Koneenosien suunnittelu hydrauliikka ja pneumatiikka 2018 TkT Jyrki Kajaste KON-C3002
Sisältö Mitä hydrauliikka on? Ominaispiirteitä Tehon ja energian hallinta Paineen muodostuminen tilavuudessa Sovelluksia Voimat ja momentit Hydraulinen tunkki Kuristus Komponentit Ohjaustavat järjestelmät Hydrauliikka ja pneumatiikka Summa summarum Harjoitustyö 2
Hydraulitekniikka FLUID Fluid, any liquid or gas or generally any material that cannot sustain a tangential, or shearing, force when at rest and that undergoes a continuous change in shape when subjected to such a stress Lähde: Encyclopædia Britannica Mitä hydrauliikka on? FLUID POWER kattaa siis sekä hydrauliikan ja pneumatiikan Hydraulijärjestelmät ovat tehonsiirtoketjuja, jotka muuntavat järjestelmälle syötteenä annettavan mekanisen tehon hydrauliseksi, välittävät sen haluttuunn kohteeseen ja muuntavat sen siellä takaisin mekaaniseksi tehoksi kyseessä olevan sovelluksen käyttöön. Hydraulitekniikka, Kauranne, Kajaste & Vilenius, WSOY Tehon siirtoa hydraulisesti Energian hallintaa hydraulisesti -> tallentamista ja luovuttamista työn tekemiseen Voimien/momenttien hallintaa Suhteellisen pienillä voimilla voidaan saada aikaan suuria voimia ( vaihteisto ) Jo muinaiset kreikkalaiset http://kotsanas.com/gb/cat.php?category=10 3
Ominaispiirteitä Hydrauliikassa teho välitetään tyypillisesti pyörivältä moottorilta (sähkö-, poltto-) käyttökohteeseen, jossa liike voi olla luontevasti - Pyörivää - Lineaarista Kun voima/momentti on saatettu hydrauliseksi, sitä voidaan muokata ja käyttökohteessa voima/momentti voi olla jotain muuta kuin järjestelmän alkupäässä. Samoin liikenopeus (pyörimisnopeus) voidaan muuttaa hydraulisen järjestelmän avulla käyttökohteeseen sopivaksi. p F 1 p F A p F 2 Tehonsiirto ja samalla voiman suuruuden ja liikenopeuden muokkaus (lineaari)vaihteisto Suoran putkikomponentin 1 1 F A sijaan neste voidaan välittää käyttökohteeseen myös putkikomponentilla, jonka struktuuri on tehon ja voiman välittäminen pisteestä toiseen voidaan tehdä varsin vapaasti (vertailukohtana akseli) 2 2 4
Paineen muodostuminen tilavuudessa Hydraulitekniikassa nestetilan paineenmuutoksen saavat aikaan a) nestemäärän muutokset tilavuudessa b) nestetilan tilavuusmuutokset Paineen muutosnopeus voidaan siten esittää esim. näin dp K V f q Integroidaan paineen muutos q v < 0 t V V v d t 0 Paineen muutosnopeus on suuri, jos kokoonpuristuminen on vähäistä ja tilavuus on pieni tilavuusvirta [m 3 /s] tilaan on suuri tilavuus pienenee nopeasti [m 3 /s] p paine [Pa] (dp/dt paineen muutosnopeus [Pa/s]) t aika [s] V 0 +V alkutilavuus ja tilavuuden muutos eli nykyinen tilavuus [m 3 ] K f puristuskerroin (nesteen jäykkyys, vakio ) [Pa] K f 1.6 GPa (1.610 9 Pa ) q v nettotilavuusvirta tilavuuteen [m 3 /s] Ellman & Linjama: Hydraulijärjestelmien mallinnus ja simulointi, opetusmoniste V t Paineen yksiköt Pascal [1 Pa =1 N/m 2 ] 1 bar = 100 000 Pa OUT Pumppu Mikä on paine ja mistä se riippuu? Sylinteri (toimilaite) Mikä on paine? Mikä on voima, mistä se riippuu? IN q v > 0 0 p p IN OUT 5 F
