umppusäädöt Heikki Kauranne Teknillinen korkeakoulu Koneensuunnittelu Hydrauliset koneet 21.3.2
Sisällysluettelo 1. Johdanto eli pumppusäätö vs. venttiilisäätö 2 2. umppusäädöt säätötilavuuspumpuilla 3 2.1 ainesäätö 3 2.2 Tilavuusvirtasäätö 5 2.3 Tehosäätö 6 2.4 aine-tilavuusvirtasäätö 8 2.5 aine-tilavuusvirta-tehosäätö 11 1
1. Johdanto eli pumppusäätö vs. venttiilisäätö Hydraulisten toimilaitteiden, sylintereiden ja moottoreiden, nopeuksien ja voimien/momenttien säätö edellyttää hydraulisten suureiden eli paineen ja tilavuusvirran säätöä. Yksinkertaisin ja toteutuskustannuksiltaan edullisin tapa on käyttää yksinkertaisia venttiileitä, jolloin painesäätö saadaan toteutettua paineenrajoitusventtiilin, tilavuusvirtasäätö virtaventtiilin ja tehosäätö näiden yhdistelmän avulla. Tosin tällaisten järjestelmien nimittäminen säätöjärjestelmiksi on liioittelua, sillä vaikka esimerkiksi paine järjestelmässä tai toimilaitteella saadaan paineenrajoitusventtiilin avulla asetettua halutulle tasolleen, vaihtelee tämä jonkin verran venttiilin ominaisuuksien mukaan. Säätöjärjestelmissä on aina oltava ohjaavalle komponentille joko suora tai johdettu takaisinkytkentä siitä suureesta jota halutaan hallita. Tällaisin yksinkertaisin komponentein toteutetusta järjestelmästä tulisi käyttää nimitystä ohjausjärjestelmä. Todellinen venttiilisäädetty järjestelmä voidaan toteuttaa, kun käytetään sellaisia venttiileitä, joissa on mahdollisuus ohjatun suureen takaisinkytkentään. Takaisinkytkentä voidaan toteuttaa venttiilin mukaan joko hydraulisesti tai sähköisesti. Venttiilisäädettyjen järjestelmien pumppuna on tavallisesti vakiotilavuuspumppu, jonka tuotosta se osa, joka on tarpeeton toimilaitteella, ohjataan syrjään, tavallisimmin takaisin säiliöön, joko paineenrajoitusventtiilin tai virtaventtiilin kautta. Tämä aiheuttaa tehohäviön, joka on sitä suurempi mitä suurempi on toisaalta toimilaitteen tilavuusvirtatarpeen poikkeama vakiotilavuuspumpun tuottotasosta ja toisaalta mitä suurempi on toimilaitteen painetarpeen poikkeama paineenrajoitusventtiilin asetustasosta. Esimerkiksi toimilaitteen liikuttaminen kuormittamattomana, mutta nopeussäädettynä aiheuttaa suuret tehohäviöt. Venttiilisäädettyjen järjestelmien häviöistä johtuen venttiilisäätöä käytetään yleensä vain matalaja keskitehoisissa järjestelmissä. umppusäädetyissä järjestelmissä järjestelmään tuotetaan vain se tilavuusvirta, joka toimilaitteella tarvitaan. Tämä voidaan toteuttaa joko vakionopeuksisella käyttömoottorilla ja säätötilavuuspumpulla tai vakiotilavuuspumpulla ja pyörimisnopeussäädetyllä käyttömoottorilla. Tällöin paineenrajoitusventtiilin kautta ei normaalitilanteessa tarvitse johtaa virtausta, jolloin saavutetaan venttiilisäädettyjä järjestelmiä parempi hyötysuhde, mutta toisaalta toteutuskustannukset ovat näitä suuremmat. Säätötilavuuspumpuissa on mahdollista muuttaa pumpun kierrostilavuutta ja sen avulla pumpun tuottoa. Kierrostilavuuden asettaminen tapahtuu tavallisesti joko hydraulisesti paineen ja asetusmäntien tai mekaanisesti asetusruuvin avulla. aine-, tilavuusvirta- tai tehosäätöjärjestelmän