11. TOIMILAITTEET

Toimilaitteilla tarkoitetaan sellaisia laitteita, joilla hydraulinen teho (paine ja tilavuusvirta) muutetaan mekaaniseksi energiaksi. Toimilaitteet ovat monesti hydraulijärjestelmän parhaiten näkyviä ja tunnettuja osia, sillä ne aikaansaavat halutut liikkeet. Niistä alkaa useimmiten myös järjestelmän suunnittelu sillä toimilaitteille kohdistuvat vaatimukset voimantarpeista, nopeuksista yms.

Yleisin toimilaite on hydraulisylinteri, joka tuottaa lineaariliikkeen (suoraviivaista liikettä). Pyörivä liike toteutetaan hydraulimoottorin avulla. Näiden lisäksi on erikoisempia toimilaitteita, jotka kuitenkin useimmiten perustuvat hydraulisylinteriin tai -moottoriin.

11.1 HYDRAULISYLINTERIT

Hydraulisylinterit voivat olla:

• yksitoimisia (tuottavat liikettä ja voimaa vain toiseen suuntaa)
• Kaksitoimisia (voima ja liike molempiin suuntiin)

Yksitoimisiin sylintereihin tulee vain yksi putki ja vastaavasti kaksitoimisiin kaksi. Kuvassa 11.1 on esitelty yleisempiä hydraulisylinterityyppejä ja niiden kaaviomerkkejä.

Kuva 11.1 

Sylinterin liitäntään (A tai B) tuotu tilavuusvirta saa aikaan männän liikkeen. A-liitäntään tuotu tilavuusvirta työntää mäntää ulospäin ja B-liitäntään tuotu työntää mäntää sisäänpäin. Kaksitoimisessa sylinterissä paluuvirtaus menee vastakkaista liityntää pitkin takaisin tankkiin. Yksitoimisen sylinterin palauttaa ulkoinen voima ja tilavuusvirta palaa samaa putkea pitkin kuin se tulikin.

Nesteen paine vaikuttaa männän pinta-alaan ja yhdessä ne synnyttävät voiman F=pA. Tässä on kuitenkin huomattava, että syntyvä paine riippuu mäntään kohdistuvasta voimasta eli paineen ja pinta-alan synnyttämä voima on tasapainossa (yhtä suuri) kuormituksen kanssa. Kuvassa 11.2 näkyy lisää sylinterityyppejä

 
 
Kuva 11.2

11.1.1 Rakenne

Rakenteellisesti sylintereitä on monenlaisia. Kuvassa 11.3 on kuva tyypillisestä kaksitoimisesta sylinteristä.

Ympyröidyt osat ovat erilaisia tiivisteitä ja liukurenkaita:

1. Männänvarren pyyhkijä (estää lian pääsyn ulkoa sylinteriin)
2. Männänvarren tiivisteet
3. O-rengas

6. Männän tiiviste (tiivistää kammiot)

7. Liukurenkaat (ohjaavat mäntää ja ottavat vastaan sivuttaisvoimia)

Sylinterin männän puoleinen pinta-ala A ₁ ja männänvarren puoleinen pinta-ala A₂ (männänvarren verran pienempi) lasketaan:
 
jossa d₁ on sylinterin halkaisija (r₁=d₁/2) 

 
Kuva 11.3 

Sylinterin liikkuessa nopeasti, voisi männän törmääminen päätyyn aiheuttaa vaurioita. Karkeasti arvioiden männän nopeuden ollessa suurempi kuin 0,1 m/s tarvitaan päätyvaimennus. Tarkemmin vaimennuskykyä ja tarvetta suhteessa liike-energiaan ja sylinterin nopeuteen voi tarkastella sylinterivalmistajan diagrammien avulla. Tällaisesta on esimerkki kuvassa 11.4.

Sylinterikoko ilmoitetaan usein seuraavasti Φ50x22-300. Tässä 50 tarkoittaa sylinterin halkaisijaa, 22 männänvarren halkaisijaa ja 300 iskun pituutta. Sylinterien mitat ovat standardoitu. Yleisiä sylinterin halkaisijoita ovat 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 140, 160, 200, 250 ja 300 mm. Eurooppalaisen ISO-standardin mukaiset sylinterit ovat kaikilta ominaisuuksiltaan niin standardoituja, että sylinteri on korvattavissa toisen valmistajan sylinterillä ilman rakennemittojen muutoksia. Etenkin liikkuvan kaluston keskuudessa konevalmistajat käyttävät itse valmistettuja tai alihankkijoita ostettuja sylintereitä, joissa standardointi ei ole näin pitkällä.

