Title: Hydrauliikan perusteet
Course: SÄPT18-04.6 Hydrauliikka- ja pneumatiikka-asennukset, eGradia > Section: HYDRAULIIKKA

Hydrauliikan perusteet kurssi antaa kokonaiskuvan hydrauliikasta.

Hydrauliikka

Hydrauliikka on mekaniikan alue, joka tutkii nesteiden ominaisuuksia, tasapainoa ja virtauksia. Hydrauliikka perustuu fluiditekniikkaan, jonka osa-alueita ovat hydrostatiikka, hydrodynamiikka ja pneumatiikka. Hydrauliikkaa esiintyy lukuisissa sovelluksissa niin teollisuudessa kuin liikkuvan kaluston koneissa.

Etuja:

- Säädettävä nopeus, voima
- Pienet komponentit
- Liikkeen pehmeys
- Standardoidut komponentit

Haittoja:

- Tehohäviöt
- Kustannukset
- Huolto ja kunnossapito
- Hyötysuhde

Hydrauliikassa käytetään nesteitä energian siirtämiseen tai ohjaamiseen. Hydraulinen voimansiirto pyrkii siirtämään voimaa rajallista nestemäärää työntämällä. Järjestelmän voimalähteenä on ensiömoottori (sähkö- tai polttomoottori), joka pyörittää pumppua. Paine voidaan synnytää myös käsivoimin (pullotunkki). Järjestelmällä siirretään voima tarvittavaan kohtaan ja muunnetaan tarpeeseen sopivaksi (paine ja virtaus). Pumpusta saadaan tarvittava voima työtä tekeville komponenteille. Järjestelmästä otetaan ulos tulevan voimansiirron kautta liike suoraviivaiselle hydraulisylinterille tai pyörivälle hydraulimoottorille.

Etuina hydraulijärjestelmässä on tehonsiirron joustavuus paikkoihin, joihin mekaanisesti hankala päästä. Etuna pidetään myös komponenttien hyvä teho-paino-suhde.  Hydrauliikassa käytetään hyväksi nesteen ominaisuuksia, koska neste on kokoonpuristumatonta. Väliaineena hydrauliikassa voi toimia vesi, emulsio, mineraaliöljy, synteettinen öljy tai kasviöljy.

Lisätietoa hydrauliikasta:

 https://www.hydrauliikkapumppu.fi/

Hydrostatiikka ja -dynamiikka

Hydrostatiikassa käytetään paineenalaista nestettä tehonsiirrossa. Hydraulinen järjestelmä ei ole voimanlähde vaan voimanlähteenä on ensiö-, sähkö- tai polttomoottori, joka pyöritää pumppua. Hydrostatiikasta käytetään yleisesti lyhyttä yleisnimeä, joka on hydrauliikka. Järjestelmä siirtää voiman tarvittavaan kohtaan ja muuttaa sen tarpeeseen sopivaksi. Pumppu syöttää nestettä järjestelmän työtä tekeville laitteille, yleensä hydraulimoottorille tai sylinterille. Kuvassa on käsipumppu, jonka liike-energia siirtyy paineen avulla lieriösylinterille.

Hydrodynaaminen järjestelmä käyttää hyväkseen nesteen liike-energiaa. Suurella nopeudella virtaava neste ohjataan kohteeseen, jossa nesteen liike-energia muuttaa energian takaisin mekaaniseksi työksi. Esimerkkinä hydrodynaamisesta voimansiirrosta on nesteen pyörittämän turbiinipyörän voimalaitoksessa. (kuva).

Kuva Pixabay

Paineinen öljy

Hydrauliikassa käytetään hyväksi nesteen ominaisuutta: Neste ei puristu kokoon. Paine leviää ja täyttää astian ja putkiston tasaisesti. Paine kohdistuu aina kohtisuorasti ympäröiviin seinämiin. Nesteen virtaus määrää toimilaitteen liikkeen nopeuden ja suunnan.

