AUTOMAATIOTEKNIIKAN LUENNOT (2008) OSA 2

AUTOMAATIOTEKNIIKAN LUENNOT (2008) OSA 2 KOULUTUSOHJELMAT: Muovitekniikka Puutekniikka SISÄLLYSLUETTELO: 5. HYDRAULIIKKA 2 5.1. JOHDANTO 2 5.2. HYDRAULINESTEET 6 5.3 HYDRAULIPUMPUT 11 5.4 PAINEVARAAJAT 21 5.5 HYDRAULIIKKAVENTTIILIT 24 5.6 HYDRAULISYLINTERIT 36 5.7 HYDRAULIMOOTTORIT 39 5.8 MUUT HYDRAULIJÄRJESTELMÄN KOMPONENTIT 43 5.9 HYDRAULIJÄRJESTELMÄT 46 5.10 SERVO- JA PROPORTIONAALITEKNIIKKA 47 5.11 PATRUUNATEKNIIKKA 53 5.12 VESIHYDRAULIIKKA 55 5.13 HYDRAULIJÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU 58 1

5. HYDRAULIIKKA 5.1. JOHDANTO 5.1.1 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. 5.1.2 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

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. 5.1.3 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

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 = 0,980665 bar = 98066,5 Pa 1 atm = 1.01325 bar = 101325 Pa 1 psi =1 lbf/in2=0,068948 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

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 * v2 5.1.4 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

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 35-65 C. Synteettisiä hydraulinesteitä käytettäessä voidaan lämpötilaa nostaa huomattavasti. Tällöin järjestelmän tiiviste- ym. materiaalit on valittava käyttölämpötilan mukaisiksi. 5.2. 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

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= 100 150 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 990-1000 kg/m3 Vettä öljyssä -emulsio 950 kg/m3 HFC- nesteet 1040-1450 kg/m3 HFD-nesteet 1150-1450 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

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. 5.2.3 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 51524 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

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 10-15 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

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 40-60 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 35-60 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

5.3 HYDRAULIPUMPUT 5.3.1 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 5.3.2 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. 5.3.2.1 Ulkopuolisesti sivuavat Yleensä kaksipyöräinen o tiivistys ryntökohdassa o toinen pyöristä vetävä 11

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 500-5000 r/min. Saavutettavat paineet vaihtelevat 140-210 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

5.3.2.2 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 500-4000 r/min ja suurimmat käyttöpaineet ovat suuruusluokkaa 100-140 bar. Kokonaishyötysuhde on parhaimmillaan luokkaa 0,93. Kuva 5.4 Hammasrengaspumppu eli gerotor-pumppu. 13

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 17-20 bar. Pumpun imukyky ja kestävyys ovat hyviä, mutta hyötysuhde melko huono juuri sisäisten vuotojen takia. 5.3.4 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

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

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 600-2500 r/min. Painealue vaihtelee alueella 70-210 bar. Tuotto on tasainen, edullinen, mutta arka likaiselle öljylle. 5.3.5 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. 5.3.5.1 Rivimäntäpumput Kuva 5.8 Makaava kaksimäntäinen rivimäntäpumppu. 16

usein kampimekanismi (nopeissa epäkesko) jakoelimenä vastaventtiilit yleensä makaavia hidaskäyttöisiä maksimipaineet 100Mpa eräs käyttösovellutus on dieselmoottoreiden polttoaineen syöttöjärjestelmät 5.3.5.2 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

Kuva 5.10 Pyörimättömällä sylinteriryhmällä varustettu säteismäntäpumppu..mäntä on radiaalisesti akseliin nähden ja jakoeliminä ovat vastaventtiilit. Kierrostilavuutta ei voi säätää. 5.3.5.3 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

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 350...500bar, jatkuva työpaine on 250...350 bar. Hyötysuhde on parhaimmillaan n. 0.95. Aksiaalimäntäpumput ovat melko hiljaisia ja kestäviä. Mäntien lukumäärä on pariton ja vaihtelee välillä 5...11 kpl. Rakenteen monimutkaisuus lisää pumpun hintaa. Pumppuja valmistetaan kiinteä- ja säätötilavuuksina. 5.3.6 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

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

5.4 PAINEVARAAJA 5.4.1 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. 5.4.2 Rakenteet Varastointi massaa nostamalla: - nykyisin historiaa - kooltaan suuria Varastointi jousta jännittämällä: - jousi kiinteä tai säädettävä - energialataus varastoidaan jousienergiana 21

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

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

Pikaliikkeiden aikaansaaminen: Sylinterikäytössä suurta tilavuusvirtaa voidaan tarvita esimerkiksi pikaliikkeiden aikaansaamiseksi. Pikaliikkeessä kuormittamaton sylinteri on saatava mahdollisimman nopeasti toiseen ääriasentoon. 5.5 HYDRAULIIKKAVENTTIILIT 5.5.1 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

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 32. 5.5.2 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

5.5.2.1 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

5.5.2.2 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. 5.5.2.3 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

5.5.2.4 Paine-eroventtiili Kuva 5.22 Paine-eroventtiili pyrkii pitämään vakiopaine-eron tulo- ja lähtöpuolen välillä. 5.5.2.5 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

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

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. 5.5.3 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

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

Tavallinen virranjakoventtiilin tehtävä on tahdistaa kaksi toimilaitetta esimerkiksi sylinteriä niin, että ne suorittavat liikkeensä yhtä aikaa. Säätöominaisuuksiltaan parhaita venttiileitä ovat paine- ja lämpötilakompensoidut virranjakoventtiilit. 5.5.4 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

Kuva 5.25 Ohjattuvastaventtiili (aukeaa molempiin suuntiin) ja käyttöesimerkki. 5.5.5 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

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

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

5.6 HYDRAULISYLINTERIT 5.6.1 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 5.6.2 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

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

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. 5.6.4 Erikoissylinterit 5.6.4.1 Läpimenevällä männänvarrella varustettu voima ja nopeus sama molempiin suuntiin kestää taivutusta paremmin 5.6.4.2 Differentiaalisylinteri normaalia paksumpi männänvarsi tietty suhde erisuuntaisille voimille ja nopeuksille (yleisin 2:1) 5.6.4.3 Teleskooppisylinteri kallis suuri iskunpituus verrattuna lepopituuteen 5.6.4.4 Vääntösylinteri kääntökulma on usein alle 360 siipi tai hammastanko 38

