7 HYDRAULIIKKA


1 Yleistä


Paine
Paineen yksikkö bar on edelleen voimassa vaikkakin Pascal on myös SI-yksikkö. Hydrauliikassa yleistyy MPa-suure, joka on 1/10 bar:sta. Amerikkalaiset ja englantilaiset käyttävät edelleen psi-pai­neenyksikköä, josta kannattaa muistaa, että kun psi-määrän jakaa 15 saa bar-määrän.

1 Pa = 1 N/m²
1 bar

100000 Pa

0.1 MPa
1 kp/cm² = n. 1 bar
1 bar = n. 14.2 psi (pounds/square inch)

Hydrauliikassa puhuttava paine on aina ylipai­netta. Sana tar­koit­taa ilmäke­hän pai­neen ylittä­vää painet­ta.
Absoluuttinen paine on mekaaninen paine + ilmakehän paine, eli esim. 200 bar työpaine on 201 bar absoluuttista.
Alipainetta on abosluuttisen nollapaineen ja ilmakehän paineen väli eli alipainetta on aina 0-1 bar.


Kavitaatio
Pumpun kehittäessä imua syntyy "alipainetta", jonka suuruus on pumpulle luonteenomainen muuttuva käsite. Hydraulipumput ovat yleensä hyvin tiiviitä hammasratas- tai mäntäpumppuja, joten niiden imukyky on hyvä, ne saavat aikaan runsaasti alipainetta. Mutta jos imuputkisto on ahdas eli siinä on runsaasti imuvastusta ja imukor­keutta, syntyvä liian suuri alipaine ja lämmin öljy saavat aikaan nesteen höyrystymisen, kavitaation. Kavitaatiota muistuttava ilmiö tulee myös, jos varastosäiliössä on ilmaa. Öljyn pitää "rauhoittua" säiliössä, että mahdollisesti turbulenttisen virtauksen johdosta synty­nyt vaahtoaminen ja silloin öljyyn imeytynyt ilma erottuu säiliös­sä.

Kavitaatio on selvästi kuultavis­sa oleva vasa­rointiää­ni, joka myös "syö" metallia. Kavitaation eh­käisemi­seksi imupuolen putkisto on virtaus­no­peuden tulee olla enintään 0.5 - 1.2 m/s, jotta pumpun synnyttämä alipaine ei ylitä kaa­suun­tumis­rajaa. Hyvänä apuna on nostaa säiliö pumpun imuyh­teen yläpuolelle, jolloin saadaan staattis­ta painekor­keutta, autta­maan imuongelmaa. Eli korkea säiliö on edulli­sempi kuin matala ja laakea.

Virtausmäärä
Virtausmäärän yksikkö on yleensä litraa/min. Myös gallona/mi­nuutti on usein engl. ja amer. ilmoittama yksikkö. Englannin gallona on 4.55 litraa ja amerikan gallona 3.79 litraa! Koska hydrauliikan virtausmäärää usein säädetään pumpun kierrosluvulla, valmistajat ilmoittavat myös ns. kierrostilavuuden. Eli montako litraa tai gallonaa pumppu pumppaa yhden kierroksen aikana.

Hydraulipumpun ottama teho eli käyttömoottorin mitoitus.
Teho = tilavuusvirta x paine / hyötysuhteella.
Laadutusesimerkki:

P [kW] = Q [l/min] x p [MPa] / η / 60
P [kW] = Q [l/min] x p [bar] / η / 600

Kokoknaishyötysuhde on pumpun hyötysuhteen, pump­pausolosuhteiden varm­uuskertoimen ja moottorin hyötysuhteen tulo. Muistettava on, että hyötysuhteen verran energiaa muuttuu lämmöksi ympäristöön ja tämä lämpö on kuljetettava pois jollakin menetelmällä. Joko hyd­raulines­tettä jäähdyttämällä tai laitteiston pinnalta tuuletuksen avulla säteily­lämpöä hävittämällä.