Hydraulikoneikossa sähköenergia muutetaan pumpun avulla hydraulienergiaksi eli nesteen paineeksi. Hydraulipumppu muuttaa pyörivän akselin mekaanisen energian hydrauliseksi energiaksi. Pumpun imupuolella on alipaine, painepuolella ylipaineksi. Pumpun tuottama energia siirretään paineellisen nesteen virtauksen avulla. Koneikossa ilma pääsee imusuodattimen kautta säiliöön ja pitää sen ilmatilan paineen normaalina (= 1 bar). Nestesäiliö muodostaa koneikon rungon. Se varastoi järjestelmässä tarvittavan hydrauliikkanesteen, jäähdyttää sitä, estää sen likaantuminen sekä suodattaa jo syntyneet epäpuhtaudet. Nestesäiliössä oleva väliseinä tasoittaa nesteen virtausta imuputken ja paluuputken välillä.

Paineella tarkoitetaan pinta-alaa vastaan kohdistuvaa voimaaa. Hydrauliikassa käytetään väliaineena öljyä, mistä saadaan pumpun avulla paine. Paine vaikuttaa hydraulisylinterissä männän pintaan, jolloin mäntään kohdistuu voima ja siirtää mäntää.

Paineeseen liittyviä käsitteitä ovat absoluuttinen paine, ylipaine ja alipaine. Ylipaineella tarkoitetaan ilmakehän painetta suurempaa painetta ja vastaavasti alipaineella ilmakehän painetta pienempää painetta. Absoluuttinen paine tarkoittaa 0 MPa:n painetta, mikä vallitsee avaruudessa. Ilmakehän absoluuttinen paine on siten 0,1 MPa. 1 bar = 0,1 MPa.

Paineen yksiköt:

- 1 kPa (kilopascal) = 1000 Pa
- 1 MPa (megapascal) = 1000kPa
- 1 bar (baari) = 0,1 MPa
- 1 psi ≈ 0,068948 bar
- 1 bar = 14,504 psi

Pumpussa vaikuttaa paine \( \left| \begin{matrix} p_1 \end{matrix} \right| \) ja työsylinterissä \( \left| \begin{matrix} p_2 \end{matrix} \right| \).

Peruskäsitteet

Pascalin laki

Pascalin lain mukaan paine leviää nesteessä tasaisesti joka suuntaan, joten avoimessa astiassa nesteen paine seinämää vasten on joka kohdassa yhtä suuri. Astian muodolla ei ole merkitystä, koska voima kohdistuu kohtisuoraan pintaa vasten. Laki selittää, miksi esimerkiksi täysi lasipullo voi särkyä, jos korkki lyödään voimalla kiinni. Neste on lähes kokoonpuristumatonta, joten lyönnin voimasta paine nousee lasiastiassa ja vaikuttaa joka pisteessä saman verran.

Tilavuusvirta

Tilavuusvirralla tarkoitetaan aikayksikössä virranneen nestemäärän tilavuutta. Tilavuusvirran yksikkö on esimerkiksi l/min (litraa minuutissa). tai m^3/h (kuutiota tunnissa). Hydrauliikassa tilavuusvirran tunnuksena on Q tai qv. Tilavuusvirta määrää hydraulisen toiminnan nopeuden. Tilavuusvirtaa muutettaessa muuttuu järjestelmän nopeus. Pumppujen yhteydessä käytetään tilavuusvirrasta nimitystä tuotto.

Tilavuusvirrasta Q käytetään yksikköä l/min litraa minuutissa. Pumpun kierrostilavuus tarkoittaa sitä nestemäärää, minkä pumppu tuottaa pyörähtäessään yhden kierroksen.

Nesteen virtaus määrää toimilaitteiden liikkeen suunnan ja nopeuden.

Teho

Hydraulijärjestelmän teho määräytyy paineen ja tilavuusvirran mukaan. Teho on paine (p) x tilavuusvirta (Q). P=(p∗Q)P = ( p ∗ Q )

Paine sekä tilavuusvirta vaikuttavat järjestelmän tehoon, joten jommankumman pienentyminen alentaa laitteen suorituskykyä.

Energian häviättömyys

Hydrauliikassa vallitse energian häviämättömyyden laki, jonka mukaan energiaa ei voida hävittää mutta sen ilmenemismuotoa voidaan muuttaa. Hydrauliikassa energia esiintyy paine-, liike-, ja lämpöenergiana.