5.7 HYDRAULIMOOTTORIT 5.7.1 Yleistä Hydraulimoottorit muuttavat hydraulisen energian mekaaniseksi energiaksi eli pyöriväksi liikkeeksi ja vääntömomentiksi. Ne muistuttavat rakenteeltaan vastaavia pumppuja. Toiset tyypit voivatkin toimia sekä moottoreina ja pumppuina. Moottorit voidaan jakaa pyörimisnopeutensa mukaan hidaskäyntisiin ja nopeakäyntisiin. Hidaskäyntimoottorit ovat hitaasti pyöriviä, mutta ne tuottavat hyvin pienillä pyörimisnopeuksilla lähes maksimivääntömomenttinsa. Nopeakäyntimoottorit puolestaan pyörivät nopeasti ja niiden suurimmat vääntömomentit saadaan käyntinopeusalueen yläosassa. Moottorit voidaan jakaa pyörimisnopeutensa mukaan seuraavasti: Hydraulimoottoreita käytetään yleensä kohteissa, joissa niiden pyörimisnopeutta on voitava säätää. Käyttö on usein sellaista, jossa ajon aikana esiintyy massan kiihdytys, tasainen ajovaihe ja pysäytys. Moottoria on voitava usein ajaa edestakaisin pyörimissuuntaa vaihtaen. Käytön aikana voi esiintyä negatiivista kuormaa, jolloin moottorin on jarrutettava ja pidettävä karkaamaan pyrkivä kuorma hallinnassa. Suurimmat säätömahdollisuudet ovatkin järjestelmissä, joissa säätötilavuuspumppu pyörittää säätötilavuusmoottoria. Rakenteeltaan hydraulimoottorit voivat olla hammaspyörä-, siipi- tai mäntämoottoreita. Lisäksi ne voivat olla vakio- tai säätötilavuuksisia. 5.7.2 Hammaspyörämoottori Hammaspyörämoottoreita on kahta tyyppiä kuten pumppujakin eli ulko- ja sisäryntöiset mallit. Ulkoryntöisissä hammaspyörämoottoreissa pyörät sivuavat toisiaan ulkokehältään, kun taas sisäryntöisessä hammaspyörät ovat sisäkkäin. Ulkoryntöiset hammaspyörämoottorit ovat nopeakäyntisiä ja niiden pyörimisnopeusalue on 500-4000 r/min. Sisäryntöiset-gerotor-moottorit ovat keskinopeusalueen moottoreita ja niiden pyörimisnopeusalue on 200-1000 r/min. Toinen sisäryntöinen moottorimalli on ns. orbitaalimoottori, jonka pyörimisnopeusalue on 5-2000 r/min. Orbitaalimoottorille ei ole vastinetta pumpuissa. 39

Ulkoryntöiset hammaspyörämoottorit ovat vakiotilavuuksisia ja eroavat pumpuista sisäiseltä rakenteeltaan. Niissä on ulkoinen vuotoliitäntä.ulkoryntöinen hammaspyörämoottori ei ole hydraulisesti tasapainossa. Moottorin käyntiinlähtömomentti onkin pieni ja sen käyntiominaisuudet pienillä kierroslukualueilla eivät ole hyvät. Moottoreita voidaan käyttää sekä avoimissa että suljetuissa hydraulijärjestelmissä. Gerotor-moottorit vastaavat rakenneominaisuuksiltaan sisäryntöisiä hammasrengaspumppuja. Ne ovat vakiotilavuuksisia moottoreita, joissa sisä- ja ulkohammaspyörät pyörivät toisiinsa nähden. Moottorin kierrostilavuus on melko pieni samoin kuin siitä saatava vääntömomenttikin. Orbital-moottori eroaa edellä olevasta gerotormoottorista siinä, että sen rakenteesta johtuen kukin hammaslovi täyttyy monta kertaa kierroksen aikana. Jos sisähammaspyörässä on kuusi hammasta ja ulkohammaspyörässä seitsemän, niin yhden kierroksen aikana täyttyy 42 hammaslovea. Näin sen kierrostilavuus on pumpun kokoon nähden suuri ja siitä saadaan suuri vääntömomentti. Moottorin käydessä sisähammaspyörä vierii staattorikehää pitkin, jolloin sen hampaat vuoron perään työntyvät kehän hammastiloihin ja niistä pois. Hammaspyörä on kytketty jakoventtiiliin,joka pyörii sen mukana avaten ja sulkien paineja paluukanavan sopivaan aikaan. Moottori on vakiotilavuuksinen. Kuva 5.30 Orbital-moottorin rakenne. 5.7.3 Siipimoottorit Siipimoottorit voivat olla nopea- tai hidaskäyntisiä. Niiden rakenteet ovat vastaavia siipipumppujen kanssa. Kuva 5.31 Siipimoottorin rakennekuva. 40

Monikammioinen rakenne on mahdollinen vain vakiotilavuuksisissa siipimoottoreissa. Säätötilavuuksiset siipimoottorit ovat yksikammioisia ja niiden kierrostilavuuden säätö tapahtuu muuttamalla roottorin ja staattorin välistä epäkeskisyyttä. Paineen epätasainen jakautuminen rasittaa moottorin laakereita ja pienentää siitä saatavaa vääntömomenttia. Hidaskäyntiset siipimoottorit ovat monikammioisia. Hidaskäyntisistä siipimoottoreista saatavat vääntömomentit ovat suuria ja niiden kierroslukualue on 2-1000 r/min kattaen myös keskinopeusalueen. 5.7.4 Mäntämoottorit Hidaskäyntisiä mäntämoottoreita ovat radiaali- eli säteismäntämoottorit, joissa on ulkoiset virtauskanavat. Ne ovat vakiotilavuuksisia ja niiden tilavuusvirtaa ohjataan akselin mukana pyörivän jakolevyn avulla. Pumpusta ne eroavat juuri pyörivän jakolevyn ansiosta. Moottorin pyöriessä jakolevy kytkee sylinterit vuorollaan tuloja lähtö-liitäntöihin, jolloin saadaan jatkuva pyörimisliike. Koko ajan useampi sylinteri on kytkettynä paineisiksi, joten moottorista saatava momentti on tasainen. Mäntä ja sylinteri nojaavat kampiakselin ja moottorin rungon pallomaisiin pintoihin. Liukupinnat ovat hydrostaattisesti voidellut, jolloin niiden kitka on pieni. Moottorin pyöriessä sylinterirakenne mäntineen liikkuu sivusuunnassa, jolloin erillistä nivelöintiä ei tarvita. Rakenteen mekaanishydraulinen hyötysuhde on hyvä antaen moottorille suuren käyntiinlähtömomentin. Kuva 5.32 Radiaalimäntämoottorin rakennekuva. Nokkarengasmoottorit ovat sisäisin virtauskanavin toteutettuja säteismäntämoottoreita. Niiden sylinteriryhmä ei pyöri, mutta pyörivä jakoventtiili ohjaa nesteen sylintereihin. Mäntään kohdistuva nestepaine painaa männän ulospäin. Tällöin sen päässä olevat nokkarullat painuvat pyörivää nokkarengasta vasten. Nokkarullan osuessa renkaan nokan kaltevalle osalle syntyy nokkarengasta pyörittävä momentti. Syntyvä momentti pyörittää nokkarengasta eteenpäin ja jakoventtiili ohjaa työpaineen seuraavalle sylinterille. Näin pyörimisliike jatkuu kunkin sylinterin tehdessä vuorollaan työvaiheen. 41