toteuttaminen edellyttää tällöin järjestelmää, joka valvoo säädettävää järjestelmäsuuretta ja ohjaa pumpun kierrostilavuutta ja tuottoa siten, että haluttu suureen arvo saavutetaan. Tällaisia järjestelmiä kutsutaan säätimiksi ja ne koostuvat säätimestä riippuen joko yhdestä pumpun yhteyteen kytkettävästä komponentista (venttiilistä) tai useammasta venttiilistä, anturista ja ohjaimesta. Kierrostilavuuden hallinta edellyttää jatkuvaa virtausta säätimen kautta säiliöön. Tämä aiheuttaa järjestelmässä tehohäviön, jonka suuruus on kuitenkin hyvin pieni verrattuna venttiilisäätöjärjestelmien häviöihin. Toinen tapa toteuttaa pumppusäätö on käyttää vakiotilavuuspumppua ja säätää sen käyttömoottorin pyörimisnopeutta. Tällöin edellämainittu säätimen vuoto jää pois, jolloin voidaan päästä vieläkin parempiin hyötysuhteisiin kuin säätötilavuuspumppuja käytettäessä. Käyttömoottorin pyörimisnopeutta säädetään tavallisimmin taajuusmuuttajan avulla, jolloin paine-, tilavuusvirta tai tehosäätöjärjestelmän toteuttaminen edellyttää sitä, että takaisinkytkentätieto säädettävästä järjestelmäsuureesta saadaan sähköisessä muodossa. Taajuusmuuttajakäyttöjen haittana säätötilavuuspumppuihin verrattuna on niiden kalliimmat toteutuskustannukset, säädön hitaampi toiminta sekä pumppujen pyörimisnopeuksille asettamat rajat. Toistaiseksi pyörimisnopeussäädettyjen pumppujen käyttö hydrostaattisissa korkeapainejärjestelmissä on vähäistä. 2
2. umppusäädöt säätötilavuuspumpuilla Seuraavaksi käydään läpi säätötilavuuspumppuihin perustuvat eri järjestelmäsuureiden perussäädöt eli painesäätö, tilavuusvirtasäätö ja tehosäätö sekä näiden yhdistelmiä. Säätimien rakenteet, niiden sisältämät komponentit eli venttiilit sekä ohjaustavat vaihtelevat säätimien, pumppujen ja valmistajien mukaan, mutta perusideat säätöjen toteuttamisessa ovat samoja. Kuvassa 1 on esitetty tyypillinen hydraulisesti ohjattu aksiaalimäntä- eli vinolevypumppu, jonka kierrostilavuutta saadaan muutettua vinolevyn kulmaa muuttamalla. Vinolevyä ohjataan paineen ja asetusmäntien, kuvan ylin ja alin mäntä, avulla. Ylempään asetusmäntään kohdistuu jatkuvasti pumpun lähtöliitännän paine ja siten se siis pyrkii kääntämään vinolevyä maksimikierrostilavuudelle. Asetusmäntä on varustettu työntävällä jousella, koska käynnistettäessä pumpun tulee olla maksimikierrostilavuudellaan. Kierrostilavuutta säädetään muuttamalla alempaan säätömäntään kohdistuvaa painetta. Jotta säätö olisi mahdollinen, tulee alemman säätömännän paineenalaisen pinta-alan olla ylemmän männän pinta-alaa suurempi. Kuvan pumpussa säätömäntien pinta-alasuhde on 1:4. Kuva 1. Aksiaalimäntäpumppu Rexroth A1. 2.1 ainesäätö ainesäätöjärjestelmässä pumppu varustetaan säätimellä, joka valvoo pumpun lähtöliitännässä vallitsevaa painetta ja säätää kierrostilavuutta siten, että lähtöliitännän paine pysyy toimilaitteiden tilavuusvirtatarpeesta riippumatta asetetussa arvossaan edellyttäen, että toimilaitteiden tilavuusvirtatarve ei ylitä pumpun tehollisen lähtötilavuusvirran maksimiarvoa kyseisessä toimintapisteessä. aineen asetusarvo asetetaan säätimestä ja ohjaustavasta riippuen joko mekaanisesti säätimessä olevien jousten tai sähköisesti sähkömagneetin avulla. Kuvassa 2 on esitetty mekaanisen painesäätimen piirikaavio. Säätimessä olevan jousen esikiristyksellä asetetaan haluttu painetaso. 3
