Tinkimättä pienemmäksi

Koneurakointi 5/2021, teksti päätoimittaja Juha Pokki, Viipalemediat Oy

Nykypäivän koneiden suunnittelussa joudutaan yhä enemmän tekemisiin komponenttisijoittelun haasteiden kanssa. Luukkujen ja katteiden taakse pitää ahtaa melkoinen määrä tavaraa, mutta samalla ulkokuorelta halutaan kompaktia kokoa ja modernia muotoa. Monesti tilansäästöä lähdetään hakemaan pienemmistä komponenteista, apulaitteista ja jopa materiaalivahvuuksista, mutta niinkin yksinkertainen asia kuin hydraulisäiliö saattaa jäädä paitsioon.

Hydrauliikkajärjestelmän öljytank­ki mielletään tietyn kokoiseksi murikaksi, joka on pakko survoa johonkin, sillä tilavuus on lasken­nallinen juttu, eikä sitä oikein voi lähteä ongelmitta pienentämäänkään. Paitsi että voi, kun asia tehdään ajatuk­sen kanssa. Hydraulisäiliön optimoinnilla on saatu tilavuutta pienenemään huo­mattaviakin määriä ilman negatiivista vaikutusta järjestelmän toimintaan. Asia ei myöskään ole enää mikään uutuus, eli juuri sinunkin ajamassasi koneessa voi jo olla tällainen optimoitu säiliö. Mutta mistä on kyse? Täytyypä ottaa selvää.

OMINAISUUKSIA UHRAAMATTA. Saksa­lainen Hydac on tunnettu tekijä hydrau­liikka-alalla ja tehnyt paljon yhteistyötä konevalmistajien kanssa erilaisten rat­kaisujen kehittämiseksi. Yksi nykypäivän tarpeisiin vastaavista ratkaisuista on hyd­rauliikan tankkioptimointi, joka tarkoit­taa yksinkertaistettuna sitä, että koneen hydrauliöljysäiliön koko pyritään saamaan mahdollisimman pieneksi ilman koneen suoritusarvojen vähentämistä. Nyt voisi äkkiseltään ajatella, että miksei tuota tehdä konevalmistajan suunnittelupöy­dällä, jos se kerran on mahdollista – ja vastaavasti myös herää kysymys siitä, eikö tämä muka oikeasti aiheuta tehohä­viötä, öljyn ylimääräistä kuumenemista tai muuta vastaavaa harmia, kun tarkoit­taahan pienempi säiliö myös loogisesti vähäisempää öljymäärää kiertoon.

”Lähtökohta tankkioptimoinnissa on se, että asiakkaana toimivan konevalmistajan tuotteen ominaisuuksista ei tingitä”, ker­too Hydac Oy:n teknologiapäällikkö Arto Laamanen. ”Vaikka optimoinnilla pääs­tään parhaimmillaan todella suuriinkin pienennyksiin tankin tilavuudessa, sel­laista muutosta ei ehdoteta, mikä ei ole mahdollista ominaisuuksien heikentymät­tä”, Laamanen jatkaa. Hän myös kertoo, että valmistajat ovat toki pienentäneet säiliöitä oman suunnittelunkin toimesta jo pitkään, mutta tämä ei välttämättä aina ole ollut optimointia sanan parhaim­massa merkityksessä. Hydrauliikassa il­manerotuksella on nimittäin erittäin suuri merkitys, ja säiliö on siinä keskeisessä roolissa.

ILMA EI KUULU ÖLJYYN. Kun mietitään perinteistä hydraulijärjestelmää esimerkiksi kaivinkoneessa, säiliö on aina osa kiertokulkua. Normaalisti säiliön kokoa suunniteltaessa otetaan huomioon ainakin öljyn lämpötilanvaihtelun aiheuttamat tilavuuden muutokset, hydraulisylinterien ja mahdollisten paineakkujen muodostama vaihtotilavuuden tarve, jonkinlainen öljyreservi vajausten varalta ja lisäksi öljylle pitää antaa myös mahdollisuus rauhoittua säiliössä. Tällä tarkoitetaan käytännössä pinta-alaa, jonka kautta ilmakuplat poistuvat öljystä. Jos tavallista hydraulisäiliötä katsottaisiin ikään kuin läpivalaistuna, nähtäisiin paluulinjan aiheuttavan melkoista hulinaa öljyssä. Mikäli öljy ei saa mahdollisuutta rauhoittua ja ilma ei poistu kunnolla, kavitaation eli nesteen höyrystymisen riski kasvaa.
Tämä aiheuttaa komponenttien kulumista eli kavitaatioeroosiota. Ilma myös nostaa järjestelmän lämpötilaa, heikentää pumpun hyötysuhdetta, vanhentaa öljyä ennenaikaisesti, aiheuttaa melua ja voi vaikuttaa myös hydrauliikan toimintatarkkuuteen.

NÄIN SE KÄY. Vasemmassa kuvassa on Air-X-suodatin, joka tässä tapauksessa saa paluuöljyn pohjasta ja vapauttaa isoja kuplia rauhallisesti mutta nopeasti pintaan. Toisessa kuvassa on perinteinen diffuusorisuodatin, joka palauttaa ylhäältä. Näin ollen meno tankissa on jo paljon villimpää. Kaikista perinteinen ulostuloputkellinen malli puolestaan kuohuttaa eniten, puskien öljyä ensin alas, josta se tekee pisimmän kierroksen ylös. Rauhoittumisaika ja ilman määrä öljyssä on korkea.

ISO KUPLA ON HYVÄ KUPLA. Hydacin tankkioptimointi perustuu yrityksen kehittämään Air-X-suodatinteknologiaan sekä virtaussimulointiin, ja tässä kaikessa keskeisenä ideana on nimenomaan niiden ilmakuplien eliminointi, vaikka säiliötä ja samalla öljyn pinta-alaa pienennetäänkin. Hydacin Air-X-suodatin eroaa perinteisestä, usein kanteen sijoitetusta paluusuodattimesta ilmanerotuskyvyllään. Paluulinjasta tuleva öljy kulkee suodattimen läpi sisältä ulospäin. Samalla öljyn virtaus hidastuu merkittävästi normaaliin suodattimeen verrattuna. Suodattimen pinnalla on myös tiheäsilmäinen verkko, joka yhdistää seuraavassa vaiheessa pienistä ilmakuplista isompia. Tämä idea perustuu siihen, että isommat kuplat nousevat nopeammin pintaan. Nyrkkisääntö on se, että jos kuplan koko kasvaa 10-kertaiseksi, sen pintautumisnopeus kasvaa 100-kertaiseksi. Pienillä kuplilla on siis suurempi riski joutua takaisin hydrauliikan kiertoon, joten kasvattaminen kannattaa. Virtaus suodattimelle pyritään järjestämään optimoinnissa mieluiten alakautta, sillä tämäkin on omiaan vähentämään kuplien öljyssä kulkemaa matkaa, kun niitä ei paineta ensi ylhäältä alas.
Lopputulos on se, että suodattimelta säiliöön vapautuvan öljyn virtausnopeus on Air-X-järjestelmässä hyvin matala, ja kuplat ovat suuria, nopeasti pintaan nousevia. Perinteisissä järjestelmissä asia on tavannut olla päinvastainen.

 

>> Lue koko artikkeli  (Koneurakointi 5/2021 s. 64-66  pdf 570 KT)