10. PUMPPUJEN TUOTON SÄÄTÖ

Tässä käsitellään keinoja, joilla pumpun aikaansaamaa tilavuusvirtaa voidaan säätää. Pumput voidaan jakaa kiinteä- ja säätyvätilavuksisiin ratkaisuihin. Kumpikin tapaus käsitellään omana lukunaan. Hydraulijärjestelmissä esiintyy harvoin sellaista tilannetta, että tarvitaan ainoastaan tietty vakio tilavuusvirta. Käytännössä tilavuusvirran vaihtelua voi esiintyä paljon ja useimmiten suurin tarvittu tilavuusvirta määrittää pumpun koon.

Mitä tehdä ylimääräisellä tilavuusvirralla? Mahdollisuuksien mukaan sitä pitää välttää, sillä ylimääräinen tilavuusvirta kerrottuna vallitsevalla paineella menee kokonaisuudessaan hukkatehoksi lämmittämään järjestelmää. Pumpun tuottama teho riippuu siis tilavuusvirrasta ja paineesta. Kun pumppujen säätöä ajatellaan laajemmin tulisi myös pumpun tuottaman paineen pysyä järjestelmässä tarvitussa tasossa.

10.1 KIINTEÄ KIERROSTILAVUUKSISET PUMPUT

Kiinteä kierrostilavuus tarkoittaa, että pumppu tuottaa aina saman nestemäärän kierrosta kohden. Tällaisten pumppujen tilavuusvirran säätö on portaattomasti mahdollista vain pyörimisnopeutta säätämällä. Kaikilla muilla tavoilla pumpun todellinen tuotto pysyy likimain vakiona, ellei sitä pysäytetä kokonaan. Seuraavassa on hieman lisää tuoton säädöstä.

10.1.1 Tilavuusvirran säätö pyörimisnopeutta säätämällä

Seuraavassa on lueteltuna kiinteätuottoisen pumpun tilavuusvirran säätötavat:

• oikosulkumoottorin ja taajuusmuuttajan avulla
• polttomoottori käyttö
• portaallinen säätö on mahdollista esim kasinopeusmoottorin avulla.

Taajuusmuuttajan käyttö on kallista varsinkin hydrauliikan yhteydessä, sillä järjestelmän komponentit ovat muutenkin suhteellisen kalliita. Sitä käytetäänkin vain joissakin erikoistapauksissa. Polttomoottoreissa pyörimisnopeuden säätö on usein luonnostaan. Polttomoottorista saatava vääntömomentti ei puolestaan sovellu yhtä hyvin hydrauliikan käyttöön, koska pumppu vaatii periaatteessa heti alusta lähtien täyden vääntömomentin. Vääntömomentin riittävyys joka tilanteessa on muistettava varmistaa. Lisäksi on aina syytä varmistaa mikä on pumpulle sallittu pienin pyörimisnopeus. Harvoin sallitaan alle 500 r/min pyörimisnopeuksia

10.1.2 Johtamalla osa tuotosta takaisin säiliöön

Tuottoa voidaan säätää virtavastusventtiilin avulla (kuva 10.1). Tällöin osa tuotosta menee paineenrajoitusventtiilin yli takaisin tankkiin. Pumppu tuottaa todellisuudessa koko ajan täyden tilavuusvirran. Tämä säätötapa aiheuttaa suuret häviöt, jotka lämmittävät öljyä. (Laske häviöteho kuvan tapauksessa). Tällaista säätötapaa käytetään vain aivan pienissä järjestelmissä (alle 3 kW).

Kuva 10.1

Sivuvirta tyyppistä säätöä käyttäen pumpun ei tarvitse nostaa painetta paineenrajoitusventtiilin avautumispaineeseen koska ylimääräinen virtaus pääsee ohivirtauskuristimen kautta säiliöön (kuva 10.2). Pumppu tuottaa täyden tilavuusvirran mutta sen tuottama teho riippuu vallitsevasta kuormanpaineesta.

