hydrauliikan luennot (2014) - 1tekniikan laitos -...
Post on 03-Mar-2018
388 Views
Preview:
TRANSCRIPT
1
HYDRAULIIKAN LUENNOT (2014)
KOULUTUSOHJELMA:
Mekatroniikka
SISÄLLYSLUETTELO:
HYDRAULIIKKA __________________________________________________________________________ 2
1. JOHDANTO ____________________________________________________________________________ 2
2. HYDRAULINESTEET ____________________________________________________________________ 12
3. HYDRAULIPUMPUT ____________________________________________________________________ 18
4. PAINEVARAAJAT_______________________________________________________________________ 30
5. HYDRAULIIKKAVENTTIILIT _____________________________________________________________ 35
6. HYDRAULISYLINTERIT _________________________________________________________________ 48
7. HYDRAULIMOOTTORIT _________________________________________________________________ 52
8. MUUT HYDRAULIJÄRJESTELMÄN KOMPONENTIT _________________________________________ 57
9 . KYTKENTÄTEKNIIKKA_________________________________________________________________ 57
10. HYDRAULIJÄRJESTELMÄT _____________________________________________________________ 64
11. SERVO- JA PROPORTIONAALITEKNIIKKA ________________________________________________ 68
12. PATRUUNATEKNIIKKA ________________________________________________________________ 75
13. VESIHYDRAULIIKKA __________________________________________________________________ 78
14. HYDRAULIJÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU _______________________________________________ 81
2
HYDRAULIIKKA
1. JOHDANTO
1.1 Yleistä
Hydrauliikalla ja pneumatiikalla on tärkeä asema mekanisoinnissa ja automatisoinnissa.
Hydraulisia järjestelmiä on käytetty jo vuosisadan alkupuolella. Hydraulisia toimilaitteita
ja hydraulisia käyttöjä esiintyy sekä maatalouden yksittäisissä työkoneissa että
teollisuuden koneissa ja tuotantolinjoissa. Liikkuvan kaluston hydrauliikkaa kutsutaan
mobilehydrauliikaksi.
Hydrauliset tehonsiirtojärjestelmät siirtävät mekaanisesti tuotetun energian hydrauliseksi
tehoksi. Mekaaninen teho siirtyy hydrauliseksi paineeksi ja tilavuusvirraksi. Mekaaninen
energia tuotetaan sähkö- tai polttomoottorilla.
1.2 Hydrauliikan ominaisuuksia
Kuva 1.1 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).
3
Vuodot ja ilmavaivat kiusallisia.
Arka lämpötilan vaihtelulle, hyötysuhde ei kovin hyvä.
Ei ole kimmoisa järjestelmä, tehohäviöt suuria pitkillä siirroilla.
1.3 Hydrauliikan valinta ja käyttö
Kuinka suuria voimia tarvitaan?
o Alaraja 20…50kN
o Ei ole paineilmaa käytettävissä
Kuinka nopeita liikkeitä tarvitaan?
o Nopeille liikkeille pneumatiikka
Säätöjen tarkkuus?
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.
4
F
h
Hydrostaattinen voimansiirto
Hydrostaattinen voimansiirto käyttää hyväkseen nesteen paine-energiaa.
Hydrodynaaminen voimansiirto
Hydrodynaaminen voimansiirto käyttää hyväkseen nesteen liike-energiaa.
1.4 Hydrostatiikka
Hydrodynaaminen tehonsiirto: liike-energia
Hydrostaattinen tehonsiirto: paine-energia
P=F/A 7…35MPa
Absoluuttinen paine (p):
Kun neste on lepotilassa, ei siihen vaikuta ulkoisia paineita, mutta sen oma massa saa
aikaan painetta nesteen sisällä. Tätä painetta nimitetään hydrostaattiseksi paineeksi.
p = pi + x g x h
Ulkoinen paine vaikuttaa nesteeseen (kuva yllä)
p = F/A + pi+ x g x h
jos h<5m, niin ph<0,05MPa ja ilmanpaine pi=0,1MPa
ei tarvitse huomioida
Kuinka suuri paine on astiassa, kun F1=2kN ja A2=0,1m
2
Pascalin lain mukaisesti paine leviää astiassa tasaisesti
p=F1/A1 = F2/A2
kPam
kNP 40
05,0
22 F2=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
5
Tilavuusvirta:
Tilavuusvirralla tarkoitetaan aikayksikössä virranneen nestemäärän tilavuutta.
SI-järjestelmässä tilavuusvirran 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 x 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 pumppu tuottaa pyörähtäessään yhden radiaanin. Pumpun kierrostilavuus
(Vk ) on silloin jaettava 2 x eli radiaanin arvolla.
Vrad = Vk / 2 x
Vrad = Radiaanitilavuus [m³/rad]
Vk = Pumpun kierrostilavuus [m³/r]
Radiaani on säteen mittainen osa ympyrän kehästä eli 2 x x r = ympyrän kehä. Kun täysi
ympyrä on 360 astetta saadaan radiaanin arvoksi asteina: Rad = 360 ° / 2 eli radiaanin
likiarvo asteina on 57,295 astetta.
Pyörimisnopeuden tilalla on käytettävä kulmanopeutta .
= 2 x x n = Kulmanopeus [rad/s]
n = Pyörimisnopeus [r/s]
Pumpun tilavuusvirta (Q) saa näin muodon:
Q= x 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 x v
6
Q = tilavuusvirta [m³/s]
A = putken pinta-ala [m²] v = nesteen virtausnopeus [m/s]
Voidaan siis todeta, että A1 x v1 = A2 x v2
Esimerkki: Kapenevassa putkessa virtaa nestettä, jonka virtausnopeus on 3 m/s. Putken halkaisija
suuremmassa päässä on 50 mm ja kapenee 30 mm:iin ulostulopäässä. Mikä on nesteen virtausnopeus
ulostulopäässä?
d1 = 50mm = 0.05 m
d2 = 30mm = 0.03 m
v1 = 3 m/s
Koska tilavuusvirta Q on sama molemmissa poikkileikkauksissa A1 x v1 = A2 x v2
v2 = 8,33 m/s
Tuleva tilavuusvirta on siis yhtä suuri kuin lähtevä tilavuusvirta. Jos virtaus jakautuu
useampaan putkihaaraan, pätee samaa periaate. Putkiristeykseen tulevien virtausten
summa on sama kuin siitä lähtevien virtausten summa.
