HYDRAULIIKKA-ALAN KOULUTUSMATERIAALIN LAATIMINEN Atte Elkelä Opinnäytetyö Toukokuu 2012 Auto- ja kuljetustekniikka Auto- ja työkonetekniikan suuntautumisvaihtoehto
TIIVISTELMÄ Tampereen ammattikorkeakoulu Auto- ja kuljetustekniikka Auto- ja työkonetekniikan suuntautumisvaihtoehto ELKELÄ, ATTE: Hydrauliikka-alan koulutusmateriaalin laatiminen Opinnäytetyö 83 sivua Toukokuu 2012 Työssä laadittiin hydraulitekniikkaa käsittelevä koulutusmateriaalipaketti hydrauli- ja pneumatiikkakomponentteihin erikoistuneen yrityksen käyttöön. Materiaalia tullaan hyödyntämään yrityksen tuotetietovarastona sekä koulutuskäytössä niin oman henkilöstön, sopimusyrittäjien kuin mahdollisten ulkopuolisen sidosryhmien kanssa. Materiaali esittelee yrityksen pääasialliset tuoteryhmät, näiden toimintaperiaatteet, käyttöön liittyvät perusteet sekä sovellusesimerkit. Tavoitteena oli luoda kokonaisuus joka koulutuskäytössä auttaisi koulutettavia sisäistämään komponentteihin ja niiden ominaisuuksiin liittyvät perusperiaatteet, jonka seurauksena he kykenisivät hyödyntämään tietoa sekä työn aikana tapahtuvassa oppimisessa että asiakaspalvelutilanteissa. Työnantajayrityksen toiveesta ja materiaalin suuresta määrästä johtuen sitä ei kuitenkaan liitetä opinnäytetyöhön sellaisenaan, mutta hydrauliikan teoria esitellään työn teoriaosassa, ja koulutusmateriaalin toteutusperiaatteet esimerkkeineen työn toteutus -osiossa. Varsinaisen koulutusmateriaalin lisäksi työssä laadittiin materiaalin kokoamiselle ja kehitykselle suuntaa-antavat osaamismääritteet sekä materiaalin käyttöä käsittelevä koulutussuunnitelma. Asiasanat: hydrauliikka, henkilöstökoulutus, oppimateriaali
ABSTRACT Tampereen ammattikorkeakoulu Tampere University of Applied Sciences Automotive Engineering Option of Automotive and Off-Road Vehicle Engineering ELKELÄ, ATTE: Compilation of hydraulic training material Bachelor's thesis 83 pages May 2012 Topic of this thesis was compilation of training material for company specialized in hydraulic and pneumatic technology. This set of training material will be utilized in training both company s own staff, as well as independent entrepreneurs who will be selling and representing their products. Material will also act as storage for product knowledge. Compiled material will introduce the main-products, their functioning principles, basics for using these products and examples of their applications. Main objective was to compile a set of material that would help trainees to internalize the basic knowledge of hydraulic components. This would allow trainees to understand the products and their underlying principles better, which would enable them to solve product-related problems and serve customers more efficiently. Due to large size of the material, and wish from the employer, the material will not be included in this thesis. Instead the theory of hydraulic components will be covered in theory -chapter, along with the principles used in compiling the material. In addition to actual training material, a training plan as well as key-competence definitions were created to guide material development. Key words: hydraulics, staff training, teaching material
4 ALKUSANAT Kiitokset Markku Muraselle, jonka asiantuntemus oli hankkeen onnistumisen edellytys. Kiitos myös Specma Oy:lle työn teettämisestä, sekä henkilöille jotka tavalla tai toisella edesauttoivat hankkeen onnistumista. Tampereella 31.5.2012 Atte Elkelä
5 SISÄLLYS 1 JOHDANTO... 7 2 TYÖN TAUSTA... 9 2.1 Specma Oy... 10 2.2 Specma Oy:n liiketoimintayksiköt... 11 2.3 HydroPiste... 12 3 TIEDONHALLINTA JA OSAAMISEN TEORIA... 13 3.1 Tiedonhallinta... 13 3.1.1 Tiedon tasot yksilön näkökulmasta... 14 3.1.2 Tiedon tasot organisaation näkökulmasta... 14 3.2 Oppimisen teoria... 15 3.2.1 Oppiminen yksilöllisenä prosessina... 15 3.3 Osaamismääritteet... 16 4 HYDRAULIIKKA TEHONSIIRTOMENETELMÄNÄ... 18 4.1 Hydromekaniikan perusteet... 20 4.2 Hydrostatiikka... 22 4.3 Hydrokinetiikka... 24 4.3.1 Virtaustyypit... 25 5 HYDRAULINESTEET... 29 5.1 Nesteiden ominaisuudet... 30 5.1.1 Viskositeetti... 30 5.1.2 Nesteen kokoonpuristuvuus... 31 5.1.3 Lämpötilan muutokset... 31 5.1.4 Kavitaatio... 32 5.1.5 Paineiskut... 32 5.2 Epäpuhtauksien vaikutus nesteessä... 33 5.2.1 Hydraulinesteiden puhtausluokitukset... 34 5.3 Nesteen valinta... 35 5.4 Nesteen käsittely... 35 6 HYDRAULIJÄRJESTELMÄT JA PIIRROSMERKIT... 36 6.1 Piirrosmerkit... 36 6.2 Hydraulijärjestelmät... 39 7 HYDRAULIKOMPONENTIT... 41 7.1 Pumput ja moottorit... 41 7.1.1 Aksiaalimäntäkoneet... 46 7.2 Sylinterit... 49 7.3 Venttiilit... 51
6 7.3.1 Suuntaventtiilit... 51 7.3.2 Virtaventtiilit... 56 7.4 Paineventtiilit... 61 7.5 Järjestelmän ylläpito... 66 8 TYÖN TULOKSET... 70 8.1 Koulutussuunnitelma... 71 8.2 Osaamismääritteet... 72 8.3 Koulutusmateriaali... 73 9 POHDINTA... 81 LÄHTEET... 83
7 1 JOHDANTO Työtehtävien onnistunut hoitaminen edellyttää henkilöstöltä tuotteita ja niiden toimintaa koskevaa tietämystä. Tämä pätee erityisesti laitteisiin ja ajoneuvoihin, jotka muodostuvat monimutkaisista osajärjestelmistä, ja jotka edelleen koostuvat lukuisista komponenteista. Toimiva järjestelmä edellyttää, että komponenteista kootaan saumaton kokonaisuus joka vastaa niin järjestelmälle asetettuihin suoritusvaatimuksiin kuin toimintaympäristön asettamiin haasteisiinkin. Tämä edellyttää komponenttien toiminnan ja siihen vaikuttavien ilmiöiden ymmärtämistä. Sama ymmärrys mahdollistaa myös järjestelmän toiminnan arvioinnin ja siihen liittyvien ongelmien ratkaisemisen. Ymmärrystä voidaan nimittää myös asiantuntemukseksi, mikä oikein kanavoituna antaa tuotteelle huomattavaa lisäarvoa. Asiantuntemus saavutetaan kuitenkin vasta pitkäkestoisen kokemuksen lopputuloksena. Tätä prosessia voidaan kuitenkin nopeuttaa oppimista ja tekemistä kannustavalla ilmapiirillä, sekä tarjoamalla aiheeseen liittyvää koulutusta ja materiaalia selkeänä ja tehokkaasti johdettuna kokonaisuutena. Avainasemassa on jo kertyneen tietämyksen ohjattu ja suunnitelmallinen jakaminen. Tämä edellyttää tiedon keräämistä ja jalostamista jakamisen mahdollistavaan konkreettiseen muotoon, sekä jalostetun tiedon käytön suunnittelua. Opinnäytetyön tarkoituksena on hydraulisteknisiä tuotteita käsittelevän digitaalisen koulutusmateriaalikokonaisuuden luominen, jota tullaan käyttämään yrityksen koulutuskäytössä. Tämän lisäksi materiaali tulee palvelemaan yrityksen tuotetietopankkina, jota voidaan nyt luotavan formaatin vuoksi päivittää tulevaisuudessa vaivattomasti. Tämän lisäksi laaditaan materiaalin käyttöä ohjaava koulutussuunnitelma, sekä materiaalin toteutusta ohjaavat osaamismääritteet. Tavoitteena on luoda selkeä ja helposti omaksuttava materiaalikokonaisuus, joka auttaa hydrauliikkaan perehtymättömiä henkilöitä saamaan peruskäsityksen järjestelmän ja komponenttien toiminnasta, sekä näiden käyttöön liittyvistä seikoista.