A T I Y Kuva 2. ainesäädin. Kuvassa 3 on esitetty painesäätimellä varustetun pumpun staattisia ominaisuuksia kuvaava käyrästö, josta käy ilmi, että asetuspainetason saavuttamiseen asti pumppu toimii lähes maksimikierrostilavuudellaan. Kun paine pumpun lähtöliitännässä on saavuttamassa asetuspaineen tason alkaa säädin pienentää pumpun kierrostilavuutta ja tuottoa, mikä näkyy ominaiskäyrän jyrkkänä laskuna kohti nollatilavuusvirtaa. Tämän vaiheen kulmakerroin kuvaa säätimen herkkyyttä. p b q V2 Asetusalue Kuva 3. ainesäätimellä varustetun pumpun staattiset ominaisuudet. Ominaiskäyrän loppuvaiheen jyrkällä osuudella pumpun tuotto säätyy vastaamaan toimilaitteen tai toimilaitteiden tilavuusvirtatarvetta, joka puolestaan määräytyy toimilaitetta ohjaavan venttiilin, tavallisimmin suuntaventtiilin asetuksen perusteella. Säätöpaineen asetusarvo tulee asettaa halutun kuormanpaineen ja suuntaventtiilissä sallittavan painehäviön summan suuruiseksi. Kun suuntaventtiiliä avataan, on seurauksena sen aiheuttaman painehäviön lasku, jolloin myös paine pumpun lähtöliitännässä laskee. Tämän seurauksena säädin kasvattaa pumpun kierrostilavuutta kunnes kasvanut tuotto aiheuttaa suuntaventtiilissä riittävän suuren painehäviön. 4
Suuntaventtiilin sulkeminen puolestaan nostaa pumpun lähtöliitännässä vallitsevaa painetta, jolloin säädin pienentää kierrostilavuutta ja tuottoa, jolloin toimilaitteiden liikenopeudet laskevat. Mikäli suuntaventtiili suljetaan tai toimilaite ei liiku, asettuu pumppu minimituotolleen, jonka suuruus riippuu toimintapisteessä vallitsevista järjestelmän vuodoista, joihin kuuluvat myös pumpun rakenteen ja säätimen vuodot. Täten järjestelmän paine pysyy asetetulla tasollaan. ainesäätimeltä vaaditaan toisaalta suurta nopeutta, vasteajat ovat tyypillisesti luokkaa 2 5 ms, ja toisaalta säädön stabiiliutta eli säätimen ei tule reagoida järjestelmästä tuleviin häiriöihin. Säädön hyötysuhteeseen vaikuttaa säätimen kautta kulkeva vuotovirtaus, jonka tulisi olla mahdollisimman vähäinen. 2.2 Tilavuusvirtasäätö Tilavuusvirtasäätöjärjestelmässä pumppu varustetaan säätimellä, joka valvoo pumpun lähtötilavuusvirtaa halutussa järjestelmän kohdassa ja säätää kierrostilavuutta siten, että haluttu virtausmäärä saavutetaan edellyttäen, että tilavuusvirtatarve ei ylitä tehollisen lähtötilavuusvirran maksimiarvoa kyseisessä toimintapisteessä Tilavuusvirtasäädön toteuttaminen edellyttää tilavuusvirran mittaamista pumpun lähtöliitännästä ja tämän mittaussignaalin muuttamista painesignaaliksi, sillä kierrostilavuuden ohjaus perustuu asetusmäntiin vaikuttaviin paineisiin, kuten edellä on esitetty. Muunnos tilavuusvirtatiedon ja painetiedon välillä on helppo toteuttaa kuristuksen avulla, sillä kuristuksen yli vallitsevan paine-eron suuruus riippuu kuristuksen läpäisevästä tilavuusvirrasta. Jotta pumppu saataisiin säätämään tilavuusvirtaa, tulee