Virtauslajit:
Nesteen virtaus voi olla laminaarista tai turbulenttista. Laminaarisessa virtauksessa neste
virtaa tasaisesti pyörteilemättä eli kaikki nestehiukkaset liikkuvat yhdensuuntaisesti.
Virtausnopeuden kasvaessa virtaus muuttuu turbulenttiseksi. Turbulenttisessa virtauksessa
neste pyörteilee. Laminaarisessa virtauksessa häviöt kasvavat virtausnopeuden funktiona.
Turbulenttista virtausta on hydrauliikassa vältettävä, koska häviöt kasvavat
eksponentiaalisesti eli hyvin jyrkästi virtausnopeuden kasvaessa.
Virtauslajit voidaan erottaa toisistaan Reynoldsin luvun avulla.
Re = v x d / ⱱ v = keskimääräinen virtausnopeus [m/s]
d = virtauspoikkipinnan sisähalkaisija [m]
ⱱ = kinemaattinen viskositeetti [m²/s]
Laminaarinen virtaus, kun Re < kriittinen Reynolds luku
Turbulenttinen virtaus, kun Re > kriittinen Reynolds luku
Kriittinen Reynoldsin luku vaihtelee suuresti virtauskanavan ja –aukon mukaan. Tavallisin
tarkastelukohde on nesteen virtaus pyöreässä putkessa, jolle kriittinen Reynolds luku on
2000 – 2300.
Esimerkki: Pyöreässä sileässä putkessa virtaa nestettä, jonka kinemaattinen viskositeetti on
46000000 m²/s. Putken halkaisija on 16mm ja virtausnopeus 5 m/s. Onko virtaus laminaarista vai
turbulenttista?
Re = 5 m/s x 0,016 m
46000000 m²/s
Re = 1739 virtaus on laminaarista
7
Kuva 1.2 Laminaarinen ja turbulenttinen virtaus.
Virtaushäviöt:
Hydraulijärjestelmissä esiintyvät virtaushäviöt voidaan jakaa kahteen ryhmään.
Virratessaan neste hankaa putken seinämiin, jolloin puhutaan kitkahäviöistä. Kun
virtauksen suuntaa tai nopeutta muutetaan syntyy häviöitä, joita kutsutaan kertahäviöiksi.
Häviöt aiheuttavat paineen laskua järjestelmässä virtausenergian muuttuessa lämmöksi.
Laminaarisessa virtauksessa kitkavastus riippuu ainoastaan nesteen Reynoldsin luvusta,
mutta turbulenttisessa virtauksessa kitkavastukseen vaikuttavat putken sisäpinnan karheus
ja halkaisija. Kertavastukset syntyvät järjestelmässä putkimutkissa ja –haaroissa,
liittimissä, erilaisissa kuristuksissa ja venttiileissä.
Hydraulikomponenttien kertavastushäviöt löytyvät valmistajien antamista ominaiskäyristä,
joissa ne ilmoitetaan painehäviönä eri tilavuusvirroilla.
Kuva 1.3 4/3 suuntaventtiilin ominaiskäyrä jokaiselle virtauskanavalle.
8
Kuva 1.4 Painehäviöt liittimissä ja putkikäyrissä.
9
Kuva 1.5 Painehäviöt putkissa.
10
1.5 Hydraulinen teho
Hydraulinen teho (P) muodostuu nesteen paineesta (p) ja tilavuusvirrasta (Q).
Hydraulikomponenteissa, kuten esimerkiksi hydraulimoottorissa nesteen paine alenee
tietyyn arvon verran.
P = Q x Δp
Koskaan ei saada kaikkea paine-erossa kulunutta energiaa käytettyä kokonaan hyödyksi,
vaan osa siitä menee hukkaan kitkojen ja muiden syiden takia.
=P/Pm
Pm= mekaaninen teho
Kaavoja:
W = F x s = p x A x s = p x V P = W/t = p x V/t = p x Q
F=p*A Q=A*v
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
järjestelmässä vallitsevien paineiden, virtausnopeuksien ja lämpötilojen mukana.
Hydraulisten toimilaitteiden kokonaishyötysuhde onkin näiden häviöiden yhteissumma.
eli kok=vol * kitka
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 x x kok
M = pumpun käyttöakselille tuotu momentti [Nm]
= pumpun akselin kulmanopeus [rad/s]
kok = pumpun kokonaishyötysuhde
11
Pumpun antoteho voidaan lausua myös tilavuusvirran (Q) ja painehäviön (Δp) avulla.
Panto = Q x Δp
Sylinterit: Panto = F x v F = sylinteristä hyödyksi saatava voima [N]
v = sylinterin männän nopeus [m/s]
Sylinterin antama teho voidaan lausua myös tilavuusvirran ja painehäviön avulla.
Panto = Q x Δp x kok Q = sylinterille tuotu tilavuusvirta [m³/s] Δp = paineen muutos työtä tekevässä sylinterin kammiossa [Pa]
kok = sylinterin kokonaishyötysuhde
Hydraulimoottorit: Panto = Q x p x kok
Hydraulimoottorin antoteho voidaan lausua myös käyttöakselilta saadun momentin (M) ja
akselin kulmanopeuden () avulla.
Panto= M x
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.
Paineiskut ja järjestelmän jousto:
Kun nesteen virtausnopeus muuttuu äkillisesti, tapahtuu järjestelmässä nopeita paineen
muutoksia. Kun virtaus putkessa putkessa ja toimilaitteessa pysähtyy, syntyy paineaalto,
joka etenee nesteessä äänen nopeudella. Se kulkee putkistossa takaisinpäin, kunnes kohtaa
esteen eli tavallisesti pumpun, johon paineaalto törmää. Samalla syntyy paineenalenimis-
aalto, joka kulkee kohti venttiiliä. Nämä paineaallot kulkevat järjestelmässä edestakaisin,
kunnes kitkavastus on kuluttanut niiden energian pois.
Hydraulijärjestelmän joustolla tarkoitetaan hydraulinesteen kokoonpuristumisen
aiheuttamaa tilavuuden muutosta. Hydraulisen jouston lisäksi järjestelmissä esiintyy myös
mekaanisten osien joustoa. Nesteeseen sekoittunut vapaa ilma on suurimpia järjestelmän
jouston lisääjiä.