8 Materiaali on tarkoitettu läpikäytäväksi asiantuntevan kouluttajan opastuksella, eikä se siten sovellu itsenäiseen opiskeluun. Tavoitteena on myös kuvailla yleisimpien komponenttien toimintaa yksinkertaisella, aiheeseen tutustumista tukevalla tavalla, eikä materiaalia tämän vuoksi käsittele komponenttiryhmiä kovin yksityiskohtaisesti.
9 2 TYÖN TAUSTA Koulutusmateriaalin kehittämistarpeelle löydettiin yrityksessä useita syitä. Yrityksen koulutustehtävistä vastanneille avainhenkilöille oli työurien aikana kertynyt huomattava määrä alan kokemusta hiljaisen tiedon muodossa. Aikaisempi materiaali oli myös verrattain suppeaa, ja sen esittäminen ja käyttö nojasi vahvasti em. henkilöiden henkilökohtaiseen kokemukseen ja osaamiseen. Tämä osaaminen haluttiin muuttaa konkreettiseksi materiaalikokonaisuudeksi, ja siten saattaa se muunkin henkilöstön käyttöön. Kokonaan digitalisoitu materiaali olisi myös helposti ja nopeasti saatavilla eri yksiköiden välillä tarpeen vaatiessa, verrattuna fyysisessä muodossa olevaan materiaaliin. Tuotetiedon sisäisen liikkuvuuden parantamisen lisäksi materiaali mahdollistaisi myös kommunikaation parantamisen Specma Oy:n sidosryhmien kanssa. Lisäksi hankkeen tuloksena luotava malli digitaaliselle koulutusmateriaalille mahdollistaisi materiaalin edelleen kehittämisen ja laajentamisen tulevaisuudessa. Materiaalin pääasiallisena tavoitteena pidettiin kuitenkin tuotteisiin liittyvän tiedon välittämistä itsenäisille ketjuyrittäjille. Ketjuyrittäjillä on usein jonkinasteinen tekninen tausta ja ymmärrys hydraulitekniikasta, mutta edustettujen komponenttien valikoima on varsin laaja, ja komponenttiryhmien sisälläkin vallitsevat erot ovat usein huomattavia. Toiminnan taustalla vaikuttavien ilmiöiden ja toimintaperiaatteiden ymmärtäminen lisäisi yrittäjän tietoisuutta tuotteiden ominaisuuksista ja mahdollisuuksista. Tämä osaaminen välittyisi edelleen varsinaiseen myynti- ja asiakaspalvelutilanteeseen, mikä parantaisi asiakkaan saamaa palvelua.
10 2.1 Specma Oy Specma Oy on hydrauliikan ja pneumatiikan sovellusratkaisuihin erikoistunut yritys, joka myy ja maahantuo edellä mainittujen alojen komponentteja ja toteuttaa asiakkaille näihin liittyviä järjestelmäratkaisuja. Yritys perustettiin alunperin Ruotsissa Specialmaskinen AB:nä 1920-luvulla, ja se keskittyi tuolloin etupäässä kaupankäyntiin. Erikoistuminen hydrauliikkaan tapahtui asteittain 1900-luvun aikana, ja vuonna 1982 syntyi hydrauliikkaan, letkuihin ja suodattimiin keskittynyt Specma Dunlop Hydraulic. Toimintaa laajennettiin edelleen lukuisten yritysostojen kautta. Vuosina 1996-1998 yritykseen liitettiin mm. suomalaiset hydrauliikka-alan yritykset Hymat Oy sekä Kappa Hydro Oy. Tällöin yrityksen nimeksi tuli Specma Hydraulic. Vuosina 2004-2006 liiketoimintaa laajennettiin edelleen yritysostojen kautta pohjoismaisille OEM-, teollisuus-, marine- sekä jälkimarkkinaliiketoiminta-alueille. Konsernin tuotevalikoimaan kuuluvat mm. hydraulijärjestelmien suunnittelu ja toteutus kone- ja telakkateollisuuden tarpeisiin, sekä hydraulikomponenttien myynti ja maahantuonti. Toiminnot on edelleen jaettu omiin liiketoimintaryhmiinsä, joista huomattavimmat ovat OEM Division, System Division sekä Component Division. Yrityksen omistajana on ruotsalainen pääomasijoitusyhtiö Latour. KUVA 1. Specma Oy:n logo (lähde: Specma Oy)
11 2.2 Specma Oy:n liiketoimintayksiköt System Division on erikoistunut teollisuuden ja merenkulun hydraulisiin tehonsiirtoratkaisuihin. Tuotevalikoima kattaa hydraulikoneikot, johdinjärjestelmät sekä yksittäiset komponentit edellä mainituissa sovelluksissa. OEM Division toimittaa hydraulijärjestelmiä ajoneuvoteollisuuden tarpeisiin. OEM Divisionin yksiköitä on olemassa sekä itsenäisinä, että asiakasyrityksiä palvelevina yksikköinä. Viimeksi mainitut tunnetaan workshop -nimisinä, ja näitä on mm. Puolassa, Kiinassa, Brasiliassa ja Yhdysvalloissa asiakasyritysten kokoonpanolaitosten yhteydessä. Component Division on hydrauli- ja pneumatiikkakomponenttien myyntiin ja maahantuontiin erikoistunut liiketoimintayksikkö. Tuotevalikoimaan kuuluvat varaosien ja komponenttien lisäksi myös hydraulikoneikot, letkuasennuspalvelut sekä asiakastuki piirisuunnittelua ja mitoitusta koskevissa asioissa. HydroPiste -verkosto toimii kyseisen liiketoimintayksikön yhteydessä. KUVIO 1. Specma Oy:n organisaatiokaavio (lähde: Specma Oy)
12 2.3 HydroPiste HydroPiste toimii Suomessa Specma Oy:n myynti- ja asiakaspalvelupisteenä. Tähän kuuluvat niin Specma Oy:n omat toimipisteet kuin myös itsenäiset ketjuedustajat, joita vuoden 2012 alussa toimii Suomessa yli 40 paikkakunnalla. Muualla Pohjoismaissa Specma Groupin vastaavat toimipisteet tunnetaan Ruotsissa nimellä SlangSnabben, ja Tanskassa nimellä HydraulPunkten. Yleinen esimerkki on, että kone- ja korjaamoalan yrittäjä päättää lisätä tarjoamiaan palveluita ryhtymällä alueensa HydroPiste-edustajaksi. Tällöin yrittäjä saa käyttöönsä valmiin brändin ja tuotevalikoiman sekä toimivan tuotekonseptin. Lisäksi yrittäjä saa Specma Oy:n tuen edullisten hankintasopimusten ja koulutuspalveluiden kautta. HydroPisteiden asiakaskunta koostuu alueellisista koneurakoitsijoista, kuljetus- ja maatalousyrittäjistä, kunnista sekä hydraulilaitteita käyttävistä muista yrittäjistä. Tuotevalikoimaan kuuluvat hydrauliikka- ja pneumatiikkakomponentit, hydraulinesteet sekä työkalut. Olennainen osa tuotekonseptia on myös letkuasennuspalvelu, jossa asiakkaalle tehdään halutun mittainen hydrauliletku liittimineen paikan päällä. KUVA 2. HydroPisteen logo (lähde: Specma Oy)
13 3 TIEDONHALLINTA JA OSAAMISEN TEORIA 3.1 Tiedonhallinta Organisaation varastoitunutta tietoa voidaan käsitellä aineettomana pääomana, jota voidaan pitää arvokkaana siinä missä tuotemerkkiä tai yrityksen imagoa. Tiedonhallinnan tehtävänä voidaan pitää tavoitetta jalostaa organisaation järjestelemätöntä dataa ja informaatiota käyttökelpoiseen muotoon. Tietoa pyritään siis keräämään, luokittelemaan, jalostamaan ja jakamaan organisaation sisällä. Tiedonhallinta pyrkii käsittelemään niin eksplisiittistä kuin hiljaistakin tietoa, joista viimeksi mainitun osalta käsittely ja kerääminen on varsin hankalaa. Valtaosa organisaatioiden tiedonhallintaprosesseista on vielä epävirallisia tai määrittelemättömiä. (prof. Hannula 2004) Eräs tavoite tiedonhallinnassa voi olla yrityksen työntekijöiden tietämyksen ja ymmärryksen lisääminen, jolloin he olisivat paremmin selvillä liiketoimintaan vaikuttavista seikoista ja niiden välisistä suhteista. Alaan liittyvän tiedon ymmärtäminen johtaa kykyyn käsitellä ja soveltaa saatavilla olevaa tietoa. Tämä puolestaan vaikuttaa positiivisella tavalla työssä tehtäviin ratkaisuihin ja toimintatapoihin, mikä edelleen parantaisi yrityksen kilpailukykyä. (Hannula, 2004) Käytännön esimerkkinä voi olla tuotetietopankin luominen yrityksen tuotteista ja niiden ominaisuuksista henkilöstön käyttöön.
