Työkoneiden venttiilit on mahdollista määritellä tarkasti sovellutuksen mukaan. Näin on mahdollista saavuttaa mm. hyvä ohjattavuus. Seuraavassa tarkastellaan määriteltäviä ominaisuuksia lähemmin. Mainittakoon, että venttiilin "spesifiointi" näin laajasti ei ole aina mahdollista.
6.1 Lähtöporttien paineenrajoitus
Venttiilin lähtöportit (A ja B) voidaan varustella seuraavasti (kuva 24, osat 1.1 ja 1.2):
- paineenrajoitus-imuventtiilit (yleensä määritetään kiinteä avautumisarvo, jotta koneenkäyttäjä ei voisi tehdä omia "jälkisäätöjä")
- pelkät imuventtiilit (vastaventtiilit)
- umpinainen tulppa
- portti auki tankkiin (avoin tulppa)
- ei koneistusta varustelulle (halpa hinta).
Kuva 24. Karalohko ja sen varustelu
6.2 Painekompensaattori
Kunkin suuntaventtiilin syöttökanavassa on normaalisti syöttövastaventtiili (2). Syöttökanavaan voidaan sijoittaa haluttaessa myös painekompensaattori (3). Painekompensaattorin avulla saadaan paine-ero karan yli pysymään vakiona. Tällöin tilavuusvirta ei muutu vaikka syöttöpaineessa tai kuormanpaineessa tapahtuisi muutoksia. Venttiilin ohjattavuus paranee, kun tiettyä avautumaa vastaa tietty tilavuusvirta. Kompensaattorin määrittämä paine-ero riippuu jousen esikiristyksestä, joka aikaansaa tavallisesti 5...10 bar paine-eron. Paine-eroa voidaan säätää mm. muuttamalla kompensaattorin jousen alla olevien prikkojen määrää.
Kompensaattori pienentää karan maksimitilavuusvirtaa ja vaikuttaa haitallisesti myös kuormanlaskuun, jota selvitetään myöhemmin.
Eräissä venttiileissä (usein LS-venttiileitä) voidaan käyttää myös paineenalennustoimintaa (osat 5.1 ja 5.2). Suurinta kuormanpainetta rajoittamalla voidaan estää paineen nousu niin ylös, että venttiilit 1.1 tai 1.2 avautuisivat. Paineenalennusarvon on oltava pienempi (ainakin 10 bar) kuin paineenrajoituksen avautuminen. Paineenrajoitusventtiileitä (1.1 ja 1.2) ei silti voi kokonaan jättää pois. Niitä tarvitaan mm ulkoista ylikuormitusta varten. Paineenalennus toiminta hoituu pienen säädettävän paineenrajoitusventtiilin avulla, joka määrittää painekompensaattorille sallitun suurimman vahvistuspaineen. Paineenalennusvarustelu voi olla:
- molemmissa porteissa erikseen säädettävät paineenalennukset (kaksi lisäkoneistusta)
- yksi yhteinen paineenalennus molemmille lähtöporteille (yksi lisäkoneistus)
Ei paineenalennusta (ei koneistuksia)
6.3 Karojen valinta
Karan (6) valinta on tehtävä huolella, sillä se vaikuttaa merkittävästi ohjattavuuteen. Sovellutus määrittää karan valinnan, huomioitavia asioita ovat:
- karan hydraulinen toiminta (yksi/kaksitoiminen toimilaite, millainen keskiasento, sylinteri- vai moottorikäyttöön, regenatiivisyys, tarvitaanko ns. kelluvaa asentoa, millainen ohjaustapa)
- nimellisvirtaus (karan nimellisvirtaus valitaan käyttökohteeseen sopivaksi)
- epäsymmetrisyys (virtauspinta-alat sovitetaan sylinterin virtauspinta-alojen mukaan, tällöin huomioitava oikea kytkentä sylinteriin)
- painekompensaattorin käyttö alentaa maksimitilavuusvirtaa
- kuormanlaskun huomiointi (tästä enemmän luvussa 6.3.1)
6.3.1 Kuormanlasku
Lähes kaikissa nosturisovellutuksissa esiintyy tilanteita, joissa lasketaan taakkaa. Tällöin liikesuunta ja kuorman vaikutussuunta ovat samat. Ongelmalliseksi tilanteen tekee se, että sama kara säätää toimilaitteelle tulevaa ja sieltä poistuvaa virtausta. Kuormaa laskettaessa käy usein niin, että poistopuoli määrittää liikenopeuden. Samalla on vaarana, että paluupuolelta poistuu enemmän öljyä, kun tulopuolelle pääsee karan yli tulemaan (seurauksena kavitaatio). Tässä tilanteessa painekompensaattori on haitallinen, sillä se rajaa tulopuolen paine-eron alhaiseksi ja rajoittaa samalla tilavuusvirtaa.
