12. JÄRJESTELMÄN SUUNNITTELU

Tämä osuus on tarkoitettu tiivistämään aikaisemmin käsiteltyä ja lisäämään siihen järjestelmän suunnittelussa tarvittavaa tietoa.

Tässä luvussa on esitetty yleisiä hydraulijärjestelmien suunnittelussa huomioitavia tekijöitä. Ohjeet soveltuvat pääpiirteittäin useimpien avoimen piirin järjestelmien suunnitteluun. Sovellettaessa tulee kuitenkin muistaa, että käytännön suunnittelutehtävissä joudutaan kiinnittämään enemmän huomioita pieniinkin yksityiskohtiin, jotta lopputulos olisi toimiva. Koneissa ja laitteissa esiintyy runsaasti erilaisia reunaehtoja ja optimointitarpeita, joita ei ole ollut mahdollista tässä esittää. Sovellutuksen tunteminen tai sen toiminnan selvittäminen on monesti tarpeen. Läheinen yhteistyö hydrauliikkatoimittajan ja laitevalmistajan välillä on tärkeää.

Suunnitteluprosessi ei myöskään aina etene niin suoraviivaisesti kuin tässä on kuvattu. Monesti on tarpeen palata taaksepäin ja muutettava aikaisemmin tehtyjä valintoja. Joskus voi olla tarpeen harkita olisiko pneumaattinen tai sähköinen ratkaisu sittenkin parempi.

12.1 Lähtötietojen selvittäminen

Perusteellinen alkuselvitys helpottaa ja nopeuttaa suunnittelun etenemistä. Seuraavassa on lueteltuna joitakin näistä asioista:

• toimilaitteilta tarvittavat voimat ja momentit
• toiminta (liikenopeudet, ajat, tarvittaessa toimintadiagrammi)
• tarvittavat toimilaitteet (sylinterit ja hydraulimoottorit), niiden kiinnitystapa ja mahdolliset tilarajoitukset sekä liityntöjen suunnat
• toimilaitteille asetetut turvallisuusvaatimukset ym. erityisvaatimukset (sylinterin tai moottorin paikoillaan pysyminen, tahdistus....)
• järjestelmän ohjaustapa (sähköinen, manuaalinen,....)
• varmuusvarat ja mahdolliset myöhemmin tehtävät laajennukset
• laitteen lay-out (komponenttien sijoittelun helpottamiseksi).

12.2 Alustavan hydraulikaavion laadinta

Kun toimilaitteet ja niiltä vaaditut toiminnat ovat selvillä, on mahdollista laatia alustava hydraulikaavio ( esimerkiksi tarjouspyyntöä varten). Lähtökohtana on saada kukin toimilaite liikkumaan halutulla tavalla sekä huomioida myös selvillä olevat lisävaatimukset. Tässä yhteydessä voivat nousta esiin myös ratkaisuihin liittyvät pulmat. Kaaviota voidaan täydentää myöhemmin.

12.3 Toimilaiteiden mitoittaminen ja valinta

Koneet ja laitteet koostuvat usein erilaisista mekanismeista, joita tässä yhteydessä ajatellaan käytettäviksi hydraulisilla toimilaitteilla. Laitteen varsinaiset toimintavaatimukset eivät ole (aina) suoraan hydraulisten toimilaitteiden vaatimuksia. Jotta päästään mitoittamaan hydraulijärjestelmää, on mekanismeille asetetut vaatimukset siirrettävä (redusoitava) vaatimuksiksi hydraulisille toimilaitteille.
Toimilaitteille redusoidut vaatimukset ovat yksinkertaisimmillaan voiman tai vääntömomentin tarvetta sekä liikenopeuden tai pyörimisnopeuden tarvetta. Voimien ja liikkeiden redusoimisessa tarvittavia menetelmiä on käsitelty mm. statiikan, dynamiikan ja mekanismien kursseilla.
Mitoituksen kannalta on selvitettävä mikä on toimilaitteelta vaadittu suurin voima ja millaisessa tilanteessa sen tarve esiintyy. Toimilaitteelta halutun liikenopeuden aikaansaamiseksi tarvitaan tilavuusvirtaa. Virtauksen aikana syntyy painehäviöitä ja suurin mitoituspaine ei pääse toimilaitteelle asti. Toimilaitteelta saadaan yleensä suurin voima/momentti tilanteessa, jossa toimilaite on pysähtymäisillään. Tällöin painehäviöitä ei esiinny ja suurimman paineen voidaan ajatella pääsevän toimilaitteella asti. Toimilaitteiden ja mekanismien kitkat on huomioitava suunnittelussa. Koska kitkoja ei läheskään aina tunneta tarkasti, on järkevää jättää mahdollisuus lisätä toimilaitteelta saatavaa voimaa tai momenttia (esim. 20...30 %). Helpoiten tämä onnistuu mitoittamalla toimilaite niin, että järjestelmään jää paineennostovaraa.
Toimilaitteiden valinta tapahtuu joko valitsemalla alustavasti toimilaitteen koko ja laskemalla sitten tarvittava paine. Voidaan myös valita paine ja laskea sitten toimilaitteen koko. Jälkimmäisellä tavalla valitaan lähin saatavilla oleva koko (standardi koko) ja tarvittaessa paine lasketaan uudelleen.
Sylinterin mitoitus perustuu yhtälöön:

