Ennen kuin puhumme energian siirtämisestä nesteiden kautta, meidän on ymmärrettävä muutamia nesteiden ominaisuuksia ja sitä, miten voima siirtyy niiden läpi. Tämä auttaa meitä ymmärtämään, miksi hydrauliikka toimii juuri niin kuin se tekee.

Neste

Neste on mikä tahansa aine, jolla ei ole kiinteää muotoa. Nesteitä ovat sekä nesteet että kaasut.

Vedelöyly

Neste, kuten kaasu, koostuu molekyyleistä. Mutta toisin kuin kaasussa, nesteessä molekyylit ovat vetäytyneet tiukasti yhteen – mutta ei niin tiukasti, että ne olisivat lukittuja kiinteisiin paikkoihin kuten kiinteässä aineessa. Siksi neste virtaa vapaasti ja saa astian muodon.

Kuva 2-1 Nesteiden molekyylit (alhaalla) ovat tiukasti pakattuja ja jatkuvassa liikkeessä, kun taas kaasun molekyylit (ylhäällä) ovat kaukana toisistaan.

Molekyylien liike-energia

Nesteen sisällä olevat molekyylit ovat aina liikkeessä — vaikka neste näyttäisi täysin paikoillaan olevan. Ne liukuvat ja liukuvat jatkuvasti toistensa ohi. Tätä molekyyli­liikettä kutsutaan nesteen sisäiseksi energiaksi.

Nesteet ottavat saamansa astian muodon

Tämän jatkuvan molekyyli­liukumisen vuoksi neste virtaa ja täyttää sen astian, johon se on kaadettu. Riippumatta siitä, onko nestettä paljon vai vähän, se ottaa aina astian muodon. Tämä ominaisuus liittyy läheisesti viskositeettiin, josta käsitellään myöhemmissä luvuissa.

Nesteet ovat suhteellisen puristumattomia

Koska nestemolekyylit ovat tiukasti pakattuja, nesteet käyttäytyvät yhdessä tärkeässä suhteessa kuten kiinteät aineet: ne ovat suhteellisen puristumattomia — niitä ei voida puristaa merkittävästi pienemmäksi tilavuudeksi.

Tästä syystä sukeltajat uppoavat veteen jalkojensa tai käsivarsien päässä ("veitsenteräys") eikä vatsaansa päin. Vesi ei pääse poistumaan riittävän nopeasti tielle, kun se kohtaa suuren litteän pinnan, ja iskun voima on kuin törmäys kiinteään pintaan. Jalkojen tai käsien pieni pinta-ala jakaa veden, ja pieni pinta-ala tarkoittaa huomattavasti pienempää iskun voimaa.

Koska neste on suhteellisen puristumaton ja saa astian muodon, sillä on todellinen etu voiman siirtämisessä.

Voiman siirto

Neljä energiansiirron menetelmää (mekaaninen, sähköinen, hydraulinen ja pneumaattinen) voivat kaikki siirtää sekä staattista voimaa (potentiaalienergiaa) että dynaamista voimaa (liike-energiaa). Kun staattinen voima siirtyy nesteessä, tapahtuu jotain erityistä.

Voiman siirtyminen nesteessä

Toisin kuin kiinteään aineeseen kohdistuva voima, suljetussa nesteessä vaikutettu voima siirtyy nesteessä paineena — ja paine on yhtä suuri kaikissa nesteessä olevissa pisteissä.

Jos työnnämme liikkuvaa pistonia, joka on sijoitettu nesteellä täytetyn säiliön päälle, kohdistamamme voima aiheuttaa paineen, ja tuo paine leviää yhtä suurena kaikkiin suuntiin nesteen läpi.

Ei ole väliä, miten paine on syntynyt — pistoniin, käteen, painovoimaan, jouseen, puristettuun ilmaan tai mihin tahansa niiden yhdistelmään perustuen — kun voima on kerran sisällä suljetussa nesteessä, se muuttuu paineeksi ja leviää yhtä suurena kaikkialle.

Koska neste saa säiliön muodon, paine voidaan siirtää riippumatta säiliön muodosta.

Kuva 2-4: Pistoniin kohdistuva voima muuttuu nesteessä paineeksi. Tuo paine leviää yhtä suurena kaikkiin suuntiin — tämä on hydrauliikan avainperiaate.

