskäyttöön. Ne kestävät korkeampia käyttölämpötiloja kuin normaalit kasviöljyt. Niiden korroosion - ja hapettumisenkesto-ominaisuuksia on parannettu lisäaineistuksella. Näistä ominaisuuksien muutoksista huolimatta nesteiden biohajoavaisuus on saatu säilymään. Valinta: o oikea viskositeetti o pumppuun sopiva o käyttö: kuormitus, nopeus, lämpötila o vaadittava viskositeetti-indeksi o tärkeää, jos lämpötila vaihtelee paljon o öljyn kokonaislaatu o lisäaineet Kavitaatio: Muodostuu pumppuun esiintyvän liian suuren alipaineen johdosta, jolloin neste alkaa kiehua ja aiheuttaa kaasukuplien muodostumisen pumppuun. Syyt: o imusuodatin tukkeutunut o huohotin tukkeutunut o liian ahdas imuputki o liian suuri nostokorkeus o liian jäykkä öljy 10

11 5.3 HYDRAULIPUMPUT Yleistä Pumppu muuttaa mekaanisen energian hydrauliseksi energiaksi Tilavuusvirtakehitin, paine syntyy vasta, kun nesteen etenemistä vastustetaan Vakio- ja säätötilavuusvirtapumput Yhteen tai kahteen suuntaan toimiva Tuotto: V teor = n V kierrostil piirrosmerkit: Lähes kaikki valmistettavat pumput ovat seuraavaa neljää tyyppiä: -hammaspyöräpumput -ruuvipumput -siipipumput -mäntäpumput Hammaspyöräpumput Toimintaperiaatteena on että, neste siirtyy hammaslovissa imuaukosta paineaukkoon. Hammaspyöräpumput jaetaan rakenteensa mukaan ulkohammaspyöräisiin eli ulkoryntöisiin ja sisähammaspyöräisiin eli sisäryntöisiin pumppuihin. Jako perustuu hammaspyörien keskinäiseen sijaintiin ja lukumäärään Ulkopuolisesti sivuavat Yleensä kaksipyöräinen o tiivistys ryntökohdassa o toinen pyöristä vetävä 11

12 tuotto : V = n b π ( R π R b 2 u 2 u π R 2 2 s R 2 s 2 ) Hammaspyöräpumpun tuottama tilavuusvirta ei ole tasaista ja tämän vuoksi onkin kehitetty erilaisia hammaspyöräratkaisuja tasaamaan pumpun tuottoa. Ulkohammaspyöräisissä pumpuissa tilavuusvirtaa voidaan tasata lisäämällä hammaspyörien hammaslukua tai rakentaa kaksoishammaspyöräpumppuja, joissa hammaskehät ovat erivaiheiset. Myös vinot hampaat vähentävät tilavuusvirran vaihtelua. Vino hammas aiheuttaa myös aksiaalivoimia, joiden kompensointi ja huomioonottaminen laakeroinnissa monimutkaistaa pumpun rakennetta. Yleisin hammaspyöräpumppu on kaksipyöräinen ulkoryntöinen pumppu. Pumpun toinen eli käyttävä pyörä on kytketty käyttömoottorin akselille ja toinen pyörä pyörii vapaasti edellisen pyörittämänä. Ulkoryntöisten pumppujen hyötysuhteet ja painearvot riippuvat paljon niiden sisäisestä rakenteesta. Kokonaishyötysuhde on parhaimmillaan 0,9-0,93 ja pyörimisnopeudet välillä r/min. Saavutettavat paineet vaihtelevat bar. Suhteellisen hyvän hyötysuhteensa ja laajan painealueen ja edullisuutensa takia ulkoryntöiset pumput ovat käytössä sekä liikkuvan kaluston että teollisuuden järjestelmissä. Kuva 5.2 Ulkoryntöisen kaksipyöräisen hammaspyöräpumpun rakenne ja toiminta. 12

13 Sisäryntöiset hammaspyöräpumput Kuva 5.3 Sisäryntöinen hammaspyöräpumppu. Sisäryntöisessä hammaspyöräpumpussa on ulkopuolisesti hammastettu pyörä, joka on kytketty käyttömoottorin akselille. Ulkokehällä on sisähammastettu pyörä, jota käyttävä hammaspyörä pyörittää. Ryntökohdan jälkeen hammaspyörien hampaat eroavat toisistaan, jolloin hammaslovien välinen tilavuus kasvaa ja syntyy alipainetta, joka imee öljyä säiliöstä pumppuun. Pumppuun imeytynyt hydrauliöljy siirtyy hammaslovissa imukammiosta painekammioon. Toinen sisähammaspyöräisellä rakenteella toteutettu pumpputyyppi on hammasrengaspumppu, jonka toinen nimi on gerotor-pumppu. Tässä pumpussa sisempi hammaspyörä on käyttävänä pyöränä. Käyttävän pyörän hampaat liukuvat ulomman pyörän hampaita pitkin tiivistäen hammasloven. Hammasloven tilavuuden kasvaessa imuaukon kohdalla se täyttyy nesteestä. Sisäryntöisen hammaspyöräpumpun tuottama tilavuusvirta on tasaisempaa kuin ulkoryntöisen hammaspyöräpumpun tuottama. Myös melutaso on alhaisempi. Sisäryntöisen hammaspyöräpumpun hyötysuhde huononee viskositeetin pienentyessä ja paineen kasvaessa. Sopiva pyörimisnopeus pumpuilla on noin r/min ja suurimmat käyttöpaineet ovat suuruusluokkaa bar. Kokonaishyötysuhde on parhaimmillaan luokkaa 0,93. Kuva 5.4 Hammasrengaspumppu eli gerotor-pumppu. 13