Kuva 5.33 Nokkarengasmoottorin rakennekuva. Radiaalimäntämoottorien ominaisuuksia: hidaskäyntisiä, suuri vääntömomentti. Moottorin pyörimisnopeusalue on 1-500 r/min ja siitä saadaan lähes maksimi vääntömomentti jo käynnistyksessä. Moottoria käytetään napamoottorina kuorma-autoissa ja työkoneissa ja muissa laitteissa, joissa tarvitaan suurta käyntiinlähtömomenttia. Moottori voidaan kytkeä vapaapyörintään vetämällä männät irti nokkarenkaasta. Tämä tapahtuu järjestämällä moottorin vuotoliitännän kautta kotelon sisään pieni paine, joka irrottaa männät nokkarenkaasta. Aksiaalimoottori vastaa rakenteeltaan pumppua, johon on lisätty jakokara tilavuusvirtojen ohjaamaan. Moottorin sylinteriryhmä on kiinteä ja siinä olevat männät nojaavat vinolevyyn, joka on kiinni pyörivässä akselissa. Jakoventtiili ohjaa paineisen nesteen sylintereihin ja niistä pois. Mäntään kohdistuva paine aiheuttaa voiman, joka painaa akselilla olevaa vinolevyä ja saa aikaan pyörivän liikkeen. Vinolevyn pyöriessä akselin mukana jakoventtiili avaa ja sulkee tulo- ja lähtöliitännät. Kuva 5.34 Aksiaalimäntämoottorin rakennekuva. 42

5.7.5 Hydraulimoottorin suojaus 5.8 MUUT HYDRAULIIKKAJÄRJESTELMÄN KOMPONENTIT 5.8.1 Säiliö Tehtävät: o öljyn varastointi o öljyn puhdistaminen o ilmanpoistaminen o öljynjäähdytys o vaahdonpoistaminen Koko: o 2..3 kertaan pumpun nimellisvirta minuutissa Rakenne: o yleensä teräslevyä o paineeton Kuva 5.35 Säiliön rakennekuva. Pumppu voidaan sijoittaa myös säiliön sisälle. 43

5.8.2 Letkut ja putket Kylmävedetty tarkkuusteräsputki (SFS 2230), ryhmitelty nimellispaineen mukaan: 10, 16, 25, 40 Mpa: p= 0 16MPa q<10 l/min v=1 2 m/s p= 16 40MPa q<10 l/min v=2 3 m/s p= 0 16MPa q>10 l/min v=3 5 m/s p= 16 40MPa q>10 l/min v=5 7 m/s Imuputki: v = 0,5 1,5 m/s Paluuputki: v = 1 3 m/s Liittäminen: Kierreliittimet Leikkuurengasliittimet Laippaliitokset (suuret putket) Letkut: Matalapaineletkut, keskipaineletkut, suurpaineletkut, erikoissuurpaineletkut Rakenne: Kuva 5.36 Letkun kudoskerrokset. Letkun ja sen liittimien liitokset voidaan tehdä kierrettävillä tai puristettavilla liittimillä 5.8.3 Suodattimet erittäin tärkeitää hydrauliikkajärjestelmissä suodatusaste: 5 25μm suodattimen koko määräytyy läpimenevästä tilavuusvirrasta imusuodatin ja imusihti painesuodattimet: kestävät korkeita paineita kalliita käytetään suojaamaan esim. servoventtiileitä paluusuodatin: yleinen pienissä järjestelmissä Suurissa järjestelmissä käytössä on erillinen suodatinpiiri. 44

Kuva 5.37 Erilaisia suodattimia. 5.8.4 Muut komponentit Jäähdytys- ja lämmityslaitteet: öljyn lämpötila ei saisi nousta yli +70 C häviöteho muuttuu lämmöksi yleensä öljy jäähtyy riittävästi säiliössä jos raskas kuormitus tai kuumaympäristö ilma- tai vesijäähdytin pakkasella öljy voi olla liian paksua käytetään sähkölämmitystä Painemittarit Paineenkytkimet Lämpömittarit Tilavuusvirtamittarit Ilmanpoistoventtiilit 45

5.9 HYDRAULIJÄRJESTELMÄT 5.9.1 Avoin järjestelmä - öljy palaa toimilaitteen jälkeen säiliöön - ominaisuudet: o tilava säiliö hyvä jäähdytys o vuotoöljyt palaavat säiliöön o pumpun imuputkessa syntyy helposti alipaine (kavitaatio) o pumppu on yleensä yksisuuntainen. toimilaitteen suunnanvaihto hoidetaan venttiileillä - kaavio: 5.38 Avoimen hydraulijärjestelmän rakennekaavio, johon toimilaitteeksi on yleensä laitettu sylinteri. 5.9.2 Suljettu järjestelmä - öljy palaa toimilaitteen jälkeen pumpun imupuolelle - ominaisuudet: o toimilaitteen tilavuusvirta on melkein sama kuin pumpun antama tilavuusvirta o nestetilavuus on pieni lämpenemisvaara o tehohäviöt ovat pienet o öljyn jäähdytystä varten tarvitaan syöttöpumppu o pumppu voi toimia toimilaitteen jarruna o pumppu on kaksi suuntainen ja usein säätötilavuuksinen o kavitaatiovaara on pienempi kuin avoimessa järjestelmässä 46

- kaavio: Kuva 5.39 Suljetussa hydraulijärjestelmässä toimilaitteena on hydraulimoottori. Puolisuljettu järjestelmä: o osa nesteestä palaa takaisin säiliöön 5.10 SERVO- JA PROPORTIONAALITEKNIIKKA 5.10.1 Servotekniikka Yleistä: asema-, nopeus- ja voimaservot servojärjestelmä voi olla venttiili- tai pumppuohjattu servoventtiili ohjaa ja säätää tilavuusvirtaa portaattomasti annettujen käskysuureiden mukaan venttiiliin on liitetty takaisinkytkentä ominaisuuksia: o nopeatoiminta o tarkka ( paikoitus 0,1 0,01mm) o kallis o huonohyötysuhde o vaatii puhtaan öljyn Kuva 5.40 Servojärjestelmän toimintaperiaate. 47

Asemaservo: yleensä venttiiliohjattu tarkoituksena saada tarkka asema, joka seuraa käskysuuretta käsky annetaan usein jännitteenä, eroelin muodostaa jännitteiden erotuksen käskyn ja takaisinkytkennän välillä servovahvistin muuttaa erojännitteen servoventtiilille sopivaksi virraksi käyttö o teollisuusrobotit o automaatiotyöstökoneet o puristimet Venttiiliohjattu sähköhydraulinen asemaservo: Nopeusservo: tarkoituksena saada toimilaitteelle nopeus, joka seuraa käskysuuretta yleensä pumppuohjattu ja toimilaitteena on hydraulimoottori moottorin nopeus pysyy vakiona kuormituksesta riippumatta 48