Suuret voimat/momentit? Hydrostaattisilla pumpuilla voidaan saada aikaan suuria paineita (esim. 350 bar= 35 MPa ) Suuret paineet tarkoittavat tässä yhteydessä sitä, että kohdistuessaan jo melko pienillekin pinnoille saadaan merkittävän suuria voimia F F pa F voima [N] p paine [Pa, N/m 2 ] A pinta-ala, jolle paine kohdistuu [m 2 ] Esimerkki Pumpuilla voidaan tuottaa paineita, joiden suuruusluokka on teollisuuskäytöissä 200 bar 350 bar eli 20 Mpa 35 Mpa Kohdistetaan 35 MPa:n paine mäntään, jonka halkaisija on D=70 mm ja pinta ala A= /4D 2 F= 3510 6 N/m 2 3.110-3 m 2 110 kn ( nostaa noin 9 SKODA Octavia henkilöautoa ) p A 6
Hydraulinen tunkki AIRBUS A380 superjumbo Massa tyhjänä 277 000 kg Nostetaan kolmen hydraulisylinterin avulla huoltotilanteissa Hydraulisylinterin toteutti suomalainen valmistaja 7
SOVELLUKSIA http://www.sarcos.com/ VOIMA DYNAMIIKKA TARKKUUS TEHO Teollisuus- ja mobilejärjestelmissä sekä esim. roboteissa Department of Mechanical Engineering / Engineering Design / Mechatronics / Fluid Power MITEN TOTEUTETAAN? 8
JÄRJESTELMIEN OHJAAMINEN 1 Perinteinen ohjaustapa - kuristusohjaus TURBULENTTINEN KURISTUS p 1 >p 2 Tilavuusvirta q v [m 3 /s] OHJAUS VIRTAUSAUKON PINTA-ALA q v = C q A 0 2 p ρ TILAVUUSVIRRAN JA TOISIOPAINEEN HALLINTA OHJATTAVAN KURISTUKSEN ELI OHJAUSVENTTIILIN AVULLA KIINTEÄ KURISTUS - Virtauskerroin C q vakio - Aukon pinta-ala A 0 vakio tai muuttuva ohjattava - Paine-ero p muuttuva - Nesteen tiheys vakio virtauskerroin 9
Paineen ohjaaminen ON/OFF -venttiilit p= 100 bar M 1 p= 0 bar p= 0 bar (ylipainetta) 2 V 4 5 6 p= 0 bar DIGITAALIHYDRAULIIKKAA Ohjaukseen käytettävissä lähinnä vain venttiilin avausaika venttiileiden täytyy olla nopeita JA/TAI pieniä 3 Esimerkki Tyypillinen tapa ohjata nestetilavuuden (1) painetta: Pumpun (2) tarjoama paine on 100 bar (ylipainetta) Säiliön (3) paine on 0 bar (ylipainetta) Avaa venttiiliä (4) (sopivaksi aikaa), mikäli haluat nostaa tilavuudessa olevaa painetta Avaa venttiiliä (5) (sopivaksi aikaa), mikäli haluat laskea tilavuudessa olevaa painetta Käytettävissä oleva painealue on 0 100 bar Paineenrajoitusventtiili (PRV, 6) huolehtii, että pumpun paine rajoittuu (100 bar) Kuinka nopesti paine muuttuu? Riippuu siis lähinnä siitä dp q dt V0 V t Kuinka pieni/suuri nestetilavuus (V kok ) on Kuinka suuri tilavuusvirta (q v ) saadaan venttiileistä läpi Paine ero (p) Virtausaukko (A) Myös nesteen puristuskertoimesta (K f ) K f v 10 V
Paineen ohjaaminen proportionaaliventtiilit p= 100 bar M 1 p= 0 bar p= 0 bar (ylipainetta) 2 V 4 5 6 p= 0 bar PROPORTIONAALITEKNIIKKAA Ohjaukseen käytettävissä venttiilin virtausaukon pinta-ala (A= 0 - A max ) (koko ajan) 3 Esimerkki Tyypillinen tapa ohjata nestetilavuuden (1) painetta: Pumpun (2) tarjoama paine on 100 bar (ylipainetta) Säiliön (3) paine on 0 bar (ylipainetta) Mikäli haluat nostaa tilavuudessa olevaa painetta Avaa venttiiliä lisää (4) (portaattomasti) JA/TAI Sulje venttiiliä (5) (portaattomasti) Mikäli haluat laskea tilavuudessa olevaa painetta Avaa venttiiliä (5) (portaattomasti) JA/TAI Sulje venttiiliä (4) (portaattomasti) Myös sopivaksi aikaa avaaminen on käytettävissä. dp Kf V Kuinka nopesti paine muuttuu? qv Riippuu taas lähinnä siitä dt V0 V t Kuinka pieni/suuri nestetilavuus (V kok ) on Kuinka suuri tilavuusvirta (q v ) saadaan venttiileistä läpi Paine ero (p) Virtausaukko (A) ohjattavissa portaattomasti! 11 Myös nesteen puristuskertoimesta (K f )