Sylinterin standardihalkaisijoita ovat mm: 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250 ja 300 mm. Myös sylinterin varren halkaisijat on standardoitu. Usein kaupallisesti hankittavissa sylintereissä tiettyä sylinterihalkaisijaa kohti on valittavissa 2...3 erilaista varren halkaisijaa.
Tarvittava tilavuusvirta saadaan:

v= männän nopeus
A= sylinterin pinta-ala (A1 tai A2 riippuen liikesuunnasta)
Hydraulimoottorin mitoitus perustuu yhtälöön:
Vk = kierrostilavuus
Δp= paine-ero moottorin yli
Hydraulimoottorin tilavuusvirran tarve saadaan:

Volumetrisella hyötysuhteella (ηv) huomioidaan moottorin sisäiset vuodot.
Toimilaitteisiin liittyy myös muita valintaan vaikuttavia kriteereitä. Sylinterin nurjahdustarkastelu voidaan tehdä perustuen Eulerin nurjahdustapauksiin. Usein sylinterivalmistajat ilmoittavat sallitun iskunpituuden kuormituksen funktiona. Epävarmoissa tapauksissa on parasta varmistaa asia sylinterin toimittajalta.
Hydraulimoottoreiden (ja pumppujen) akseleihin syntyvät aksiaali- ja radiaalivoimat on syytä tarkastaa, etteivät valmistajien sallitut arvot ylity. Aksiaalisia ja radiaalisia voimia syntyy ketju- ja hihnakäytöissä sekä hammaspyöräkäytöissä (erityisesti vinohammastetut pyörät).

12.4 Tilavuusvirtojen määritys

Kun toimilaitteiden koot tunnetaan (on valittu), voidaan liikenopeuksien ja pyörimisnopeuksien perusteella laskea tarvittava tilavuusvirta. Tarvittavat yhtälöt olivat luvussa 12..3. Suurimman tilavuusvirran tarpeen avulla mitoitetaan tarvittavan pumpun kierrostilavuus. Useita toimilaitteita sisältävissä järjestelmissä on usein tarpeen laatia toimintadiagrammi ja edelleen tilavuusvirtadiagrammi ajan funktiona, jotta maksimitilavuusvirta saadaan selville. Diagrammia voidaan joissakin tapauksissa käyttää mitoituksen optimointiin, esimerkiksi viivästyttämällä toimintoja, jotka eivät ole aikakriittisiä. Tavoitteena voi olla maksimitilavuusvirran tarpeen alentaminen.

12.5 Pumpun mitoittaminen ja valinta

Pumpun kierrostilavuus lasketaan:
 
