Versions Compared

Key

  • This line was added.
  • This line was removed.
  • Formatting was changed.
Comment: Migrated to Confluence 4.0

Mobilesovellutuksissa yleisimmät järjestelmätyypit ovat:

  1. Avoimen keskiasennon ympäripumppausjärjestelmä, CFO = Constant Flow Open Center
  2. Suljetun keskiasennon ympäripumppausjärjestelmä, CFC = Constant Flow Close Center
  3. Kuormantunteva järjestelmä, LS = Load Sensing

Näiden lisäksi voi joskus tulla vastaan vakiopainejärjestelmä (CP) tai kevennetty vakiopainejärjestelmä (CPU). Vakiopainejärjestelmät ovat yleisiä teollisuushydrauliikassa. Mobilesovellutuksissa CPU-järjestelmiä esiintyi yleisesti vielä 90-luvun alussa.

Edellä mainitut järjestelmät koostuvat tietyistä pumppu- ja venttiiliratkaisuista. Kullakin järjestelmätyypillä on ominaisuuksia kuten hinta, ohjausominaisuudet ja hyötysuhde, jotka vaikuttavat niiden valintaan. Seuraavassa käsitellään kunkin järjestelmän toimintaperiaatetta ja ominaisuuksia.

3.1 Avoimen keskiasennon ympäripumppausjärjestelmä, CFO

Ympäripumppausjärjestelmissä käytetään tyypillisesti vakiokierrostilavuuspumppuja. Eli pumppuja, joilla on kiinteä kierrostilavuus ja jotka tuottavat pyöriessään vakionopeudella vakiotilavuusvirran: Q= n . V k . ηv .  Kuva 6 esittää CFO-järjestelmän hydraulista kytkentää.

-       Neutraaliasennossa (karat keskellä, ei ohjausta) tilavuusvirta johdetaan vapaavirtauskanavan kautta tankkiin. Vapaavirtauskanava kulkee kaikkien karojen läpi. Halkileikkauskuvassa 4, vapaavirtauskanava näkyy keskellä karaa.
-       Tilavuusvirta toimilaitteelle aikaansaadaan siirtämällä karaa keskiasennosta. Tällöin vapaavirtauskanava alkaa supistua ja samalla aukeaa painekammiosta yhteys valittuun lähtöporttiin.
-       Toisessa lähtöportissa aukeaa samaan aikaan yhteys tankkikanavaan. Toimilaite lähtee liikkeelle, kun syöttöpaine ylittää toimilaitteella vallitsevan kuormanpaineen.
-       Paineennousu syntyy vapaavirtauskanavan supistumisesta.
-       Virtaus toimilaitteelta syöttökanavaan (kuormanpaine lähtöportissa syöttöpainetta suurempi) on estetty syöttövastaventtiilillä 3 (kuva 6).
-       Kuormaa laskettaessa vapaavirtauskanava ei tavallisesti vaikuta laskutapahtumaan, vaan laskunopeus riippuu ainoastaan karan laskupuolelle aiheutetusta kuristuksesta.
-       Toiminnallisesti venttiili voidaan kytkeä rinnan, sarjaan tai priorisoida tiettyjä toimintoja. Eniten käytetään rinnankytkentää.

Kuva 4. Ympäripumppausventtiilin karalohko

OMINAISUUKSIA:

-       Hinnaltaan edullinen ratkaisu, koska käytetään yksinkertaista kiinteätuottoista pumppua.

-       Ratkaisulla saavutetaan ns. voimantunto, koska paineen nousu keskikanavassa riippuu ohjauksen suuruudesta (=ohjausvivun kulmasta), kuva 5.

-       Kuormanpaineen vaihtelu (vastustavan voiman muuttuminen) vaikuttaa tilavuusvirtaan, eli toimilaitteen nopeuteen, ellei koneen käyttäjä korjaa virhettä manuaalisesti.