Kuristuksen painehäviö - tehohäviö Kuristuksen tai venttiilin avulla voidaan siis rajoittaa eli ohjata tilavuusvirtaa, joten se soveltuu hyvin järjestelmien ohjaamiseen Kuristuksen avulla voidaan myös vaimentaa värähtelyjä, koska kuristus aiheuttaa painehäviön hydraulista energiaa muuttuu lämmöksi Hydraulinen teho on P hydr = q v p Kuristuksen yhteydessä q v p merkitsee tehohäviötä Pumpun yhteydessä q v p merkitsee järjestelmään siirrettyä hydraulista tehoa 12
Komponentit - toimilaitteet Tehtävänä on tuottaa - voimia ja momentteja - ja niistä johtuvaa liikettä Toimilaitteeet toimivat hydraulisen ja mekaanisen järjestelmän rajapinnalla Toimilaitetyypit ovat - Sylinterit lineaariliike - Moottorit pyörivä liike - Vääntömoottorit rajoitettu pyörivä liike 13
Toimilaitteet - hydraulisylinteri v F Lineaarisen voiman ja liikkeen tuottoon Pintaan kohdistuva voima A 2 4 D 2 sylinteri d 2 varsi plus-liike miinus-liike F pa F voima [N] p paine [Pa, N/m 2 ] A pinta-ala, jolle paine kohdistuu [m 2 ] p 2 F Sylinterin nettovoima net p 1 A 1 p 2 A 2 F kitka Tilavuusvirrat kammioihin (stationaaritila, paine ei muutu!) q q va v v 2 2 1 va 1 Tiivistekitkat! (tässä tapauksessa + virtaus kammioon, virtaus pois kammiosta) A 1 4 D 2 sylinteri p 1 Kaksitoiminen sylinteri, Differentiaalisylinteri, efektiiviset pinta-alat männän eri puolilla poikkeavat toisistaan 14
Komponentit - pumput Tehtävänä on tuottaa järjestelmään tilavuusvirtaa (m 3 /s tai l/min) Toimii mekaanisen ja hydraulisen järjestelmän rajapinnalla, pyörivä liike - Sähkömoottori - Polttomoottori Riippuen konstruktiosta pumppujen syrjäytystilavuus (m 3 /r) voi olla - vakio - muuttuva (säädettävä) Pumpulla voidaan toteuttaa esimerkiksi painesäätö, mikäli syrjäytystilavuus on muuttuva (lisää virtausta paine kasvaa jne.) Eri perusrakenteet - Hammaspyörä - Mäntä (radiaali aksiaali) syrjäytystilavuutta voidaan säätää - Siipi syrjäytystilavuutta voidaan säätää - Ruuvi 15
Komponentit - venttiilit Tehtävänä on ohjata järjestelmää, jolloin ne toimivat hydraulisen järjestelmän ja ulkoisen ohjausjärjestelmän rajapinnalla Eri venttiilityypit - Suuntaventtiilit ohjataan virtausta - Paineventtiilit ohjataan/rajoitetaan painetta (PRV!) - Virtaventtiilit ohjataan tilavuusvirran määrää Ohjaukset voivat olla - Lihas - Mekaaninen - Paine - Sähkö (väylä) Ohjaukset - ON/OFF - Proportionaalinen (jatkuva) - Digitaalinen (n-kertaa ON/OFF) Perusrakenteet - Istukka (vuodoton) - luisti Proportionaaliventtiili, jossa sähköisenä toimilaitteena uppokela (voice coil) proportionaalimagneetin sijaan (0 -> 100 %, 3.5 ms) 16