14 3.1.1 Tiedon tasot yksilön näkökulmasta Tieto voidaan yksilön näkökulmasta jakaa tasoihin sen mukaan, miten pitkälle se on ymmärretty. Alimpana tiedon tasoista on data, jolla tarkoitetaan yksittäisiä tiedonpalasia vailla merkitystä, kuten yksittäisiä lukuarvoja. Kun data käsitellään ja järjestetään merkitykselliseen muotoon, siitä tulee informaatiota. Esimerkkinä informaatiosta voidaan antaa yksittäisistä lukuarvoista koostettu taulukko ja kuvaaja, jotka kuvaavat jonkin asian ominaisuuksia (Hannula 2004). Tarpeeksi pitkälle viety ymmärrys mahdollistaa datan käsittelemisen sekä informaatioon liittyvien yhteyksien hahmottamisen. Mittalaitteen käytön hallitseva henkilö ymmärtää mitä tulokseksi saatu lukuarvo tarkoittaa. Tämä mahdollistaa myös mittaustuloksista koostetun kuvaajan ymmärtämisen ja siinä ilmenevän informaation tulkitsemisen. Tällöin henkilö saavuttanut kyvyn informaation analysointiin, sekä kyvyn soveltaa informaatiota ongelmanratkaisuun. 3.1.2 Tiedon tasot organisaation näkökulmasta Organisaatioihin varastoituu ajan myötä huomattavat määrät tuotteisiin ja prosesseihin liittyvää tietoa. Tämä tieto voidaan jakaa kahteen ryhmään, hiljaiseen tietoon ja eksplisiittiseen tietoon. Hiljainen tieto puolestaan on henkilöstön kokemukseen perustuvaa tietoa. Hiljaiselle tiedolle ominaista on hankala dokumentoitavuus ja monistettavuus. Hiljainen tieto voidaan kuvata henkilökohtaiseksi kokemukseksi ja tietyn asian osaamiseksi (Hannula 2004). Eksplisiittinen tieto on helposti tallennettavaa ja käsiteltävää tietoa. Eksplisiittistä tietoa ovat mm. tuotteiden teknisiin ominaisuuksiin liittyvät dokumentit tai yrityksen taloudellisesta tilasta kertovat selvitykset. Eksplisiittistä tietoa voidaan siis mitata, kuvailla selkeästi ja jakaa helposti. Verrattuna eksplisiittiseen tietoon joka voidaan jakaa yksinkertaisena dokumenttina, on hiljaisen tiedon siirtäminen henkilöltä toiselle hyvin vaikeaa ja aikaa vievää.
15 3.2 Oppimisen teoria Yksilön tiedon jalostuminen ymmärryksen tasolle vaatii oppimista. Työtehtävien monimutkaistuminen ja ongelmanratkaisutilanteisiin painottuminen vaatii työntekijöiltä tuotteisiin ja teknologiaan liittyvää ymmärrystä. Ideaalitapauksessa työntekijällä on valmiiksi täydellinen ymmärrys alaan ja työtehtäviin liittyvän tiedon suhteen. Tällöin on mahdollista tulkita ongelman taustalla vaikuttavia tekijöitä ja niiden välisiä yhteyksiä, ja tilanteeseen sopiva ratkaisumalli kyetään luomaan nopeasti ja vaivattomasti. Edellä kuvattu tilanne on kuitenkin harvinainen, ja koska tiedon suora siirto ymmärryksen tasolla on mahdotonta, on oppiminen pitkäkestoinen prosessi joka vaatii niin yksilöltä kuin organisaatiolta aikaa ja panostusta. Organisaation osalta on pyrittävä mahdollistamaan jäsenten oppiminen, sekä luomaan tätä tukeva ympäristö ja kulttuuri mukaan lukien asianmukaiset kannustimet. Nämä eivät kuitenkaan korvaa yksilön omaa motivaatiota, mikä on oppimisen kannalta välttämätön tekijä. Organisaation tuleekin pyrkiä vahvistamaan yksilön motivaatiota kannustamalla ja perustelemalla oppimisen hyödyt yksilölle itselleen (Viitala 2005). 3.2.1 Oppiminen yksilöllisenä prosessina Oppiminen on yksilöllinen prosessi, johon vaikuttavat henkilön tausta, persoonallisuus sekä aikaisemmat tietorakenteet. Nämä tekijät vaikuttavat siihen miten ja millaista informaatiota yksilö kykenee käsittelemään. Mikäli henkilöllä on aihepiiristä aikaisempaa kokemusta, ja hän kokee aiheen itselleen merkitykselliseksi, hän kykenee havaitsemaan ja sisäistämään esitettyä informaatiota paremmin kuin jos hänellä ei olisi mitään käsitystä aiheesta, eikä varsinaista motivaatiota asian oppimiseen (Viitala 2005) Tietorakenteen laajuus sanelee sen, miten yksityiskohtaista informaatiota henkilö kykenee käsittelemään. Käytännön esimerkkinä materiaalin lujuusominaisuuksien muutos voidaan selittää atomitasolla henkilölle jolla on tämän tasoisen tiedon käsittelemisen mahdollistava aikaisempi käsitys aiheesta, mutta asiaan perehtymätön henkilö kokisi kyseisen informaation hämmentäväksi.
16 Muita oppimiseen vaikuttavia tekijöitä ovat yksilön persoona, joka vaikuttaa osaltaan siihen millä tavalla yksilö oppii. Lisäksi oppimistilanteen laatu, kuten mukavuus ja häiriöttömyys vaikuttavat siihen miten hyvin yksilö kykenee sisäistämään informaatiota (Viitala 2005) 3.3 Osaamismääritteet Työntekijän kykyä suoriutua hyvin annetusta tehtävästä voidaan kuvata osaamiseksi. Viitalan (2005) mukaan suorituskyvyn johtamisen kannalta on tavoiteltavaa seurata tekijöitä joiden varassa osaaminen syntyy. Tähän tarkoitukseen voidaan laatia joukko tarkasti määriteltyjä mittareita, joilla voidaan seurata ja arvioida toiminnan kannalta keskeisiä asioita. Haluttujen asioiden seuraamisen lisäksi mittareiden tehtävänä on viestittää henkilöstölle yrityksen tavoitteista ja johdon arvojärjestyksestä. Mittarit siis kertovat siitä mitä asioita yrityksessä pidetään tärkeinä ja seuraamisen arvoisina. Mittareilla on myös oikein valittuna motivoiva vaikutus, sillä ne suuntaavat henkilöstön huomion ja panostuksen mitattaviin asioihin. Vaikutus on huomattavampi, mikäli arvosteluasteikko on rakentava ja positiivinen (Viitala 2005). Mittareiden valinnassa tulee pyrkiä selkeyteen ja johdonmukaisuuteen, oikeudenmukaisuuteen sekä kohtuulliseen määrään. Mittarit tulisi myös suunnata työsuorituksen kannalta olennaisiin asioihin. Arviointiasteikon osalta on hyvä myös noudattaa selkeää, johdonmukaista ja kohtuullista linjaa. Työntekijän suoritusta arvioitaessa asteikko on pidettävä positiivisena ja rohkaisevana. Arvioinnin olisi hyvä olla sanallinen ja selkeä, sillä numeerinen arvostelu saatetaan kokea niukaksi ja lannistavaksi. Sanallisen arviointiasteikon etuna numeeriseen verrattuna on, että se antaa työntekijälle selkeää palautetta tämän osaamisesta ja suoritustasosta. Oikein toteutettu asteikko rohkaisee työntekijää myös kehittämään osaamistaan ja parantamaan suoritustaan (Viitala 2005).