11.1.2 Sylinterin päätyvaimennus

Päätyvaimennuksen avulla aiheutetaan vastusta sylinteristä poistuvalle virtaukselle. Poistopuolen kammiossa syntyy vastapainetta, jonka aiheuttama voima alkaa hidastaa sylinterin liikettä.Päätyvaimennus voi olla säädettävä, kuten kuvassa 11.4.

 
 
Kuva 11.4

Tällöin se voidaan säätää käyttöönoton yhteydessä sopivaksi. Nopeuden muuttumiseen voidaan vaikuttaa monin keinoin. Kuvassa 11.5 nopeuden pieneneminen on hitaampaa kuin ylemmässä, sillä poistumisreikiä sulkeutuu yhä lisää männän lähestyessä päätyasentoa.
 
Kuva 11.5

Sylinterin pinta-aloja mitoitettaessa ja käyttöpaineita valittaessa tulisi huomioida seuraavat asiat:

1. Sylinteri pystyy tuottamaan tarvittavan voiman
2. Sylinteri pystyy vaimentamamaan kuorman liike-energian
3. Sylinteri ei nurjahda (sillä on riittävä nurjahdusvarmuus ja käyttöikä).

Vaimennuskyky ja nurjahdustarkastelut on parasta tehdä sylinterin valmistajan esitteiden avulla tai varmistaa asia toimittajalta. Kuvassa 11.6 näkyy eräs tapa, jolla tietyn sylinterin vaimennuskykyä voi arvioida (mitoittaa sylinteri vaimennuskyvyn perusteella).

Nurjahdukseen vaikuttaa sylinterin kiinnitystapa, josta on esimerkkejä kuvassa 11.7. Periaatteessa sylinteri on sitä alttiimpi nurjahtamaan mitä kauempana kiinnityspisteet ovat toisistaan.

Nurjahduskestävyyttä tarkastellaan kuvassa 11.8 olevan diagrammin avulla. Sylinteri kestää, jos pysytään ko. tyypille piirrettyjen rajojen alapuolella ja oikealla puolella.

Kuva 11.6

Kuva 11.7
 
Sylinterin nurjahtamista voi tarkastella myös Eulerin nurjahdustapausten mukaisesti. Männänvarren taipuman pitää pysyä tällöin elastisella alueella, eli syntyvä jännitys ei saa synnyttää plastista muodonmuutosta. Sallittu puristusvoima voidaan laskea yhtälöllä:
E= kimmokerroin (N/m2)
I= poikkipinnan jäyhyysmomentti (m4)

L= redusoitu pituus (m)

n= varmuuskerroin (teollisuudessa 3...5 ja liikkuvassa kalustossa 2...4

 
 
Kuva 11.8

Redusoitu pituus on kiinnitys-pisteiden välinen etäisyys kerrottuna kuvan 11.7 korjauskertoimella.

Epäselvissä tilanteissa on syytä varmistaa asia sylinterin toimittajalta.

Sylinterin mitoittaminen voimantarpeen perusteella perustuu yhtälöön: F=pA

Työntövoimaa tarkasteltaessa pinta-alana käytetään männän puolen pinta-alaa A1 ja vetoliikkeellä varrenpuoleista pinta-alaa A2. Mitoitustilanne voidaan useimmiten pelkistää staattiseksi tilanteeksi, jolloin sylinterin kuvitellaan pysyvän paikallaan. Sylinterin liikkuessa painepuolelle ei saada täyttä painetta virtauksen painehäviöistä johtuen ja lisäksi paluupuolelle syntyy vastapainetta niinikään virtausvastusten johdosta. Niinpä kuormittavan voiman kasvaessa mäntä lopulta pysähtyy ja tällöin se on saavuttanut suurimman voimansa. Niinpä maksimivoimaan perustuva mitoitus voidaan ajatella staattiseksi tilanteeksi.

Jos suunnittelija ei tiedä muuta kuin suurimman sallitun voiman (tai voimantarpeen) voi hän valita sopivaksi arvioimansa sylinterin ja laskea tarvittavan paineen (joka toivottavasti pysyy järkevissä raja-arvoissa 120...250 bar) tai valita järjestelmän paineen (esim 160...210 bar) ja laskea vaaditun sylinterin halkaisijan (lopuksi pitää valita lähin standardi koko ja laskea lopullinen paineentarve). Teollisuuden suunnittelu-ohjeissa suositellaan mitoituspaineena 180 bar. Yleensä komponentit ja järjestelmä mahdollistavat suuremman paineen käytön, jota voidaan hyödyntää voiman loppuessa kesken.