siis pumpun lähtölinjaan sijoittaa kuristus ja pumppua ohjata kuristuksen yli vallitsevan paine-eron avulla. Tämä edellyttää, että säätimessä on oltava kaksi paineohjaussignaalituloa. A X T I Y Kuva 4. Tilavuusvirtasäädin. Kuvassa 4 on esitetty tilavuusvirtasäätimen piirikaavio umpun lähtöliitännässä oleva vastusventtiili toimii tilavuusvirtamittarina, mutta ei kuulu itse säätimeen. Säätimessä olevan jousen avulla asetetaan se paine-ero, jonka halutaan vallitsevan kuvan vastusventtiilin eli mittakuristimen yli. Mitä suuremmaksi tämä arvo asetetaan sitä herkempi tilavuusvirran säädöstä tulee, tavallisesti paine-eron arvoksi asetetaan 1 2 bar. 5
Kuvassa 5 on esitetty tilavuusvirtasäätimellä varustetun pumpun staattisia ominaisuuksia kuvaava käyrästö. umppu pyrkii pitämään mittakuristimen yli vallitsevan paine-eron ja siten myös lähtötilavuusvirran vakiona järjestelmän painetasosta riippumatta. umpun tuoton suuruus määrätään mittakuristimen asetuksella. Mikäli mittakuristinta avataan, tulee sen läpäisevän tilavuusvirran olla suurempi, jotta säätimeen asetettu paine-eroarvo saavutetaan. Tällöin säädin kasvattaa pumpun kierrostilavuutta ja tuottoa. Mikäli mittakuristinta suljetaan, aiheuttaa jo pienempi kuristimen läpäisy vaadittavan suuruisen paine-eron, jolloin pumpun tuotto säätyy pienemmälle. Mittakuristimena voi toimia myös toimilaitetta ohjaava suuntaventtiili. q V2 Asetusalue q V2 q b Kuva 5. Tilavuusvirtasäätimellä varustetun pumpun staattiset ominaisuudet. 2.3 Tehosäätö Tehosäätöjärjestelmässä pumppu varustetaan säätimellä, joka valvoo pumpun lähtöliitännän vallitsevan paineen ja lähtötilavuusvirran tuloa eli hydraulista tehoa ja säätää kierrostilavuutta siten, että teho pysyy toimilaitteiden tilavuusvirtatarpeen tai painetarpeen vaihteluista riippumatta vakiona. Tällöin esimerkiksi painetarpeen kasvaessa pumpun tuotto säätyy pienemmälle ja toisaalta tilavuusvirtatarpeen kasvu johtaa painetason laskuun. Hydraulisen tehon ollessa vakio saa säädön ominaiskäyrä paine-tilavuusvirtakoordinaatistossa hyperbelin muodon, kuva 6. Tämän ominaiskäyrän saavuttaminen tarkasti on mahdollista hyperbelisäätimellä, jonka eräs toteutustapa on esitetty kuvassa 7. Tällaisella säätimellä saavutetaan optimaalinen tehonsäätö, sillä säädin seuraa vakiotehokäyrää tarkasti. 6
q V2 h Kuva 6. Vakiotehokäyriä. A T I Y Kuva 7. Tehosäädin, ominaiskäyrä hyperbolinen. Toisaalta hyperbelikäyriä voidaan myös lineaariapproksimoida paloittain kahdella tai useammalla yhtyvällä suoralla, kuten kuvassa 8. Suorat toteutetaan säätimessä olevin jousin, joiden määrästä riippuu kuinka monesta palasta approksimaatio muodostuu ja kuinka tarkasti hyperbelikäyrä saadaan kuvattua. oikkeamat hyperbelikäyrästä merkitsevät poikkeamaa tavoitetehosta. Mikäli toimilaitteiden painetarve kasvaa yli säädön maksimipaineen, laskee pumpun tuotto nopeasti, mikä näkyy ominaiskäyrän jyrkkyytenä painealueen maksimiarvoilla. Vastaavasti tilavuusvirtatarpeen kasvu johtaa lopulta siihen, että pumppu saavuttaa maksimikierrostilavuutensa, minkä jälkeen se ei enää pysty vastaamaan kasvavaan tilavuusvirtatarpeeseen, vaan paine laskee nopeasti, mikä näkyy ominaiskäyrän muutoksena painealueen minimiarvoilla. 7