14 5.3.3 Ruuvipumput Ruuvipumput ovat yksi-, kaksi- tai kolmeruuvisia. Hydrauliikassa tavallisin on kolmeruuvinen, jolloin keskiruuvi on vetävä, sivuruuvit muodostavat tiivistyksen. Hydraulineste kulkee imupuolelta painepuolelle ruuvien ja pumpun rungon muodostamissa kammioissa. Sivulla olevat käytetyt ruuvit pyörivät vastakkaiseen suuntaan kuin käyttävä keskiruuvi, koska niiden kierteet ovat vastakkaissuuntaiset keski-ruuville. Vierekkäisten ruuvien kierteiden harjat ja pohjat vierivät kiinni toisissaan muodostaen tiiviitä kammiosta erottamaan imukammion painekammiosta. Ruuvien pyöriessä kammiot liikkuvat nesteellä täyttyneinä imupuolelta painepuolelle tasaisella nopeudella. Kammioiden tilavuus pysyy samansuuruisena koko matkan. Kuva 5.4 Kolmeruuvinen ruuvipumppu.. Ruuvipumppujen tuottama tilavuusvirta on tasainen ja pumpun melutaso alhainen. Tämän ansiosta ruuvipumppuja voidaan käyttää hyvin suurilla pyörimisnopeuksilla, jolloin tuotto on kokoon nähden suuri. Rakenteesta johtuen pumpun ruuveihin kohdistuu suuri aksiaalinen kuormitus, joka kohdistuu ruuvien kosketuskohtiin ja laakerointiin. Paineen noustessa pumpun sisäiset vuodot kasvavat nopeasti rajoittaen käyttöpainetta arvoon bar. Pumpun imukyky ja kestävyys ovat hyviä, mutta hyötysuhde melko huono juuri sisäisten vuotojen takia Siipipumput Siipipumput voivat olla vakio- tai säätötilavuuspumppuja. Pumppujen siivet voidaan sijoittaa joko pyörivään roottoriin tai liikkumattomaan staattoriin. Hydraulineste siirtyy imupuolelta painepuolelle pumpun kammiossa siipien ja kammion seinämän muodostamassa tilassa. Roottorin loviin sijoitetut siivet liikkuvat säteen suuntaisesti, jolloin ne roottorin pyöriessä painuvat ulospäin pumpun kiinteää pesää vasten. Koska pumppukammio ja roottori ovat epäkeskisiä, muuttuu siipien välinen tilavuus roottorin pyöriessä. Tämä tilavuuden muutos aiheuttaa pumpun imupuolella imuvaikutuksen ja vastaavasti painepuolella öljy siirtyy pienenevästä tilasta paineisena painepuolelle. Yksikammioiset siipipumput ovat miltei kaikki säätötilavuuspumppuja, joissa kiinteän roottorin ja kammion välistä tilavuutta säädetään pumppukammion asemaa muuttamalla. 14

15 Pumppukammion muodostaa siirrettävä pumppurengas, jota voidaan siirtää pumpun rungon sisällä. Kuva 5.5 Yksikammioinen siipipumppu, jossa roottori on laakeroitu epäkeskeisesti pesään nähden, jolloin pumppu on myös hydraulisesti epätasapainoinen. Pumppu on säätötilaavuuspumppu. Kaksikammioiset siipipumput: Kuva 5.6 Kaksikammioisen siipipumpun rakenne.. o kaksi imu ja paineliitintä o tasapainossa o tuotto suurempi o ei voida säätää Pyörimättömät siivet staattorissa: Sijoittamalla pumpun siivet liikkumattomaan staattoriin ja tekemällä siihen imu- ja paineaukkoparit vastakkaiselle puolille saadaan eräs siipipumppusovellus. Roottorin pyöriessä kammioiden tilavuus kasvaa imuaukon kohdalla ja pienenee paineaukon kohdalla. 15

16 Kuva 5.7 Siipipumppu, jossa siivet ovat staattorissa. 1) staattori, 2) roottori, 3) akseli 4) siipi.pumpun hyötysuhde on muita siipipumppuratkaisuja huonompi ja sen tilavuusvirran vaihtelut ovat myös suuremmat. Ominaisuudet(kaikki tyypit): Kokonaishyötysuhde siipipumpuilla on noin 0,8-0,9 ja pyörimisnopeus vaihtelee välillä r/min. Painealue vaihtelee alueella bar. Tuotto on tasainen, edullinen, mutta arka likaiselle öljylle Mäntäpumput Mäntäpumput voivat olla joko vakio- tai säätötilavuuspumppuja. Ne voidaan luokitella mäntien sijoituksen perusteella kolmeen ryhmään. 1. Rivimäntäpumput 2. Säteismäntäpumput 3. Aksiaalimäntäpumput Hydraulineste siirtyy mäntäpumpussa imupuolelta painepuolelle männän edestakaisen liikkeen avulla. Pumpuissa tarvitaan erillinen venttiilirakenne tilavuusvirran ohjaukseen imu- ja painejakson aikana. Imujaksossa neste imeytyy sylinteriin avoimen imuventtiilin kautta. Painejakson aikana imuventtiili sulkeutuu ja paineventtiili avautuu, jolloin neste siirtyy painepuolelle. Imu- ja paineventtiileinä voidaan käyttää vastaventtiileitä, jolloin pumpun moottorin pyörimissuunta ei vaikuta pumppaussuuntaan. Toinen ratkaisu on käyttömoottorin pyörittämä jakolevy, joka avaa ja sulkee imu- ja painekanavat. Tällä rakenteella saadaan pumpun tilavuusvirta käännettyä käyttömoottorin pyörimissuunnan mukaan. Koska mäntä imujakson aikana imee ja painejakson aikana painaa öljyä verkostoon on mäntä Rivimäntäpumput Kuva 5.8 Makaava kaksimäntäinen rivimäntäpumppu. 16