Voimaservot toimilaitteelle voima, joka seuraa käskysuuretta usein venttiiliohjattu toimilaitteelle vakiovoima tai vakiomomentti 5.10.2 Hydraulisen servojärjestelmän komponentit Venttiiliohjatussa servojärjestelmässä tarvitaan aina erillinen pumppukoneisto, joka antaa tasaisen syöttöpaineen servoventtiilille esim. 7 MPa. Pumppukoneistossa käytetään vakiotilavuuspumppua ja paineenrajoitusventtiiliä tai vakiopainesääteistä säätötilavuuspumppua. Teho koneikossa on yleensä alle 15 kw. Hydrauliöljyn on oltava hyvin suodatettua, ettei servoventtiili saa toimintahäiriöitä. Yleensä suositellaan muutaman mikrometrin absoluuttista painesuodatusta ennen servoventtiiliä. Servoventtiili on periaatteessa hyvälaatuinen suunta-venttiili, joka pystyy säätämään tilavuusvirtaa suhteessa venttiilin ohjausvirtaan. Kuva 5.41 Yksiasteinen sähköinen servoventtiili. 49

Kuva 5.42 Servoventtiilin luistin peitot. Servoventtiilit ovat yksi-, kaksi- tai kolmeasteisia riippuen venttiilin läpi menevästä tilavuusvirrasta. Useampiasteisissa servoventtiileissä käytetään joko mekaanista tai sähköistä takaisinkytkentää pääluistin asemasta. Servoventtiilin ideaalinen ominaiskäyrä on suora. Siis venttiilin läpimenevä tilavuusvirta on suoraan verrannollinen ohjausvirtaan. Kuva 5.43 Kaksiasteinen sähköhydraulinen servoventtiili. Suuntaa-antavia arvoja servoventtiileille ovat: -ohjausvirta 0...20 ma -hystereesi < 1% -askelvasteen nousuaika 0,005...0,01 s -rajataajuus 50...200 Hz -kuollut alue < 1% Servoventtiilien ohjaukseen tarvitaan elektroniikkakortti. Servojärjestelmissä on aina takaisinkytkentä. Servoventtiilille menevä virta on pienempi kuin proportionaaliventtiileillä. Vahvistinkorttien käyttöjännite on tyypillisesti 24 V DC. Vahvistimet on varustettu PID-säätimillä. Toimilaitteet hydraulisissa servojärjestelmissä ovat hydraulisylintereitä tai hydraulimoottoreita. Sylinterit voivat olla tavallisia sylintereitä, kuitenkin usein varustettuna läpimenevällä männänvarrella. Jos sylinterin tiivisteiden kitkat aiheuttavat virhettä, voidaan käyttää männänrenkaita tai tiivisteetöntä mäntää. Haittana on pieni vuoto männän toiselta puolelta toiselle puolelle. Hydraulimoottorit ovat yleensä monimäntäisiä moottoreita, jolloin saadaan tasaisempi toiminta. 50

5.10.3 Servojärjestelmän ominaisuuksia Hydrauliselle servojärjestelmälle asetetaan seuraavia vaatimuksia: - riittävä nopeus - riittävä tarkkuus - riittävä jäykkyys - hyvä stabiilius Nopeus järjestelmässä on yleensä hyvä, sillä servoventtiilien aikaviiveet ovat muutamien millisekuntien luokkaa. Järjestelmän tarkkuus riippuu usein servoventtiilin ja ohjauslaitteiden tarkkuudesta. Asemaservoissa päästään normaalisti 0,1 mm:n tarkkuuteen ja 0,01 mm:n tarkkuus on mahdollinen. Yleensä tarkkuus saadaan paremmaksi hitailla järjestelmillä. Jäykkyys kuvaa kuinka herkkä järjestelmä on ulkoisille häiriöille. Yleensä hydrauliikan jäykkyys on hyvä. Jäykkyys saadaan hyväksi sijoittamalla servoventtiili mahdollisimman lähelle toimilaitetta. Järjestelmän pitää olla kaikissa toimintaolosuhteissa stabiili eli toimilaite ei saa värähdellä. Jos järjestelmän vahvistus on liian suuri, on vaara, että järjestelmä alkaa värähdellä. Uusimmissa servojärjestelmissä on pyritty adaptiiviseen säätöjärjestelmään, eli säätöjärjestelmä virittyy itsenäisesti erilaisiin tilanteisiin. Järjestelmät vaativat toimiakseen tietokonetta, joka mahdollistaa adaptiivisen säädön. Servojärjestelmälle asetettavat vaatimukset ovat usein toisilleen vastakkaisia, joten kaikkia hyviä ominaisuuksia on vaikea saada järjestelmästä samanaikaisesti, vaan usein joudutaan tekemään kompromisseja vaatimusten välillä. Hydraulisen servojärjestelmän suunnittelu on vaikeaa ja ammattitaitoa vaativaa työtä. Yleensä järjestelmästä tehdään matemaattinen malli, jonka avulla suunnitellaan koko järjestelmä. Servojen suunnittelu vaatii kokemusta. Yhä enemmän on ruvettu käyttämään tietokonetta servojen suunnittelussa ja ohjauksessa. On olemassa valmiita ohjelmia joihin syötetään tiedot servojärjestelmästä ja tietokone mitoittaa servojärjestelmän. Toisaalta servopaketteja on saatavana valmiina ja näiden käyttö on helpompaa kuin suunnitella järjestelmä irtokomponenteista. Yleensä hydrauliseen servojärjestelmään kannattaa mennä vasta, kun tehtävää ei pystytä ratkaisemaan muulla tekniikalla, koska hydrauliset servojärjestelmät ovat melko kalliita. Kuitenkin hydraulisia servojärjestelmiä käytetään paljon ja niille löytyy mitä erilaisimpia teknisiä sovelluksia. 5.10.4 Proportionaalitekniikka Yleistä: Proportionaaliventtiileillä täytetään aukko ON/OFF- ja servoventtiilien välissä. Systeemin muuttuu verrannollisena tulosuureeseen ja lähtösuuren mittaus puuttuu. Tosin takaisinkytkentä on myös mahdollinen (Regel-venttiili). 51

Ominaisuudet: o parempi hyötysuhde o halvempi o ei niin arka epäpuhtauksille kuin servojärjestelmä Kuva 5.44 Proportionaalijärjestelmän perusperiaate. Proportionaaliventtiilit: Proportionaalimagneetin liikematka on riippuvainen ohjausvirran suuruudesta. Painepropot: o suoraohjattuja tai esiohjattuja paineenrajoitus- tai paineenalennusventtiilejä o käytetään paineen ohjaukseen (esim. koulun puristin) Vastuspropot ja virransäätöpropot: o toimilaitteen nopeuden säätö o virransäätöventtiilillä kuorman muutoksista riippumaton nopeus, joka on verrannollinen venttiilin ohjausvirtaan Suuntapropot: o yksi-, kaksi- tai kolmeasteinen 4-tieventtiili Kuva 5.45 Neliliitäntäinen suuntaproportionaaliventtiili. 52