17 Mittarit voivat olla luonteeltaan joko kovia tai pehmeitä. Kovat mittarit pohjautuvat eksplisiittiseen tietoon, ja ne ovat selkeästi mitattavia arvoja. Kovia mittareita voivat olla myynnin määrä tietyssä toimipisteessä, tai henkilöstölle järjestettyjen koulutuspäivien määrä. Kovat mittarit perustuvat siis numeeriseen dataan ja ovat varsin yksiselitteisiä. Pehmeät mittarit puolestaan pohjautuvat sanallisiin arvioihin asioista, joiden mittaaminen on hankalaa. Pehmeät mittarit antavat tietoa asioista jotka kovia mittareita käytettäessä jäisivät pimentoon. Pehmeän mittarin esimerkkinä voi olla yrityksen työilmapiirin sanallinen arviointi.
18 4 HYDRAULIIKKA TEHONSIIRTOMENETELMÄNÄ Hydrauliikassa mekaaninen teho muutetaan pumpun avulla nesteen paineeksi ja virtaukseksi, joka johdetaan putkistoa pitkin toimilaitteelle, missä teho muutetaan jälleen mekaaniseksi. Tehoa välittävänä aineena toimii neste, jossa teho on paineen ja tilavuusvirran muodossa. Hydraulisen tehonsiirron etuna on lähes rajaton tehonsiirtoketjun muunneltavuus, joustavuus sekä komponenttien korkea teho-paino suhde, mikä mahdollistaa toimilaitteiden kokoon nähden suurten voimien tuottamisen. Hydrauliikan etuna on myös portaaton säädettävyys toimilaitteiden liikkeiden, voimien ja nopeuksien osalta. Tämä on edelleen parantunut elektronisen ohjauksen ja automaation tultua osaksi hydraulisia ohjausjärjestelmiä. Käytännön sovellusesimerkkinä voidaan esittää harvesteri, jossa puomiston liikuttelu tapahtuu hydraulisylintereiden ja kääntölaitteen avulla, ja missä hakkupään toiminnot on toteutettu hydraulisesti. Toimilaitteiden ja pumpun lisäksi järjestelmään kuuluvat lukuisat eri komponentit nestevirtojen ohjaukseen sekä järjestelmän ylläpitoon liittyen. Sovelluskohteesta riippuen hydrauliikalla kyetään vastaamaan hyvinkin erilaisiin vaatimuksiin. Haittapuolena hydrauliikassa ovat kohtalainen hyötysuhde, järjestelmien herkkyys epäpuhtauksille sekä tehonsiirrossa käytettyjen nesteiden haitallisuus ympäristölle.
19 KUVA 3. Esimerkkinä hydrauliikan sovelluksesta metsäkoneen puomi ja hakkupää (lähde: www.komatsuforest.fi)
20 4.1 Hydromekaniikan perusteet Voima Voima on vektorisuure (F), jolla on suuruus ja suunta, ja jonka yksikkönä SI-järjestelmässä on Newton (N). SI-järjestelmän perusyksiköillä ilmaistuna 1N = 1 kg m / s 2. Näin ollen yhden Newtonin suuruinen voima aiheuttaisi yhden kilogramman massaiseen kappaleeseen kiihtyvyyden 1 m / s 2. Tämä voiman, massan ja kiihtyvyyden välillä vallitseva yhteys ilmoitetaan Newtonin II laissa; F = m a (1) Käytännön esimerkkinä maan putoamiskiihtyvyyden ollessa 9,81 m/s 2, aiheuttaa yhden kilogramman massainen kappale 9,81 Newtonin suuruisen voiman maan pintaa vastaan.
21 Paine Paine on suure joka ilmaisee tietyn kokoista pintaa vastaan kohtisuoraan vaikuttavan voiman. Paineen yksikkönä SI-järjestelmässä on N/m 2, ja nimityksenä Pascal (Pa). Yhden Pascalin suuruinen paine vastaa yhden Newtonin suuruista voimaa neliömetrin alueella. Nesteillä painovoima vaikuttaa nestemassan kokonaispaineeseen sen mukaan, miten korkea nestepatsas on kyseessä. Tällöin korkean nestesäiliön yläosassa paine olisi hieman matalampi kuin säiliön alaosassa. Kyseessä on hydrostaattinen paine, jonka yhtälö on p = g h ρ (2) Koska merenpinnan tasolla ilmakehän paine on kuitenkin suuruudeltaan 100 000 Pascalia, puhutaan paineen kohdalla usein kuitenkin baareista. Yksi baari vastaa suuruudeltaan lähes normaalia ilmanpainetta, eli 1 bar 10 5 Pa.
22 4.2 Hydrostatiikka Stationääritilan ilmiöitä tarkasteltaessa puhutaan hydrostatiikasta. Hydrostatiikan lait pätevät kuitenkin vain ideaaliselle nesteelle, joka on massaton, kitkaton ja kokoon puristumaton. Tällöin on mahdollista mallintaa ideaalisten piirien toimintaa, vaikka todellisissa piireissä tapahtuukin häviöitä. Hydrostatiikka perustuu Pascalin lakiin: Stationääriseen nesteeseen kohdistuvan voiman vaikutus leviää joka suuntaan nesteessä. Paineen suuruus nesteessä on voima jaettuna pinta-alalla. Paine vaikuttaa aina suorassa kulmassa sitä rajoittavan säiliön pintoihin. KUVA 4. Paineen jakautuminen suljetussa säiliössä Tämä ulkoisen voiman aikaansaama paine on hydraulijärjestelmissä ainoa varsinaisesti merkittävä tekijä, sillä järjestelmän paineet ovat tavanomaisissa sovelluksissa niin suuria ja nesteen korkeus matala, ettei painovoiman aiheuttamalla paineella ole järjestelmän käytännön toimivuuden kannalta merkitystä.