17 usein kampimekanismi (nopeissa epäkesko) jakoelimenä vastaventtiilit yleensä makaavia hidaskäyttöisiä maksimipaineet 100Mpa eräs käyttösovellutus on dieselmoottoreiden polttoaineen syöttöjärjestelmät Säteismäntäpumput Kuva 5.9 Pyörivällä sylinteriryhmällä varustettu säteismäntäpumppu.. Säteismäntäpumpuissa sylinterit sijaitsevat tähtimuodossa käyttöakselin ympärillä. Sisäisin virtauskanavin toteutetussa pumpussa sylinteriryhmä pyörii käyttöakselin mukana ja sylinterit kytkeytyvät pyörimättömän jakokaran imu- ja painekanaviin joka kierroksella. Jakokara on sijoitettu sylinteriryhmän sisälle. Männät nojaavat liukukappaleiden välityksellä pumppurenkaan sisäpintaan. Pumppurenkaan epäkeskisyyttä sylinteriryhmään nähden voidaan säätää, jolloin pumpun tuotto muuttuu. Pumpun imukyky on hyvä ja sen suurimmat käyttöpaineet ovat noin 450 bar ja sitä voidaan käyttää sekä avoimissa että suljetuissa hydraulijärjestelmissä. Kokonaishyötysuhde on luokkaa 0.9. Toinen säteismäntäpumppujen sovellus on ulkoisin virtauskanavin toteutettu ratkaisu. Siinä sylinteriryhmä on kiinteä männän liike aikaansaadaan pyörivällä epäkeskoakselilla. Männät painuvat epäkeskoa vastaan jousien avulla. Tavallisesti pumput ovat vakiotilavuuksisia, mutta myös säädettäviä rakenteita on olemassa. Suurimmat käyttöpaineet ovat noin 700 bar ja niiden kokonaishyötysuhde on luokkaa 0,88-0,92. 17

18 Kuva 5.10 Pyörimättömällä sylinteriryhmällä varustettu säteismäntäpumppu..mäntä on radiaalisesti akseliin nähden ja jakoeliminä ovat vastaventtiilit. Kierrostilavuutta ei voi säätää Aksiaalimäntäpumput Sylinteriryhmä muodostaa staattorin tai roottorin: o männät saavat liikkeensä käyttölevystä (kiinteä tai säädettävä) o jakoelin ns. jakolevy Käyttölevy voi olla myös suorassa, jolloin sylinteriryhmä on vinossa. Mäntiä on yleensä 5 11 kpl. Kuva 5.11 Aksiaalimäntäpumppu (suora akseli) 1) sylinteriryhmä, 2) mäntä, 3) käyttölevy, 4) akseli, 5) jakolevy. Muuttamalla käyttölevyn vinoutta voidaan muuttaa pumpun antamaa tilavuusvirtaa. Kuva 5.12 Aksiaalimäntäpumpun tilavuusvirran säätö. a) maksimi- b) pienennetty tilavuusvirta c) ei tilavuusvirtaa. 18

19 Pyörivä käyttölevy voi olla myös suorassa, jolloin sylinteriryhmä on vinossa asennossa (Bent-axis, vinoakselipumppu). Tilavuusvirtaa voidaan säätää muuttamalla pumpun akselin vinouskulmaa. Vinouskulma voi muuttua myös toiseen suuntaan, jolloin virtaussuunta pumpussa muuttuu. Kuva 5.13 Vinoakselipumpun rakenne. Ominaisuudet: Aksiaalimäntäpumpulla päästään maksimipaineisiin bar, jatkuva työpaine on bar. Hyötysuhde on parhaimmillaan n Aksiaalimäntäpumput ovat melko hiljaisia ja kestäviä. Mäntien lukumäärä on pariton ja vaihtelee välillä kpl. Rakenteen monimutkaisuus lisää pumpun hintaa. Pumppuja valmistetaan kiinteä- ja säätötilavuuksina Pumppujen säätö Pumppujen antamatilavuusvirta voidaan säätää muuttamalla pyörimisnopeutta tai johtamalla osa tilavuusvirrasta takaisin säiliöön. Pyörimisnopeuden muuttamista käytetään polttomoottorin yhteydessä. Paineenrajoitusventtiilin käyttö ei ole taloudellista. Varsinaisella pumpun säädöllä muutetaan pumpun kierrostilavuutta. Säätötavat: Portaallinen tilavuusvirran säätö saadaan aikaan kytkemällä useita vakiotilavuuspumppuja rinnakkain, esim. matalapainepumppu (suuri tilavuusvirta) ja korkeapainepumppu (pieni tilavuusvirta). Valitsemalla pumppujen tilavuusvirrat sopiviksi ja kytkemällä pumppuja vapaakierrolle saadaan aikaan portaallisesti muuttuva tilavuusvirta. 19