Luistiventtiili - istukkaventtiili ja ohjausreunat F Luistiventtiilin periaate TOIMILATEKANAVAT A B P T SYÖTTÖ TANKKI VOI HOITAA KERRALLA USEITA OHJAUSREUNOJA Istukkaventtiilin periaate F jousi paineventtiili (PRV) F solenoidi + F jousi virtaventtiili ON/OFF tai portaaton (proportionaalinen) T VOI TOIMIA YKSITTÄISENÄ OHJAUSREUNANA A P B F T pa T A P B Ohjausreunat PA ja BT auki 17
Komponentit -paineakut PURISTUS Tehtävänä Tilavuusvirta-/painelähde Värähtelyn tasain tai vaimennin Energiavarasto N 2 PAISUNTA Komponenttityypit Mäntäakku Rakkoakku Kalvoakku Aalto-yliopiston akkukonsepti, energiataseen parannus verrattuna tavanomaiseen 85% -> 96.4% Akussa oleva typpikaasu toimii joustavana kaasujousena ja energiavarastona Käyttö HYDRAULINESTE Moottoreilta (sähkö-, poltto-) saatavaa energiaa voidaan tallentaa, varastoida ja ottaa käyttöön paineakkuihin Paineakkujen tehot ovat suuria (verrattuna esimerkiksi sähkötekniikan lyijyakkuihin), mutta energiamäärät eivät tyypillisesesti ole suuria Energiavarastoina akut sopivat esimerkiksi jarrutustusenergian talteenottoon ja sen hyödyntämiseen kiihdytyksissä Varastointikyvyn ansiosta energiansiirtoketjun alku- ja loppupäiden tehojen ei tarvitse olla sidoksissa toisiinsa 18
Komponentit- huoltolaitteet Tehtävänä on huolehtia järjestelmän ja sen komponenttien ylläpidosta - Puhtaudesta - Lämpötiloista Eri komponenttityypit - Suodattimet - Jäähdyttimet - Lämmittimet Huom! Suodattimet ovat välttämättömiä järjestelmän toiminnan luotettavuuden kannalta 19
Komponentit - hydraulineste Tehtävänä on Välittää tehoa Huolehtia voitelusta Huolehtia jäähdytyksestä Ehkäistä korroosiota ja ja ruostumista Kuljettaa epäpuhtaudet pois (suodattimiin/säiliöön) Eri perusnesteitä: Mineraaliöljyt Kasviöljyt Vesi Emulsiot (öljy/vesi) Synteettiset Lisäaineistus: Perusominaisuuksien parantaminen Ideaalinen viskositeettialue 15 100 cst eli [10-6 m 2 /s] Voitelukyky kavitaatiovaara Tärkeitä ominaisuuksia Sopiva viskositeetti Tiheys Palamattomuus Myrkyllisyys/myrkyttömyys/biohajoavuus Puristuskerroin 20
Pumpun tilavuusvirran ohjaaminen JÄRJESTELMIEN OHJAAMINEN 2 q v = nv k q v = εnv k0 n Pumpun (kiinteä kierrostilavuus) tilavuusvirta riippuu (ideaalitapauksessa vain) tekijöistä n pumpun pyörimisnopeus [r/s] V k pumpun kierrostilavuus [m 3 /r] Tilavuusvirtaa voidaan ohjata pyörimisnopeuden kautta esimerkiksi sähkömoottorin ja taajuusmuuttajan avulla Säätötilavuuspumpuilla voidaan muuttaa kierrostilavuutta ja tilavuusvirta riippuu myös pumpun asetuksesta (asetuskulma) V k0 pumpun nimellinen/maksimi kierrostilavuus [m 3 /r] asetus [-] Tilavuusvirtaa voidaan ohjata pumpun syrjäytystilavuuden asetusarvoa muuttamalla 21
JÄRJESTELMIEN OHJAAMINEN 3 Moottorin pyörimisnopeuden ja momentin ohjaaminen n = q v εv k0 n, T T = pεv k0 2π Säätötilavuusmoottoreilla voidaan muuttaa kierrostilavuutta ja moottorin pyörimisnopeus sekä momentti riippuvat myös pumpun asetuksesta (asetuskulma) V k0 moottorin nimellinen/maksimi kierrostilavuus [m 3 /r] asetus [-] Moottorin pyörimisnopeutta [r/s] voidaan ohjata moottorin syrjäytystilavuuden asetusarvoa muuttamalla Moottorin momenttia [Nm] voidaan ohjata moottorin syrjäytystilavuuden asetusarvoa muuttamalla 22