23 Nesteen paineen tasainen jakautuminen on hydrauliikan toiminnan kannalta olennainen tekijä. Mikäli kuvan 4 esittämään säiliöön lisätään toinen mäntä, kohdistuisi paine myös tähän. Toinen mäntä liikkuisi, mikäli paineen aiheuttama voima männän pinta-alalla ylittäisi liikettä vastustavat voimat. KUVA 5. Mäntämekanismi Kuvassa 5 esitetään häviöttömäksi oletettu järjestelmä, jossa mäntään 1 kohdistetaan voima F 1, joka pinta-alan A 1 perusteella saa nesteessä aikaan paineen p. p = F 1 / A 1 (3) Paine jakaantuu säiliössä tasaisesti, ja vaikuttaa myös männän 2 pinta-alalle A 2. Tällöin mäntään 2 kohdistuu voima F 2. F 2 = p A 2 (4) Mäntien kokoerosta johtuen niiden siirtymät eroavat toisistaan, sillä suurempi mäntä syrjäyttää samalla siirtymällä enemmän nestettä. Siirtymät s 1 ja s 2 riippuvat mäntien pinta-aloista seuraavalla tavalla: s 1 /s 2 = A 2 /A 1 (5)
24 Mäntien tekemät työt vastaavat kuitenkin toisiaan, jolloin W 1 = W 2 (6) W n = F n s n (7) Mikäli F 1 voisi kasvaa rajattomasti, nesteen paine nousisi kunnes mäntä 2 liikkuisi voiman F 2 voitettua sitä vastustavat voimat tai säiliö repeäisi. 4.3 Hydrokinetiikka Hydrokinetiikka tarkastelee nesteen virtauksista aiheutuvia voimia ja kykenee siten osaltaan selittämään hydraulisissa Hydrokinetiikka tarkastelee nesteen virtauksista aiheutuvia voimia ja kykenee siten osaltaan selittämään hydraulisissa järjestelmissä tapahtuvia ilmiöitä. Mikäli nesteen sisäisiä kitkoja ei oteta huomioon, puhutaan vapaasta tai ideaalisesta virtauksesta. Virtauslain perusteella putken jokaisessa kohdassa kulkee sama tilavuusvirta läpimitan muutoksista riippumatta. KUVA 6. Virtaus putkiston halkaisijan muuttuessa Olennainen suure on tilavuusvirta Q, joka on nesteen tilavuus V jaettuna virtaukseen kuluneella ajalla t. Q = V / t (8) Tilavuus puolestaan saadaan kertomalla putken pituus sen poikkileikkauksen alalla. V = A l (9)
Toinen vaihtoehto tilavuusvirran laskemiselle on putken poikkileikkauksen alan A kertominen nesteen nopeudella v. 25 Q = A v (10) Kuten edellä todettiin, kulkee virtauskanavan kaikissa kohdissa sama tilavuusvirta. Q 1 = Q n (11) Q 1 = A 1 v 1 (12) Q n = A n v n (13) Tällöin nopeuden on muututtava virtauskanavan koon mukaan. Nopeuden kasvaessa kapeammissa kohdissa nesteen liike-energia siis kasvaa. Energian säilymisen lain mukaan nesteen kokonaisenergia pysyy kuitenkin vakiona, mikä käytännössä tarkoittaa staattisen paineen alenemista virtauskanavan kapeissa kohdissa. 4.3.1 Virtaustyypit Nesteen virtaustyyppi kuvaa nesteen käyttäytymistä sen virtauksen aikana. Virtaustyyppejä on kahdenlaisia. Näitä ovat laminaarinen virtaus sekä turbulenttinen virtaus. Virtaustyypillä on merkitystä järjestelmän toimivuuden ja hyötysuhteen kannalta. KUVA 7. Nestepartikkeleiden liike eri virtaustyypeillä
26 Virtaustyyppi riippuu nesteen nopeudesta. Matalilla nopeuksilla nesteen virtaus on laminaarista, jolloin nestepartikkeleiden liike on suoraviivaista. Neste liikkuu hyvin hitaasti virtauskanavan seinämän läheisyydessä, kun virtauskanavan keskellä liike on nopeinta. Kun nopeus ylittää kriittiseksi arvoksi kutsutun nopeuden, nesteen virtaus muuttuu turbulenttiseksi ja nestepartikkelien liike muuttuu pyörteileväksi. Tällöin osa nesteen liikkeestä suuntautuu väärään suuntaan ja tehonhäviöt järjestelmässä kasvavat. Kriittisen nopeuden ylittämistä pyritäänkin yleensä välttämään hydraulijärjestelmissä. Kriittinen nopeus ei kuitenkaan ole vakio, vaan se riippuu mm. virtauskanavan koosta ja nesteen viskositeetista. Virtaustyyppi voidaan kuitenkin arvioida laskennallisesti Reyonoldsin luvun (R e ) avulla, jonka suuruuteen vaikuttavat mm. virtauskanavan tyyppi, nesteen kinemaattinen viskositeetti ja virtausnopeus.
27 Neste toimii hydrauliikassa tehoa välittävänä aineena, ja sen ominaisuuksien ja käytöksen ymmärtäminen on avainasemassa järjestelmien toimintaa käsiteltäessä. Tehonvälittämisen lisäksi neste myös huoltaa ja ylläpitää järjestelmää. Nesteille asetetaan sovelluskohteiden mukaan toisistaan suuresti eroavia vaatimuksia. Esimerkkinä voivat olla nesteen myrkyttömyys, palamattomuus tai suurten lämpötilavaihteluiden kesto. Elintarvikehydrauliikassa vaaditaan myrkyttömiä nesteitä, kun taas terästehtailla edellytyksinä voivat olla palamattomuus ja korkeiden lämpötilojen kesto. Tässä yhteydessä keskitytään tavanomaisiin teollisuus- ja mobilesovelluksiin. Nestetyypit voidaan jakaa perusnesteen mukaan mm. mineraaliöljypohjaisiin nesteisiin, mutta myös ominaisuuksiensa perusteella biologisesti nopeasti hajoaviin nesteisiin, elintarvikehydrauliikan nesteisiin ja vaikeasti syttyviin nesteisiin. Nesteen tehtäviin kuuluvat tehonvälittämisen lisäksi järjestelmän jäähdytys, korroosion esto, komponenttien voitelu, epäpuhtauksien poistaminen sekä järjestelmän tiivistys. Usein pelkkä perusneste on ominaisuuksiltaan riittämätön vastaamaan kaikkiin sille asetettuihin vaatimuksiin, ja usein nesteet lisäaineistetaan ominaisuuksien parantamiseksi. Lisäaineistuksella on kuitenkin myös haittavaikutuksensa, sillä kemiallinen yhteensovittaminen pakottaa tekemään kompromisseja muiden ominaisuuksien suhteen, ja lisäaineet ovat usein myös myrkyllisiä tai muuten haitallisia. Tämän vuoksi myös biologisesti nopeasti hajoavat öljyt ovat myös haitallisia ympäristölle, vaikkakin vähemmässä määrin kuin tavalliset mineraaliöljypohjaiset nesteet. Hydraulinesteiden luokittelu on standardoitu, ja tällaisia standardeja ovat mm. DIN 51 502 ja ISO 6743/4. Hydrauliikassa teho on tilavuusvirran Q ja paineen p tulo. P = Q p (14) Johtuen todellisissa järjestelmissä tapahtuvista tehonhäviöistä, jää hydraulijärjestelmän hyötysuhde alle yhden. Tähän vaikuttavat osaltaan itse nesteen virtaushäviöt, kuin myös komponenteissa tapahtuvat häviöt. Hydraulikomponenteissa muodostuvat häviöt koostuvat vuotohäviöistä, hydraulisista kitkahäviöistä sekä mekaanisista kitkahäviöistä.
Järjestelmän kokonaishyötysuhdetta voidaan kuvata otto- ja antotehojen osamäärällä, missä antoteho on toimilaitteelta saatu teho, ja ottoteho on järjestelmään tuotu teho. 28 = antoteho / ottoteho (16) Järjestelmien hyötysuhdetta tarkasteltaessa on kuitenkin huomioitava, että hydraulisen laitteen työkierrossa on monia vaiheita joissa osassa ei saada antotehoa lainkaan. Tällöin hyötysuhde putoaa hetkellisesti nollaan. Tällainen tilanne syntyy esim. silloin kun työkone lakkaa työskentelemästä moottorin ja hydraulipumpun yhä käydessä. Hyötysuhdetta pyritäänkin parantamaan vähentämällä ottotehoa, johon eräs keino on pumpun vapaakierrolle päästäminen. Tällöin pumpun tuottama tilavuusvirta ohjataan suoraan tankille.
29 5 HYDRAULINESTEET Neste toimii hydrauliikassa tehoa välittävänä aineena, ja sen ominaisuuksien ja käytöksen ymmärtäminen on avainasemassa järjestelmien toimintaa käsiteltäessä. Tehonvälittämisen lisäksi neste myös huoltaa ja ylläpitää järjestelmää. Nesteille asetetaan sovelluskohteiden mukaan toisistaan suuresti eroavia vaatimuksia. Esimerkkinä voivat olla nesteen myrkyttömyys, palamattomuus tai suurten lämpötilavaihteluiden kesto. Elintarvikehydrauliikassa vaaditaan myrkyttömiä nesteitä, kun taas terästehtailla edellytyksinä voivat olla palamattomuus ja korkeiden lämpötilojen kesto. Tässä yhteydessä keskitytään tavanomaisiin teollisuus- ja mobilesovelluksiin. Nestetyypit voidaan jakaa perusnesteen mukaan mm. mineraaliöljypohjaisiin nesteisiin, mutta myös ominaisuuksiensa perusteella biologisesti nopeasti hajoaviin nesteisiin, elintarvikehydrauliikan nesteisiin ja vaikeasti syttyviin nesteisiin. Nesteen tehtäviin kuuluvat tehon välittämisen lisäksi järjestelmän jäähdytys, korroosion esto, komponenttien voitelu, epäpuhtauksien poistaminen sekä järjestelmän tiivistys. Usein pelkkä perusneste on ominaisuuksiltaan riittämätön vastaamaan kaikkiin sille asetettuihin vaatimuksiin, ja usein nesteet lisäaineistetaan ominaisuuksien parantamiseksi. Lisäaineistuksella on kuitenkin myös haittavaikutuksensa, sillä kemiallinen yhteensovittaminen pakottaa tekemään kompromisseja muiden ominaisuuksien suhteen, ja lisäaineet ovat usein myös myrkyllisiä tai muuten haitallisia. Tämän vuoksi myös biologisesti nopeasti hajoavat öljyt ovat myös haitallisia ympäristölle, vaikkakin vähemmässä määrin kuin tavalliset mineraaliöljypohjaiset nesteet. Hydraulinesteiden luokittelu on standardoitu, ja tällaisia standardeja ovat mm. DIN 51 502 ja ISO 6743/4.