12
2. HYDRAULINESTEET
2.1 Tehtävät
siirtää teho
voidella
jäähdyttää
tiivistää
estää korroosio
epäpuhtauksien poistaminen
2.2 Viskositeetti ja muut ominaisuudet
Kun kaksi nesteen toisistaan erottamaa pintaa liikkuu toisiinsa nähden, nesteeseen syntyy
leikkausjännitys. Tätä ilmiötä kutsutaan Newtonin laiksi ja kaikkia näin käyttäytyviä
nesteitä kutsutaan newtonilaisiksi nesteiksi. Näille nesteille on ominaista se, että pienikin
leikkausjännitys muodostaa niissä virtausta. Kaikki hydrauliöljyt ja myös vesi ovat
newtonilaisia nesteitä.
τ = ƞ x Δv / Δh
τ = leikkausjännitys
ƞ = nesteen dynaaminen eli absoluuttinen viskositeetti
Δv = kahden toisiaan lähellä olevan nestekerroksen nopeusero
Δh= nestekerroksen välimatka
Kuva 2.1 Nesteen nopeusero liikkuvien pintojen välissä.
Dynaaminen viskositeetti mittayksikkö on Pascalsekunti = 10 P (poisi)
sPam
sN
2 SI-järjestelmä, aikaisemmin 1cP = 1mPas
Kinemaattinen viskositeetti (ⱱ) Se saadaan jakamalla dynaaminen viskositeetti nesteen tiheydellä eli sen
ominaispainolla.
ⱱ = ƞ / ρ , mittayksikkö mm²/s , aikaisemmin 1cSt = 1 mm²/s
13
Konventionaaliset lukuarvot
-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
VG 2 s
mmttiviskositeeN2^
VG 3 VG 32 = 32 mm2/s, lämpötila 40C
…….
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 tila-
päisesti 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.
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.
14
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 käyttö-
lämpötila 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.
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 kemial-
liset 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 pienen-
tämiseksi, mutta muut ominaisuudet vastaavat HLP - öljyjä.
HL - luokan nesteet soveltuvat käytettäviksi alle 20 MPa:n paineisissa ja HLP - ja HV
luokan nesteet yli 20 MPa:n paineisissa järjestelmissä. Mineraaliöljypohjaiset hydrauli-
nesteet täyttävät kaikki ne toiminnalliset vaatimukset, jotka hydraulinesteiltä vaaditaan,
15
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 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 viskositeetti 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
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.
16
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
17
Esimerkkiöljyjen tuotetietoja:
18
3. HYDRAULIPUMPUT
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: kierrostilteor VnV
Todellisuudessa siis tuotto on pienempi, koska pumpun sisäiset vastukset ja nesteen
viskositeetista johtuva vastus pienentävät sitä. Kierrostilavuuden tilalla voidaan käyttää
myös radiaalitilavuutta eli kierrostilavuus jaetaan 2 π:llä. Tällöin pyörimisnopeuden tilalla
on käytettävä kulmanopeutta, ω = 2 x π x n.
Q= x Vrad
Pumpun imu- ja painepuolen välillä vallitsee aina paine-ero, joka aiheuttaa pumpussa
sisäisiä vuotoja. Vuotojen aiheuttama häviö otetaan huomioon volumetrisellä
hyötysuhteella vol, joka ei ole vakio, vaan sen suuruus riippuu sekä paineesta että pumpun
pyörimisnopeudesta. Pumpun todellinen tuottama tilavuusvirta on:
Qtod = vol x n x Vk
Hydromekaaninen (hm) ja volumetrinen (vol) hyötysuhde yhdessä muodostavat pumpun
kokonaishyötysuhteen (kok). Hydromekaaninen hyötysuhde on riippuvainen kitka- ja
pyörrehäviöistä. Volumetrinen hyötysuhde on riippuvainen sisäisistä vuodoista.
piirrosmerkit:
19
Lähes kaikki valmistettavat pumput ovat seuraavaa neljää tyyppiä:
-hammaspyöräpumput
-ruuvipumput
-siipipumput
-mäntäpumput
Kuva 3.1 Hydraulipumput.
3.2 Hammaspyöräpumput
Toimintaperiaatteena on että, neste siirtyy hammaslovissa imuaukosta paineaukkoon.
Hammaspyöräpumput jaetaan rakenteensa mukaan ulkohammaspyöräisiin eli ulko-
ryntöisiin ja sisähammaspyöräisiin eli sisäryntöisiin pumppuihin. Jako perustuu
hammaspyörien keskinäiseen sijaintiin ja lukumäärään.
3.2.1 Ulkopuolisesti sivuavat
Yleensä kaksipyöräinen
o tiivistys ryntökohdassa
o toinen pyöristä vetävä
Kuva 3.2 Hammaspyöräpumppu, ulkopuolisesti sivuava.
20
tuotto :
2
2
)(
22
22
su
su
RRb
RRbnV
Hammaspyöräpumpun tuottama tilavuusvirta ei ole tasaista ja tämän vuoksi onkin kehitet-
ty 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 aksiaali-
voimia, joiden kompensointi ja huomioonottaminen laakeroinnissa monimutkaistaa pum-
pun 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 ulko-
ryntöiset pumput ovat käytössä sekä liikkuvan kaluston että teollisuuden järjestelmissä.
Kuva 3.3 Ulkoryntöisen kaksipyöräisen hammaspyöräpumpun rakenne ja toiminta.
21
3.2.2 Sisäryntöiset hammaspyöräpumput
Kuva 3.4 Sisäryntöiset hammaspyöräpumput, vasemmalla erottajalla varustettu ja oikealla hammasrengas- eli gerotorpumppu.
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 hammasrengas-
pumppu, 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 ulko-
ryntöisen hammaspyöräpumpun tuottama. Myös melutaso on alhaisempi. Sisäryntöisen
hammaspyöräpumpun hyötysuhde huononee viskositeetin pienentyessä ja paineen kas-
vaessa. Sopiva pyörimisnopeus pumpuilla on noin 500-4000 r/min ja suurimmat käyttö-
paineet ovat suuruusluokkaa 100-140 bar. Kokonaishyötysuhde on parhaimmillaan
luokkaa 0,93.
3.3 Ruuvipumput
Ruuvipumput ovat yksi-, kaksi- tai kolmeruuvisia. Hydrauliikassa tavallisin on kol-
meruuvinen, jolloin keskiruuvi on vetävä, sivuruuvit muodostavat tiivistyksen.