n = pumpun käyttömoottorin pyörimisnopeus

Käytettäessä oikosulkumoottoria, tyypillisiä valintoja pyörimisnopeudeksi ovat: 1000, 1500 tai 3000 1/min. Matalammalla pyörimisnopeudella melutaso alenee mutta pumpun kierrostilavuus puolestaan kasvaa. Pumpun itse imevyys on syytä varmistaa etenkin korkeammilla pyörimisnopeuksilla. Vaarana on imukanavan paineen lasku liian pieneksi ja siitä aiheutuva kavitaatio. Polttomoottorikäytössä valitaan mitoituksessa käytetty pyörimisnopeus normaalin toimintatilan mukaan (tai alhaisimman tuottovaatimuksen mukaan).
Vakiokierrostilavuuspumput, esimerkiksi hammaspyöräpumput ovat hinnaltaan edullisia.  Valittu painetaso voi rajoittaa hammaspyöräpumppujen ja siipipumppujen käyttöä. Pienimmillä kierrostilavuuksilla löytyy pumppuja, joiden paineenkesto on 250 bar tai suurempi. Kierrostilavuuden kasvaessa paineenkesto tyypillisesti alenee.
Mäntäpumput kestävät huomattavasti korkeampia paineita mutta ovat hinnaltaan kalliimpia. Toisaalta niiden hyötysuhde on jonkin verran parempi ja pysyy hyvänä laajemmalla toiminta-alueella.
Kiinteätuottoinen pumppu tuottaa vakiotilavuusvirran pyöriessään vakionopeudella. Jos järjestelmän tilavuusvirran tarve vaihtelee toiminnan aikana paljon, aiheuttaa ylimääräinen tilavuusvirta helposti suuria häviöitä ja järjestelmän lämpenemistä. Tällaisissa tilanteissa on usein edullisempaa valita kierrostilavuudeltaan säädettävä pumppu (säätötilavuuspumppu). Ylimääräinen lämmöntuotto huonontaa hyötysuhdetta ja edellyttää tehokkaampia jäähdyttimiä. Säätötilavuuspumpun avulla saadaan järjestelmään tuotettua oikea tilavuusvirta ja tehohäviöiden hallinta on helpompaa. Samalla pumppu voidaan valita hiukan tarvetta suuremmaksi ilman, että aiheutuu lisähäviöitä, ajatellen myöhemmin tehtäviä mahdollisia muutoksia ja laajennuksia.
Tuotettu teho syntyy tilavuusvirran ja paineen tulona. Myös säädettäviä pumppuja käytettäessä syntyy häviöitä, jos painetaso on liian korkea. Tähän voidaan vaikuttaa valitsemalla pumppuun sopiva säädin. Täydellinen optimointi ei yleensä ole mahdollista koska järjestelmässä esiintyy useita painetasoja ja pumpun on tuotettava suurin paineentarve (yhtä pumppua käytettäessä).
Teollisuushydrauliikkajärjestelmissä käytetään paljon vakiopainejärjestelmiä, vaikka ne eivät ole hyötysuhteen kannalta paras ratkaisu. Teollisuushydrauliikan komponenteissa ei ole yleensä esimerkiksi kuormantuntevien (LS) järjestelmien tarvitsemia apukanavia. Vakiotyökierron johdosta teollisuus järjestelmien suunnittelussa on helpompi huomioida hyötysuhdetekijät. Mm toimilaitteet voidaan mitoittaa niin, että painetaso on kaikissa lähellä toisiaan.
Ajoneuvosovellutuksissa käytetään enemmän kuormantuntevia järjestelmiä. Säätötilavuuspumppu varustettuna kuormantuntevalla säätimellä mahdollistaa sekä tilavuusvirran, että painetason säädön tarpeiden mukaisesti. Tällöin tuotettu ja tarvittu teho ovat lähempänä toisiaan ja päästään parempaan hyötysuhteeseen. Työkoneissa on usein ihminen konetta ohjaamassa ja toimintaa ei voi etukäteen optimoida kuten teollisuusjärjestelmissä.

12.6 Tarvittava akseliteho

Pumpun akseliton tarve saadaan yhtälöstä:

Valitun käyttömoottorin on tuotettava jonkin verran (n 10 % sähkömoottoritapauksissa) suurempi teho, kuin laskettu akseliteho. Suurinta tehontarvetta määritettäessä on huomioitava, että järjestelmissä suurin paine ja -tilavuusvirta eivät esiinny välttämättä yhtaikaa. Toisaalta varsinkin työkonehydrauliikassa maksimipaineen ja -tilavuusvirran esiintyminen yhtaikaa voi vaatia kohtuuttoman suuren tehontarpeen. Tällaisia tilanteita varten säätötilavuuspumppuihin on saatavilla säätimiä, joissa rajoitetaan tehontarvetta pienentämällä automaattisesti tilavuusvirtaa paineen kasvaessa.

12.7 Järjestelmän komponenttien valinta

Järjestelmän komponenttien valinnasta on erillinen luku 13.