5.11 PATRUUNATEKNIIKKA Pyrkimys yhä suurempaan pakkaustiheyteen hydrauliikassa aiheutti voimakkaan patruunaventtiilien kehitystyön 1970-luvulla. Patruunaventtiili itse on jo vanha keksintö. Lähinnä venttiilien soveltuvuutta ja ohjaustekniikkaa on parannettu, verrattuna aikaisempiin sovelluksiin. Nykyisellä patruunatekniikalla voidaan monimutkainenkin hydraulijärjestelmä sijoittaa kompaktiin lohkoon, näin vältytään työläältä ja tilaa vievältä putkitukselta. Lohkon rakentaminen ja suunnittelu on kallista ja vaativaa, joten lohkon käyttö sopii parhaiten sarjatuotantoon. Patruunaventtiilejä voidaan tietenkin sijoittaa erillisiin lohkoihin, jolloin jokaisella venttiilillä on oma lohko. Lohkojen suunnittelua varten on nykyisin olemassa CAD-ohjelmia, joilla lohkon suunnittelu onnistuu hyvin. Patruunatekniikan perusteet: Alla olevassa kuvassa esitetään patruuna-venttiilin rakenneperiaatteita. Venttiili on periaatteessa 2/2-venttiili. Siinä on kaksi työliitäntää A ja B sekä ohjaus-liitäntä X. Rakenne voi olla istukka- tai luistityyppinen. Yleensä venttiilin sisällä on jousi, jonka tehtävänä on sulkea venttiili pienillä paine-eroilla. Venttiilin avautumiseen vaikuttavat paineet, työliitännöissä ja ohjausliitännässä. Pinta-alat, joihin paineet vaikuttavat, vaihtelevat patruunaventtiilin rakenteesta riippuen. Patruunan karan muotoilulla on paljon merkitystä patruunan käyttäytymiselle, koska karaan vaikuttaa paineiden lisäksi erilaisia virtausvoimia. Patruunan kara on saatavana myös vaimennuksella varustettuna. Patruunoiden ulkomitat on standardoitu, jolloin eri valmistajien patruunat voidaan sijoittaa samanlaisiin upotuksiin. Pinta-alasuhde on patruunaventtiilissä valmistajasta riippuva, mutta se on aina < 1. Patruunaventtiili on toiminnaltaan hyvin nopea verrattuna perinteisiin suuntaventtiileihin. Kuva 5.46 Patruunaventtiilin rakenneperiaatteet, vasemmalla luistiventtiili ja oikealla istukkaventtiili. Kuva 5.47 Patruunaventtiililohko. 53

Patruunatekniikan perusideana on, että hydraulijärjestelmän suunnittelussa erotetaan toisistaan päätehopuoli ja ohjaussignaalipuoli toisistaan. Samoin lähdetään ajatuksesta, että paineen ja tilavuusvirran säätö onnistuu käyttämällä kahta hydraulista vastusta, tulo- ja lähtövastusta. Vastukset saadaan aikaan 2-tiepatruuna-venttiileillä. Päätehopuolella ovat vain patruunat ja niiden ohjauksella saadaan patruunat toimimaan joko suunta-, vasta-, paine-, virransäätö-, proportionaali- tai jopa servoventtiileinä. Kuva 5.48 Patruunaventtiilit toimilaitteen ohjauksessa. Yllä oleva kuva esittää toimilaitteen ohjausta käyttämällä neljää patruunaa. Patruunat voivat toimia samanaikaisesti eri venttiileinä. Patruunat mitoitetaan päävirtauksen mukaan. Ohjausventtiilit voivat olla oleellisesti pienempää kokoa. Patruunaventtiilit voivat olla rakenteeltaan istukka- tai luistityyppisiä. Venttiilien nimelliskoot vaihtelevat NS 16...100. Patruunaventtiilit läpäisevät suurempia tilavuusvirtoja verrattuna samankokoisiin muihin venttiileihin. Patruunaventtiilit ovat tyypillisesti edullisimmillaan melko suurilla tilavuusvirroilla. Patruunoiden ohjaustapa ratkaisee, minkä toiminnan patruuna toteuttaa. Ohjauspaine voidaan esim. ottaa painelinjasta ennen patruunaa. Yhdistämällä eri ohjaustapoja saadaan patruuna toimimaan kahden venttiilin tavoin. Seuraava kuva esittää eri venttiilitoimintojen toteuttamista patruunatekniikalla. 54

5.12 VESIHYDRAULIIKKA 5.12.1 Yleistä Vesihydrauliikka on hydrauliikan lajina kehittynyt nopeasti viimeisen kymmenen vuodenaikana. Komponenttien tarjonta on monipuolistunut ja nesteiden laatu parantunut. Vesihydrauliikalla on ollut perinteisiä ja säännöllisiä käyttäjiä jo useita vuosia. Terästeollisuus on ollut yksi näistä. Terästeollisuuden suurin riski lienee tulipalo. Terästeollisuudessa käsiteltävät massat ja voimat ovat suuria, mikä on johtanut hydrauliikan laajaan käyttöön. Öljyn esiintyminen tuotantolinjan useassa vaiheessa aiheuttaa yhdessä kuuman, punahehkuisen kappaleen kanssa ilmiselvän palovaaran. Tästä johtuen eteenkin valssaamot käyttävät yhä laajemmassa mittakaavassa vesihydrauliikkaa. Nykyään on käytössä paljon 50- ja 60-luvulla rakennettuja vesihydraulijärjestelmiä, mikä todistaa vesihydrauliikan olleen varteenotettava hydrauliikan muoto jo vuosikymmenien ajan. Painetasot näissä vanhoissa järjestelmissä on tyypillisesti 200... 250 bar. Hydraulinesteenä on käytetty vesi-öljy seoksia suhteessa 95/5. Vanhojen järjestelmien suurimmat ongelmat liittyvät komponenttien kulumiseen, vuotoihin ja nesteen laatuun. Komponenttien kehittyessä ja nesteen laadun parantuessa vesihydrauliikka valtaa jatkuvasti uusia alueita. Autoteollisuus käyttää vesihydrauliikkaa hitsausroboteissa ja elintarviketeollisuudessa matalapaineisempi hydrauliikka on valtaamassa markkinoita osittain pneumatiikan kustannuksella. Offshore-teollisuudessa harkitaan öljyn korvaamista merivedellä. Tulevaisuudessa ympäristölainsäädäntö tulee asettamaan yhä suurempia päästörajoituksia, mikä koskee myös hydraulijärjestelmien aiheuttamia vuotoja. 55