20 Portaaton säätö toteutetaan muuttamalla pumpun kierrostilavuutta. Siipi- ja radiaalimäntäpumpuissa muutetaan roottorin epäkeskeisyyttä. Aksiaalimäntäpumpuissa muutetaan sylinteriryhmän ja käyttölevyn välistä kulmaa. Säätö voidaan toteuttaa: 1. Mekaanisena käsiohjauksena, esim. käsipyörä ja ruuvi 2. Sähkömekaanisena kauko-ohjauksena esim. sähkömoottori ja kierukkavaihde 3. Hydraulisena servo-ohjauksena, jolloin kierrostilavuutta muutetaan servosylinterillä. Sylinterin ohjaus tapahtuu servoventtiilillä ja venttiiliä voidaan ohjata joko mekaanisesti tai sähköisesti 4. Automaattisena hydraulisena säätönä. Kierrostilavuutta muutetaan hydraulisylinterin avulla ja paine sylinterille saadaan usein pumpusta säätöventtiilin kautta. Kyseessä voi olla myös proportionaalisäätö, jolloin voidaan sähköisesti muuttaa pumpun ominaisuuksia. 20

21 5.4 PAINEVARAAJA Tehtävät energian varastointi paineiskujen ja paineenvaihtelujen tasaaminen lämpölaajenemisen kompensointi vuotojen kompensointi Paineakut toimivat hydraulijärjestelmissä varastoina, joissa pumpulta saatua paineenergiaa säilytetään tulevaa käyttöä varten. Koska hydraulineste ei normaalisti käytettävillä paineilla puristu merkittävästi kokoon, on siihen itseensä mahdoton varastoida suuria energiamääriä. Energia onkin varastoitava muilla tavoilla, nesteen ulkopuolelle. Energiaa voidaan varastoida kolmella tavalla: 1. massaa nostamalla 2. jousta jännittämällä 3. kaasun tilavuutta muuttamalla. Nykyisin käytössä on vain kaasun tilavuuden muutokseen perustuvia paineakkuja. Kaikkien paineakkujen toiminta perustuu siihen, että prosessin siinä vaiheessa, jossa koko pumpun tuottamaa tilavuusvirtaa ei tarvita, yli jäävä tilavuusvirta varastoituu paineakkuun myöhemmin käytettäväksi. Paineakut ovat paineastioita ja siten paineastialainsäädännön alaisia. Niiden rakenne on siis hyväksyttävä ennen käyttöönottoa. Myyjän on yleensä huolehdittava tarvittavista hyväksymisistä. Hyväksyminen on kuitenkin syytä tarkistaa ennen paineakun käyttöönottoa Rakenteet Varastointi massaa nostamalla: - nykyisin historiaa - kooltaan suuria Varastointi jousta jännittämällä: - jousi kiinteä tai säädettävä - energialataus varastoidaan jousienergiana 21

22 Varastointi kaasun tilavuutta muuttamalla: Kaasutäytteisissä paineakuissa on kaksi kammiota, joista toisessa on kokoonpuristuva kaasu ja toisessa järjestelmän hydraulineste. Kammioita erottavan väliseinän rakenteen mukaan kaasutäytteiset akut jaetaan kalvo-, rakko- ja mäntätyyppisiin. Kun akun nestetila täyttyy paineisella nesteellä, puristuu kaasu,väliseinän toisella puolella kokoon. Paineen laskiessa järjestelmässä laajeneva kaasu työntää nesteen takaisin käytettäväksi. Kaasutäytteisissä paineakuissa kaasuna käytetään yleensä typpeä. Typpi soveltuu hyvin akkukäyttöön, koska se on neutraali kaasu. Typpi (N) Nitrogen Olotila normaalipaineessa kaasumainen - tiheys 1,251 kg/m3 - sulamispiste 63,15 K (-209;8 C) - kiehumispiste 77,35 K (-195,8 C) Akku täytetään ennen käyttöä esitäyttöpaineeseen (p0), joka on hiukan pienempi kuin järjestelmän alin käyttöpaine. Akussa on kaasuventtiili, jonka kautta esitäyttö suoritetaan. Kun järjestelmän paine kasvaa suuremmaksi kuin akun esitäyttöpaine, virtaa neste akkuun puristaen kaasua kokoon. Nestettä virtaa akkuun kunnes kaasun ja nesteen paineet ovat yhtä suuret. Kaasun ja nesteen paineet ovat yhtä suuret periaatteessa aina kun nestettä on akussa. Ylimmällä käyttöpaineella kaasun tilavuus on silloin pienin ja akkuun varastoitunut energia suurin. Paineen laskiessa puristaa kaasu laajetessaan nesteen takaisin järjestelmään. Kalvo- ja rakkoakuissa kaasu- ja nestetilan erottaa toisistaan elastinen kalvo. Kalvoakku: Kalvoakussa oleva neste- ja kaasutilan erottava kalvo on kiinnitetty akun sisäpintaan. Kalvoon on kiinnitetty metallinen sulkuläppä, joka sulkee akun nesteliitännän silloin, kun järjestelmän paine on pienempi kuin akun esitäyttöpaine. Jos tätä sulkuläppää ei olisi, tunkeutuisi kalvo nesteliitäntään ja rikkoutuisi. Kuva 5.14 Kalvoakun rakenne. 22