Järjestelmän ohjaustapa ja energiatase JÄRJESTELMIEN OHJAAMINEN 4 Verrattuna kuristusohjaukseen eli virtausta kuristavien venttiilien käyttöön Pumpun pyörimisnopeuden ohjaus Pumpun syrjäytystilavuuden ohjaus Moottorin syrjäytystilavuuden ohjaus ovat yleensä huomattavasti energiataloudellisempia menetelmiä toteuttaa järjestelmän ohjaus, koska kuristushäviöt jäävät pois tai niitä on oleellisesti vähemmän. 23
Venttiiliohjattu järjestelmä 1 Oheinen järjestelmä on tyypillinen proportionaaliventtiiliohjattu järjestelmä, jossa massan (A) nosto toteutetaan hydraulisylinterillä (B), jota ohjataan portaattomasti proportionaaliventtiilillä (C). Pumpun (D) syrjäytystilavuus ja ja sähkömoottorin (E) pyörimisnopeus ovat vakiosuuruisia. Pumpun tilavuusvirta on suurempi kuin, mitä tarvitaan ja ylijäämä johdetaan paineenrajoitusventtiilin (F) kautta takaisin tankkiin (G) paluusuodattimen (H) läpi. Käyttäjä voi hallita liikettä esimerkiksi käsiohjauksella ja tarvittaessa se voidaan toteuttaa myös asemasäädettynä, jolloin sylinterin männän asema mitataan ja tietoa käytetään säätöjärjestelmässä asematakaisinkytkentänä. Järjestelmän energiatase ei ole kovin hyvä, mutta sillä ei ole usein merkitystä? Tässä järjestelmässä käytetään tehoa myös/erityisesti silloin, kun proportionaaliventtiili on kiinni (paineenrajoitusventtiili, PRV). A B M q v2 q v1 E M G D Huom! ON/OFF-tekniikalla toteutettuna suuntaventtiilillä määrättäisiin vain liikkeen suunta ja nopeuden hallintaan tarvittaisiin erilliset virtaventtiilit. Proportionaaliventtiili C q v3 F 24 G H
A M Venttiiliohjattu järjestelmä 2 q v2 Järjestelmässä tehtävä työ liittyy painon (A) nostoon eli sen potentiaalienergian kohottamiseen. Sähkömoottorin (E) tekemä työ on kuitenkin tyypillisesti moninkertainen nostotyöhön verrattuna. Järjestelmässä on seuraavia tehohäviöitä B 1. Proportionaaliventtiilin (C) painehäviöt ohjausreunojen PA sekä BT välillä 2. Paineenrajoitusventtiilin (F) läpi kulkeva virtaus aiheuttaa häviön pq v3 3. Pumpun (D) vuodot ja hydromekaaniset häviöt (kitkat) q v1 A B C 4. Sähkömoottorin (E) häviöt 5. Hydraulisylinterin (B) liikekitkat, virtauksen kertahäviöt ja mahdolliset pienet sisäiset vuodot 6. Painehäviöt putkistoissa: putkien suorilla osuuksilla, mutkissa, koneikon suodattimessa (H) ja muissa kertavastuksissa P T q v3 Hydraulisylinterin männän alapuolinen paine koostuu painon (A) kannattelemisesta, liikekitkoista, mutta myös männän yläpuolella vallitsevasta vastapaineesta (ventttili ja putkisto), joka peilautuu männän alapuolelle pintaalojen suhteessa lisäkuormana. Paino lasketaan alas siirtämällä venttiilin luisti (tms.) vasemalle kohti toista ääriasentoa. Painon potentiaalienergia menetetään tehohäviöinä kuristuksissa. E M D G F 25 G H