-       Myös yhtaikaa tehtävät ohjaustoiminnot vaikuttavat toisiinsa, silloin paine määräytyy suurimman kuormanpaineen mukaan.

-       Venttiilin ohjausominaisuudet eivät ole erityisen hyvät. Suurilla kuormilla säätövaraksi jää vain kapea ohjaussauvan liikealue lähellä maksimi-ohjausta. Säädettävyyttä voidaan tosin parantaa sovittamalla virtauspinta-alat sopiviksi muuttamalla vapaa-virtauskanavan ja lähtöportin keskinäistä avautumishetkeä ja virtauspinta-alaa.

-        Säätöominaisuudet näkyvät kuvassa 5.

-       Tehohäviöt syntyvät pääasiassa vapaavirtauskanavan kautta tankkiin menevästä öljymäärästä. Vallitseva syöttöpaine riippuu kulloinkin vaikuttavasta suurimmasta kuormanpaineesta, kuva 8.

-       Vapaakiertopaineesta syntyy myös häviöitä. Käsikäyttöisillä venttiileillä häviöpaine voi olla hyvin pieni, mutta hydraulisesti tai sähköhydraulisesti ohjatuissa venttiileissä tarvitaan riittävä alkupaine, jotta kara saadaan liikkeelle (ellei ole mahdollista käyttää erillistä esiohjauspumppua)
 
Kuva 5. CFO-venttiilin virtauskuvaajat
Kuva 6. CFO-järjestelmä

-       Kaikki ympäripumppausjärjestelmään kuuluvat venttiilit kytketään sarjaan. Täysi virtaus kulkee kaikkien venttiilien läpi, joten venttiilien tulee olla tilavuusvirran läpäisyltään samaa kokoa.

-       Venttiilien kytkennässä on huomioitava sarjaan kytkennän vaatima sarjaliitin, kuva 7.
 
Kuva 7. Sarjaliitäntä
 

 

Kuva 8.Tuotettu teho CFO-järjestelmässä 

3.2 CFC-Järjestelmä

Tässä järjestelmätyypissä (kuva 9) käytetään myös vakiotilavuuspumppua. Karan ollessa keskiasennossa pumpun tuotto ohjataan vapaakiertoventtiilin 15 kautta tankkiin. Tyhjäkäyntipaine määräytyy venttiilin 15 jousen mukaisesti (yleensä n. 10..25 bar). Jousitila on yhteydessä kuormapainekanavaan (LS-kanava).  LS-kanavat ovat yhdistyneenä karojen 60 läpi tankkiin, mikäli karaa ei ohjata. Kun jotakin karaa poikkeutetaan keskiasennosta, kuormanpainekanava yhdistyy karan 60 läpi ko. toimilaitteen syöttökanavaan, jossa vallitsee kuormasta riippuva paine. Tämä paine pääsee nyt vahvistamaan jousta. Syöttöpaine kasvaa jousivoiman verran kuormanpainetta suuremmaksi. Vapaakiertoventtiili 15 toimii yhdessä paineenrajoitusventtiilin 16 kanssa myös pääpaineenrajoitusventtiilinä. Venttiili 16 määrittää suurimman paineen. 
 
Kuva 9. CFC-venttiilin kytkentäkaavio

OMINAISUUDET:

-       Venttiili on hinnaltaan LS-venttiilin luokkaa, kiinteätuottoinen pumppu alentaa järjestelmän hintaa.

-       Ohjausominaisuudet ovat paremmat kuin CFO- järjestelmässä, koska käyttäytyminen vastaa ohjattavuudeltaan myöhemmin esitettävää LS-järjestelmää.

-       Kytkentämahdollisuudet vaihtelevat venttiileistä riippuen. Esim. kuvan 9 venttiilin rinnalle voidaan kytkeä muita venttiileitä (koosta riippumatta), mikäli nekin ovat LS-venttiileitä, joiden kuormanpaine voidaan kytkeä kuvan venttiilin LSP, LS tai PL-kanaviin. 