23 Rakkoakku: Rakkoakun kaasu- ja nestetilan erottaa kaasuventtiiliin vulkanoimalla kiinnitetty rakko. Akun nesteliitännässä on lautasventtiili, jonka rakko sulkee laajetessaan. Muutoin kalvo tunkeutuisi nesteliitäntään järjestelmän paineen laskiessa pienemmäksi kuin rakon esitäyttöpaine. Kuva 5.15 Rakkoakun rakenne. Mäntätyyppinen paineakku: Kuva 5.16 Mäntätyyppinen paineakku. Mäntätyyppisissä paineakuissa kaasu- ja nestetilan erottaa toisistaan liikkuva mäntä. Kalvo- ja rakkoakkuihin verrattuna mäntäakkujen hyötysuhde on heikompi männän kitkan vuoksi. Paineakkujen käyttökohteet: Hydraulijärjestelmässä on sen pumpun mitoitusperustana suurin tarvittava tilavuusvirta. Jos tätä suurinta tilavuusvirtaa tarvitaan vain hetkellisesti, on järkevää käyttää pienempää pumppua ja varastoida hetkellisen käytön tilavuusvirta paineakkuun. Järjestelmän pumppu on kuitenkin mitoitettava niin suureksi, että paineakku ehtii varautua täyteen työkierron aikana. 23

24 Pikaliikkeiden aikaansaaminen: Sylinterikäytössä suurta tilavuusvirtaa voidaan tarvita esimerkiksi pikaliikkeiden aikaansaamiseksi. Pikaliikkeessä kuormittamaton sylinteri on saatava mahdollisimman nopeasti toiseen ääriasentoon. 5.5 HYDRAULIIKKAVENTTIILIT Yleistä Hydraulijärjestelmissä tarvitaan erilaisia venttiilejä ohjaamaan ja säätämään järjestelmän toimintoja. On vaihdettava hydraulimoottorin pyörimissuuntaa tai on ajettava sylintereitä edestakaisin. Erilaiset toimilaitteet vaativat erisuuria paineita ja tilavuusvirtoja. Koko järjestelmä on suojattava ylipaineen aiheuttamatta rikkoutumiselta. Näiden toimintojen toteuttamiseen käytetään venttiilejä, jotka voidaan toimintojensa mukaan jakaa seuraavasti: Paineventtiilit: Paineventtiileillä säädetään ja ohjataan hydraulijärjestelmän painetta tai toimintaa. Virtaventtiilit: Virtaventtiileillä säädetään järjestelmän tilavuusvirtaa. Suuntaventtiilit: Suuntaventtiileillä ohjataan tilavuusvirtaa järjestelmän eri osiin. Erikoisventtiilit: Erikoisventtiilejä ovat servoventtiilit, proportionaaliventtiilit ja patruunaventtiilit. Näillä kaikilla voidaan toteuttaa samat toiminnot kuin paine-, virta-, ja suunta-venttiileilläkin, mutta niiden säätötarkkuus ja ominaisuudet ovat paremmat kuin tavallisilla venttiileillä. Näillä venttiileillä voidaan lisäksi toteuttaa useita erikoistoimintoja. Karan rakenteen mukaan venttiilit voidaan jakaa istukkaventtiileihin ja luistiventtiileihin. Istukkaventtiileissä venttiilin kara painuu istukkapintaa vasten, jolloin saadaan tiivis rakenne. Rakenteen haittana ovat suuret ohjausvoimat, joita kuitenkin voidaan pienentää 24

25 hydraulista rakennetta muuttamalla. Luistiventtiileissä venttiililuisti liikkuu pesässä ja rakenne on hydraulisessa tasapainossa eikä karan liikuttamiseen tarvita suuria voimia. Luistiventtiileissä on rakenteesta johtuen aina hiukan sisäisiä vuotoja. Luistiventtiileiden hydraulinen tasapaino toteutetaan siten, että karan vastakkaisiin päätypintoihin vaikuttavat yhtä suuret paineet. Näin voimat kumoavat toisensa ja karan ohjausvoimat pysyvät pieninä. Kuva 5.17 Vasemmalla istukkatyyppinen ja oikealla luistityyppinen venttiili. Pienemmät venttiilit kokoon NS 10 asti ovat yleensä suoraohjattuja. Suurissa venttiileissä ohjausvoimat kasvavat ja on rakennettava esiohjattuja venttiileitä. Esiohjausventtiiliä voidaan ohjata pienellä teholla ja se puolestaan ohjaa suurempaa venttiiliä. Venttiilien koot ilmoitetaan standardoituina vakiokokoina, joiden lukuarvo ilmoittaa likimääräisesti siihen liitettävän putken tai letkun sisähalkaisijan. Esimerkiksi NS 6 tarkoittaa sitä, että venttiiliin liitettävän putken tai letkun sisähalkaisija on 6 mm. Tavallisimmat nimelliskoot ovat: NS 6, 10, 16, 25 ja Paineventtiilit Paineventtiilit ovat ohjausrakenteeltaan monostabiileja eli niissä oleva jousi ohjaa ne lepoasentoon silloin, kun riittävän suurta ohjauspainetta ei ole. Lepoasennossa venttiilit ovat joko suljettuja tai avoimia. Ohjauspaine vaikuttaa jousta vastaan ja saavutettuaan tason, jolla se voittaa jousivoiman, venttiilin kara alkaa liikkua. Ohjauspaineen kasvaessa kara liikkuu lisää ja venttiili joko avautuu tai sulkeutuu sen tyypistä riippuen. Kun venttiilin läpäisemä tilavuusvirta kasvaa, suurenee nesteen aiheuttama virtausvoima. Pienillä tilavuusvirroilla käytetään suoraan ohjattuja venttiileitä, mutta kun tilavuusvirrat kasvavat, on käytettävä esiohjattuja venttiileitä. Esiohjatuissa venttiileissä karan siirtymän ja ohjauspaineen välinen riippuvuus on pienempi kuin suoraan ohjatuissa venttiileissä. Paineventtiilit voidaan jakaa toimintansa mukaan kolmeen ryhmään, jotka ovat: 1. Paineenrajoitusventtiilit 2. Paineenalennusventtiilit 3. Paineohjausventtiilit 25