12.8 Jäähdytystarpeen tarkastelu

Se osa järjestelmään tuodusta tehosta, jota ei käytetä työhön, muuttuu lämpöenergiaksi. Järjestelmässä syntyvä häviöteho siirtyy nesteeseen ja nostaa sen ja komponenttien lämpötilaa. Tarkasteltaessa jatkuvasti toiminnassa olevaa järjestelmää, jossa ei ole jäähdytintä, lämpötila nousee, kunnes lämpötilaero on riittävän suuri johtamaan (säteilyttämään) pois syntyneen lämpötehon järjestelmän metallipintojen kautta. Tällaisia metallipintoja ovat mm säiliö ja putkisto. Käytännössä näin syntyvä "luonnollinen jäähdytys" pystyy poistamaan vain pieniä häviötehomääriä, sillä järjestelmän lämpötilan ei yleensä sallita nousta yli 60 °C:n. Lämpötilan liika nousu alentaa nesteen viskositeettia, lisää vuotohäviöitä sekä heikentää nesteen voiteluominaisuuksia. Liian korkea lämpötila 80...90 °C lyhentää tiivisteiden ja nesteen käyttöikää. Jäähdytystarpeen arviointia on vaikea tehdä tarkasti sillä lämmönsiirtokertoimia ja jäähdyttäviä pinta-aloja ei tunneta riittävällä tarkkuudella.

Järjestelmän luonnollinen jäähdytys voidaan laskea:
 
α = lämmönsiirtokerroin (oletus 3...8W/(m²K))

ΔT= lämpötilaero järjestelmän ja ympäristön välillä (K)

A= jäähdyttävä pinta-ala (m²)

Lämmönsiirtokertoimien arvioinnissa tulee huomioida miten ilma pääsee liikkumaan jäähdyttävän pinnan ympärillä. Koteloiduissa rakenteissa lämmönsiirto jää pieneksi. Lisäpuhaltimen avulla lämmönsiirtokerroin voi nousta arvoon 15...18 W/(m²K).

Kun syntyvästä häviötehosta vähennetään luonnollisen jäähdytyksen poistama teho, jäljelle jää lisäjäähdyttimellä poistettava lämpöteho.

Kun järjestelmän toiminta on vaihtelevaa, koostuen erilaisista jaksoista, lasketaan syntyvä keskimääräinen häviöteho seuraavasti:
 
Termit P_h1 jne. ovat jaksojen t₁, t₂, ... aikana syntyviä häviöitä. Kokonaisaika t_kokon koko työkiertoon kuluva aika.

12.9 Putkiston mitoitus ja valinta

Putkiston mitoittaminen perustuu suositeltujen virtausnopeuksien käyttöön. Putken sisähalkaisija voidaan laskea, kun tunnetaan tilavuusvirta ja valitaan sopiva virtausnopeus.

Suositellut virtausnopeudet ovat:

Paineputket:

p=0...160 bar ja Q< 10 l/min, v ≈1-2 m/s

p=0...160 bar ja Q> 10 l/min, v  ≈2-3 m/s

p=160...400 bar ja Q< 10 l/min, v ≈3-5 m/s

p=160...400 bar ja Q> 10 l/min, v  ≈5-7 m/s

Paluuputket:

v ≈1-3 m/s

Imuputket:

v ≈0,5-1,5 m/s

Sopiva putki voidaan valita esimerkiksi kuvan 12.1 taulukosta tai putkivalmistajien luetteloista. Putkikoko ilmoitetaan kuvan 1 taulukosta valittuna: Φ6x1 DIN 2445, jossa 6 tarkoittaa putken ulkohalkaisijaa (6 mm) ja 1 tarkoittaa putken seinämän vahvuutta (1 mm). Valinnan yhteydessä varmistetaan, että ko. putken paineenkesto on riittävä. Putken p_max oltava suurempi kuin putkessa esiintyvä maksimipaine.


 
Kuva 12.1

12.10 Lopullinen hydraulikaavio ja osaluettelo

Lopullinen hydraulikaavio toimii mm asennus- ja käyttöönotto-ohjeena ja sen tulee sisältää siten runsaasti tietoa. Yleensä komponentit numeroidaan ja niiden tiedot löytyvät osaluettelosta. Myös putkikoot merkitään usein kaavioon. Kaavioissa näkyvät myös paineventtiileiden säätöarvot sekä säätötilavuuspumppujen syöttöpainesäätö. Kaavioissa näkyvät myös komponenttien lähtöporttien merkinnät ja usein myös kierteiden koot.

Sähköisesti ohjattujen järjestelmien sähkökaaviot esitetään useimmiten erillisinä kaavioina. Tällöin hydrauliikkakaaviossa esiintyvät samat kela- ja anturimerkinnät kuin sähkökaavioissa ainakin kakkien sähköhydraulisten komponenttien osalta.

12.11 Järjestelmän käyttöönotto- ja huolto-ohjeet

Järjestelmän käyttöönotosta ja tehtävistä säädöistä ja tarkistuksista laaditaan ohjeet. Huoltoa ja käyttöönottoa on tarkasteltu lähemmin luvussa 14.