Pascalin laki

Nesteen kyky siirtää painetta yhtä suurena kaikkiin suuntiin on nimeltään Pascalin laki, joka on nimetty sen keksijän Blaise Pascalin mukaan.

Pascalin lain matemaattinen muoto on sama kuin luvussa 1 esitetty painekaava:

Painemittarit

Painemittari mittaa järjestelmässä olevaan nesteeseen kohdistuvaa painetta. Yleisimmät tyypit hydraulijärjestelmissä ovat Bourdon-putkipainemittari ja pistonpainemittari.

Bourdon-putkipainemittari

Bourdon-putkipainemittari koostuu mittarilevystä ja osoittimesta. Osoitin on yhdistetty kaarevaan, joustavaan metalliputkeen, jota kutsutaan Bourdon-putkeksi. Järjestelmän paine tulee putkeen sisäänkäynnistä. Asteikko on yleensä merkitty psi-, bar- tai Pa-yksiköissä.

Kuinka Bourdon-putki toimii

Kun järjestelmän paine nousee, kaarevan putken sisä- ja ulkopinnan pinta-alojen ero aiheuttaa putken suoristumisen. Tämä suoristumisliike ohjaa osoitinta mittarilevylle näyttämään paineen. Bourdon-putkimittarit ovat tarkkuuslaitteita, joiden tarkkuus on 0,1–3,0 % kokonaisalueesta; niitä käytetään laboratoriotesteissä tai muualla, missä painemittauksen tarkkuus on ratkaisevan tärkeää.

Pistoolimittari

Pistoolimittari koostuu pistoriista, tasapainojousesta, osoittimesta ja asteikosta. Järjestelmän paine vaikuttaa pistoorin pinnalle ja työntää sitä vasten jousta. Pistoorin liike ohjaa osoitinta mittarilevylle. Asteikko on kalibroitu psi- (bar-)yksiköissä. Pistoolimittarit ovat kestäviä ja taloudellisia – ne ovat yleinen valinta jokapäiväiseen järjestelmän seurantaan.

Kuva 2-6 Pistoolimittari: järjestelmän paine työntää pistooria vasten jousta. Pistoorin siirtymä liikuttaa osoitinta.

Paineen muuntaminen mekaaniseksi voimaksi

Paineen siirtäminen tiukentuneen nesteen kautta on hyödyllistä vain, jos paine voidaan muuttaa takaisin mekaaniseksi voimaksi jossakin kohdassa. Tämä on toimilaitteen (toimialkion) tehtävä – se saa hydraulisen paineen ja muuntaa sen mekaaniseksi voimaksi.

Hydrauliikkasylinteri on yksi toimilaitetyyppi.

Hydraulinen sylinteri

Hydrauliikkasylinteri saa hydraulisen paineen ja muuntaa sen suoraviivaiseksi (lineaariseksi) mekaaniseksi voimaksi. Sovitulla mekaanisella kytkennällä sitä voidaan myös muuntaa pyöriväksi liikkeeksi.

Sylinterin rakenne

Sylinterin perusosat ovat: putki (sylinterikotelo), päätykannet, työntölevy, työntövarsi ja tulo-/poistoportit. Kummassakin päässä on yksi päätykansi. Työntölevy liukuu sylinterikotelon sisällä. Varsi on kiinnitetty työntölevyyn. Tulo- ja poistoportit sylinterikotelon molemmissa päissä mahdollistavat työnesteen virtauksen sisään ja ulos.

Kuva 2–8: Hydrauliikkasylinterin poikkileikkaus. Öljy tulee yhden portin kautta, työntää työntölevyä ja varsi ulottuu. Toisesta portista poistuva öljy palaa säiliöön.

Miten sylinteri toimii

Kun sylinterin tuloaukko on kytketty järjestelmään, sylinteri muodostaa osan järjestelmää. Painepisteestä A siirtyy paine järjestelmän kautta sylinterin sisällä olevaan männään. Tämä paine, joka vaikuttaa männän pinta-alaan, tuottaa mekaanisen voiman pisteessä B — tanko-osassa.

Paineen soveltaminen

Kun paine siirtyy tiukentuneen nesteen kautta, jonkin liikkuvan osan avulla luodaan paine. Kaikissa tähän asti esitetyissä esimerkeissä liikkuva osa on muna. Jakamalla voima männän pinta-alalla saadaan järjestelmän paine (P = F/A).