26 Paineenrajoitusventtiili Paineenrajoitusventtiili on oltava jokaisessa hydraulijärjestelmässä. Sen tehtävänä on rajoittaa järjestelmän paine tiettyyn maksimiarvoon. Näin se suojaa järjestelmän komponentteja vaurioilta, joita paineen rajaton kasvu aiheuttaisi. Suoraohjattu: Kuva 5.18 Suoraohjattu, yksinkertainen, käytetään pienissä kokoluokissa Esiohjattu: Kuva 5.19 Esiohjattu, käytetään suurilla tilavuusvirroilla. 26

27 Paineenalennusventtiili Jos osassa hydraulijärjestelmää tarvitaan alhaisempaa painetta kuin muussa järjestelmässä, voidaan alennettu paine aikaansaada paineenalennusventtiilillä. Venttiili voi olla rakenteeltaan suoraohjattu tai esiohjattu ja se saa ohjauksensa lähtöpuolen paineesta. Jos ensiöpuolen paine laskee alle venttiilin asetusarvon, seuraa alennusventtiilin toisiopaine eli lähtöliitännän paine ensiöpuolen painetta. Paineenalennusventtiilit ovat tavallisesti tyypiltään normaalisti avoimia venttiileitä. Kuva 5.20 Paineenalennusventtiilin rakenne ja toiminta Painesuhdeventtiili Muita paineenalennusventtiilityyppejä ovat paine-ero ja painesuhdeventtiilit. Näissä kummassakaan venttiilissä ei toisiopainetta pyritä pitämään vakiona, vaan sen suuruus riippuu ensiöpaineen suuruudesta. Venttiilin karaa ohjataan sekä ensiö- että toisiopuolen paineilla, jotka vaikuttavat karan vastakkaisiin päihin. Painesuhdeventtiili pitää ensiö- ja toisiopaineen välisen suhteen vakiona. Karan päätypinta-alat ovat erikokoiset siten, että toisiopuolen karan pään pinta-ala on ensiöpuolen karan pään pinta-alaa suurempi. Ensiöpaine pyrkii avaamaan ja toisiopaine sulkemaan venttiilin. Venttiilin paineenalennussuhde on riippuvainen karan päätypinta-alojen suhteesta. Kuva 5.21 Painesuhdeventtiili 27

28 Paine-eroventtiili Kuva 5.22 Paine-eroventtiili pyrkii pitämään vakiopaine-eron tulo- ja lähtöpuolen välillä Paineohjausventtiili Useita erilaisia käyttötarkoituksia, joiden mukaan venttiilejä nimitetään: o seurantaventtiili o vastapaineventtiili o paineohjattu vapaakiertoventtiili o painevaraajan latausventtiili o painevaraajan purkuventtiili o letkurikkoventtiili Paineohjausventtiileillä eli sekvenssiventtiileillä ohjataan järjestelmän toimilaitteiden toimintajärjestystä eli sekvenssiä. Kun hydraulijärjestelmässä on useita toimilaitteita tai toimilaiteryhmiä joiden liikkeiden tulee tapahtua tietyssä järjestyksessä, toiminta voidaan toteuttaa paineohjausventtiilien avulla. Seurantaventtiilejä on olemassa suora- ja esiohjattuja. Ne ovat rakenteeltaan sekä istukka- että luistityyppisiä. Venttiilin avautumispaine säädetään jousella ja se avautuu, kun tulopaine ylittää jousivoiman arvon. Vapaakiertoventtiiliä käytetään ohjaamaan hydraulipumpun tai pumppujen tuotto takaisin säiliöön silloin, kun tuottoa ei järjestelmässä tarvita. Vapaakiertoventtiilin painehäviö on huomattavasti pienempi kuin järjestelmän paineenrajoitusventtiilin, joten tehohäviöt jäävät pienemmiksi. Eräs käyttösovellutus on matalapainepumpun kytkentä vapaakierrolle kaksipumppujärjestelmässä, jossa sylinterin männän tulee tehdä ensin nopea siirtymä työkappaleen pintaan ja tämän jälkeen puristaa kappaletta suurella voimalla. 28

29 Paineakun latausventtiili: Kun paineakku on latautunut, pumppu ohjautuu vapaakierrolle ja paineakku ylläpitää järjestelmän painetta. Paineen laskettua vapaakierto sulkeutuu ja pumppu lataa paineakun uudelleen. Järjestelmässä on miltei vakiopaine ja hyötysuhde on hyvä. Paineenpurkuventtiilejä käytetään paineakkujen yhteydessä purkamaan akkuun varautunut paine silloin, kun hydraulipumppu pysähtyy. Hydraulipumpun paine pitää venttiilin suljettuna. Kun pumppu pysähtyy, paine laskee ja venttiili avautuu, jolloin paineakku tyhjenee. Näin estetään vahingot, joita voi sattua avattaessa paineisen hydraulijärjestelmän liittimiä. Vastapaineventtiilin tehtävänä on tuottaa negatiiviselle kuormalle vastapaine ja siten mahdollistaa hallittu liike. Vastapaineventtiilit ovat normaalisti suljettuja ja vaativat siksi rinnalleen vastaventtiilin, joka sallii virtauksen vastapaineventtiilin toimintasuuntaa 29