Oletetaan venttiilin virtauspinta-alat sovitetuiksi vastaamaan sylinterin pinta-ajoja ja oletetaan painekompensaattorin paine-eroksi 10 bar. Edelleen oletetaan paluukanavan paine venttiilin jälkeen nollaksi. Tällöin tulo ja paluuvirtaus ovat tasapainossa, kun karan yli vaikuttaa sekä tulo- että paluupuolella sama paine-ero. Koska kompensaattori rajaa tulopuolen arvoon 10 bar, jää kuormaa kantamaan vastaavasti 10 bar, mikä ei yleensä riittävä paine. Onneksi tulopuolelle saadaan tavallisesti lisää öljyä imuventtiilien kautta. Kuvassa 25 on selvitetty paine-eroja karan yli, kun ei
Kuva 25. Kaviotaatioehto
käytetä painekompensaattoria. Kummassakin tapauksessa venttiili on symmetrinen, eli virtauspinta-alat P-A ja B-T ovat yhtä suuret. Vasemmanpuoleisessa tapauksessa kavitaatioehtona on pB pP. Oikeanpuoleisessa kuvassa vastaavasti pBpP /j2 (j2 =A1/A2). Kompensaattoria käytettäessä paineen pP tilalla on kompensaattorin määrittämä paine-ero Dp.
Tyypillisiä kuormanlaskun hallintakeinoja ovat:
- Kuormanlaskuventtiilit (yleisiä tai pakollisia tavara- ja henkilönostimissa).
- Karan virtauspinta-alojen määrittäminen niin, että poistopuolen vastapaine on tulopuolta esim. 10 kertaa suurempi (käytetään mm. nopealiikkeisissä nosturissa, joihin kuormanlaskuventtiilit eivät sovellu värähtelyalttiuden takia). Karassa on mahdollisuus määrittää neljä erilaista virtauspinta-alaa: A- ja B-porttien tulot/paluut.
- Vastapaineventtiili venttiilin paluukanavassa (joskus jopa ohjattava, jotta vastapainetta voisi tilannekohtaisesti lisätä).
- Erikseen säädettävät tulo- ja poistopuolen venttiilit (harvinaisia käytännön sovellutuksissa, katso luku 6.5).
Kuormanlaskuventtiilit ovat eniten käytetty ratkaisu, nopeisiin nostureihin ne eivät kuitenkaan sovellu. Karojen virtauspinta-alojen sovittaminen edellyttää venttiilivalmistajalta suurta kara valikoimaa. Lisäksi vastapainetta syntyy vaikka sitä ei tarvittaisi. Erilliskuristukset mukautuvat periaatteessa kaikkiin tilanteisiin mutta ratkaisu on kallis ja edellyttää tietotekniikkaan perustuvaa säätöä.
6.4 Muita valintoja
Edellisten lisäksi venttiilin varustelun voi kuulua vielä monia muita varustelukohteita, joista kukin voi sisältää edelleen useita vaihtoehtoja. Seuraavassa on eräitä näistä mainittu luettelomaisesti:
- kuormatakaisinkytketyn karan käyttö
- paineensyöttö erillisestä keskilohkosta
- kuormanpaineen vahvistusventtiili
- paluulinjan vastaventtiili
- esiohjauksen suodatus.
Kuorman takaisinkytkentä voidaan toteuttaa johtamalla lisäkuristuksilla kuormanpainetta karojen ohjauspäätyihin tai ns pinnikarojen avulla. Pinnikaroissa on tavallaan mäntä joka aikaansaa karaan vastavoiman. Kumpikin menetelmä muodostavat tavallaan painetakaisinkytkennän, joka vaimentaa värähtelyjä. Käytännössä se pyrkii myös hieman sulkemaan karaa, jolloin voidaan tarvita normaalia suurempi nimellisvirtaus.
Paineensyöttö keskilohkosta jakaa virtauksen tasaisemmin ja pienemmin painehäviöin karalohkoille. Mahdollistaa suuremman maksimitilavuusvirran.