Mekaanisen voiman kertominen

Hydrauliikka voi vahvistaa (kertoa) mekaanista voimaa. Kerroin riippuu hydraulisylinterin männän pinta-alasta (in² tai cm²). Koska paine siirtyy yhtäläisesti tiukentuneen nesteen kautta, jos ulostulosylinterin männän pinta-ala on suurempi kuin sisääntulomännän pinta-ala, ulostulovoima on suurempi kuin sisääntulovoima.

Esimerkki: 5 000 lb (22 200 N) voima vaikuttaa männään, jonka pinta-ala on 10 in² (64,52 cm²), mikä tuottaa paineen:

Sama 500 psi vaikuttaa 15 in² (96,78 cm²):n ulostulopistoneeseen:

Kuva 2-9 Mekaaninen voiman kertominen. Sama paine vaikuttaa molempiin pistoruisiin, mutta suurempi pistoni tuottaa suuremman voiman. F = P × A.

Paineenvoimistin

Paineenvoimistin (jota kutsutaan myös voimistimeksi) voi vahvistaa hydraulista painetta. Se käyttää kahta pistontta, jotka on yhdistetty yhdellä tangoilla yhteen koteloon, jossa on tulo-, lähtö- ja tyhjennysliitännät. Suuri pistoni havaitsee järjestelmän paineen; sen tuottama voima kohdistuu pienempään pistooniin, joka tuottaa korkeamman ulostulopaineen, koska sen pinta-ala on pienempi.

Kuinka paineenvoimistin toimii

Suuri männän pinta havaitsee järjestelmän paineen ja välittää sen voiman varren kautta pienempään männään. Koska pienemmän männän pinta-ala on pienempi, pienemmän männän päässä saadaan korkeampi lähtöpaine — paine tehostuu.

Esimerkki: 5 000 lbs (22 200 N) suuruinen voima vaikuttaa suureen männään (pinta-ala: 15 in² / 96,78 cm²). Paine = 333 psi (22,9 bar). Tämä voima siirtyy pienempään männään (pinta-ala: 0,76 cm²). Lähtöpaine = 5 000 lbs / 0,76 cm² × (1/10 000) = 2 000 psi (137,9 bar). Lähtövoima = 30 000 lbs (133 200 N).

Painetehostimia käytetään yleisesti kiinnitysvarusteissa.

Kuva 2-11 Painetehostin. Suuri männä välittää voimansa pienempään männään, jonka pinta-ala on huomattavasti pienempi — tämä tuottaa huomattavasti korkeamman lähtöpaineen.

Hydrauliikkaenergian siirto

Hydrauliikan (tai minkä tahansa muun energiansiirto menetelmän) käytön tarkoituksena koneessa on tehdä hyödyllistä työtä. Sylinterin tehdäkseen työtä sen on sovellettava voimaa kuormaan ja siirrettävä sitä eteenpäin jokin matka — siksi järjestelmässä tarvitaan komponenttia, joka pystyy käyttämään energiaa nesteen jatkuvan virtauksen aikaansaamiseen.

Hydraulinen akkuumulaattori

Kaikki tähän asti tarkastelemamme painetta luovat laitteet suljetussa nesteessä käyttävät männiä ja sylintereitä. Mäntä soveltaa voimaa; sylinteri tiukentaa nestettä. Tällaista laitetta kutsutaan akkumulaattoriksi.

Akkumulaattori voi varastoida paineessa olevan nesteen potentiaalienergiaa. Tämä varastoitu potentiaalienergia voidaan muuntaa työenergiaksi (virtaus ja paine).

Esimerkki: 500 psi:n (34,5 bar) akkumulaattori tuottaa painetta kuorman työntämiseksi. Varastoidusta 500 psi:stä 400 psi (27,6 bar) käytetään kuorman vastustavan voiman voittamiseen, ja jäljelle jäänyt paine muuttuu virtaukseksi, joka liikuttaa kuormaa.

Akumulaattoreilla on kuitenkin rajoitus: jos kuorma on erittäin suuri, painetta ei ehkä ole riittävästi sen voittamiseen, joten työtä ei voida tehdä. Lisäksi kun varastoitua nestettä on käytetty kokonaan, virtausta ei enää ole.

Jotta kuorman voittamiseen saadaan riittävä paine ja virtausta voidaan tarjota jatkuvasti, tarvitaan erilaista laitetta — tilavuusvirtapumppua.