30 5.1 Nesteiden ominaisuudet 5.1.1 Viskositeetti Viskositeetilla tarkoitetaan nesteen kykyä vastustaa virtausta. Viskositeetti on hydraulinesteen osalta tärkeä parametri, ja se kuvaa nesteen käytöstä tietyissä lämpötiloissa. Käytännössä tämä tarkoittaa nesteen virtaus-, voitelu- ja tiivistysominaisuuksia. Liian jäykkä neste virtaisi huonosti, eikä kykenisi muodostamaan voitelukalvoja komponenttien ahtaisiin välyksiin. Liian jäykkä neste aiheuttaa myös pumpun kavitaatiovaara. Liian ohut neste puolestaan vuotaisi komponenttien välysten kautta ulos järjestelmästä, eikä myöskään kykenisi muodostamaan tarvittavaa voitelukalvoa. Kinemaattisen viskositeetin yksikkönä käytetään senttistokea cst (mm 2 /s) Viskositeetti vaihtelee lämpötilan mukaan, mutta hydraulinesteissä tällainen vaihtelu tulisi pysyä pienenä. Nesteen taipumusta viskositeetin muutokseen lämpötilan muutoksissa kuvataan viskositeetti-indeksillä, joka on määritelty DIN ISO 2909 -standardissa. Nesteen viskositeetti riippuu myös paineesta, ja tämä tulee huomioida yli 200 baarin järjestelmissä. Painetason kasvaessa nesteen viskositeetti kasvaa, mutta muutos on lämpötilan vaihteluista aiheutuvia muutoksia pienempi. Lämpötilan osalta viskositeetti kasvaa lämpötilan laskiessa, ja lämpötilalla on huomattava vaikutus nesteen viskositeettiin. Paineen osalta viskositeetti nousee paineen mukana. Paineen vaikutus viskositeettiin on kuitenkin vähäinen verrattuna lämpötilan vaikutukseen. Nesteet jaetaan ISO 3448 -standardin mukaisiin viskositeettiluokkiin sen mukaan, mikä niiden kinemaattinen viskositeetti on +40 C lämpötilassa 10 % vaihtelulla. Viskositeettiluokka ilmoittaa nesteen keskiviskositeetin sekä viskositeetin ala- ja ylärajat. TAULUKKO 1. Viskositeettiluokat 10, 15 ja 22 ISO 3448 mukaan
31 5.1.2 Nesteen kokoonpuristuvuus Hydrauliikassa tavoitteena on että nesteen kokoonpuristuvuus jäisi minimaaliseksi, sillä se vaikuttaa toimilaitteiden tarkkuuteen. Neste kuitenkin puristuu paineen vaikutuksesta aina hieman, mineraaliöljyillä kokoonpuristuvuus on luokkaa 0,7 % jokaiselle 100 baarille. Järjestelmässä kiertävän nesteen kokoonpuristuvuus riippuu siten nesteen määrästä, sekä järjestelmän painetasosta. Kokoon puristuvuus kasvaa kuitenkin huomattavasti, mikäli nesteessä esiintyy ilmakuplia, sillä kaasujen kokoonpuristuvuus on nesteisiin verrattuna huomattavan suuri. Lisäksi toimilaitteiden ja putkistojen laajeneminen vaikuttavaa osaltaan siihen, miten tehokkaasti paine saadaan välitettyä toimilaitteelle. Nesteen kokoonpuristuvuudesta ja komponenttien ei-toivotusta tilavuuksien muutoksesta käytetään nimitystä jousto. Sen haitallisuus ja merkitys riippuu sovelluskohteesta. Suuria liiketarkkuuksia vaativissa työstökoneissa jousto on hyvin haitallinen ilmiö, mutta esimerkiksi maansiirtokoneen toiminta ei häiriydy pienistä joustoista. 5.1.3 Lämpötilan muutokset Nesteen lämpötila saattaa muuttua huomattavasti toiminnan aikana. Etenkin työkoneissa ulkolämpötila voi laskea jopa -35 C alapuolelle, ja työskentelyn aikana nesteen lämpötila saattaa joissain tapauksissa nousta +80 C lukemiin. Nesteen lämpötila pyrkii nousemaan virtaushäviöistä johtuen, sillä nämä muuttuvat lämmöksi. Valtaosa lämmöstä varastoituu nesteeseen, mutta sitä siirtyy myös komponentteihin ja putkistoihin ja sitä kautta edelleen ympäröivään ilmaan. Järjestelmässä virtaavan nesteen lämpötila on toiminnan kannalta tärkeä tekijä, sillä nesteen viskositeetti muuttuu lämpötilan mukaan. Lämpötila pyritäänkin pitämään halutulla tasolla lisäämällä järjestelmään lämmönvaihtimia, yleisimmin jäähdyttimiä.
32 5.1.4 Kavitaatio Kavitaatio on hydrauliikan ei-toivottu ilmiö, joka liittyy hyvin läheisesti viskositeettiin ja virtausnopeuteen. Kavitaatiossa nesteen virtaus muuttuu liian nopeaksi, ja paine laskee niin matalaksi että nesteeseen alkaa muodostua ilmakuplia. Mikäli paine edelleen laskee, neste saavuttaa oman höyrystymispaineensa, jolloin siihen muodostuu myös höyrykuplia. Ilmiö voi tapahtua pumpun imukanavassa, mikäli nestettä imetään sen viskositeettiin nähden liian suurella nopeudella. Pumppuun päädyttyään nesteeseen kohdistuu äkillinen paineen nousu, jolloin ilmakuplat romahtavat kasaan aiheuttaen paineiskuja. Lisäksi saattaa ilmetä ns. mikrodiesel-ilmiö, jossa kuplien paine nousee niin korkeaksi että ne syttyvät palamaan. Kavitaatio vahingoittaa komponentteja, sillä lähellä pintaa tapahtuvat paineiskut kuluttavat osien pintoja ja tekevät niistä pitemmän altistumisen jälkeen epäkuntoisia. 5.1.5 Paineiskut Venttiilin nopea sulkeutuminen tai toimilaitteen törmääminen aiheuttavat virtausnopeuden äkillisen muutoksen. Tästä seuraa paineisku, joka saattaa vaurioittaa järjestelmää. Järjestelmä voidaan kuitenkin suojata paineiskuilta oikealla mitoituksella, kun järjestelmään jätetään ylimääräistä painekapasiteettia voimakkaiden iskujen varalta. Paineiskuja voidaan myös vähentää hidastamalla venttiilien sulkeutumisnopeutta, jarruttamalla toimilaitteen liikettä ennen päätyasennon saavuttamista tai lisäämällä järjestelmään paineiskuja vaimentavia paineakkuja.