Komponentit ja hyötysuhde Joidenkin pumppujen ja moottorien kokonaishyötysuhde voi olla todella korkea. Esimerkkinä oheinen hidaskäyntinen radiaalimäntämoottori, jonka hyötysuhde voi olla yli 97 % parhaalla toiminta-alueella. Hägglunds CBM -moottori (Bosch Rexroth) on maailman voimakkain sarjavalmisteinen hydraulimoottori. Perusmoottorikoot ovat CBM 2000 CBM 6000 (Nm / bar). Kaikkien halkaisija on 1460 mm. Suurin saatava momentti on n. 2 MNm. Kyseessä on radiaalimäntämoottori, jossa akseli on ontto. Männät toimivat kohtisuodaan akselia vastaan. Toiminta perustuu nokkarenkaaseen, jota vastaan painautuvat männät pakottavat akselin pyörimään. 26
Hyötysuhteiden vaikutus Parhaiden pumppujen ja moottorien kokonaishyötysuhde voi olla yli 95 %. Kokonaishyötysuhde t koostuu - Volumetrisesta hyötysuhteesta v liittyy vuotoihin - Hydromekanisesta hyötysuhteesta hm liittyy hydraulisiin ja mekaanisiin kitkoihin η t = η v η hm Muistisääntönä on, että hyötysuhdetermi sijoitetaan kaavassa siten, että joudut käyttämään suurempaa painetta, tilavuusvirtaa, pyörimisnopeutta, momenttia tai tehoa kuin haluat saadaksesi haluamasi suorituskyvyn. Hyötysuhteiden numeerinen arvo on aina alle 1. Pumppu Moottori Tilavuusvirta q v = nv k η v Pyörimisnopeus Käyttömomentti Käyttöteho T = pv k 2π η hm Momentti n = q vη v V k T = pv k η hm 2π P = q v p η t Akseliteho P = q v p η t 27
SULJETTU HYDRAULIJÄRJESTELMÄ MENO - KORKEAPAINE Voimansiirron kokonaishyötysuhde η kok = η p,t η putki,t η m,t voi olla yli 90 %. M PALUU - MATALAPAINE Pienellä lisäpumpulla huolehditaan suodatuksesta, pumpun ja moottorin ulkoisten vuotojen kompensoimisesta sekä jäähdytyksestä. Suljetun hydraulijärjestelmän avulla voidaan siirtää tehoa hyvällä hyötysuhteella, koska virtausta ei kuristeta, se siirtyy suoraan pumpulta moottorille Moottorin pyörimisnopeutta (koneen ajonopeutta) hallitaan pumpun ja/tai moottorin syrjäytystilavuutta ohjaamalla Pyörimissuuntaa voidaan vaihtaa, jos pumppu on kaksisuuntainen Käytössä liikkuvien työkoneiden ajovoimansiirroissa Käytetään mäntäkoneita (pumppu, moottori) hyvän hyötysuhteen takia 28
DIGITAALIHYDRAULIIKKA 2 3 Aalto-yliopistossa toteutettu (Tapio Lantela) digitaalinen suuntaventtiili (1), jossa 4 ohjausreunaa (PA, PB, AT ja BT) varten on 8 erillistä esiohjattua venttiiliä eli yhteensä 32 venttiiliä. Avautumis- ja sulkeutumisajat ovat noin 2 ms. Kapasiteetti on selvästi suurempi kuin kaupallisilla proportionaaliventtiileillä (ohjausreunoissa noin 30 l/min @ 5 bar). Konseptista on nyt myös 3D-tulostettu versio (2), jolla on vielä paremmat suoritusarvot. Vertailuna perinteisillä venttiileillä toteutettu versio (3). 1 T A P B T Digitaalihydrauliikan perusideana on, että ohjattavat komponentit ovat digitaalisia eli niillä on vakioarvoiset tilat Esimerkiksi venttiilin tapauksessa tilat ovat tyypillisesti AUKI (ON) ja KIINNI (OFF) Esimerkiksi venttiiliohjauksessa juoheva toiminta saavutetaan käyttämällä useita ON/OFF-venttiileitä, joiden yhteisvaikutuksen avulla voidaan imitoida portaatonta (proportionaalista) venttiilitoimintoa Järjestelmän energiataseesta saadaan hyvä, koska säätöjärjestelmä optimoi digitaalisen järjestelmän jokaista käyttötilannetta varten. Voidaan käyttää myös venttiilikomponentteja, joiden painehäviöt ovat tavanomaista pienempiä. 29