Hydraulineste kulkee imupuolelta painepuolelle ruuvien ja pumpun rungon muodosta-
missa 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
22
tiiviitä kammiosta erottamaan imukammion painekammiosta. Ruuvien pyöriessä kammiot
liikkuvat nesteellä täyttyneinä imupuolelta painepuolelle tasaisella nopeudella.
Kammioiden tilavuus pysyy samansuuruisena koko matkan.
Kuva 3.5 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 aksiaa-
linen kuormitus, joka kohdistuu ruuvien kosketuskohtiin ja laakerointiin. Paineen noustes-
sa pumpun sisäiset vuodot kasvavat nopeasti rajoittaen käyttöpainetta arvoon 170-200 bar.
Pumpun imukyky ja kestävyys ovat hyviä, mutta hyötysuhde melko huono juuri sisäisten
vuotojen takia.
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 muodosta-
massa tilassa. Roottorin loviin sijoitetut siivet liikkuvat säteen suuntaisesti, jolloin ne
roottorin pyöriessä painuvat ulospäin pumpun kiinteää pesää vasten. Koska pumppu-
kammio 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.
Kuva 3.6 Siipipumput
23
Yksikammioiset siipipumput ovat miltei kaikki säätötilavuuspumppuja, joissa kiinteän
roottorin ja kammion välistä tilavuutta säädetään pumppukammion asemaa muuttamalla.
Pumppukammion muodostaa siirrettävä pumppurengas, jota voidaan siirtää pumpun
rungon sisällä.
Kuva 3.7 Yksikammioinen siipipumppu, jossa roottori on laakeroitu epäkeskeisesti pesään nähden, jolloin pumppu on myös
hydraulisesti epätasapainoinen. Pumppu on säätötilaavuuspumppu.
Kaksikammioiset siipipumput:
Kuva 3.8 Kaksikammioisen siipipumpun rakenne..
o kaksi imu ja paineliitintä
o tasapainossa
o tuotto suurempi
o ei voida säätää
24
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.
Kuva 3.9 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.
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 verkos-
toon on mäntä.
25
3.5.1 Rivimäntäpumput
Kuva 3.10 Makaava kaksimäntäinen rivimäntäpumppu.
usein kampimekanismi (nopeissa epäkesko)
jakoelimenä vastaventtiilit
yleensä makaavia
hidaskäyttöisiä
maksimipaineet 100Mpa
eräs käyttösovellutus on dieselmoottoreiden polttoaineen
syöttöjärjestelmät
3.5.2 Säteismäntäpumput
Kuva 3.11 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 välityk-
26
sellä pumppurenkaan sisäpintaan. Pumppurenkaan epäkeskisyyttä sylinteriryhmään näh-
den voidaan säätää, jolloin pumpun tuotto muuttuu. Pumpun imukyky on hyvä ja sen suu-
rimmat käyttöpaineet ovat noin 450 bar ja sitä voidaan käyttää sekä avoimissa että sulje-
tuissa 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 vakio-
tilavuuksisia, mutta myös säädettäviä rakenteita on olemassa. Suurimmat käyttöpaineet
ovat noin 700 bar ja niiden kokonaishyötysuhde on luokkaa 0,88-0,92.
Kuva 3.12 Pyörimättömällä sylinteriryhmällä varustettu säteismäntäpumppu. .Mäntä on radiaalisesti akseliin nähden ja
jakoeliminä ovat vastaventtiilit. Kierrostilavuutta ei voi säätää.
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 3.13 Aksiaalimäntäpumppu (suora akseli) 1) sylinteriryhmä, 2) mäntä, 3) käyttölevy, 4) akseli, 5) jakolevy.
27
Kuva 3.14 Aksiaalimäntäpumpun säätö.
Muuttamalla käyttölevyn vinoutta voidaan muuttaa pumpun antamaa tilavuusvirtaa.
Kuva 3.15 Aksiaalimäntäpumpun tilavuusvirran säätö. a) maksimi- b) pienennetty tilavuusvirta c) ei tilavuusvirtaa.
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 virtaus-
suunta pumpussa muuttuu.
Kuva 3.16 Vinoakselipumpun rakenne ja säätö
28
Kuva 3.17 Kulmaroottori- eli vinoakselipumppu.
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 säätö-
tilavuuksina.
3.6 Pumppujen säätö
Pumppujen antama tilavuusvirta 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.
Portaaton säätö toteutetaan muuttamalla pumpun kierrostilavuutta. Siipi- ja radiaalimäntä-
pumpuissa 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 kierukka-vaihde
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.
29
30
4. PAINEVARAAJA
4.1 Tehtävät
energian varastointi
paineiskujen ja paineenvaihtelujen tasaaminen
lämpölaajenemisen kompensointi
vuotojen kompensointi
Paineakut toimivat hydraulijärjestelmissä varastoina, joissa pumpulta saatua paine-
energiaa 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.
4.2 Rakenteet
Varastointi massaa nostamalla:
- nykyisin historiaa
- kooltaan suuria
Varastointi jousta jännittämällä:
- jousi kiinteä tai säädettävä
- energialataus varastoidaan jousienergiana
31
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 neste-
tila 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 periaat-
teessa 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 4.1 Kalvoakun rakenne.
32
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 4.2 Rakkoakun rakenne.
Mäntätyyppinen paineakku:
Kuva 4.3 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.
33
Pikaliikkeiden aikaansaaminen
Sylinterikäytössä suurta tilavuusvirtaa voidaan tarvita esimerkiksi pikaliikkeiden
aikaansaamiseksi. Pikaliikkeessä kuormittamaton sylinteri on saatava mahdollisimman
nopeasti toiseen ääriasentoon.
Kappaleiden kiinnittäminen
Toinen yleinen paineakun käyttökohde on paineen ylläpito järjestelmässä esimerkiksi
puupuolen sormijatkospuristimessa.
Pumpun tuottaman tilavuusvirran tasaaminen
Hydraulipumppujen tuottama tilavuusvirta ei ole tasaista, vaan siinä esiintyy vaihteluja.
Sijoittamalla paineakku pumpun läheisyyteen voidaan tilavuusvirran vaihteluja tasata.