  • Sähkömoottorin hyö­tysuhteeksi voidaan olettaa 0.95.

  • Pumpun hyötysuhde riippuu pumpun rakenne­tyypistä, ja muodos­tuu kitkasta ja ohivuotohäviöistä;
- ham­mas­pyöräpumppu, tavallinen 0.85 - 0.95
- hammaspyöräroottoripumppu 0.8 - 0.9
- siipipumppu 0.8 - 0.85
- ruuvipumppu 0.8 - 0.85
- kiinteä- ja säätötilavuuksinen mäntäpumppu 0.9 - 0.95

  • Pumppausolosuhteiden kerroin voidaan nimetä myös varmuus­kertoi­meksi moottorin ylikuormittumisen suojaamiseksi ja se riippuu pum­patta­van aineen vis­kositee­tista joka taas riip­puu ympä­ristö­läm­pö­tilasta. Pumppujen tehot lasketaan normaalisti­ käyttäen viskositeettina 40 cST/40 °C. Jos kuitenkin joudutaan valitsemaan pumppu suuremman viskositeetin mukaan, korjauskerroin on
ηo = (vu/40)0.25 , jossa vu on uusi viskositeetti
ηo vaihtelee siis välillä 1 - 0.65

Kokonaishyötysuhde on siis ηm x ηp x ηo. Nyrkkisääntönä voidaan pitää kokonaisarvoa 0.55.

Esim! Pumpun tuotto 350 l/min, maksimi paine 220 bar

Tarvittava moottoriteho:

350 x 220 / 600 / η kW, jossa η on 0.95x0.85x0.8=0.65

350 x 220 / 600 / 0.65 = 197 kW

2 Säädöt

Pääsääntö on, että kaikki säätäminen toteutetaan painepuolella. Imupuolella ei voi säätä juuri mitään, korkeintaan lisätä virtauksen poikkipinta-alaa eli vähentää virtausnopeuksia, jolloin kavitaatioriski saadan pienemmäksi.

Kaikki säädöt kuluttavat energiaa. Olisi optimaalista laatia sellainen hydrauliikkapiiri, missä paineen tai virtauksen säätöä ei tarvita, jolloin laitoksen hyötysuhde on paras.

Tässä kuvatut säätötavat ovat periaatteellisia, niiden käytännön toteuttaminen voi tapahtua nykytekniikalla monella eri tavalla, pump­pujen sisäisellä rakenteella, venttiileillä, sähkölaitteilla, jne.

Rinnan ja sarjaankytkentä

Pumppuja asennettaessa on selvitettävä laitoksen "käyttöprofiili". Onko
a) useita sylintereitä joilla on eriaikaiset käytöt ja joskus saman­ai­kaiskäyttöä

muuttuvat virtausmäärät

tilavuusvirran säätö
b) erilaisia voimatarpeita

tarvitaan pientä voimaa tai suurta voimaa, mutta liikenopeudet ovat vakioita

muuttuvat paineet = painesäätö

Näistä lähtökohdista valitaan hydrauliikkapumppujen kytkentä. Jos tarvitaan useita eri tilavuusvirtoja asennetaan pumput rinnakkain, käynnistetään ja pysäytetään pumppuja esim. sylinterin liikenopeu­den mukaan. Jos tarvitaan erilaisia paineita, niiden hoitaminen voi­daan toteuttaa laittamalla pumppuja sarjaan. Huomattavasti yleisem­pää on kuitenkin käyttää muita paineensäätötapoja, erikoispumppu­ja, venttii­leitä jne., koska pumpuilla on yleensä se huono puoli, että imupuo­lella ei saisi olla suurta painetta, ns. standardi tiivistys systeemit eivät kestä. Esimerkiksi "vahingossa" väärinpäin pyörimään laitettu hyd­rauliikkapumppu "pullauttaa" standarditiivisteensä välittömästi ulos ja pilalle.