Kuva 2-12 Akumulaattorin toiminta. Varastoitua painetta voidaan käyttää kuorman siirtämiseen, mutta kun neste on loppunut, virtaus pysähtyy — akumulaattori ei voi yksinään tuottaa jatkuvaa työtä.

Tilavuusvirtapumppu

Tilavuusvirtapumppu tuottaa jatkuvaa nestevirtausta toistuvan palauttavan tai pyörivän sisäisen liikkeen avulla. Se tuottaa sekä liike-energiaa (virtausta) että paine-energiaa — työenergiaa, joka tarvitaan jatkuvan hydraulisen työn tekemiseen.

To-and-fro-pistepumppu

Pakottava pistonpumppu on varustettu pistoruudulla, joka on kytketty voimanlähteeseen (moottoriin tai sähkömoottoriin) kampiakselin tai kamman välityksellä. Tulo- ja poistokanavissa on kummassakin palloventtiili. Kun pistonsiirto tapahtuu ulospäin, sisäinen tilavuus laajenee, tuloventtiili avautuu ja neste virtaa sisään. Kun pistonsiirto tapahtuu sisäänpäin, tilavuus pienenee, paine nousee, tuloventtiili sulkeutuu ja poistoventtiili avautuu – näin neste työnnetään järjestelmään. Jatkuva edestakainen liike tuottaa pulsoivan virtauksen; paine voi olla mikä tahansa järjestelmän vaatima.

Kuva 2-13 Pakottava pistonpumppu. Piston liikkuu sisään ja ulos, imien öljyä tuloventtiilin kautta ja työntäen sen ulos poistoventtiilin kautta.

Pyörivä positiivisen siirtotilavuuden pumppu

Teollisuuden hydraulijärjestelmissä yleisin pumppu on pyörivä positiivisen siirtotilavuuden pumppu. Se tuottaa suhteellisen tasaisen, paineistetun virtauksen ja sitä on helppoa käyttää sähkömoottorilla tai moottorilla. Pyörivän osan jokainen kierros siirtää kiinteän nestemäisen tilavuuden.

Pyörivän pumppun rakennetta

Pyörivässä pumpussa on kotelointi ja pyörivä kokoonpano. Kotelointiin kuuluu tuloaukko ja poistoaukko. Pyörivä kokoonpano luo virtauksen ja paineen. Esimerkissä esitettyssä pumpussa on roottori ja siivet, jotka voivat liukua vapaasti roottorin urissa sisään ja ulos.

Kuinka pyörivä pumppu toimii

Pyörivä kokoonpano on asennettu epäkeskisesti (keskipisteen ulkopuolelle) kotelointiin ja yhdistetty moottoriin akselilla – roottori pyörii. Kun roottori kääntyy, keskipakovoima työntää siivet ulospäin vasten kotelointiseinää, mikä muodostaa tiukat kammiot. Tuloaukon puolella kammion tilavuus kasvaa, jolloin neste imetään sisään. Poistoaukon puolella kammio kutistuu, paine nousee ja neste työnnetään pois järjestelmästä. Pumppu tuottaa painetta vain yhtä suurta kuin järjestelmän pienin vastus – ei enempää.

Kuva 2-15: Pyöriväsiipipumppu. Siivet tiukentavat kotelointiseinää vasten kammioita, jotka laajenevat (tulo) ja supistuvat (poisto), kun roottori pyörii.

Vastus ja paine

Hydraulijärjestelmässä paine ja vastus ovat suoraan verrannollisia. Pumppu työntää nestettä järjestelmään; painetaso määräytyy vastustason mukaan. Korkea vastus → korkea paine; alhainen vastus → alhainen paine. Nesteen virran vastus määrittää, kuinka suuri paine syntyy.

Vastus pumppuun

Pumppu kohtaa kahta eri tyyppistä vastusta: kuormavastusta ja virtausvastusta. Jos virtausvastus jätetään huomiotta, ainoa vastus on kuorma. Jos kuormavastuksen voittamiseen tarvitaan 200 psi (13,8 bar), pumppu tuottaa 200 psi:n paineen ja ohjaa hydraulisen työenergian toimilaitteeseen, joka sen jälkeen liikuttaa kuormaa.

Virtausvastus on aina läsnä. Se pakottaa pumppua ottamaan enemmän energiaa moottorista ja tuottamaan korkeampaa painetta sen voittamiseksi.

Kuva 2-16 Vastus ja paine. Pumpun paine nousee voittaakseen kokonaismittaisen vastuksen — kuormavastuksen ja virtaus- (kitka)vastuksen.