33 5.2 Epäpuhtauksien vaikutus nesteessä Hydraulinesteen puhtaus vaikuttaa suuresti järjestelmän toimintaan. Arviolta 70-80% hydraulijärjestelmien toimintahäiriöistä johtuu likaisesta nesteestä. Hydraulikomponenteissa välykset ovat hyvin pieniä, ja ne mitataan mikrometreissä. Tämän vuoksi verrattain pienetkin hiukkaset voivat vioittaa järjestelmää ja haitata sen toimintaa. Epäpuhtauksiksi voidaan luokitella kaikki järjestelmään kuulumaton aines. Tämä käsittää niin kiinteät partikkelit kuin nesteet (etupäässä vesi) ja kaasut (ilma). Epäpuhtauksia päätyy järjestelmään sekä sisäisesti että ulkoisesti. Komponenttien kulumisesta vapautuu pieniä metallipartikkeleita, joista osa jää aina järjestelmän kiertoon lisäten siten kulumista entisestään. Ulkoiset epäpuhtaudet puolestaan tulevat järjestelmän ulkopuolelta, varhaisimmassa vaiheessa jo tehtaalla asennuksen aikana, jolloin järjestelmään päätyy pölyjä ja mahdollisesti metallilastuja. Myös komponenttien asennuksen ja varastoinnin aikana niihin on saattanut jäädä likaa, joka asennuksen yhteydessä päätyy järjestelmään. Myöhemmin järjestelmän varsinaisen käytön aikana siihen siirtyy tiivisteistä huolimatta kosteutta ja ulkoisia likapartikkeleita. Myös huoltotoimista siirtyy järjestelmään aina likaa. Kiinteiden epäpuhtauksien osalta komponenttien välyksiin nähden suurikokoiset partikkelit saattavat tukkia virtauskanavia, mikä heikentää komponenttien toimintaa. Partikkelit saattavat aiheuttaa myös äkillisiä toimintahäiriöitä, sillä suurikokoisemmat partikkelit saattavat jumittaa venttiilien karoja kiilautuessaan karan ja rungon väliin.välyksiä pienemmät partikkelit puolestaan aiheuttavat komponenttien kulumista. Ajan myötä kuluminen johtaa välysten kasvuun ja venttiilin ohjaustarkkuuden heikentymiseen. Nesteistä yleisin epäpuhtaus on vesi, joka on liukenemattomana haitallista. Vesi aiheuttaa metallipinnoilla korroosiota ja kulumista, sekä vanhentaa nestettä ennenaikaisesti aiheuttaessaan ei-toivottuja kemiallisia reaktioita. Nesteeseen jääneet ilmakuplat aiheuttavat nesteen hapettumista ja edesauttavat siten sen vanhenemista. Nesteen mukana kulkevalla ilmalla on myös kavitaation riskiä lisäävä vaikutus. Järjestelmään päätynyt ilma lisää myös nesteen kokoonpuristuvuutta ja heikentää siten toiminnan tarkkuutta.
34 5.2.1 Hydraulinesteiden puhtausluokitukset Hydraulijärjestelmien herkkyys epäpuhtauksille riippuu käytettyjen komponenttien välysten ja virtauskanavien koosta. Epäpuhtaushiukkasia on kuitenkin usean kokoisia, jolloin pelkkä hiukkasten määrästä puhuminen ei anna tarpeeksi selkeää kuvaa nesteen puhtaudesta. Tämän vuoksi järjestelmien puhtautta kuvataan hiukkaskokojakaumilla, joiden pohjalta järjestelmille on laadittu standardeihin perustuvat (ISO 1638 ja NAS 1638) puhtausluokitukset. ISO 1638 -standardin mukainen puhtausluokitus perustuu hiukkasten määrään kolmessa eri kokoluokassa; >4µm, >6µm ja >14µm. Puhtausluokan sallimat hiukkaspitoisuudet näissä luokissa ilmoitetaan kolmena lukuna, esim. 18/16/13, mikä ilmoittaa em. hiukkaskokojen määrän 1 ml nestemäärässä vastaavan taulukkoarvon mukaan. Luku ei siis suoraan tarkoita että näyte sisältäisi 18 kpl >4 µm hiukkasta. NAS 1638 puolestaan käsittää 12 puhtausluokkaa joilla jokaisella on oma sallittu hiukkasmäärä kullekin hiukkaskoolle 100 ml nestemäärää kohden. Usein puhtausluokka määräytyy pienimmän hiukkaskoon mukaan, sillä näitä on nesteessä eniten. TAULUKKO 2. Erikokoisten likapartikkeleiden määrä NAS 1638 puhtausluokassa 5.
35 5.3 Nesteen valinta Nesteen valinta vaikuttaa suuresti järjestelmän toimivuuteen, ja siihen onkin kiinnitettävä erityistä huomiota. Valintaan vaikuttavat sekä järjestelmältä toivotut ominaisuudet että järjestelmän käyttöympäristön sanelemat vaatimukset. Huomioitavia seikkoja voivat olla käyttöympäristön lämpötila ja sen vaihtelut, ympäristöseikat, järjestelmän käyttöpaine ja -aika, erityisvaatimukset kuten myrkyttömyys tai palamattomuus sekä nesteen hinta. Hinnan osalta ei voida puhua ainoastaan nesteen hankintahinnasta, vaan myös käyttökustannuksista. Nesteen vanhenemisnopeus vaikuttaa suoraan huoltoväleihin ja siten huoltokustannuksiin. Lisäksi on huomioitava nesteen mahdollinen vaikutus järjestelmässä käytettyihin materiaaleihin ja tiivisteisiin. 5.4 Nesteen käsittely Nesteen käsittelyssä on huomioitava sen herkkyys epäpuhtauksille. Oikein käsitelty ja varastoitu neste pidentää sekä nesteen että järjestelmän käyttöikää. Osana nesteen käsittelyä ovat varastoinnin lisäksi järjestelmän suodatuksen toimivuudesta huolehtiminen, sekä ohjeiden mukainen näytteenotto nesteen kunnon valvomiseksi. Myös nesteen vaihdossa on huolehdittava järjestelmän asianmukaisesta huuhtelusta epäpuhtauksien poistamiseksi, sekä nestetyyppien yhteensopivuudesta mikäli nestettä joudutaan lisäämään järjestelmään. Vääränlaisten nesteiden sekoittuminen johtaa nestesekoituksen huonoihin ominaisuuksiin, ja mahdolliseen sakan muodostumiseen järjestelmässä. Viimeisenä asiana nesteen käsittelyn suhteen on asianmukainen hävittäminen, sillä hydraulinesteet luokitellaan ongelmajätteeksi.
36 6 HYDRAULIJÄRJESTELMÄT JA PIIRROSMERKIT 6.1 Piirrosmerkit Hydraulipiirien rakenne ilmaistaan standardoituihin piirrosmerkkeihin pohjautuvissa kaavioissa. ISO 1219 -standardi määrittelee komponentteja kuvaavien symboleiden muodot, ja lähestulkoon kaikki hydraulikomponentit voidaan ilmaista näihin pohjautuvien valmiiden symbolien avulla. Piirikaaviot esittävät järjestelmän komponentit sekä niiden väliset kytkennät. Kaavio ei kuitenkaan kuvaa komponenttien sijoittelua todellisessa järjestelmässä, vaan siihen käytetään erillistä kokoonpanopiirustusta. Myös komponenttien tarkemmat tiedot löytyvät erillisestä osaluettelosta, vaikka joitakin olennaisia tietoja voidaan merkitä myös hydraulikaavioon, kuten huollossa huomioitavat kohteet ja varoitukset. Myös ohjauspiiri voidaan esittää omana kaavionaan, etenkin paljon elektroniikkaa sisältävien järjestelmien osalta. KUVA 8. Yksinkertaistettu esimerkki hydraulikaaviosta
KUVA 9. ISO 1219-standardiin perustuvia piirrosmerkkejä 37
KUVA 10. Yleisiä hydraulikaavioissa esiintyviä piirrosmerkkejä (lähde: ISO 1219) 38
39 6.2 Hydraulijärjestelmät Avoin järjestelmä Avoimen järjestelmän tunnusomainen piirre on erillinen nestesäiliö josta neste imetään pumpulle, ja johon neste palaa toimilaitteilta. Avointa järjestelmää käytetään teollisuushydrauliikassa sekä sylinterikäyttöjen yhteydessä, joissa toimilaitteisiin kulloinkin varastoituneen nesteen määrä voi vaihdella huomattavasti. KUVA 11. Esimerkki avoimesta järjestelmästä
40 Suljettu järjestelmä Avoimen järjestelmän vastakohtana voidaan pitää suljettua järjestelmää jossa ei ole varsinaista nestesäiliötä, vaan neste palaa toimilaitteelta suoraan pumpun imupuolelle ja sieltä uudelleen kiertoon. Tällaisia järjestelmä käytetään mm. moottorikäyttöjen yhteydessä, jolloin hydraulinesteellä pyöritetään vakiotilavuuksista moottoria. Suljettu järjestelmä pitää kuitenkin sisällään myös pienen säiliön jonka yhteydessä voidaan toteuttaa mm. nesteen suodatus. KUVA 12. Yksinkertaistettu esimerkki suljetusta järjestelmästä Puoliavoin järjestelmä Kahden edellä mainitun järjestelmän välimuotona on puoliavoin järjestelmä, joka nimensä mukaisesti pitää sisällään molempien järjestelmien piirteitä. Esimerkiksi työkoneissa puoliavoimessa järjestelmässä on oma piirinsä ajomoottoreille, mutta myös erillinen piiri sylintereille ja työlaitteille.