Kuristussäätö

Painepuolelle laitetaan joku keinotekoinen kuristin (kuristuslaippa, kuristusventtiili, paineenalennusventtiili), jolla aiheutetaan systeemiin iso painehäviö, jolloin toimilaitteen paine ei nouse kuin tiettyyn halut­tuun vakiopaineeseen. Virtausmäärä pysyy suurinpiirtein samana. Epätaloudellinen energiaa lämmöksijauhava "hätäsäätö".

Virtaussäätö
Painepuolelle laitetaan ohituslinja, jonka kautta virtausta ohjataan hallitusti.

Servoventtiilit

Paras hydrauliikan säätöventtiili on proportionaaliventtiili
perinteisen on/off venttiilin sijaan. On/off venttiilillähän liike on aina yhtä nopea, virtausmäärän säätöä ei juurikaan voi tehdä.

3 Pumput

Pumpputyyppejä on useita, ja kulloinkin sopiva tyypin valintaan vaikuttavat:
- tarvittava maksimi paine
- tilavuusvirta-alue, pieni/suuri
- asennuskohde ja sitä kautta pumpattavan öljyn minimiviskositeetti

Paine vaihtelee 30 bar --> 2000 bar Pienimmmät paineet tehdään ruuvi- ja siipipumpuilla, suurimmat mäntäpumpulla.

Tilavuusvirrat pienimmät ja suurimmat mäntäpumpuilla

Viskositeetti alue 10 - 2000 mm²/s (cSt)

Pumput ovat yleensä vakiotilavuusvirtapumppuja eli pumpun yhden ­kierroksen aikana pumppaama nestemäärä on vakio. Tällaisia pump­puja ovat:
- hammaspyörä­- ja hammaspyöräroottoripumppu
viskositeetti minimi 5, normaali 16-50, maksimi 800 cSt
- siipipumppu
viskositeetti 15, 20-50, 800 cSt
- ruuvipumppu
viskositeetti 35, 50-200, 2000 cSt
- kiinteätilavuuksinen aksiaalimäntäpumppu
viskositeetti 5, 15-25, 1000 cSt

Mäntäpumppuja voidaan valmistaa myös siten, että iskunpituus on koko ajan säädettävissä, jolloin puhutaan säätötilavuus­ mäntäpum­pusta

Pumppuja voidaan kytkeä peräkkäin samalle akselille joko kytkettynä sarjaan tai sitten täysin erillisinä pumppaamaan eri painetta ja eri määrää eri tarkoitukseen.

4 Erilaiset järjestelmät

Avoin järjes­telmä

Öljy lähtee hydraulijärjestelmästä pumpun imemänä, venttiilien ja varsinaisen työsylinterin tai muun työkohteen jälkeen öljy palaa paluuvirtaussuodattimen ja jäähdyttimen kautta säiliöön. Öljy voidaan jäähdyttää myös säiliössä tai itse säiliö voi olla jäähdytin. Systeemiä ohjataan suuntaventtiileillä ja erilaisilla paineenrajoitus ja virtauksen­säätöventtiileillä. Pumput sijaitsevat yleensä säiliön kupeessa, päällä tai säiliön sisällä.
Järjestelmä on yleisin ja erityisesti sylinteriohjausjärjestelmissä aina.

Suljettu järjestelmä

Systeemissä on painetta kehittävä pumppu ja paine-energian työksi muuttava moottori. Lisäksi tarvitaan järjestelmän vuotoja kompen­soivaa pientä syöttöpumppua. Systeemissä kiertää pienempi öljytila­vuus, koska suurin osa öljystä ei käy tankissa lainkaan ja siksi tarvi­taan tehokas jäähdytin. Systeemille on ominaista, että järjestel­mää voidaan ajaa molempiin suuntiin säätötilavuuspumpun avulla.