30 vastaan. Kun sylinterissä kiinni olevaa kuormaa lasketaan alaspäin, niin se karkaa, mikäli järjestelmää ei ole varustettu vastapaineventtiilillä. Letkurikkoventtiili sijoitetaan välittömästi sylinterin liitäntäaukkoon ennen letkua. Se estää kuorman karkaamisen letkurikon tapahtuessa. Kun tilavuusvirta kasvaa, letkurikossa paine-ero voittaa jousivoiman ja sulkee venttiilin. Venttiili avautuu vasta, kun virtaus tapahtuu vastakkaiseen suuntaan. Myös vastapaineventtiiliä voidaan käyttää letkurikkoventtiilin tilalla estämään öljyvuodot ja kuorman karkaaminen letkurikon tapahtuessa Virtaventtiilit Nopeudensäätö tapahtuu säätämällä tilavuusvirtaa: I Pumpun tuottoa säädetään muuttamalla pyörimisnopeutta II Pumpun kierrostilavuutta säädetään III Käytetään vakiotilavuuspumppua ja virtaventtiilejä Sekä moottorin pyörimisnopeutta että pumpun kierrostilavuutta säätämällä saavutetaan tarkka säätö. Myös hyötysuhde on hyvä ja tilavuusvirta pysyy hallinnassa kuormituksesta riippumatta. Ratkaisu on kuitenkin kallis ja siksi näitä tapoja käytetään pääosin suurissa ja tehokkaissa järjestelmissä. Vakiotilavuuspumppuja käyttäen ja virtaventtiilien avulla saadaan aikaan edullinen järjestelmä, jonka säätöominaisuudet ovat riittävät. Virtaventtiileissä säätö kuitenkin tapahtuu häviösäätönä, jossa käyttämätön osa tilavuusvirrasta; ajetaan, tavallisesti paineenrajoitusventtiilin kautta takaisin säiliöön. Virtaventtiilit jaetaan toimintansa mukaan kolmeen ryhmään: 1. Vastusventtiilit 2. Virransäätöventtiilit 3.Virranjakoventtiilit 30

31 Vastus- ja vastusvastaventtiilit: Virransäätöventtiileissä voidaan venttiilin kuristuksen poikkipinta-alaa säätää. Säätönsä vuoksi ne ovat vastusventtiileitä parempia ominaisuuksiltaan. Virransäätöventtiileillä voidaan haluttu liikenopeus säilyttää kuormituksen ja paineen vaihteluista riippumatta. Kun venttiilin sisällä olevan mittakuristimen avulla toimilaitteen nopeus säädetään sopivaksi, pitää venttiilin säätöpiiri tilavuusvirran asetetussa arvossaan, paineen ja tilavuusvirran vaihteluista huolimatta. Säädön toteuttaa painekompensaattori, jonka tehtävänä on säilyttää vakiopaine-ero. Säätöpiirissä voi olla myös lämpötilakompensaattori, jonka tehtävänä on estää ne tilavuusvirran vaihtelut, jotka aiheutuvat nesteen viskositeetin muutoksista lämpötilan vaihdellessa. Kuva 5.23 Virransäätöventtiilin toiminta ja rakenne. Virranjakoventtiilit jakavat venttiilille tulevan virtauksen kahteen vakiosuhteiseen lähtövirtaukseen. Näiden lähtövirtausten suuruus ei riipu tulevan virtauksen suuruudesta eikä lähtevän virtauksen paineista. Virranjakoventtiilejä on toimintansa mukaan jaettuna kolme ryhmään: 1) yksitoimiset venttiilit, jotka läpäisevät virtauksen vain toiseen suuntaan eli säätösuuntaan, 2) yksitoimiset venttiilit, jotka säätävät virtauksen toiseen suuntaan, vastakkaisen suunnan virtaus ohjataan kuristuksetta vastaventtiilien läpi, 3)kaksitoimiset venttiilit, jotka säätävät virtauksen sekä jakosuunnassa että vastakkaisessa suunnassa. 31

32 Tavallinen virranjakoventtiilin tehtävä on tahdistaa kaksi toimilaitetta esimerkiksi sylinteriä niin, että ne suorittavat liikkeensä yhtä aikaa. Säätöominaisuuksiltaan parhaita venttiileitä ovat paine- ja lämpötilakompensoidut virranjakoventtiilit Vastaventtiilit Vaihtovastaventtiili: Venttiili vastaa loogista TAI- toimintaa ja sitä käytetään erilaisissa ohjauspiireissä. Vastaventtiili: Ohjatut vastaventtiilit: Kuva 5.24 Vastaventtiilit ovat istukkarakenteisia: a) kuula, b) kartio, c) lautanen, d) patruuna 32

33 Kuva 5.25 Ohjattuvastaventtiili (aukeaa molempiin suuntiin) ja käyttöesimerkki Suuntaventtiilit 2/2 suuntaventtiili - normaalisti avoin tai suljettu - sulkuventtiili 3/2 suuntaventtiili - impulssinantoventtiili - yksitoimisen sylinterin työventtiili 3/3 suuntaventtiili 4/2 suuntaventtiili - kaksitoimisen sylinterin työventtiili - hydraulisenmoottorin ohjaus 4/3 suuntaventtiili - sylinteri saadaan pysähtymään kesken iskun - keskiasennot: o pumppu vapaakierrolla ja sylinteri pystyy liikkumaan vapaasti o pumppu vapaakierrolla o sylinteri liikkuu vapaasti o myös muita, kaikki suljettu 33