Lisäenergian muunnos

Pumpun lisäämä ylimääräinen energia, jolla voitetaan virtausvastus, ei muunnu hyödylliseksi hydrauliseksi työenergiaksi toimilaitteessa — se kuluu virtauskitkan vuoksi. Tämä "kulutettu" energia ei katoa energian säilymisen mielessä; se muuttuu lämmöksi, mikä nostaa nesteen lämpötilaa. Tämä lämpö on järjestelmän tehottomuutta.

Nopeus ja virtausnopeus

Dynaamisessa (virtaavassa) hydraulisessa järjestelmässä neste liikkuu putkien läpi tietyn nopeuden (vauhdin) mukaan. Nopeus mitataan yksiköissä ft/s (jalkaa sekunnissa) tai m/s.

Nestemäisen tilavuuden määrä, joka kulkee tietyn pisteen kautta aikayksikössä, kutsutaan virtausnopeudeksi. Hydraulisissa järjestelmissä yksikkö on yleensä gpm (Yhdysvaltain gallonaa minuutissa) tai Lpm (litraa minuutissa).

Nopeus ja virtausnopeus ovat toisiinsa liittyviä: jotta 5-gallonan (18,95 litran) säiliö täyttyy minuutissa suuren putken kautta, nesteen on liikuttava nopeudella 10 ft/s (3,04 m/s). Puolet niin suuren putken kautta nesteen on liikuttava nopeudella 20 ft/s (6,10 m/s), jotta sama 5 gpm saavutetaan. Virtausnopeus on sama; nopeus on eri.

Kuva 2–17 Sama virtausnopeus, eri nopeus. Pienemmissä putkissa neste on liikuttava nopeammin, jotta sama tilavuus kulkee minuutissa.

Kitka aiheuttaa lämpöä

Neste, joka virtaa hydrauliputkien läpi, tuottaa lämpöä kitkan vuoksi — mitä nopeammin se virtaa, sitä enemmän lämpöä syntyy. Teollisuussovelluksissa suositeltava nesteen nopeus putkissa pumpun ja toimilaitteen välillä on 15 ft/s (4,572 m/s).

Kaaret aiheuttavat lämpöä

Suorassa putkessa virtaavan nesteen on äkillisesti muutettava suuntaansa, kun se saavuttaa kaaren. Nestemolekyylit törmäävät toisiinsa ja putken seinämiin — tämäkin aiheuttaa lämpöä. Putken koosta riippuen yksittäinen 90°-kulma voi tuottaa yhtä paljon lämpöä kuin useita jalkoja suoraa putkea.

Painero

Paineprofiili on paine-eron suuruus kahden pisteen välillä järjestelmässä. Paine-ero kertoo kaksi asiaa:

1. Se osoittaa, että hydraulinen työenergia (paineistettu, virtaava neste) on läsnä näiden kahden pisteen välillä.
2. Se mittaa, kuinka paljon hydraulista energiaa muuttuu lämmöksi näiden kahden pisteen välillä.

Esimerkki: Paineenmittari 1 näyttää 200 psi (13,79 bar); paineenmittari 2 näyttää 180 psi (12,41 bar). Erotus on 20 psi (1,38 bar). Tämä tarkoittaa:

3. Neste virtaa mittarin 1 suunnasta mittarin 2 suuntaan.
4. 20 psi:n arvoinen hydraulinen energia muuttui lämmöksi virtauksen kitkan vuoksi näiden kahden mittarin välillä.

Kuva 2-19 Paine-ero. Tämän putken osan yli tapahtuva 20 psi:n painehäviö osoittaa, että virtaus on olemassa, ja määrittelee hydraulisen energian menetyksen kitkalämmöksi.

Lämmön vähentäminen hydraulisissa järjestelmissä suunnittelussa

Hydraulisen energian muuttuminen lämmöksi tarkoittaa, että järjestelmä hukkaa energiaa. Tehokkuuden parantamiseksi suunnittelijoiden on valittava oikea öljyn viskositeetti, mitattava putket oikein ja minimoitava mutkien ja liitososien määrä. Kaikki nämä toimet vähentävät virtausvastusta ja siten myös lämmöksi menetettyä energiaa.

Kuva 2-20 Lämmön muodostuminen todellisessa piirissä. Jokainen putki, liitososa, mutka ja venttiili aiheuttaa painehäviötä ja energiahäviötä.