MODERNIA HYDRAULITEKNIIKKAA 1 Suorakäyttöhydrauliikka Suorakäyttöhydrauliikassa (Direct Drive Hydraulics tms.) toimilaitteen nopeutta ohjataan suoraan pumpun pyörimisnopeutta hallitsemalla (servomoottori, taajuusmuuttaja yms.) Energiatase on hyvä, koska kuristavia venttiileitä ei tarvita Hyötysuhde riippuu lähinnä sähkömoottorin ja hydraulisen pumppu-moottorin hyötysuhteista Kehitetään Aalto-yliopistossa M M Periaate 30
MODERNIA HYDRAULITEKNIIKKAA 2 HYDRA-tekniikka - digitaalihydrauliikkaa Digitaalihydraulinen toteutus Kehitetään TTY:llä ja Aallossa PAINEEN SOVITUS paineenmuuntimet p 1 A 1 = p 2 A 2 VARASTO paineakku TEHON KÄYTTÖ toimilaite Erittäin hyvä energiatase, ideat taustalla Pumpun teho on pieni, vastaa keskimääräistä tehoa (EI maksimitehoa) Energia varastoidaan paineakkuun Paineakku tarjoaa tehopiikit, paine muunnetaan (paineenmuuntimilla) siten, että se vastaa toimilaitteen tarvitsemaa Oikea paine tarjotaan toimilaitteelle venttiilillä, jossa virtausta ei kuristeta (pieni painehäviö)! Toimilaitteen kuorman (paino, jarrutus) potentiaalienergia voidaan syöttää takaisin järjestelmän paineakulle () OIKEAN PAINEEN KOHDISTAMINEN on/off-venttiilit TEHONLÄHDE pumppu 31
Hydrauliikka/pneumatiikka -toimintaperiaatteet Hydrauliset järjestelmät : tehon siirto nesteen välittämänä Nesteen kokoonpuristuvuus on vähäinen Järjestelmäpaineet tavallisesti 10 400 bar Korkeat voima- ja momenttitasot suhteessa komponenttikokoihin Pneumaattiset järjestelmät : tehon siirto ilman välittämänä Ilman kokoonpuristuvuus on suuri Järjestelmäpaineet tavallisesti 7 10 bar Matalat voima- ja momenttitasot suhteessa komponenttikokoihin 32
Hydrauliikka/pneumatiikka -komponentit Mekaanisen syöttötehon muuntaminen hydrauliseksi/pneumaattiseksi Hydraulijärjestelmät: Pumppu Pneumaattiset järjestelmät: Kompressori Hydraulisen/pneumaattisen tehon ohjaus tai säätö Venttiilit (suunta-, paine-, virta-, logiikka-), pumput (hydrauliikka) Hydraulisen/pneumaattisen tehon muuntaminen mekaaniseksi Sylinterit, vääntömoottorit, moottorit Järjestelmän ylläpito Suodattimet, lämmönsiirtimet, vedenerottimet, voitelulaitteet 33
Summa summarum Hydraulitekniikalla Voidaan hallita suuria voimia/monentteja (paineet suuria) Voidaan siirtää teho varsin vapaasti sinne minne halutaan (letkut, putket) Voidaan ottaa talteen (potentiaali)energiaa, varastoida sitä ja palauttaa se takaisin prosessiin (paineakut) Voidaan käyttää moottoreita (poltto-, sähkö-) toimintapisteissä, joissa niiden hyötysuhteet ovat parhaimmillaan (säädettävyys, paineakut) Pneumatiikka poikkeaa hydraulitekniikasta Painetason Fluidin kokoonpuristuvuuden takia Hydraulitekniikan ja pneumatiikan kehityslinjat liittyvät etenkin järjestelmätason kehitykseen, uudet arkkitehtuurit ja tavat ohjata 34 järjestelmiä voivat tuoda ainutlaatuista suorituskykyä ja energiatehokkuutta.