Paineiskujen tasaaminen
Kun suuntaventtiili sulkeutuu nopeasti, aiheuttaa se järjestelmään paineiskun, joka voi olla
hyvinkin haitallinen. Sijoittamalla paineakku pumpun ja venttiilin väliin mahdollisimman
lähelle venttiiliä voidaan paineiskuja vaimentaa.
Jos hydraulijärjestelmä ei saa missään tilanteessa esimerkiksi turvallisuussyistä joutua
paineettomaksi, voidaan siihen kytkeä paineakku varmistamaan paine pumpun
rikkoutuessa tai pysähtyessä vaikka sähkökatkon takia.
Paineakkua voidaan käyttää myös tasaamaan järjestelmän lämpenemisestä johtuvaa
nesteen tilavuuden kasvua.
Paineakun valinta ja mitoitus:
Kaasutäytteisten paineakkujen koon määrittämiseen löytyy valmistajilta erilaisia
käyrästöjä, mutta akkujen tilavuus voidaan määrittää myös laskennallisesti.
Akun esitäyttöpaine on riippuvainen järjestelmän alimmasta käyttöpaineesta ja se on
oltava noin 10% pienempi kuin järjestelmän pienin käyttöpaine.
Paineakun nesteen varastointikyky on riippuvainen järjestelmän pienimmän ja suurimman
paineen suhteesta. Riittävän kalvon tai rakon kestoiän saavuttamiseksi paineakun ylimmän
ja alimman paineen välisen suhteen tulisi olla suurempi kuin 1/3.
Tavallisesti paineakun tilavuuden muutoksessa pätee polytrooppinen tilavuuden muutos.
34
Tällöin paineakun koko voidaan laskea yhtälöstä, joka perustuu ideaalikaasun tilayhtälöön.
Huom! Kokoonpuristuvalla nestemäärällä tarkoitetaan akusta poistuvaa paineen alaista
nestemäärää.
35
5. HYDRAULIIKKAVENTTIILIT
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.
36
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
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 5.1 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.
5.2 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:
37
1. Paineenrajoitusventtiilit
2. Paineenalennusventtiilit
3. Paineohjausventtiilit
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 5.2 Suoraohjattu, yksinkertainen , käytetään pienissä kokoluokissa
Esiohjattu:
Kuva 5.3 Esiohjattu, käytetään suurilla tilavuusvirroilla.
38
5.2.2 Paineenalennusventtiili
Jos osassa hydraulijärjestelmää tarvitaan alhaisempaa painetta kuin muussa järjestelmässä,
voidaan alennettu paine aikaansaada paineenalennusventtiilillä. Venttiili voi olla raken-
teeltaan 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 5.4 Paineenalennusventtiilin rakenne ja toiminta.
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 pääty-
pinta-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 5.5 Painesuhdeventtiili
39
5.2.4 Paine-eroventtiili
Kuva 5.6 Paine-eroventtiili pyrkii pitämään vakiopaine-eron tulo- ja lähtöpuolen välillä.
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.
40
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
41
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.
Kuva 5.7 Letkurikkoventtiilin toiminta ja rakenne.
5.3 Virtaventtiilit
Nopeudensäätö tapahtuu säätämällä tilavuusvirtaa:
I Pumpun tuottoa säädetään muuttamalla pyörimisnopeutta
II Pumpun kierrostilavuutta säädetään
III Käytetään vakiotilavuuspumppua ja virtaventtiilejä
42
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
Vastus- ja vastusvastaventtiilit:
Kuva 5.8 Virtavastusventtiileitä, a) neulaventtiili, b) säätökara, c) laminaarinen kuristin ja d) turbulenttinen kuristin .
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.
43
Säätöpiirissä voi olla myös lämpötilakompensaattori, jonka tehtävänä on estää ne
tilavuusvirran vaihtelut, jotka aiheutuvat nesteen viskositeetin muutoksista lämpötilan
vaihdellessa.
Kuva 5.9 Virransäätöventtiilin toiminta ja rakenne.
Virranjakoventtiilit jakavat venttiilille tulevan virtauksen kahteen vakiosuhteiseen lähtö-
virtaukseen. 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.
Tavallinen virranjakoventtiilin tehtävä on tahdistaa kaksi toimilaitetta esimerkiksi
sylinteriä niin, että ne suorittavat liikkeensä yhtä aikaa. Säätöominaisuuksiltaan parhaita
venttiileitä ovat paine- ja lämpötilakompensoidut virranjakoventtiilit.
44
5.4 Vastaventtiilit
Vaihtovastaventtiili:
Venttiili vastaa loogista TAI- toimintaa ja sitä käytetään
erilaisissa ohjauspiireissä.
Kuva 5.10 Vaihtovastaventtiilin rakenne ja piirrosmerkki.
Vastaventtiili:
Kuva 5.11 Vastaventtiilit ovat istukkarakenteisia: a) kuula, b) kartio, c) lautanen, d) patruuna
Ohjatut vastaventtiilit:
Kuva 5.12 Ohjattuvastaventtiili (aukeaa molempiin suuntiin) ja käyttöesimerkki.
45
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
- hydraulimoottorin 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 kaikki suljettu
o myös muita on
46
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, sylin-
teri liikkuu ulospäin 50% :lla nopeudella, jos pinta-alasuhde sylinterissä on kaksi.
Monitieventtiilit
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 luisti 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
47
Kuva 5.13 Hydraulisesti esiohjattumagneettiventtiili.
48
Kuva 5.14 Moduuliasenteiset eli päällekkäin asennettavat venttiilit (koko alkaen NS 6).
6. HYDRAULISYLINTERIT
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
49
Kuva 6.1 Sylinterin rakenne.
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
50
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 kumia, nitriilikumia tai teflonia
Kuva 6.2 Sylinterin päätyjen kiinnitystapoja: a) hitsi, b) kierre, c) sidepultti, d) lukitusrengas
Kuva 6.3 Sylinterin päätyvaimennus.
51
Kuva 6.4 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.
6.4 Erikoissylinterit
6.4.1 Läpimenevällä männänvarrella varustettu
voima ja nopeus sama molempiin suuntiin
kestää taivutusta paremmin
6.4.2 Differentiaalisylinteri
normaalia paksumpi männänvarsi tietty suhde erisuuntaisille voimille
ja nopeuksille (yleisin 2:1)
6.4.3 Teleskooppisylinteri
kallis
suuri iskunpituus verrattuna lepopituuteen
52
Kuva 6.5 Vasemmalla normaali ja oikealla vakionopeuksinen teleskooppisylinteri.