41 7 HYDRAULIKOMPONENTIT 7.1 Pumput ja moottorit Pumput Pumppujen tehtävänä on mekaanisen energian muuttaminen hydrauliseksi. Hydrauliikassa pumput toimivat syrjäytysperiaatteella, eli ne sulkevat nesteen tiivistettyihin kammioihin ja puristavat sen kammiosta painekanavaan. Kammioiden suuri painekuormituskesto mahdollistaa suurienkin paineiden tuottamisen. Syrjäytysperiaatteella toimiva pumppu ei kuitenkaan paineista nestettä ennen kuin nesteen virtausta aletaan vastustaa. Täysin vapaasti virratessa pumppu vain siirtäisi nestettä eteenpäin. Pumppujen toimintaperiaate on kaikissa tapauksissa sama, mutta kammioiden erilaisilla rakenteilla saadaan aikaan hyvinkin erilaisia ominaisuuksia järjestelmän vaatimuksista riippuen. Useimmiten pumput vaativat pyörivää liikettä toimiakseen (akseli), mutta liike voi olla myös lineaarista käsipumppujen tapauksessa. Yleisiä pumpputyyppejä ovat hammaspyöräpumput, ruuvipumput, siipipumput ja mäntäpumput. Tässä yhteydessä mukaan luetaan myös aksiaalimäntäpumput. Pumppujen piirrossymbolit koostuvat ISO 1219 -standardin mukaisesti energian muuntamisyksikköä kuvaavasta ympyrästä sekä pumpun toimintasuuntaa kuvaavasta kolmiosta, ja mahdollisesta säätötilavuusominaisuutta osoittavasta nuolesta. KUVA 13. Pumppujen piirrosmerkkejä
42 Moottorit Moottorit vastaavat rakenteeltaan pumppuja, ja niissä on paljon samankaltaisuuksia. Tämä mahdollistaa pumppujen tavoin erilaisiin vaatimuksiin vastaamisen mm. säädettävyyden, pyörimissuunnan, pyörimisnopeuden ja momentin osalta. Moottorit voidaan jakaa siipi-, hammaspyörä- ja mäntämoottoreihin niiden rakenteen perusteella. Lisäksi moottorit ryhmitellään usein niiden nopeusalueen mukaisiin luokkiin. Pumppujen tavoin jotkin moottorit mahdollistavat myös niiden läpi kulkevan tilavuusvirran säädön. Moottorit esitetään kaavioissa pumppujen tapaan energian muuntamisyksikköinä, mutta erona on toimintasuuntaa osoittavan merkin suunta. KUVA 14. Moottoreiden piirrosmerkkejä Hydraulimoottoreilla kyetään toteuttamaan pyörimisliikettä vaativia sovelluksia, kuten lakaisukoneen harjan pyörittäminen, sekoittimen pyöritys tai harvesterin hakkuupään syöttörullat. Lisäksi hydraulimoottoreilla voidaan toteuttaa työkoneiden ajovoimansiirto tapauksissa joissa mekaaninen voimansiirto on mahdoton tai muutoin hankala toteuttaa.
43 Ulkohammaspyörärakenne Ulkohammaspyörämallisessa rakenteessa kotelon sisällä pyörivä hammaspyöräpari toteuttaa syrjäytysprosessin. Syrjäytyskammiot muodostuvat hammaspyörien ja rungon väliin. KUVA 15. Ulkohammaspyörärakenne Pumppujen tapauksessa hammaspyörät kuljettavat öljyä imupuolelta painepuolelle, missä öljy puristuu hammaspyörien välistä painelinjaan. Tämä aiheuttaa imupuolelle alipaineen ja siten jatkuvan öljyvirran. Hammaspyöräpumput ovat vakiotilavuuksisia pumppuja, mutta niiden tuottoa voidaan säädellä pyörintänopeuden kautta. Pumppumalli on hyvin yleinen edullisen hintansa, laajan kierrosalueensa ja helpon muunneltavuutensa vuoksi. Hammaspyörämoottorien toimintaperiaate on päinvastainen. Tällöin paineliitäntään tuleva öljy pyrkii paine-eron vaikutuksesta siirtymään matalapainepuolelle, mikä alkaa liikuttaa hammaspyöräparia. Hammaspyörämoottoreiden painetaso yltää 200 baarin tasolle. Kierrosnopeudeltaan hammaspyörämoottorit saavuttavat parhaan hyötysuhteen alueella 600-4000 1/min, ja ne kuuluvat nopeakäyntisten moottoreiden ryhmään. Sovellusesimerkkejä ulkohammaspyörämoottorin käytöstä ovat erilaiset pienikokoiset sahauslaitteet sekä tuulettimen pyörittäminen työkoneiden jäähdyttimissä.
44 Siipirakenne Siipipumppujen ja -moottorien rakenne koostuu staattorin sisällä pyörivään roottoriin upotettuihin siipiin, jotka muodostavat syrjäytyskammiot painautuessaan staattorin seinämää vasten. Staattorin muodon vuoksi sen seinämän etäisyys roottorin pinnasta muuttuu roottorin kulma-asemasta riippuen, mikä puolestaan muuttaa syrjäytyskammion tilavuutta kierroksen aikana. KUVA 16. Yksikammioinen siipirakenne Siipipumput voivat olla vakio- tai säätötilavuuksisia. Siipipumppujen kierrosalue on välillä 600-2500 1/min ja sallitut käyttöpaineet välillä 70-180 bar. Monikammioisten siipipumppujen toiminta-arvot ovat kuitenkin edellä mainittuja parempia, ja niiden käyttöpaine voidaan nostaa 280 baariin asti. Siipimoottorit vastaavat rakenteeltaan hyvin pitkälle vastaavia pumppuja. Kyseessä on nopeakäyntinen moottori, joka voi olla vakio- tai säätötilavuuksinen sovelluksesta riippuen. Tavanomainen siipimoottorin kierrosalue on 100-4000 1/min. ja maksimipaineet 80-210 baarin välillä. Yleisiä siipimoottoreiden käyttökohteita ovat hydrauliset puhaltimet ja muut sovellukset joissa moottorilta vaaditaan korkeaa kierroslukua.
45 Gerotor-rakenne Gerotor-rakenne koostuu ulommasta hammasrenkaasta, sekä sisemmästä hammaspyörästä, eli geroottorista. Sekä geroottori että hammasrengas pyörivät samaan suuntaan, ja syrjäytyskammiot muodostuvat näiden väliin jäävään tilaan. Rakenteelle on tyypillistä kokoon nähden suuri kierrostilavuus. KUVA 17. Gerotor-rakenne Gerotor-pumput tuottavat tasaisen tilavuusvirran ja omaavat alhaisen melutason. Moottorit puolestaan omaavat suuren kierrostilavuutensa vuoksi huomattavan vääntömomentin jo matalilla kierroksilla. Gerotor-moottorien yleinen käyntialue on 5-500 1/min, ja painetaso 100-200 bar. Moottorille ominaista on myös mahdollisuus pyöriä molempiin suuntiin, sekä edullinen hinta. Gerotor-moottoreita käytetään mm. ajoneuvojen vetävissä pyörissä ja kuljettimien vetoteloissa.