Kuva 10.2

10.1.3 Kytkemällä useampia pumppuja rinnan

• kytkemällä useampia pumppuja rinnan, saadaan portaallinen tilavuusvirta riippuen pumppujen lukumäärästä ja kierrostilavuudesta
• pumput on sijoitettu samalle käyttöakselille ja venttiilien avulla niiden tuotto voidaan haluttaessa johtaa takaisin säiliöön (pumpun sanotaan olevan tällöin vapaakierrolla, se tuottaa edelleen tilavuusvirran, mutta painetta ei tarvita, joten tehontarve on lähes nolla)

Tyypillisiä kiinteäkierrostilavuuksisia pumppuja ovat hammaspyörä-, ruuvi- ja siipipumput (tasapainotetut). Mäntäpumpuista löytyy myös vakiotuottoisia pumppuja. Mäntäpumpuissa, joissa kierrostilavuus aikaansaadaan asettamalla käyttöakseli (+ käyttölevy) ja roottoriosa (männät) tiettyyn kiinteään vinouskulmaan keskenään, on tavallisesti vino runko, eikä niihin saa läpimenevää akselia.

Kuva 10.3

10.2 MUUTTUVA KIERROSTILAVUUKSISET PUMPUT

Muutettavissa oleva kierrostilavuus mahdollistaa portaattoman tilavuusvirran säädön. Siipi- ja mäntäpumput voidaan tehdä säätyvä tilavuuksisiksi. Siipi- ja radiaalimäntäpumpissa säätö perustuu tavallisesti epäkeskeisyyden muuttamiseen. Aksiaalimäntäpumpuissa kierrostilavuus muuttuu vinolevyn vinouskulmaa säätämällä tai käyttölevyn ja sylinteriryhmän välistä kulmaa säätämällä.

Kierrostilavuuden säätö voi tapahtua suoraan tai se voidaan toteuttaa automaattisesti paineesta riippuvaisena. Menetelmiä on useita. Monissa pumppumalleissa eri variaatiot toteutetaan niin, että samaan perusrunkoon on mahdollista liittää tarpeen mukaan erilaisia säätimiä.

Säätötavat on jaoteltu suoraan kierrostilavuuden säätöön ja automaattiseen säätöön. Suoran säädön yhteydessä käytetään myös sanontaa manuaalinen säätö, koska pumpun kierrostilavuutta säädetään tällä menetelmällä tietoisesti. Automaattisessa säädössä käyttäjän ei tarvitse olla tietoinen pumpun säätymisestä.

10.2.1 Suora kierrostilavuuden säätö

Käyttäjä voi säätää kierrostilavuutta:

• täysin mekaanisesti, esimerkiksi vipu- tai ruuvimekanismien avulla
• sähkömekaanisesti kauko-ohjaamalla
• hydraulisesti (hydraulisylinteri tekee säädön)
• tavallisella suuntaventtiilillä (usein 2-asento säätö)
• sähköisesti ohjatulla proportionaali- tai servoventtiilillä (portaaton säätö)
• mekaanisesti ohjatulla servoventtiilillä

10.2.2 Automaattinen säätö

Säätö tapahtuu automaattisesti järjestelmän tilasta ja pumpun säätimestä riippuen. Yleensä pumpussa on eräänlainen pieni hydraulisylinteri, joka muuttaa kierrostilavuutta ja jota ohjataan pumpun säätimellä. Tavanomaisia automaattisia säätötapoja ovat vakiopainesäätö ja kuormantuntevasäätö. Säädinrakenteita on monia erilaisia, joista tässä esitetty vain muutamia.

10.2.2.1 Vakiopainesäätö (CP =constant pressure)

Vakiopainesäädössä pumpun tuotto säätyy sellaiseksi, että järjestelmän paine pysyy koko ajan säätimellä asetetussa maksimipaineessa.

Kuva 10.4 kuvaa miten vakiopainesäätö eroaa kiinteällä pumpulla ja paineenrajoitusventtiilillä aikaansaadusta tilavuusvirran säädöstä. p_max tarkoittaa säädettyä maksimipainetta ja p_Ltarkoittaa kuorman vaatimaa painetta.