Keskushydrauliikka ja yksittäiskoneikot

Laivoissa yritetään vähentään laitteiden lukumäärää ja siksi hydraulii­kassakin pyritään keskushydrauliikajärjestelmään. On yksi koneikko joka palvelee useita eri järjestelmiä, ramppeja, luukkuja, ovia, vinttu­reita jne. Järjestelmä on hyvä niin kauan kun koneikon sähköteho pysyy alle 150-200 kW/hydraulimoottori. Ei ole enää edullista käyn­nistää koneikkoa siksi, että käytetään esim kauko-ohjattuja venttileitä, joiden hydraulitehon tarve on muutama kilowatti. Useimmiten teh­däänkin niin, että rampeille ja luukuille on oma koneikko, kansikoneil­le oma ja koneistojärjestelmille oma koneikko.

5 Systeemiputkisto

Putkisto on lähes poikkeuksetta sisäpuolelta erikoispuhdistettua saumatonta tarkkuusteräsputkea, mutta isommissa imupuolen putkis­sa voidaan käyttää tavallista saumatonta putkea. Tarkkuusteräsput­kelle on ominaista standardoidut ulkomitat 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 30, 38, 42, 50, 60, jne. mm, jolloin liittimet on voitu standardoida ja putkityön teko on helppoa. Sisäpuolelta tulee olla kaikki irtolika ja putki­hilse liuotet­tu tai mekaanisesti poistettu. Putkitarvikeliikkeistä saa valmiiksi sisäpuolelta käsiteltyä hydrauliikkaputkea, jossa päät ovat tiiviisti tulpatut.
Asennuksen jälkeen putkistolle on suoritettava huuhtelu-/puhdis­tusajo (kts 4.7.8.). Pintapuoli on yleensä mustaa terästä, josta on pesty lika pois niin, että se voidaan maalata. Käyttöön on myös tullut hieman paremmin pintakorroosiota kestävää pinnalta sähkösinkittyä putkea.
Putkimateriaali on joko tavallista St37.4 terästä tai St 52.4 terästä. Jälkimmäinen on hieman lujempaa, jolloin voidaan käyttää ohuempia seinämävahvuuksia, toisaalta hieman kalliimpaa. Käytännössä vasta 38 mm ja siitä suuremmat putket kannattaa tehdä St 52.4 aineesta.

Venttiileitä on runsaasti eri tyyppejä, tässä lyhyt lista päätyy­peistä:

- ohjausventtiili; 2-, 3-, 4- tai 5-asentoinen vivulla liikutettava sulku­venttiili, käsivipukäyttöisenä, suora- tai apuohjattuna, sähkömag­neetti- tai sähkömoottorikäyttöisenä
- vastaventtiili: yleiskielessä takaiskuventtiili, päästää virtauksen vain toiseen suuntaan tai voi olla myös kuristettu tai apuohjattu avautu­maan tietyn apupaineen avulla toiseenkin suuntaan, jolloin nimi on vas­tusvas­tavent­tiili
- paineenrajoitusventtiili; voi olla säätöventtiili, varoventtiili, ylivir­tausventtiili, apuohjattu jne. periaatteessa kuitenkin kuristaa painetta pois halutun määrän
- virtaventtiili; venttiili joka pitää virtauksen vakiona, toimii käytän­nös­sä kuristusventtiilin tavoin

Näitä kaikkia voidaan nykykoneistustekniikalla yhdistää ns. samaan blokiin, jolloin ulospäin ei fyysisesti voi erottaa mitä toimintoja blok sisältää.

Äänenvaimennus on hydrauliikassa tärkeää. Hydraulipumppujen toiminnalle on oleellista "ulina", melu joka siirtyy korkeapaineisen nesteen ja tiukasti kiinnitetyn putkiston kautta runkorakenteisiin ja sitä kautta ihmisten aisteihin. Järjestelmässä tulee olla letkuja sekä läpivientien tulee olla joustavasti laipioihin asnnettuja sekä koko hydrauliikkakoneikko tulee asentaa joustavien elementtien avulla irti laivan rungosta. Itse pumppauksesta syntyvää korkeataajuista tärinää voidaan vähentää paineen tasaajilla, akkuvaraajilla, jossa paineasti­an sisällä on kumikalvo, toisella puolella neste ja toisella puolella kaasu.