q V2 Approksimaatiokäyrät h Kuva 8. Vakiotehokäyrien approksimointi. 2.4 aine-tilavuusvirtasäätö ainesäädintä käytettäessä säädin pyrkii ylläpitämään pumpun lähtöliitännässä asetuspaineen suuruista painetasoa. Lähtöliitännässä vallitseva paine koostuu periaatteessa toimilaitteen kuormanpaineesta ja toimilaitetta ohjaavassa suuntaventtiilissä syntyvästä painehäviöstä. Mikäli kuormanpaine laskee, kääntää säädin kierrostilavuutta suuremmaksi tarvittaessa aina maksimiarvoon asti kasvattaakseen tuottoa ja lisätäkseen siten suuntaventtiilissä syntyvää painehäviötä, jotta lähtöliitännän paine pysyisi asetetulla tasollaan. Alhaisilla kuormanpaineilla tämä johtaa suuriin painehäviöihin suuntaventtiilissä ja järjestelmän hyötysuhteen laskuun. Mikäli järjestelmässä ei tällaisissa tilanteissa tarvita pumpun maksimituottoa, voidaan parempaan hyötysuhteeseen päästä yhdistämällä painesäätimeen tilavuusvirtasäädin, joka rajoittaa pumpun maksimituoton. Kuvassa 9 on esitetty Rexroth A1-sarjan pumpuissa käytettävä paine-tilavuusvirtasäädin (DFRsäädin). Ylemmällä säätimellä määrätään mittakuristimen säätöpaine-ero tilavuusvirtasäätimen kaltaisesti ja alemmalla määrätään vakiopainetaso. Kuva 9. aine-tilavuusvirtasäädin. 8
Kuvassa 1 on esitetty paine-tilavuusvirtasäätimen piirikaavio. Mittakuristimena toimiva vastusventtiili pumpun lähtölinjassa ei kuulu säätimeen, vaan on erillinen komponentti kuten tilavuusvirtasäätimessäkin. Säätimen oikeanpuoleinen venttiili vastaa kuvan 9 ylempää säätöventtiiliä ja vasemmanpuoleinen alempaa. A X T I Y Kuva 1. aine-tilavuusvirtasäädin. Kuvassa 11 on esitetty paine-tilavuusvirtasäätimellä varustetun pumpun staattisia ominaisuuksia kuvaava käyrästä, joka on painesäätimen ja tilavuusvirtasäätimen kuvaajien yhdistelmä. p b q V2 Asetusalue q V2 q b Asetusalue Kuva 11. aine-tilavuusvirtasäätimellä varustetun pumpun staattiset ominaisuudet. 9
2.5 aine-tilavuusvirta-tehosäätö Mikäli järjestelmässä, jossa käytetään paine-tilavuusvirtasäätimellä varustettua pumppua, ei tarvita pumpusta saatavaa maksimitehoa eli maksimitilavuusvirtaa maksimipaineella, syntyy järjestelmässä tällaista säädintä käytettäessä ylimääräisiä, järjestelmän hyötysuhdetta heikentäviä tehohäviöitä. Kun tällaiseen säätimeen lisätään tehosäädin, saadaan syntyvän häviötehon määrää pienennettyä. Kuvassa 12 on esitetty paine-tilavuusvirta-tehosäätimen piirikaavio. A X T I Y Kuva 12. aine-tilavuusvirta-tehosäädin, ominaiskäyrä muodostuu jousten ominaiskäyristä. q V2 1
Kuva 13. aine-tilavuusvirta-tehosäätimellä varustetun pumpun staattiset ominaisuudet. Kuvassa 13 on esitetty paine-tilavuusvirta-tehosäätimellä varustetun pumpun staattisia ominaisuuksia kuvaava käyrästö. Ominaiskäyrät on piirretty säätimelle, joka approksimoi tehohyperbeliä kahden jousen ominaiskäyrän avulla. Tässä säädinkokonaisuudessa tehosäädinosuus toimii tehoa rajoittavana tekijänä, mutta sallii, toisin kuin pelkkä tehosäädin, pumpun käyttämisen asetettua tehorajaa pienemmillä tehoilla. 11