Kuva 10.4

Vakiopainesäätöinen pumppu ei tuota ylimääräistä tilavuusvirtaa mutta paine pyritään pitämään maksimiarvossa. Vakiopainesäädön etuja ovat:

• pienempi tehohäviö (yleensä)
• ei tarvita vapaakiertojärjestelyjä
• järjestelmästä tulee yksinkertainen

Vakiopainesäädön haittoja ovat:

• jatkuva korkea paine rasittaa pumppua ja muita osia
• toimilaitteet alttiita "ryömimään" (venttiilien vuodot)
• altis vuodoille
• joissakin tilanteissa kuumeneminen

Kuva 10.5 esittää vakiopainesäätimen toimintaperiaatetta. Alempi säätösylinteri pyrkii siirtämään pumpun maksimituotolle, ylemmän männän puolen ollessa kytkettynä tankkiin. Kun säätöventtilin jousella määrätty maksimipaine ylitetään, siirtyy venttiili oikealle avaten säätöpaineelle reitin ylemmän männän taakse. Tämä sylinteri pystyy pienentämään kierrostilavuutta suuremman pinta-alansa avulla. Säädin pyrkii pitämään paineen maksimiarvossa säätämällä tuoton riittävän suureksi. Säätimen alla olevat kuristimet stabiloivat säätimen toimintaa.

Kuva 10.5

Vakiopainesäädön yhteyteen voidaan liittää tehonrajoitus, jolla voidaan rajoittaa käyttömoottorista otetua tehoa. Tämä on tarpeen, jos pumpun suurin tuotto ja käyttöpaine on mitoitettu niin suureksi, ettei käyttömoottorin teho riitä suurella tilavuusvirralla tai halutaan jättää tehoreserviä muihin tarkoituksiin.

10.2.2.2 Kevennetty vakiopainesäätö

Vakiopainesäädön erikoistapaus on kevennetty vakiopainesäätö (CPU). Se toimii muuten kuten vakiopainesäätö mutta järjestelmän ollessa lepotilassa (ei ohjata), pumppu ohjataan tyhjäkäynnille.

Kevennetty vakiopainesäätö voidaan toteuttaa esimerkiksi kuva 10.6 mukaisella ratkaisulla, kytkemällä X-liityntä vaikkapa sähköisesti ohjatun 2/2-tieventtiilin läpi tankkiin. Kun x-kanava on suljettuna, määrää alempi säätökara pumpun toimimaan kuten normaali vakiopainesäädetty pumppu. Kun x-kanava yhdistetään tankkiin, pääsee ylempi säätökara siirtymään oikealle, koska jousivoima on vastaa vain tyhjäkäyntipainetta (tyypillisesti 10...20 bar). Säätöpaine pääsee ohjaamaan tuoton tyhjäkäyntipainetta vastaavalle tuotolle (likimain nolla).

Kuva 10.6

Kevennettyä vakiopainesäätöä käyttäen saadaan poistettua tavallisen vakiopainejärjestelmän haitat. Järjestelmä monimutkaistuu, koska pumpun on tiedettävä milloin painetta tarvitaan ja tämä edellyttää teollisuus sovellutuksissa usein mainitun sähköohjatun 2/2 venttiilin käyttöä. Työkoneventtiileissä voi kauko-ohjaukseen sopiva liityntä olla valmiina.

10.2.2.3 Kuormantunteva säätö (LS = load sensing)

Kuormantuntevassa säädössä sekä pumpun tuotto että paine säätyvät järjestelmän tarpeiden mukaisesti. Pumppu tuottaa paineen p_L+ Dp. pL on kuorman suuruudesta riippuva paine, josta yleisesti käytetään nimitystä kuormanpaine.

Dp on säätimen jousen asetuksesta riippuva paine-ero, joka määrää kuinka paljon painetta tuotetaan yli kuormanpaineen. Dp on usein välillä 15...25 bar. Tämän paine-eron avulla tilavuusvirta saadaan virtaamaan toimilaitteelle. Koska ylimääräistä tilavuusvirtaa ei tuoteteta ja painettakin vain 15..25 bar yli tarvitun kuormanpaineen, synty häviöitä vähän ja hyötysuhde on muita säätötapoja parempi. Tyhjäkäynnillä järjestelmänpaine on Dp:n suuruinen. Kuva 10.7 esittää tarvitun ja tuotetun tehon suhdetta. Viivoitettu alue on häviötehoa.

Kuva 10.7

Kuormantunteva säädin edellyttää, että pumpulle saadaan tieto kulloinkin vallitsevasta suurimmasta kuormanpaineesta. Ajoneuvohydrauliikkasovellutuksissa LS-järjestelmän käyttö on yleistä, koska ajoneuvoventtiilit on suunniteltu tuottamaan pumpulle tieto suurimmasta kuormanpaineen tarpeesta.