5.12.2 Nesteet Vesihydrauliikan nesteet ovat kehittyneet viime vuosina erittäin nopeasti. Yleisimmin vesihydraulijärjestelmissä käytetään HFA-nesteitä. HFA nesteet jaetaan liitteen mukaisesti kolmeen ryhmään. Uusimpana tulokkaana on neste, jota ei voida suoraan sijoittaa mihinkään näistä ryhmistä. Se on synteettinen mikroemulsio, jossa yhdistyvät synteettisen nesteen biologinen hajoavuus ja mikroemulsion hyvä voitelu- ja korroosionestokyky. Nesteen hyvien ominaisuuksien ansiosta konsentraatti-pitoisuus on voitu alentaa 1...3 prosenttiin, kun aikaisemmilla nesteillä pitoisuusvaatimus oli yleisesti 5 %. Oletettavaa on, että vesihydrauliikassa tullaan käyttämään kahta nestettä. Kustannussyistä HFA tulee pysymään yleisimpänä nesteenä, jolloin voidaan käyttää 'mustaa', rakenneteräksestä valmistettua putkistoa. Kohteissa, joissa käytetään joka tapauksessa haponkestävää putkistoa (esiin. kemianteollisuus) käytetään puhdasta vettä, jolle myös joidenkin valmistajien vesihydrauliikkakomponentit on jo suunniteltu. Puhdasta vettä käytetään myös kohteissa, joissa tuotteen pilaantumisriski on suuri esim. elintarviketeollisuus. Terästeollisuudessa HFA:n käyttö tulee jatkumaan vielä hyvin pitkään. 5.12.3 Komponentit Pumput: Hydraulijärjestelmän sydämenä toimii pumppu. Pumput ovat pääosin vakiotilavuuspumppuja. Yleisin käytettävä pumpputyyppi on rivimäntäpumppu, jonka tyypillinen kestoikä on kulutusosia (tiivisteet ja venttiilit) lukuun ottamatta 30 vuotta. Rivimäntäpumput ovat suurikokoisia ja konstruktioltaan monimutkaisia ja siten melko kalliita. Pienimpiä pumppuja lukuun ottamatta rivimäntä pumput ovat matalakierroksisia (esim. 600 rpm). Niiden kampikoneisto on öljyvoideltu, minkä vuoksi pumppu vaatii säännöllistä huoltoa. Rivimäntäpumpun etuna on, että ne sietävät myös likaista vettä ja niillä päästään korkeisiin paineisiin (esim. 800 bar) ja suuriin tuottoihin (esim. 700 1/min). Radiaalimäntäpumput ovat konstruktioltaan modernimpia ja kooltaan oleellisesti pienempiä kuin rivimäntäpumput. Niitä voidaan pyörittää suoraan 1500 rpm:n sähkömoottorilla, jolloin kokonaisuus yksinkertaistuu Pumput ovat täysin vesivoideltuja, eivätkä tarvitse huoltoa. Mäntien suuren lukumäärän vuoksi yleensä vähintään viisi, radiaalimäntäpumpun tuotto on tasaisempaa kuin rivimäntäpumppujen. Pumput ovat yleistyneet voimakkaasti järjestelmissä, jossa painetaso on enintään 320 bar ja tuotto muutama sata litraa minuutissa pumppua kohden. Radiaalimäntäpumpuista on kokemuksia noin kymmenen vuoden ajalta. Aksiaalimäntäpumpuista on vielä vähän kokemuksia, mutta on oletettavaa, että myös ne tulevat pienen kokonsa ansiosta kasvattamaan markkinaosuuksiaan eteenkin pienemmissä teholuokissa. Venttiilit: Vesihydrauliikan venttiilit ovat tähän asti olleet lähes poikkeuksetta istukkatyyppisiä, lukuun ottamatta joitakin matalalle paineelle tarkoitettuja venttiileitä. Pilot-venttiileitä, jotka ovat olleet kuulaistukkaventtiileitä, on valmistettu kokoja NS 3, 6 ja 10. Niitä voidaan ohjata sähköisesti, mekaanisesti tai hydraulisesti. Markkinoille on tullut keraamiluistiventtiileitä, jotka soveltuvat yli 300 bar paineille. Venttiilit lähestyvät 56

rakenteeltaan öljyventtiileitä ja lähitulevaisuudessa niiden toiminnot monipuolistuvat. Materiaalien ja eteenkin korkealaatuisten keraamien tulo on mahdollistanut luotettavan ja pitkäikäisen luistiventtiilin rakentamisen. Keraamiluistiventtiili tulee lähivuosina syrjäyttämään kuulaistukkaventtiilit kokoluokissa NS 3, 6 ja 10. Suuremmat kuin NS10 kokoiset venttiilit ovat 2/2-toimisia. Monimutkaisemmat toiminnot toteutetaan yhdistelemällä useita 2/2-venttiileitä). Venttiilit ovat istukkarakenteen ansiosta täysin tiiviitä. Veden alhaisesta viskositeetista johtuvan suurenvirtausnopeuden vuoksi venttiilin rakenteella on suuri merkitys. Hydrauliventtiilistöt rakennetaan useimmiten lohkotekniikalla. Vesihydrauliikan venttiileitä löytyy sekä patruuna- että pinta-asenteisina. Proportionaaliventtiileillä voidaan säätää periaatteessa mitä tahansa hydrauliikalla säädettävissä olevaa suuretta. Yleisimpiä ovat paineen, aseman ja virtauksen säädöt. Proportionaalitekniikka on voimakkaan kehityksen alla. Paineventtiileistä markkinoilta löytyy mm. paineenrajoitusventtiileitä, paineenalennusventtiileitä ja ylivirtausventtiileitä. Muut komponentit: Vesihydrauliikan nopeaa leviämistä on jarruttanut moottorin puuttuminen. Moottori on kehitteillä useissa eri yrityksissä. Joitakin matalammille paineelle soveltuvia moottoreita on jo markkinoille. Myös servoventtiili antaa odottaa itseään. Sen markkinoille tuleminen kestänee vielä useita vuosia. Sen sijaan yhä useammat säädöt voidaan toteuttaa nopeasti kehittyvillä proportionaaliventtiileillä ja niiden ohjauskorteilla. Sylinterit ovat rakenteeltaan hyvin lähellä öljyhydrauliikan sylintereitä. Materiaalivalinnat riippuvat käytetystä hydraulinesteestä. HFA järjestelmissä sylinterien perusmateriaalina voidaan käyttää normaaleja rakenneteräksiä. Puhtaan veden järjestelmissä vaaditaan haponkestäviä materiaaleja, veden kestäviä messinkejä tai muoveja. Vesisylinterien tiivistemateriaalit ja ohjaus-laakereiden mitoitus eroavat öljyhydraulisylinteristä. Putkistossa voidaan käyttää samoja periaatteita kuin sylinterien perusmateriaalin valinnassa. Kuva 5.49 Vesihydrauliikkaan tarkoitettuja komponentteja. 57