-       Pumpun tuottama paine asettuu vapaa-kiertoventtiilin 15 jousen määräämän paine-eron verran yli suurimman kuorman paineen ja pumppu antaa vakiotilavuusvirran, kuva 10. 
 

 

Kuva 10. Tuotettu teho CFC-järjestelmässä

3.3 Vakiopainejärjestelmä (CP)

Vakiopainejärjestelmät ovat yleisiä teollisuussovellutuksissa mutta harvinaisia työkoneissa. Vakiopainejärjestelmässä,kuten muissakaan säätötilavuuspumppua käyttävissä järjestelmissä, ei esiinny vapaavirtausta. Pumpun säädin yhdessä käytetyn venttiilin kanssa määrittää järjestelmätyypin.

TOIMINTA:

-       Järjestelmässä on koko ajan pumpun säätimellä asetettu maksimipaine.

-       Neutraaliasennossa venttiilit ovat suljettu ja pumppu on asettunut O-tuotolle.

-       Pääpaineenrajoitusventtiilin avautumispaine on asetettava vähintään 10 bar korkeammalle kuin pumpun maksimipaineasetus.

-       Karaa avattaessa pumppu pyrkii tuottamaan niin suuren tilavuusvirran kuin karan läpi menee.

-        Paine pysyy pumpun säätimellä määritetyssä maksimiarvossa arvossa, ellei pumpun suurinta maksimituottoa ylitetä.

OMINAISUUDET:

-       Kalliimpi kuin CFO-järjestelmä säätötilavuuspumpusta johtuen.

-       Järjestelmään voidaan helposti lisätä erikokoisia komponentteja kytkemällä ne rinnan olemassa olevien kanssa.

-       Ohjausominaisuudet ovat erinomaiset, koska paine pysyy vakiona.

-       Ohjaussauvan liike vaikuttaa vain liikenopeuteen, maksimivoima on aina käytössä, (ei voimantuntoa)

-       Jatkuva korkea paine rasittaa pumppua ja tiivisteitä.

-       Karavuodoista johtuen toimitaitteissa (erityisesti sylinterit) esiintyy ryömintää.

-       Ohivirtauksia ei synny mutta häviöitä voi silti syntyä runsaasti etenkin, jos tarvittava kuormanpaine ohjatuilla liikkeillä on pieni.

KAYTTÖ:

-       Jatkuvasta korkeasta paineesta ja sen aiheuttamasta ryöminnästä johtuen vakiopainejärjestelmää ei sellaisenaan juurikaan käytetä työkoneiden hydraulijärjestelminä.  Sen sijaan sitä läheisesti muistuttavaa kevennettyä vakiopainejärjestelmää esiintyy hieman yleisemmin.

3.3 Kevennetty vakiopainejärjestelmä (CPU)

Myös kevennetyt vakiopainejärjestelmät ovat nykyisin harvinaisia työkonesovellutuksissa.

TOIMINTA

-       Kevennetyssä vakiopainejärjestelmässä käytetään hyväksi venttiilin keskikanavaa, jolla toimintaa ohjataan.

-        Keskikanava on näissä venttiileissä niin ahdas, että pienikin karan 1iike sulkee sen heti.

-       Tällöin signaalikanavan yhteys tankkiin katkeaa ja kanavaan nousee täysi, pumpun säätimellä määrätty paine.

-       Tyhjäkäyntipaine (stand-by paine) on tavallisesti 15..25 bar. Se on usein säädettävissä pumpun tyhjäkäyntiasetuksella.

-       CPU-järjeste1missä signaalikanavan öljy syötetään pääventtiililtä tai pumpulta. Tämä on huomioitava pumppu- venttiiliyhdistelmää valittaessa.

-       Pumpun ja venttiilin väliin tarvitaan ohjauslinja, joka "herättää" pumpun.