LS-säätimen toiminta:

Kuva 10.8

LS-säädetyn pumpun toimintaa selventävät kuvat 10.8 ja 10.9. Yleensä säädintä ohjaava paine kytketään suuntaventtiilin LS-liitynnästä, eikä kuvien esittämällä tavalla. Tässä on pyritty selventämään, että säädintä ohjaa virtauksensäädön jälkeinen kuormanpaine.

Kuva 10.9

Kuvassa 10.9 alempi säätökara määrittää järjestelmän maksimipaineen ja toimii samoin kuten vakiopainesäätimen yhteydessä selitettiin. Ylempi kara säätää pumpun tilavuusvirtaa kuormanpaineen mukaan.

Voidaan sanoa, että pumppu ohjataan tuottamaan sellainen tilavuusvirta, joka synnyttää ylemmän karan jousella määritetyn paine-eron (15...25 bar) virtausta säätävässä kuristuksessa.

Yksityiskohtaisemmin selvitettynä säätökaran hydraulinen tasapaino syntyy, kun kuormanpaine (x-liitynnässä) plus jousivoima ovat yhtäsuuret kuin syöttöpaine säätökaran vasemmalla puolella. Säädin pyrkii hakemaan tämän tasapainotilan aina ja seurauksena pumpun syöttöpaine on mainitun paine-eron verran kuormanpainetta suurempi. Jos kuormanpaine x-liitynnässä alenee säätökara pääsee hetkellisesti siirtymään oikealle pienentäen pumpun tuottoa ja samalla syöttöpaine laskee oikealle tasolle. Tyhjäkäynnillä x-liitynnässä ei ole painetta (todellisuudessa) ja pumppu joutuu tuottamaan jousivoiman verran painetta (15...25 bar) saadakseen tuoton minimille.

LS-säädin voidaan varustaa lisäksi tehonrajoituksella kuvan 10.10 mukaisesti.

Kuva 10.10

Kuvassa 10.10 esiintyvä "pover valve" alentaa pumpun kierrostilavuutta automaattisesti syöttöpaineen kasvaessa. Kuvassa 10.11 näkyvä tummennettu alue näyttää millä asetukselle tehonsäätö voidaan asettaa. Säätimen toimintaa voisi verrata portaattomasti toimivaan automaattivaihteistoon, joka alentaa auton nopeutta, jotta se jaksaisi nousta mäen päälle.

Kuva 10.11

LS-säädön etuja:

• hyvä hyötysuhde
• vähäisempi lämpeneminen
• hyvät ohjausominaisuudet (tilavuusvirta ja siten myös toimilaitteen liikenopeus pysyy vakiona kuormituksesta riippumatta, tosin usean toimilaitteen liikkuessa pätee vain suurinta painetta käyttävän toiminnan kohdalla).

LS-säädön haittoja:

• alttius värähtelyihin (etenkin kuolokohdissa, joissa kuormanpaine »nolla)
• huolto- ja korjaustoimenpiteet vaativat asiantuntemusta
• säätö tapahtuu suurimman kuormanpaineen perusteella, joten yhteiskäytössä pienempää painetta tarvivat toiminnat saavat korkeamman paineen ja niiden liikenopeus pyrkii kasvamaan (voidaan estää painekompensaattorilla)

Jos pumpun tuotto pääsee maksimiin (pummpu saturoi), menee öljy kevyemmin kuormitetuille toimilaitteille ja korkeampaa painetta vaativat toiminnot hidastuvat tai pysähtyvät.

Kuva 10.12 esittää tyypillistä työkoneissa käytettyä järjestelmää, jossa suuntaventtili on suunniteltu tuottamaan tieto tarvitusta kuormanpaineesta.

10.2.2.4 Muita säätöperiaatteita

Vakiotehosäätö:

Vakiotehosäädössä pidetään P=p ×Q (paine x tilavuusvirta vakiona). Pumppu voidaan varustaa tällisella säätimellä tai säätö voidaan toteuttaa elektronisesti.

Vakiotilavuusvirtasäätö:

Vakiotilavuusvirta (paineesta riippumatta) toteutuu hyvin vakiotilavuuspumpulla, kun pyörimisnopeus ei muutu. Jos pyörimisnopeudessa tapahtuu muutoksia voidaan käyttää painekompensoitua kolmitievirransäätöventtiiliä. Säätötilavuusvirtapumpun tuotto saadaan vakioksi soveltamalla kuristinta LS-säädettyä pumppua kuten kuvassa 10.9.

Kuva 10.12