6.4.4 Vääntösylinteri
kääntökulma on usein alle 360 siipi tai hammastanko
Kuva 6.6 Hammastankovääntösylinteri.
7. HYDRAULIMOOTTORIT
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 maksimi-
vääntömomenttinsa. Nopeakäyntimoottorit puolestaan pyörivät nopeasti ja niiden
suurimmat vääntömomentit saadaan käyntinopeusalueen yläosassa. Moottorit voidaan
jakaa pyörimisnopeutensa mukaan seuraavasti:
53
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 pyörimis-
suuntaa vaihtaen. Käytön aikana voi esiintyä negatiivista kuormaa, jolloin moottorin on
jarrutettava ja pidettävä karkaamaan pyrkivä kuorma hallinnassa. Suurimmat säätö-
mahdollisuudet ovatkin järjestelmissä, joissa säätötilavuuspumppu pyörittää säätö-
tilavuusmoottoria.
Rakenteeltaan hydraulimoottorit voivat olla hammaspyörä-, siipi- tai mäntämoottoreita.
Lisäksi ne voivat olla vakio- tai säätötilavuuksisia.
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.
Ulkoryntöiset hammaspyörämoottorit ovat vakiotilavuuksisia ja eroavat pumpuista
sisäiseltä rakenteeltaan. Niissä on ulkoinen vuotoliitäntä .Ulkoryntöinen hammas-
pyörämoottori 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 hammasrengas-
pumppuja. 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 sisähammas-
pyörässä 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
54
ja niistä pois. Hammaspyörä on kytketty jakoventtiiliin ,joka pyörii sen mukana avaten ja
sulkien paineja paluukanavan sopivaan aikaan. Moottori on vakiotilavuuksinen.
Kuva 7.1 Orbital-moottorin rakenne.
7.3 Siipimoottorit
Siipimoottorit voivat olla nopea- tai hidaskäyntisiä. Niiden rakenteet ovat vastaavia
siipipumppujen kanssa.
Kuva 7.2 Siipimoottorin rakennekuva.
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.
55
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 tulo- ja 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 7.3 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.
Kuva 7.4 Nokkarengasmoottorin rakennekuva.
56
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 7.5 Aksiaalimäntämoottorin rakennekuva.
7.5 Hydraulimoottorin suojaus
57
8. MUUT HYDRAULIIKKAJÄRJESTELMÄN KOMPONENTIT
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 8.1 Säiliön rakennekuva. Pumppu voidaan sijoittaa myös säiliön sisälle.
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
58
Liittäminen:
Kierreliittimet
Leikkuurengasliittimet
Laippaliitokset (suuret putket)
Letkut:
Matalapaineletkut, keskipaineletkut, suurpaineletkut, erikoissuurpaineletkut
Rakenne:
Kuva 8.2 Letkun kudoskerrokset. Letkun ja sen liittimien liitokset voidaan tehdä kierrettävillä tai puristettavilla liittimillä
8.3 Suodattimet
erittäin tärkeitä hydrauliikkajärjestelmissä
suodatusaste: 5…25m
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.
59
Kuva 8.3 Erilaisia suodattimia.
8.4 Muut komponentit
Jäähdytys- ja lämmityslaitteet:
öljyn lämpötila ei saisi nousta yli +70C
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 ja ilmanpoistoventtiilit
60
9. KYTKENTÄTEKNIIKKA
9.1 Paineen säätö
Paineenrajoitusventtiili rinnan pumpun kanssa:
Kuva 9.1Paineenrajoitusventtiili pumpun yhteydessä.
Suoraohjatulla paineenrajoitusventtiilillä saadaan huonohko ominaiskäyrä, mutta nopea
toiminta. Esiohjatulla paineenrajoitusventtiilillä saadaan puolestaan hyvä ominaiskäyrä,
mutta hidas toiminta.
Erisuurien paineiden järjestäminen järjestelmään:
Kuva 9.2Kolme paineenrajoitusventtiiliä.
Portaallinen paineensäätö saadaan järjestettyä suuntaventtiilien ja useiden
paineenrajoitusventtiilien avulla. Kuvassa esimerkki, jolla saadaan kolme eri suurta
painetasoa. Portaaton paineensäätö saadaan paineservo- tai paineproportionaaliventtiilin
avulla.
61
Tyhjäkäyntihäviöiden pienentäminen:
Kuva 9.3 Suuntaventtiilillä, jossa on suljettu keskiasento, syntyy enemmän tyhjäkäyntihäviöitä verrattuna käyttöön, jossa
suuntaventtiilin keskiasento on avoin.
Tyhjäkäyntihäviöitä pienennetään, jotta järjestelmän lämpötila saadaan pysymään
hyväksyttävällä tasolla ja lisäksi sähköenergiaa säästyy.
Kuva 9.4 Järjestelmän häviöiden pienentäminen käyttämällä kahta paineenrajoitusventtiiliä.
Paineenalennusventtiilin käytöllä voidaan alentaa järjestelmän painetta kohteisiin, jossa
paineen on oltava alhaisempi.
62
Seurantaventtiilin eli sekvenssiventtiilin käyttö:
Kuva 9.5 Sylintereiden toimintajärjestyksen toteutus seurantaventtiilin avulla.
9.2 Tilavuusvirran säätö
Sylinterin liikenopeuden säätökeinoja:
Pumpun pyörimisnopeus
Tätä käytetään lähinnä liikkuvan kaluston hydrauliikassa eli mobiilihydrauliikassa.Tällöin
käytössä on siis dieselmoottori. Teollisuudessa on yleensä pumpun käyttömoottorina
sähkömoottori. Koska sähkömoottorin pyörimisnopeuden säätö tulee yleensä kalliiksi, sitä
käytetään hyvin harvoin tilavuusvirran säätöön.
Säätötilavuuspumppu
Pumpun säätö voidaan toteuttaa:
-käsiohjauksena
-servo-ohjauksena
-sähkömoottorin avulla tai paineilman avulla
Säätötilavuuspumppu on kuitenkin kallis ratkaisu sylinterin liikenopeuden säätämiseen.