Yhteenveto: Vaikka vesihydrauliikka on tunnettu jo kauan, on vasta viime aikoina korkeapaineiset vesihydraulijärjestelmät tulleet enemmän esiin koneenrakennuksessa. HFA-nesteillä toimivia järjestelmiä valmistetaan ehkä eniten, mutta nyttemmin myös puhtaan veden järjestelmiä on ruvettu käyttämään yhä enemmän. Vesi ja mineraaliöljy eroavat melko voimakkaasti toisistaan. Suurimpana erona voidaan pitää viskositeettien eroa. Veden viskositeetti onkin monta kymmentä kertaa pienempi kuin mineraaliöljyn. Myös tiheydet ja puristuskertoimet sekä useat muut ominaisuudet poikkeavat paljon mineraaliöljyn arvoista. Tämä tuokin perustan vesihydrauliikan monille erityispiirteille perinteiseen öljyhydrauliikkaan verrattuna. Koska vesihydrauliikan markkinoilla oleva komponenttivalikoima on tällä hetkellä rajallinen verrattuna öljyhydrauliikkaan ja kuitenkin tästä huolimatta hyvinkin monimutkaisia toimintoja pystytään toteuttamaan, luo myös tämä oman erityispiirteensä vesihydrauliikkaan. Tämä tarkoittaa vielä tänään ehkä hieman kalliimpia komponentteja ja järjestelmiä kuin öljyhydrauliikassa, mutta todennäköisesti jo huomenna öljyhydrauliikan kanssa sekä laadullisesti että hinnallisesti kilpailukykyisiä, ympäristöystävällisiä ja turvallisia ominaisuuksia. 5.13 HYDRAULIJÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU 5.13.1 Yleistä suunnittelusta Jotta hydraulinen järjestelmä voitaisiin suunnitella systemaattisesti ja järkevästi, tilanne on luonnehdittava ja analysoitava mahdollisimman huolellisesti. Hydrauliikka tarjoaa monia joustavia tapoja tuottaa suuria voimia ja momentteja tarkasti. Toimilaitteet ovat tehoon nähden suhteellisen pieniä. Usein joudutaan pohtimaan, käytetäänkö hydraulista, pneumaattista vai sähköistä toteutusta. Suurin ero hydrauliikan ja pneumatiikan välillä on ero painetasossa; pneumatiikassa 0,7 MPa ja hydrauliikassa 10...35 MPa. Paineilma on kokoonpuristuvaa, hydrauliöljyt ovat lähes kokoonpuristumattomia. Kun voimien ja momenttien tarpeet ovat kohtuulliset, on usein taloudellista lähteä liikkeelle pneumaattisesta ja sähköisestä toteutuksesta, sillä lähes kaikissa teollisuuslaitoksissa on paineilmaverkosto ja sähköverkosto valmiina eikä energian saanti aiheuta lisäkustannuksia. Pneumatiikkaa käytetään, kun tarvitaan nopeita liikkeitä ja tarvittavat voimat ovat pieniä. Pneumaattinen järjestelmä on yksinkertainen ja edullinen. Hydrauliikalla saadaan aikaan suuria voimia ja momentteja ja lisäksi järjestelmällä on hyvä jäykkyys. Mutta hydrauliikka vaatii oman energialähteen (pumppu, moottori, säiliö ja muut varusteet) ja tämä lisää kustannuksia. Hydraulisen käytön etuja ovat: - mahdollisuus tuottaa suuria voimia ja momentteja - tarkka ja portaaton nopeuden ja pyörimisnopeuden säätö - portaaton voiman ja momentin säätö 58

- nopeus pysyy vakiona kuormituksen vaihdellessa - saadaan aikaan juohevia liikkeellelähtöjä, pysäytyksiä ja suunnanvaihtoja - hyvä asemointitarkkuus toimilaitteille, ylikuormitussuoja voidaan toteuttaa paineventtiileillä - hyvät järjestelmän dynaamiset ominaisuudet - venttiilien sekvenssitoiminnat ovat mahdollisia - järjestelmää voidaan ohjata sähköisesti - teho viedään toimilaitteelle putkia pitkin - voidaan käyttää samanaikaisesti useita toimilaitteita - hydraulineste voitelee ja jäähdyttää toimilaitteen - järjestelmän muunneltavuus on mahdollista - jarrutus voidaan toteuttaa hydraulisesti Hydraulisen käytön haittoja ovat: - väliaine (öljy) on likaavaa ja ympäristöä saastuttava - väliaineen ominaisuudet (viskositeetti) riippuvat lämpötilasta ja käyttölämpötila on rajattu - järjestelmässä syntyy tehohäviöitä - järjestelmän hyötysuhde voi olla melko huono - ilma voi aiheuttaa ongelmia järjestelmässä - jokaiselle järjestelmälle tarvitaan yleensä oma koneikko 5.13.2 Hydraulijärjestelmän suunnittelu: 1. Selvitetään suunnittelun lähtötiedot: annettu tehtävä, toimilaitteet, kuormituksen laatu, kuormasta aiheutuvat mekaaniset voimat (hitausvoimat) ympäristö laitteiden sijoittelu (lay-out) järjestelmältä vaadittu kestoikä toteutusaikataulu kustannustavoitteet erikoisvaatimukset (tietyn valmistajan komponentit) järjestelmän työkierto muut toteutusmahdollisuudet 2. Laaditaan järjestelmästä toimintakaavio, joka esittää ajan funktiona toimilaitteiden toiminnan ja ohjausimpulssit. 3. Valitaan avoin tai suljettu hydraulijärjestelmä. 4. Valitaan järjestelmälle alustava nimellispaine. 5. Valitaan tarkoitukseen sopivien komponenttien tyypit (sylinterit, moottorit, pumppu ja venttiilit). 59

6. Piirretään järjestelmästä hydraulikaavio standardipiirrosmerkeillä ja tarkastellaan toimintaa ja eri kytkentävaihtoehtoja. 7. Lasketaan toimilaitteiden dimensiot annettujen kuormitusten pohjalta. 8. Dimensioista ja nopeusvaatimuksista päästään tarvittavaan tilavuusvirtaan, jolloin voidaan laatia tilavuusvirtakuvio esim. ajan funktiona. 9. Arvioidaan uudestaan järkevää toteutustapaa (pyritään mahdollisimman pieniin tehohäviöihin). 10. Valitaan järjestelmälle sopiva ohjaus (usein sähköinen). 11. Tarkistetaan toimilaitteiden tehontarpeet ja järjestelmän paine. Lasketaan hydraulipumpun ja käyttömoottorin tekniset arvot. 12. Varustetaan hydraulikaavio tarvittavilla lisälaitteilla (painemittarit, suodattimet, liittimet jne.) 13. Valitaan komponentit valmistajien luetteloista. Huomioidaan komponenttien saatavuus, yhteensopivuus ja huolto. 14. Lasketaan sopivat putkikoot (imu-, paine- ja paluuputket) ja letkut. Putkistohäviöiden laskemista varten on olemassa nomogrammeja ja valmiita tietokoneohjelmia. 15. Selvitetään eri komponenteissa syntyvät tehohäviöt (hyötysuhteet). 16. Työkierron perusteella lasketaan järjestelmän tehohäviö ja lämpötasapaino (tarvitaanko jäähdytysjärjestelmää?). 17. Valitaan säiliön koko, muoto, putkiliittimet jne. 18. Selvitetään asennusnäkökohdat ja eri sijoittelumahdollisuudet. 19. Tehdään kustannuslaskelmat ja kustannusarvio 20. Laaditaan lopullinen hydraulikaavio komponenttiluetteloineen. 21. Tehdään asennusjärjestyssuunnitelma ja -aikataulu sekä asennuskuvat. Paineen valinta: Tärkeä lähtökohta järjestelmän mitoituksessa on painealueen valinta. Yleensä toimilaitteelta vaaditaan tietty teho. Hydraulinen teho on paineen ja tilavuusvirran tulo. Lisäämällä painetta voidaan pienentää tilavuusvirtaa ja päinvastoin. Usein pyritään käyttämään mahdollisimman korkeaa painetta hydraulijärjestelmässä. 60