Hydraulitekniikan kurssit Aallossa MEC-E5003 - Fluid Power Basics (alkukevät) Hydrauliikan ja pneumatiikan perusteet Komponentit ja yksinkertaisten järjestelmien suunnittelu Hydraulisten suureiden laskenta, laboratorioharjoituksia (hands on) MEC-E5004 - Fluid Power Systems (syksy) Moderni hydraulitekniikka ja katsaus tulevaisuuteen Hands on MEC-E5005 - Fluid Power Dynamics L (syksy) Simulointiin perustuva näkemys komponenttien ja järjestelmien toiminnasta Omien simulointimallien rakentaminen (Matlab - Simulink) 35
Laskuharjoitus - A Virtauskerroin C q Aukon pinta-ala A 0 Paine-ero p Nesteen tiheys Tapaus Koistinen Tutkija Koistinen on tehnyt keksinnön, jossa raskaan taakan potentiaalienergiaa käytetään saunan kiukaan lämmitykseen. Kiuasta lämmittää turbulenttisessa kuristuksessa (A) tapahtuvaan painehäviöön liittyvä tehohäviö. Hydraulinen järjestelmä on kuvan mukainen. Taakka (B) laskeutuu tunnetulla nopeudella alaspäin hydraulisylinterin (C) varassa. Hydraulisylinteriltä saatava virtaus siirtyy hydraulimoottorille (D), joka pyörittää hydraulipumppua (E). Hydraulipumpulta lähtevä virtaus kulkee puolestaan kuristukselle (A), jossa tapahtuva tehohäviö käytetään kokonaisuudessan kiukaan lämmittämiseen. Hydraulisylinteri on kitkaton ja vuodoton, mutta moottorin ja pumpun osalta on otettava huomioon niiden hyötysuhteet. Tehtävä Laske järjestelmän toimintaan liittyvät suureet ja aseta kuristuksen virtausaukon pinta-ala siten, että kuristuksen tehohäviö vastaa pumpun antamaa hydraulista tehoa. q v = C q A 0 2 p ρ
Laskuharjoitus - B Parametrit G 100 000 N kuorman paino v 0.1 m/s kuorman nopeus (alaspäin) A 0.01 m 2 hydraulisylinterin efektiivinen pinta-ala V m,r 6010-6 m 3 hydraulimoottorin kierrostilavuus v,m 0.9 hydraulimoottorin volumetrinen hyötysuhde hm,m 0.95 hydraulimoottorin hydromekaaninen hyötysuhde V m,r 3010-6 m 3 hydraulipumpun kierrostilavuus v,p 0.9 hydraulipumpun volumetrinen hyötysuhde hm,p 0.95 hydraulipumpun hydromekaaninen hyötysuhde C q 0.7 kuristuksen virtauskerroin 870 kg/m 3 hydraulinesteen tiheys 37
Laskuharjoitus - C Vastaukset (huomaa vastausten mittayksiköt!) jokainen tehtävä 2 p. 1. Laskeutuvan kuorman tuottama paine p 1 [bar] 2. Laskeutuvan kuorman tuottama tilavuusvirta q v1 [l/min] 3. Hydraulimoottorin ottoteho P m,otto [W] 4. Hydraulimoottorin ja -pumpun pyörimisnopeus n [1/s] 5. Hydraulimoottorin (anto-) eli pumpun (otto)momentti T [Nm] 6. Hydraulimoottorin antoteho eli pumpun (otto)teho P m,anto [W] 7. Pumpun tilavuusvirta q v2 [l/min] 8. Pumpulta saatava paine toimintatilanteessa p 2 [bar] 9. Pumpulta saatava (anto)teho (kiukaan lämmitysteho) P p,anto [W] 10.Kuristuksen virtausaukon pinta-ala A kuristus [m 2 ]