63
Virtaventtiili
Nopeuden säätö virtaventtiileillä on aina häviösäätöä, joten jos tehot ovat suuria ja
säätöalueet laajoja, järjestelmissä on suoritettava tarkat lämpötilatarkastelut.
Ylimääräinen öljy johdetaan paineenrajoitusventtiilin kautta säiliöön, mikä aiheuttaa
suuria järjestelmään suuria häviöitä.
Kuva 9.6 Sylintereiden liikenopeuden säätö sijoittamalla vastusvastaventtiili tuloputkeen.
Kuva 9.7 Kuristin kytkettynä toimilaitteen rinnalle. Oikealla kuristin on kytketty paluuputkeen, jolloin voidaan estää kuorman
karkaaminen.
64
Kuva 9.8 Sylinterin nopea liike ja hidas lähestymisliike.
10. HYDRAULIJÄRJESTELMÄT
10.1 Yleistä
Hydraulisen käytön etuja:
-mahdollisuus tuottaa suuria voimia ja momentteja
-tarkka ja portaaton nopeuden, voiman ja momentin säätö
-nopeus saadaan pysymään vakiona kuormituksen vaihdellessa
-hyvä asemointitarkkuus toimilaiteille
-ylikuormitussuoja voidaan toteuttaa paineventtiileillä
-teho viedään toimilaitteelle putkia ja letkuja pitkin
-voidaan käyttää samanaikaisesti useita toimilaitteita
-hydraulineste voitelee ja jäähdyttää toimilaitteen
-toimilaitteen jarrutus voidaan toteuttaa hydraulisesti
Hydraulisen käytön haittoja:
-korkeat paineet aiheuttavat tiivistysongelmia
-tarkat valmistustoleranssivaatimukset komponenteissa
-väliaine (öljy) on likaavaa ja ympäristöä saastuttavaa
-väliaineen ominaisuudet (esim. viskositeetti) riippuvat lämpötilasta
-järjestelmässä syntyy tehohäviöitä ja järjestelmän hyötysuhde on usein melko
huono (0,6…0,8)
-ilma aiheuttaa ongelmia järjestelmässä
-jokaiselle järjestelmälle tarvitaan yleensä oma koneikko
65
Hydraulitekniikassa on kyse energiansiirtoketjusta. Pumppu muuttaa mekaanisen energian
hydrauliseksi energiaksi (tilavuusvirta ja paine). Koska pumppu toimii syrjäytys-
periaatteella, pumpun jälkeinen paineen nousu on rajoitettava paineenrajoitusventtiilillä.
Yleensä pumpulle kannattaa järjestää vapaakierto, jolloin tehohäviöt ovat mahdollisimman
pienet.
Kuva 10.1 Hydraulipumpulle on järjestetty ns. vapaakierto.
Suuntaventtiilien avulla tilavuusvirta ohjataan halutulle toimilaitteelle. Yksinkertaisimmat
suuntaventtiilit ovat 2/2-venttiilejä, mutta usein hydrauliikassa käytetään jousikeskitteisiä
4/3-venttiilejä.
Hydrauliikkakaavioiden piirtämisessä ja lukemisessa on otettava huomioon, että venttiilit
ja toimilaitteet piirretään kaavioon lähtötilannetta vastaavaan asentoon eli ohjaamattomaan
asentoon.
10.2 Avoin järjestelmä
- öljy palaa toimilaitteen jälkeen säiliöön - ominaisuudet:
o tilava säiliö hyvä jäähdytys o vuotoöljyt palaavat säiliöön o pumpun imuputkessa syntyy helposti alipaine (kavitaatio)
- pumppu on yleensä yksisuuntainen. toimilaitteen suunnanvaihto hoidetaan venttiileillä
- pumpulla ei yleensä voi jarruttaa toimilaitetta - järjestelmässä voi olla useita toimilaitteita - toimilaitteina voivat olla sylinterit ja moottorit
66
Kuva 10.2 Avoin hydraulijärjestelmä, jossa toimilaitteena on hydraulimoottori. 1) säiliö, 2) säätötilavuuspumppu,
3)säädettävä paineenrajoitusventtiili, 4) 4/3-suuntaventtiili, 5) toimilaitteen paineenrajoitusventtiilit ja
6)vakiotilavuusmoottori.
Kuva 10.3 Avoin hydraulijärjestelmä, jossa toimilaitteena on hydraulisylinteri.
10.3 Suljettu järjestelmä
- öljy palaa toimilaitteen jälkeen pumpun imupuolelle - ominaisuudet:
o toimilaitteen tilavuusvirta on melkein sama kuin pumpun antama tilavuusvirta
o nestetilavuus on pieni lämpenemisvaara
67
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
Kuva 10.4 Suljettu hydraulijärjestelmä, jossa toimilaitteena on hydraulimoottori. 1) kahteen suuntaan toimiva
säätötilavuuspumppu, 2) yhteen suuntaan toimiva vakiotilavuuspumppu, 3) paineenrajoitusventtiili, maksimi syöttöpaine,
4)suodatin, 5) vastaventtiili, 6) 2/2-suuntaventtiili, moottorin ohjaus vapaalle, 7) moottorin suojaventtiili, 8) 3/3-suuntaventtiili,
paineohjattu huuhteluventtiili, 9) paineenrajoitusventtiili, syöttöpaineen asetus ja 10) kahteen suuntaan pyörivä vakiotilavuus-
moottori.
10.4 Puolisuljettu järjestelmä:
o osa nesteestä palaa takaisin säiliöön
Kuva 10.5 Puolisuljettu hydraulijärjestelmä, jossa toimilaitteena on hydraulisylinteri.
68
11. SERVO- JA PROPORTIONAALITEKNIIKKA
11.1 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 11.1 Servojärjestelmän toimintaperiaate.
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
69
Venttiiliohjattu sähköhydraulinen asemaservo:
Nopeusservo:
tarkoituksena saada toimilaitteelle nopeus, joka seuraa käskysuuretta yleensä pumppuohjattu ja toimilaitteena on hydraulimoottori moottorin nopeus pysyy vakiona kuormituksesta riippumatta
70
Voimaservot
toimilaitteelle voima, joka seuraa käskysuuretta usein venttiiliohjattu toimilaitteelle vakiovoima tai vakiomomentti
11.2 Hydraulisen servojärjestelmän komponentit
Venttiiliohjatussa servojärjestelmässä tarvitaan aina erillinen pumppukoneisto, joka antaa
tasaisen syöttöpaineen servoventtiilille esim. 7 MPa. Pumppukoneistossa käytetään
vakiotilavuuspumppua ja paineenrajoitusventtiiliä tai vakiopainesääteistä säätö-
tilavuuspumppua. 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 11.2 Yksiasteinen sähköinen servoventtiili.