Voiman moninkertaistaminen työsylinteriä suurentamalla, suurempi mäntä liikkuu vain sen verran, jonka pienempi siirtää nestettä. Jos putkiston koko muuttuu, myös virtaavan nesteen nopeus muuttuu. Putkistoa suurennettaessa liike energia samoilla arvoilla pienenee. Liike-energian muutokset aiheuttavat myös paine-energian muutoksia. Paine-energian on siis suurennuttava. Vastaavasti taas liike-energian suureneminen pienentää paine-energiaa.

Avoin- ja suljettu hydraulijärjestelmä

Avoin hydraulijärjestelmä neste kiertää avoimen säiliön kautta. Pumppu imee nestettä säiliöstä ja pumppaa sitä paineelliseen järjestelmään, josta neste palaa takaisin säiliöön. Säiliössä ei pääse muodostumaan yli- eikä alipainetta, koska ilmansuodatin tasaa paineen vapaaseen ilmanpaineeseen. Säiliöön voidaan lisätä vapaasti öljyä, koska siellä ei ole painetta. Avoimessa järjestelmässä voidaan käyttää monia toimilaitteita samanaikaisesti yhdessä tai erikseen. Avointa hydraulijärjestelmää käytetään, jos järjestelmältä ei vaadita mitään erityisvaatimuksia.

Suljetussa järjestelmässä neste kiertää pumpun avulla järjestelmässä, jossa öljy palaa takaisin suoraan pumpun imupuolelle (ei säiliötä). Pumpun molemmat liitännät toimivat imu- ja painepuolina käyttömoottorin pyörimissuunnan mukaan. Pumpun pyörimisnopeudella voidaan myös jarruttaa toimilaitteiden liikettä. Vuodot syöttöpumppu kompensoi kierrättämällä osan öljystä säiliön kautta. Suljettua järjestelmää käytetään silloin, kun hydraulimoottorit vaativat suurta tehoa sekä niissä tarvitaan portaatonta nopeudensäätöä. Suljettu piiri on käytössä lähinnä mobiilikoneiden ajovoimansiirroissa.

Komponentit

- Toimilaitteet, komponentit ja niiden tehtävät / toiminta
- Hydraulipumppu ja paineilmakompressori
- Sylinterit ja moottorit
- Venttiilit: suunta-, paine-, virtaus- ja vastaventtiilit

Pumput
Pumppu on hydrauliikkajärjestelmän tärkein osa. Pumpun tehtävänä on muuttaa sähkö- tai polttomoottorin mekaaninen energia hydrauliseksi energiaksi. Pumppu kehittää pyöriessään imupuolelle alipainetta, tästä syntyy toisiopuolelle ylipaine. Pumppujen koko ilmoitetaan yleensä tilavuusvirtana ja paineena. Yleisimmät pumpputyypit ovat hammaspyörä-, siipi-, ruuvi- tai mäntäpumppuja.
Tutustu pumppuihin IKH

Venttiilit
Hydrauli- ja pneumatiikkajärjestelmissä käytetään venttiilejä nesteja kaasuvirran suuntaamiseen ja ohjaamiseen. Venttiiliellä säädetään myös painetta ja tilavuusvirtaa sekä ohjataan esi- ja kauko-ohjattuja toimilaitteita. Venttiilejä on siis rakenteeltaan ja käyttötarkoitukseltaan monenlaisia. Ne voidaan jakaa käyttötarkoituksen mukaan suunta-, vasta-, paine-, virta- ja sulkuventtiileihin.

Sylinterit
Sylinteri on järjestelmässä tavallisin laite, jossa paine-energia muutetaan työksi. Sylinterissä saadaan aikaan suoraviivainen liike. Sylinterit jataan toimintaperiaatteen mukaan joko yksitoimisiin tai kaksitoimisiin. Yksitoimisessa sylinterissä paine liikuttaa mäntää vain toiseen suuntaan. Kaksitoimisessa sylinterissä taas paine liikuttaa mäntää kahteen suuntaan.