34 a) Keskiasennossa kaikki virtaustiet ovat yhdessä, pumppu on vapaakierrolla ja sylinteri pystyy liikkumaan vapaasti. b) Keskiasennossa pumppu on vapaakierrolla ja sylinteri jää jäykästi paikoilleen. c) Keskiasennossa pumppu on vapaakierrolla ja sylinteri voi ottaa vastaan vetovoimia. d) Keskiasennossa kaikki virtaustiet on suljettu, pumppu ei mene vapaakierrolle ja sylinteri jää jäykästi paikoilleen. e) Keskiasennossa pumpun virtaustiet on suljettu, sylinteri liikkuu vapaasti. f) Keskiasennossa pumpun virtaus menee sylinterin molemmille puolille, sylinteri liikkuu ulospäin 50% :lla nopeudella, jos pinta-alasuhde sylinterissä on kaksi. Monnitieventtiilit useampia virtausteitä ja toiminta-asentoja melko harvinaisia, esim. 6/3-, 6/4-suuntaventtiilit Lohkosuuntaventtiilit suosittuja liikkuvan kaluston käytössä venttiili muodostuu useasta suuntaventtiililohkosta, jotka on liitetty yhteen, yleensä käsiohjattuja luistin muotoiltu usein siten, että sillä voidaan säätää myös tilavuusvirtaa Suuntaventtiilien ohjaus: aksiaaliluistiventtiilit ovat rakenteeltaan sellaisia, että luistin on hydraulisesti tasapainossa, joten suuri paine ei vaikuta venttiilin ohjausvoimaan istukkatyyppiset venttiilit voivat vaatia huomattavia avausvoimia paineenalaisena ohjaustavat: a) käsin b) mekaanisesti c) hydraulisesti d) pneumaattisesti e) sähköisesti f) suurissa venttiileissä käytetään hydraulista esiohjausta sähköisessä ohjauksessa 34

35 Kuva 5.26 Hydraulisesti esiohjattumagneettiventtiili. Kuva 5.27 Moduuliasenteiset eli päällekkäin asennettavat venttiilit (koko alkaen NS 6). 35

36 5.6 HYDRAULISYLINTERIT Yleistä Hydrauli - ja pneumatiikkasylinterien ja niiden männänvarsien halkaisijat on standardoitu SFS 3958: syl = 8 400mm män.varsi = 4 360mm Nimellispaineet (SFS 3957): [6,3 bar, 10,0 bar, 16 bar] 25 bar 100 bar 40 bar 160 bar 63 bar 250 bar 400 bar Standardi-iskunpituudet: 25, 50, 80, 100, 125, 160, 200, 200, 250, 320, 400 ja 500 mm Yksitoimiset sylinterit yksi hydrauliliitäntä paluuliike jousen tai painovoiman avulla Mäntäsylinteri: rakenne samanlainen kuin kaksitoimisella sylinterillä Uppomäntäsylinteri: mäntä: hiottu, kiillotettu sylinteri: ei koneistettu yksinkertainen, halpa käyttö: tunkit puristimet kiinnittimet jarrut 36

37 5.6.3 Kaksitoimiset sylinterit Kaksitoimisissa sylintereissä on luonnollisesti kaksi hydrauliliitäntää. Käytössä olevista sylintereistä on noin 90% kaksitoimisia. Pääty kiinnitetään sylinteriin aina siten, että se on avattavissa ja mäntä vedettävissä ulos. Sylinterin tiivisteet ovat jäykät ja männän ulosvetoa varten tarvitaan yleensä taljaa tai sylinteriin tuotavaa painetta. Tiivisteitä tarvitaan männän ja sylinteriputken sekä männänvarren ja sylinterin päädyn välillä. Tiivisteiltä vaaditaan paineen-, kulumisen-, lämpötilankestävyyttä sekä pientä kitkaa. Rakenteet: Sidepulttisylinteri: o pienet ja kevyet sylinterit o halpa ja yksikertainen Hitsattu sylinteri: o kalliimpi, luja, jäykkä o pitkät, raskaat sylinterit Rakenne: o vaippa on terästä o pääty on teräs, valurauta, vaimennus, > 0,1m/s o mäntä on terästä o männänvarsi on kovakromattua terästä o tiivisteet ovat öljyn kestävää: o kumi o nitriilikumi o teflon Kuva 5.28 Sylinterin päätyjen kiinnitystapoja: a) hitsi, b) kierre, c) sidepultti, d) lukitusrengas 37

38 Kuva 5.29 Hydraulisylinterin tiivistysratkaisuja: a) pieni välys (ei tiivistettä), b) O-rengas, c) O-rengas ja tukirengas, d) O- rengas ja liukurengas, e) huulitiiviste, f) pakkatiiviste, g) pyyhkijärengas ja huulitiiviste Erikoissylinterit Läpimenevällä männänvarrella varustettu voima ja nopeus sama molempiin suuntiin kestää taivutusta paremmin Differentiaalisylinteri normaalia paksumpi männänvarsi tietty suhde erisuuntaisille voimille ja nopeuksille (yleisin 2:1) Teleskooppisylinteri kallis suuri iskunpituus verrattuna lepopituuteen Vääntösylinteri kääntökulma on usein alle 360 siipi tai hammastanko 38