71
Kuva 11.3 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 11.3 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 proportionaali-
venttiileillä. Vahvistinkorttien käyttöjännite on tyypillisesti 24 V DC. Vahvistimet on
varustettu PID-säätimillä. Toimilaitteet hydraulisissa servojärjestelmissä ovat
hydraulisylintereitä tai hydraulimoottoreita. Sylinterit voivat olla tavallisia sylintereitä,
72
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.
11.3 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 ohjaus-
laitteiden 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 säätö-
järjestelmä 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.
73
11.4 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).
Ominaisuudet:
o parempi hyötysuhde
o halvempi
o ei niin arka epäpuhtauksille kuin servojärjestelmä
Kuva 11.4 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
74
Kuva 11.5 Ylhäällä vasemmalla on ilman takaisin kytkentää oleva proportionaalimagneetti. Oikealla on neliliitäntäinen
suuntaproportionaaliventtiili varustettuna takaisinkytkennällä.
Kuva 11.6 Proportionaaliventtiilien piirrosmerkit.
75
12. PATRUUNATEKNIIKKA
12.1 Yleistä
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.
12.2 Patruunatekniikan perusteet
Alla olevassa kuvassa esitetään patruunaventtiilin 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 12.1 Patruunaventtiilin rakenneperiaatteet, vasemmalla luistiventtiili ja oikealla istukkaventtiili.
76
Kuva 12.2 Patruunaventtiililohko.
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-tiepatruunaventtiileillä. Päätehopuolella ovat
vain patruunat ja niiden ohjauksella saadaan patruunat toimimaan joko suunta-, vasta-,
paine-, virransäätö-, proportionaali- tai jopa servoventtiileinä.
Kuva 12.3 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 tilavuus-
virroilla. Patruunoiden ohjaustapa ratkaisee, minkä toiminnan patruuna toteuttaa. Ohjaus-
paine voidaan esim. ottaa painelinjasta ennen patruunaa. Yhdistämällä eri ohjaustapoja
saadaan patruuna toimimaan kahden venttiilin tavoin.
77
Seuraava kuva esittää eri venttiilitoimintojen toteuttamista patruunatekniikalla.
Kuva 12.4 Esimerkki yksitoimisen sylinterin ohjauksesta patruunatekniikalla, jossa patruunoiden ohjaus on toteutettu 3/2-
suuntaventtiileillä.
78
13. VESIHYDRAULIIKKA
13.1 Yleistä
Vesihydrauliikka on yksi hydrauliikan laji, jota on kehitetty viime vuosikymmenien
aikana. 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 ovat 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 myös
uusia alueita. Autoteollisuudessa on käytetty jonkin verran vesihydrauliikkaa
hitsausroboteissa ja elintarviketeollisuudessa matalapaineisempi hydrauliikka on yksi
vaihtoehto automatisoinnissa pneumatiikan ohella . Offshore -teollisuudessa voidaan
harkita öljyn korvaamista merivedellä. Tulevaisuudessa ympäristölainsäädäntö tulee
asettamaan yhä suurempia päästörajoituksia, mikä koskee myös hydraulijärjestelmien
aiheuttamia vuotoja.
13.2 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 konsentraattipitoisuus 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. elintarvike-
teollisuus. Terästeollisuudessa HFA:n käyttö tulee jatkumaan vielä hyvin pitkään.
79
13.3 Komponentit
Pumput:
Hydraulijärjestelmän sydämenä toimii pumppu. Pumput ovat pääosin vakiotilavuus-
pumppuja. 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 sähkö-
moottorilla, jolloin kokonaisuus yksinkertaistuu Pumput ovat täysin vesivoideltuja, eivätkä
tarvitse huoltoa. Mäntien suuren lukumäärän vuoksi yleensä vähintään viisi, radiaali-
mäntäpumpun 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 melko 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
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.
80
Muut komponentit:
Vesihydrauliikan nopeaa leviämistä on jarruttanut moottorin puuttuminen. 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 ohjauslaakereiden mitoitus eroavat öljyhydraulisylinteristä.
Putkistossa voidaan käyttää samoja periaatteita kuin sylinterien perusmateriaalin
valinnassa.
Kuva 13.1 Vesihydrauliikkaan tarkoitettuja komponentteja.
Yhteenveto:
Vaikka vesihydrauliikka on tunnettu jo kauan, on vasta 90-luvulla 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
81
erityispiirteille perinteiseen öljyhydrauliikkaan verrattuna. Koska vesihydrauliikan
markkinoilla oleva komponenttivalikoima on tällä hetkellä rajallinen verrattuna öljy-
hydrauliikkaan 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.
14. HYDRAULIJÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU
14.1 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
- 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
82
- 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
14.2 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).
6. Piirretään järjestelmästä hydrauliikkakaavio standardipiirrosmerkeillä ja
tarkastellaan toimintaa ja eri kytkentävaihtoehtoja.
7. Lasketaan toimilaitteiden dimensiot annettujen kuormitusten pohjalta.
83
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 hydrauliikkakaavio 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 hydrauliikkakaavio 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.
Tällä saavutetaan seuraavia etuja tilavuusvirran pienentyessä:
- toimilaitteen koko saadaan pieneksi
- putket ja venttiilit ovat pieniä
- pienituottoinen pumppu sallii suuremman pyörimisnopeuden
84
- 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.
14.3 Hydraulijärjestelmän mitoitusesimerkki
Alla oleva kuva esittää hydraulijärjestelmää, jossa on hydraulimoottorikäyttöinen kuljetin
ja hydraulisylinterikäyttöinen työnnin, joka työntää kappaleet pois kuljettimelta rulla-
radalle.
Kuva 14.1 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
- moottorin etäisyys koneikosta on n. 10 m
85
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 pinta-
alan suhteeseen. Männänvarren nurjahdusmahdollisuus on myös otettava huomioon.
Valitaan alustavasti paineeksi 15 MPa (paine olisi voitu valita korkeammaksikin).
86
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 paluuvirta-
suodatus.
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.
87
88
89
top related