6 Sylinterit

Sylinterejä on kahta päätyyppiä, yksitoimiset ja kaksitoimiset.
Yksitoimisessa hydrauliikka siirtää männän toiseen suuntaan ja kuorma tai jousi palauttaa sylinterin takaisin. Mäntiä voi olla sisäkkäin sylinterissä, jolloin kyseessä on teleskooppisylinteri.
Kaksitoimisessa hyd­rauliikka siirtää mäntää molempiin suuntiin.
Kaksitoimisessa sylinterissä on muistettava, että männänvarren puo­leinen pinta-ala on pienempi, jolloin voima on myös pinta-alan suh­teessa pienempi verrattuna männän puoleen.

Sylinterit tehdään teräksestä, mutta myös seostetusta alumiinista.

7 Öljyt

Öljyt ovat joko tavallisia tai synteettisiä. Tärkeää on valita käyttökoh­teen mukaisesti öljylle oikea viskositeetti. Esim. kansikoneille notkea öljy, että toimii talvella ja vastaavasti konetiloissa paksumpi öljy, missä on normaalilämpötila korkeampi. Öljyjen viskoksiteetit on ilmaistu VG-luokilla: VG 22, VG 32, VG 46, VG 68 ja VG 100 jossa luku ilmoittaa viskositeettia cSt/40 °C

Hydrauliöljylle tärkeätä on myös viskositeetti-indeksi, joka ilmoittaa öljyn kyvyn vastustaa lämpötilan muutoksia. Mitä korkeampi luku sitä parempi. Hydrauliikkaöljylle minimi vi on 100.

Hyvä öljy on varustettu lisäaineilla hapettumista, liejuuntumista ja ruostetta vastaan jonka lisäksi sillä on luonnollisesti hyvä voitelu­vuus ja voitelukalvon lujuus.

Veden tulee erottua nopeasti öljystä eikä se saa sitoa helposti happea eli tulee olla vaahtoamatonta

8 Putkiston puhdistus ja puhtausvaatimukset

Likaa kertyy järjestelmään: männän varsien kautta, säiliön huohotti­men kautta, sitä irtoaa putkista ja säiliöstä ja sitä syntyy eri metallien välisen sähköpotentiaalin synnyttämässä korroosiossa. Liaksi voidaan laskea myös öljyn hapettuminen ja kosteuden imeytyminen, jotka huononta­vat sen mekaanisia voite­luominaisuuksia.

Likaa varten järjestelmään asennetaan suodattimia. Painepuolellekin, mutta yleisimmin matalapaineisemmalle paluupuolelle. Kaikkia hiuk­kasia ei saada pois, siksi on määritelty standardilla paljonko niitä saa öljyssä olla.

Uuden putkiston puhdistus tapahtuu ajamalla valmiissa putkistossa mahdollisimman suurella virtausnopeudella lämmitettyä öljyä. Lian irrotusta voidaan tehostaa iskemällä aika ajoin painepulsseja pai­neakun avulla. Puhdis­tusajon ajaksi herkemmät venttiilit ja laitteet on ohitettava "letkutta­malla" (ohitusletku). Jotta tällaiset ohitukset olisivat mahdollisia systeemi pitää alunperin suunnitella niin, että ohitusliitok­set voidaan asentaa.

Puhtautta mitataan ja arvostellaan ns. CETOP luvun avulla. Eli järjestelmäpaineen funktiona, märitellään, montako 5 tai 15 µm hiukkasta öljyssä saa olla., hienoin luokka, kovimmilla paineilla on 13/9, joka tarkoittaa että öljyssä saa olla 4000 kpl 5 µ ja 250 kpl 15 µ hiukkasia. Vastaavasti huonoin luokka on 21/17 jossa saa olla ko. hiukkasia 1.000.000 ja 64.000 kpl.