Kun huomioidaan sylinterin kitka, mitoitusyhtälö on:

Työntöliikkeellä
 
Vetoliikkeellä
 
Kitkan suuruutta voidaan arvioida taulukon 11.9 avulla hyötysuhteena η_m, joka riippuu vallitsevasta paineesta.

 
 
Kuva 11.9

Mikäli mitoitusta käsitellään dynaamisena tapauksena, kuten mm servojärjestelmissä tehdään, tulee huomioida kuorman lisäksi virtauksen painehäviö sekä kiihdytyksen voiman tarve. Nyrkkisääntönä pidetään, että tällaisissa tapauksissa paineesta 1/3 varataan tilavuusvirran aikaansaamiseen (liikenopeus), 1/3 kuormalle ja 1/3 kiihtyvyydelle.

11.2 HYDRAULIMOOTTORIT

Hydraulimoottoreiden avulla tuotetaan pyörivä liike. Eräät moottorityypit ovat ns. vääntömoottoreita ja ne eivät välttämättä voi pyöriä rajattomasti samaan suuntaan. Hydraulimoottorit eivät rakenteellisesti eroa paljoa pumpuista. Osa voi toimia sekä pumppuina, että moottoreina. Moottorit ryhmitellään:

1. Hidaskäyntiset hydraulimoottorit (0...500 r/min)
2. Keskinopeusalueen moottorit (500..2500 r/min)
3. Nopeakäyntiset hydraulimoottorit (2500....)

11.2.1 Mitoittaminen

Hydraulimoottori mitoitetaan tarvittavan vääntömomentin mukaan.
 
jossa

M= tarvittu vääntömomentti

V_k= moottorin kierrostilavuus

Δp = paine-ero moottorin yli

η_mh= hydromekaaninen hyötysuhde

Tilavuusvirran tarve on:
 
jossa

n = vaadittu pyörimisnopeus

η_v= volumetrinen hyötysuhde

11.2.2 Erilaisia moottoreita

Rakenteellisesti pumput ja moottorit muistuttavat toisiaan. Jotkut voivat toimia sekä pumppuina, että moottoreina. Tämän johdosta tässä esitellään vain joitakin

moottoreita, joita ei pumppujen yhteydessä esiintynyt.

 
Kuva 11.2.1

Kuvan 11.2.1 mukaista moottoria kutsutaan radiaalimäntämoottoriksi sekä myös nokkarengasmoottoriksi. Se voidaan rakenteellisesti tehdä pyörän navaksi, joten sitä kutsutaan myös napamoottoriksi. Kuvan 11.2.1 mukaisesti siihen voidaan sijoittaa jarru sekä muuttaa kierrostilavuutta keventämällä osa tai kaikki männät (kotelopainetta kasvattamalla männät sisään). Napamoottorien käyttö on yleistä työkonesovellutuksissa hydrostaattisessa ajovoimansiirrossa, koska pyörimisnopeuden ei tarvitse olla kovin suuri.

11.2.3 Kytkennät

Hydraulimoottoreita käytettäessä tulee kiinnittää huomiota seuraaviin seikkoihin.

• miten moottorin tulee pysähtyä
• kotelovuoto
• kuormankanto
• kavitaation estäminen.

Jos hydraulimoottorin ei tarvitse pysähtyä nopeasti, tulee sallia sen vapaa pyöriminen kavitoimatta, kunnes kitkat pysäyttävät sen. Tähän tarvitaan yleensä vastaventtiiliä, jonka avulla moottori pääsee imemään paluupuolen öljyn vastakkaiselle puolelle.

Eräissä moottoreissa kotelopaine ei saa nousta korkeaksi, jottei se työnnä akselitiivistettä ulos. Näissä pumpuissa on ulkoinen kotelovuotoliitäntä tai kotelo kytkeytyy aina paluupuolelle. Kun moottorin pitää pysähtyä nopeasti, tarvitaan vastapainetta ja sisäistä kotelovuotoliitäntää käyttävät pumput voivat vaurioitua (akselitiiviste). Näissä tapauksissa ulkoisen vuotoliitännän käyttö on tarpeen. Moottorin pysäyttäminen pelkkää suuntaventtiiliä käyttäen johtaa helposti liian äkilliseen pysähtymiseen mikä voi vahingoittaa moottoria tai muita rakenteita. Jarrutusta varten tarvitaan paineenrajoitusventtiileitä. Jos moottori pyörii molempiin suuntiin, kummallekin puolelle tarvitaan paineenrajoitusventtiili.

Moottoreita käytettäessä tulee myös huomioida, etteivät ne kykene pitämään staattista kuormaa paikoillaan ilman mekaanisesti toimivaa jarrua.