OMINAISUUDET

-       Kuten CP-järjestelmässa, mutta jatkuvan korkean paineen haitat on eliminoitu. Tyhjäkäyntipaine, 15...25 bar ei pysty aikaansaamaan ryömintää.

-       Lisähydrauliikan asentaminen helppoa (kuten CP-järjestelmässä), mutta pumpun herättäminen on huomioitava myös lisähydrauliikan osa1ta (muuten järjestelmän painetta ei saada nousemaan).

-       Kuvan 11 mukaisesti tilavuusvirta säätyy sylintereiden tarpeiden mukaan ja pumpun syöttöpaine asettuu maksimipaineelle, joka säädetään pumpun säätimestä.

KÄYTTÖ

-       On vielä 90-luvun alussa olut yleinen useissa sovellutuksissa.

 
Kuva 11

3.4 Kuormantunteva järjestelmä (LS)

Järjestelmässä käytetään yleensä säätötilavuuspumppua, jossa on LS- säädin. Eräissä venttiileissä on mahdollista käyttää myös kiinteätilavuuksista pumppua (Kts. CFC-järjestelmä). Erään LS-venttiilin halkileikattu kara-lohko näkyy kuvassa 12. Kuormantunnon vaatimat kanavat venttiilin rungossa ja karoissa tekevät näistä venttiileistä monimutkaisempia ja kalliimpia.
Kuva 12. Halkileikattu LS-venttiilin karalohko

TOIMINTA

Seuraavassa LS-järjestelmän toimintaa on selvitetty kaaviota 13 käyttäen.

-       Neutraaliasennossa (ei ohjausta) järjestelmässä vallitsee tyhjäkäyntipaine (stand-by paine), koska kuormanpainetta ei tule kopioventtiilille 2. LS-linjassa ei ole painetta ja pumpulle ei mene ohjausta.

-       Suuntaventtiilin karaa 5 avattaessa, toimilaitteella vallitseva kuormanpaine pääsee venttiilin karan kautta ensin vaihtovastaventtiilille 3 ja edelleen kopioventtiilille 2 (suurin kuormanpaine).

-       Venttiili 2 (harvoin käytetty) kopioi kuormanpaineen käyttäen painelinjaa apuna. Kopioventtiilin käyttö on harvinaista, sillä varmistetaan, että LS-linjassa tilavuusvirta riittää, vaikka esimerkiksi pumpun säätimessä olisi vuotoa. Kopioventtiili estää öljynkulutuksen venttiilin LS-linjoissa ja sitä kautta toimilaitteiden pienen liikkeen (LS-linjan ollessa jo auki mutta lähtöportti vielä kiinni). Kuormanpainekanavat on ajoitettu avautumaan ennen lähtöportin avautumista.

-       Vaihtovastaventtiileillä 3 kerätään kaikilta auki olevilta karoilta kuormanpaine ja varmistetaan, että suurin paine pääsee pumpulle.
 
Kuva 13. LS-venttiilin kytkentäkaavio

-       Pumpun LS-säädin nostaa syöttöpaineeksi kuormanpaineen + tyhjäkäyntipaineen (Dp=15...25 bar). Venttiiliä käytettäessä pumppu pyrkii pitämään syöttöpaineen 15...25 bar kuormanpainetta suurempana, kuva 14. Tässä järjestelmässä sepä pumpun tilavuusvirta, että paine säätyvät kuormituksen mukaan.

-       LS-venttiilissä kuormanpainetta hyödynnetään myös aikaansaamalla lähtöporttikohtainen paineenalennustoiminta painekompensaattorin 6 sekä paineenrajoitus-venttiilien 4 avulla. Venttiileillä 4 voidaan säätää kullekin lähtöportille haluttu maksimipaine rajoittamalla kuormanpainetta. Painekompensaattori estää tätä suuremman syöttöpaineen pääsyn karalle. (Tästä huolimatta lähtöporteilla voi olla myös tavanomaiset paineenrajoitusventtiilit, koska paineenalennus toiminta ei kykene estämään piikkipaineita, eikä sylinterin kautta tulevaa ylikuormaa. 