Kuormanpaineen vahvistusventtiili varmistaa kuormanpaineen LS-linjassa, vaikka siellä esiintyisi normaalia suurempi säätövuoto.
Paluulinjan vastaventtiili pitää venttiilin paluukanavissa hieman ylipainetta, jolloin imuventtiilin kautta saadaan enemmän nestettä sylinteriin kavitaatiotilanteissa.
Esiohjauksen suodatus varmistaa, että pienivälyksiset esiohjausventtiilit toimivat häiriöittä.
6.5 Kuormanlaskun hallinta erilliskuristusta käyttäen
Erikseen säädettävän tulo- ja poistokuristuksen käyttäminen tarjoaa mahdollisuuden kuormanlaskun hallintaan ilman kavitaatiota sekä pienillä häviöillä.
Yhden karan käyttäminen tarkoittaa, että tulo- ja poistokuristuksia säädetään samassa suhteessa ja kavitaation estämiseksi tarvitaan kuormaa kantava vastapaine. Tämä on mahdollista aikaansaada karojen virtauspinta-alojen sopivilla suhteilla. Ongelmana on, että näin aikaansaatu vastapaine vaikuttaa aina, myös silloin kun sitä ei enää tarvittaisi. Ylimääräinen vastapaine merkitsee ylimääräisiä tehohäviöitä (lämpöä järjestelmään).
Jotta erilliskuristuksilla päästäisiin hyvään ratkaisuun, tarvitaan tietoa sylinterissä vallitsevista paineista sekä kykyä laskea tietojen avulla oikeat venttiilien avautumat. Tämä edellyttää käytännössä sopivia tietokonepohjaisia laskenta-algoritmeja.
Kahden venttiilikaran käyttäminen on kallis ratkaisu. Kuvassa 26 on Ultronicsin integroitu venttiiliratkaisu. Venttiilin yksi lohko sisältää kaksi erillisesti ohjattavaa karaa, toinen männän puolelle ja toinen varren puolelle. Lähtöporttien paineiden mittaamiseksi venttiiliin on integroitu kaksi pientä paineanturia. Karojen tarkan asemoinnin mahdollistavat asema-anturit. Kaikki mitatut tiedot sekä venttiilille tulevat ohjearvot siirtyvät CAN-väylän välityksellä.
Kuva 26. Erilliskuristettu venttiili
6.6 ELS-järjestelmä
Kun LS-järjestelmän hydraulinen kuormanpainelinja korvataan sähköisesti, saadaan sähköisesti toteutettu LS-järjestelmä (Electric Load Sensing). LS-järjestelmä on alttiimpi värähtelyille kuin esimerkiksi ympäripumppausjärjestelmät. Usein käytetty keino värähtelyjen vaimentamiseen on kuormanpainelinjaan lisätty kuristin. Kuristimen käytön haittapuolena on vasteaikojen kasvu. Osaltaan kuristimen oikean säädön löytämistä vaikeuttavat nesteen viskositeettimuutokset.
Kuva 27. ELS-järjestelmän periaate
Hydraulinen LS-linja voidaan muuttaa sähköiseksi käyttämällä paineanturia, mikroprosessoria ja proportionaalipaineenrajoitusventtiiliä kuvan 27 mukaisesti. On myös olemassa pumppuja, joissa sähköinen säätö on sisäänrakennettuna.
ELS-järjestelmässä sähköisestä kuormasignaalista alipäästösuodatetaan pois värähtely ja pumppua ohjataan suodatetulla signaalilla. Kuvassa 28 on esitetty millaisia tuloksia värähtelyjen vaimentumisessa on saavutettu. Vasen kuva vastaa normaalia LS-järjestelmää ja oikea ELS-järjestelmää. Keltainen viiva kuvissa esittää millaisen ohjauksen venttiilit ovat saaneet.
ELS-järjestelmä nostaa järjestelmän kustannuksia ja on tämän johdosta melko harvinainen käytännön sovellutuksissa. ELS-järjestelmän avulla pumpun syöttöpaine saadaan stabiloitua mutta painekompensaattorin käyttö saattaa heikentää toimilaitteeseen kohdistuvaa vaimennusta, koska painekompensaattori tavallaan eristää syöttöpaineen ja kuormanpaineen toisistaan.
Kuva 28. LS- ja ELS-järjestelmä vertailussa