Tällä saavutetaan seuraavia etuja tilavuusvirran pienentyessä: - toimilaitteen koko saadaan pieneksi - putket ja venttiilit ovat pieniä - pienituottoinen pumppu sallii suuremman pyörimisnopeuden - järjestelmän kokonaispaino saadaan pieneksi, laite ja asennuskustannukset pienenevät Vastaavasti korkeasta paineesta on seuraavia haittoja: - komponenteilta ja väliaineelta vaaditaan suurempaa paineenkestoa - nesteen kokoonpuristuminen saattaa kasvaa, komponenteissa on pienet välykset (tukkeentumisvaara) - komponentit ovat äänekkäitä, kestoikä voi lyhentyä Hydraulijärjestelmän paine on riippuvainen aina toimilaitteen kuormituksesta. Suunnan muutoksissa voi syntyä painehuippuja hitauskuormien ansiosta. 5.13.3 Hydraulijärjestelmän mitoitusesimerkki Alla oleva kuva esittää hydraulijärjestelmää, jossa on hydraulimoottorikäyttöinen kuljetin ja hydraulisylinterikäyttöinen työnnin, joka työntää kappaleet pois kuljettimelta rullaradalle. Kuva 5.50 Laitteiston rakennekuva. Mitoituksen lähtöarvoina ovat seuraavat tiedot Hydraulimoottorikäyttö: - käynnistysmomentti 1200 Nm, jossa on lepokitka ja kuljettimen kiihdytys - jatkuva käyttömomentti 750 Nm - moottorin pyörimisnopeus on säädettävissä alueella 0,33...0,58 r/s - moottori pyörii vain yhteen suuntaan - moottorilta ei vaadita jarrutusta - toiminta-aika maksimi 45 min/h - moottorin akselille ei kohdistu radiaalikuormitusta 61

- moottorin etäisyys koneikosta on n. 10 m Hydraulisylinterikäyttö: - suurin voimantarve 35 kn, jossa on huomioitu kiihdytys ja kitkat - paluuliikkeessä voima ei ole merkityksellinen - sylinterin iskunpituus on 600 mm - työntönopeus on 0,16 m/s - paluunopeus on vähintään sama - toiminta enintään 300 kertaa tunnissa - etäisyys koneikosta on noin 10 m Järjestelmätyypin valinta: Suljettu järjestelmä sopii hyvin hydraulimoottorikäyttöön, mutta sylinterikäyttö puoltaa avoimen järjestelmän käyttöä. Koska siirrettävä teho on pieni eikä moottorilta vaadita suunnanvaihtoa, valitaan käyttöön avoin järjestelmä. Paineen alustava valinta: Koska moottoripiirin maksimipaine esiintyy hetkellisenä käynnistyksen yhteydessä, pyritään tämä paine määräämään mahdollisimman korkealle. Usein saatavilla olevat komponentit määräävät maksimipaineen. Vaadittaessa luotettavuutta ja pitkää kestoikää ei painetta kannata nostaa liian korkealle. Sylinterikäytössä paine vaikuttaa voiman ja pintaalan suhteeseen. Männänvarren nurjahdusmahdollisuus on myös otettava huomioon. Valitaan alustavasti paineeksi 15 MPa (paine olisi voitu valita korkeammaksikin). 62

Komponenttien valinta: Kuljettimen moottorin pyörimisnopeuden säätö pumpun antamaa tilavuusvirtaa muuttamalla olisi hyötysuhteen kannalta hyvä ratkaisu. Kuitenkin pieni teho ja säätöalue pyörimisnopeudessa puoltavat muita ratkaisuja. Toisaalta säätötilavuuspumppu on melko kallis ratkaisu. Valitaan tässä tapauksessa virransäätöventtiili pyörimisnopeuden säätöön. Sylinteri- ja moottorikäyttö voitaisiin hoitaa yhdellä vakiotilavuuspumpulla ja päävirtauksen säädöllä. Tämä aiheuttaa kuitenkin kuormien vaihtelun vuoksi kohtuuttomasti tehohäviötä Lämmönmuodostusta voidaan hieman vähentää valitsemalla sylinterin halkaisija ja moottorin kierrostilavuus siten, että kummankin järjestelmän maksimipaineet ovat samansuuruisia. Tämä johtaa helposti suureen sähkömoottoriin, koska kaikki toiminnat vaativat maksimitehon samanaikaisesti. Valitaan kummallekin piirille oma pumppu. Valitaan hydraulimoottorille sivuvirtauksen säätö ja vakiotilavuuksinen pumppu. Koska hydraulisylinteri ei tarvitse nopeuden säätöä, valitaan myös sen käyttöön vakiotilavuuksinen pumppu. Jotta vältytään kahden sähkömoottorin käytöltä valitaan kaksoispumppu. Hydraulimoottoriksi valitaan hidaskäyntinen hydraulimoottori ja hydraulisylinteriksi valitaan kaksitoiminen sylinteri. Hydraulimoottorin ohjaukseen ei käytetä suuntaventtiiliä, vaan vapaakierto hoidetaan vapaakierto-/paineenrajoitusventtiilillä. Hydraulisylinteriä ohjataan 4/3-suuntaventtiilillä (sähköohjaus ja vapaakierto pumpulle keskiasennossa). Suodatukseen valitaan paluuvirtasuodatus. Hydraulikaavio: Seuraava kuva esittää järjestelmän hydraulikaaviota. 4/3- suuntaventtiilin keloilla Y1 ja Y2 saadaan sylinteri liikkumaan edestakaisin. Venttiilin keskiasennossa pumppu on vapaakierrolla. Toinen pumppu kytketään vapaakierrolle, kun kela Y3 on jännitteetön. Kelojen jännitteeksi valitaan tasavirtajännite 24 V. Ohjauslogiikka voidaan toteuttaa esim, releillä. Toimilaitteet kytketään järjestelmään letkuilla, jotta sallitaan vapaampi kiinnitys toimilaitteille. Kummankin pumpun painetaso on säädettävissä erikseen sopivan suuruiseksi. Vastaventtiilien tehtävänä on huolehtia siitä, että öljy ei pääse virtaamaan väärinpäin pumppuihin. Järjestelmällä on yhteinen paluuvirtasuodatin. 63

64

65

66