OMINAISUUKSIA

-       Edellisiä kalliimpi järjestelmä.

-       Hyvä hyötysuhde, painetta kehitetään vain stand-by paineen verran yli tarpeen.

-       Lisähydrauliikkaa kytkettäessä on huomioitava pumpun herättäminen ja yleensä venttiilien sopivuus järjestelmään.
 
Kuva 14. Tuotettu teho LS-järjestelmässä

-       Yhtä karaa käytettäessä (myös suurinta painetta tarvitsevalla karalla) ohjausominaisuudet ovat hyvät, koska paine-ero karan yli pysyy vakiona kuormanmuutoksista huolimatta. Liikenopeus pysyy siis vakiona ilman korjaavia toimenpiteitä.

-       Useamman karan yhteiskäytössä käytetään usein painekompensaattoria, osa 6 kuvassa 13, parantamaan ohjausominaisuuksia. Painekompensaattori pitää karan yli vallitsevan paine-eron vakiona ja estää syöttö- ja kuormanpaineen muutosten vaikutuksen tilavuusvirtaan.

-       LS-järjestelmät ovat muita alttiimpia värähtelemään. Puomien jousto ja siitä johtuvat paineenvaihtelut välittyvät kuormantunnon kautta pumpulle, joka pyrkii kompensoimaan ne. Tällöin pumppu helposti pahentaa värähtelyjä. Säätöviiveestä aiheutuva vaihesiirto voi todellisuudessa vahvistaa paineen vaihteluja.

KÄYTTÖ

-       LS-järjestelmä on yleisin järjestelmätyyppi, kun koneen hydrauliikkaa käytetään jatkuvasti. Se tuottaa vähiten hukkatehoa ja -lämpöä järjestelmään.

MUITA HUOMIOITA

LS-järjstelmä ei toimi tilanteissa, joissa tullaan pumpun maksimituotolle asti (pumppu saturoi). Esimerkkinä kaksi toimilaitetta, joiden tuottovaatimukset ovat 80 l/min ja 50 l/min. Jälkimmäinen vaatii korkeamman paineen. Jos pumpun tuotto on vain 100 l/min, tilavuusvirta jää 30 l/min liian pieneksi. Seurauksena suurimman paineen vaativa liike hidastuu. Kevyemmin kuormitettu toimilaite liikkuu edelleen säädetyllä nopeudella. Koska liikenopeudet säädetään monissa tapauksissa toisiinsa suhteelliseksi, joutuu koneen käyttäjä nyt korjaamaan virheen. Jotta tällaista tilannetta ei syntyisi, pumppua ei saa päästää saturoitumaan tai kaikkia liikkeitä on hidastettava samassa suhteessa.  Eräs ratkaisu tähän on LUDV-venttiili (Bosch Rexroth) Suurimpana erona normaaliin LS-venttiiliin on, että karan jälkeen on painekompensaattori, joka pitää paine-eron karan yli vakiona ja "ylikuormitus" tilanteissa estää liikenopeuksien suhteen muuttumisen.

Pumpun saturaatio voi syntyä myös tehonrajoituksen johdosta. Varsinkin raskaissa kaivukoneissa hydrauliikan ottama teho voi kasvaa erittäin suureksi, jollaista mikään järkevän kokoinen käyttömoottori ei pysty antamaan. Tehon ottoa rajoitetaan useimmiten pumpun kierrostilavuutta pienentämällä, joko pumpun oman säätimen avulla tai sähköisesti tarkkailemalla käyttömoottorin pyörimisnopeuden laskemista (pyörimisnopeuden lasku merkitsee moottorin ylikuormittumista).