Luku 5: Pumppuun tulevan virtauksen säätö

Pumpun asennusasento

Teollisuuden hydraulisissa järjestelmissä pumppu on yleensä asennettu järjestelmän nestettä sisältävän säiliön päälle. Imuputki (jota kutsutaan myös tulo-putkeksi) yhdistää pumpun tuloaukon säiliössä olevaan öljyyn.

Nesteen virtaus säiliöstä pumppuun voidaan ajatella erillisenä hydraulisena järjestelmänä. Tässä alajärjestelmässä pumppun luoma alipaine aiheuttaa vastukset virtaukselle, ja nesteen liikuttamiseen käytetty energia tulee ilmanpaineesta. Ilmanpaine vaikuttaa säiliössä olevan öljyn pintaan ja toimii kuin akkumulaattori.

Kuva 5-1 Standardipumpun asennus — pumpun sijainti ylhäällä, imuputki öljytason alapuolella. Ilmanpaine vaikuttaa öljypinnan pinnalla ja työntää öljyä ylöspäin pumpun sisään.

Ilmanpaineen mittaaminen

Ajattelemme yleensä ilman olevan painoton, mutta maapallon ympärillä olevalla ilmakehällä on todellakin painetta. Barometrin keksijä Torricelli osoitti, että ilmanpaine voidaan mitata elohopeasarakkeella. Kun hän käänsi elohopealla täytetyn putken ylösalaisin elohopea-altaaseen, hän huomasi, että merenpinnan tasolla ilmanpaine voi pitää elohopeasarakkeen korkeudessa 29,92 tuumaa (760 mm). Näin ollen standardiolosuhteissa merenpinnan tasolla ilmanpaine vastaa (tai on yhtä suuri kuin) 29,92 tuuman (760 mm) elohopeasaraketta. Tietysti kaikki paikat, jotka sijaitsevat merenpinnan yläpuolella, ovat alhaisemmassa ilmanpaineessa.

Hydrauliikkipaine ilmoitetaan yleensä yksiköissä psi tai bar, mutta ilmanpaine mitataan yleensä yksiköissä in.Hg (elohopeainchejä) tai mmHg. Lämpötilassa 68 °F (20 °C) ja suhteellisella kosteudella 36 % merenpinnan tasolla ilmanpaine = 29,92 in.Hg tai 760 mmHg, mikä vastaa 14,7 psia:a tai 1,01 bar:ia. Tärkeää huomioida, että yksikköä bar ei käytetä ilmanpaineen määrittelyyn; sen sijaan standardi-ilmanpaine on 101 000 N/m².

Muunnettaessa arvoja yksiköiden in.Hg ja psi välillä huomaa, että 1 psia = 2,04 in.Hg ja 1 bar ≈ 752 mmHg. Siksi suurin piirtein: 1 psia ≈ 2 in.Hg tai 1 bar ≈ 750 mmHg.

Absoluuttinen paine ja mittapaine

Hydrauliikkajärjestelmän painetta voidaan mitata sekä absoluuttisena paineena että mittapaineena.

Itseispaino

Absoluuttinen paine mitataan nollapaineesta eli täydellisen paineen puutteesta. Yksikkö voi olla psi (bar) tai in.Hg (mmHg). Absoluuttista painetta merkitään lisäämällä yksikön perään kirjain "a": psia (absoluuttinen psi), bara.

Gauge-paine

Kuivauspaine mitataan ilmanpaineen viitereferenssipisteestä. Yksikkö on psi (bar). Absoluuttinen paine on yhtä suuri kuin kuivauspaine plus normaali ilmanpaine. Esimerkki: jos järjestelmän lukema on 100 psig (6,9 bar kuivauspaine) ja normaali ilmanpaine on 14,7 psia (1 bar), absoluuttinen paine on 114,7 psia (7,9 bar absoluuttista painetta). Kuivauspaineen ja absoluuttisen paineen erottamiseksi kuivauspaine merkitään psig:llä ja absoluuttinen paine psia:lla.

Pumpun sisääntulopuolen olosuhteet

Kun pumppu ei ole käynnissä, järjestelmän sisääntulopuoli on tasapainossa — paine-ero pumpun ja ilmakehän välillä on nolla, mikä tarkoittaa, ettei virtausta tapahdu. Jotta pumppu voi tarjota öljyä pyörivään kokoonpanoonsa, käynnissä oleva pumppu luo paineen, joka on alhaisempi kuin ilmanpaine — järjestelmä muuttuu epätasapainoiseksi — ja virtaus alkaa.

Ilmanpaineen kaksi tehtävää

Ilmanpaineen nesteeseen kohdistama paine täyttää kaksi tehtävää:

1. Toimittaa nestettä pumpun sisääntuloon.
2. Kiihdytä neste pyörivään kiihtyvään kokoonpanoon — tyypilliset nopeudet ovat 1 200 rpm ja 1 800 rpm.

Suurin osa ilmanpaineesta käytetään nesteen kiihdyttämiseen pumppuun, mutta ensimmäinen tehtävä on tehtävä ensin: neste on toimitettava pumppun syöttöön. Jos tällä vaiheella käytetään liikaa ilmanpainetta, jäljelle ei jää riittävästi painetta nesteen kiihdyttämiseen pyörivään kokoonpanoon. Tämä aiheuttaa pumppun nälkätilan, jolloin syntyy niin sanottua kavitaatiota.

Kavitaatio

Kavitaatio on höyrykuplien muodostuminen ja romahtaminen nesteessä. Se vahingoittaa pumpun kahta tavalla:

3. Se häiritsee voitelua.
4. Se vahingoittaa metallipintoja.

Pumpun imupuolen puolella muodostuvat kaasukuplat nesteen läpi. Tämä vähentää voitelutehokkuutta ja kiihdyttää kulumista. Kun nämä kuplat saavuttavat pumpun ulostulossa sijaitsevan korkeapainealueen, kuplien seinämät puristuvat yhteen ja romahtavat väkivaltaisesti, vapauttaen valtavan määrän energiaa, joka "irrottaa" metallipintoja – aivan kuin kuvanveistäjä iskisi vasaralla ja veistäisi kiveä. Jos kavitaatiota ei estetä, pumpun käyttöikä lyhenee, ja kavitaatiosta syntyvät epäpuhtaudet voivat kulkeutua järjestelmän muihin osiin ja vahingoittaa muita komponentteja.

Kuva 5-5 Kavitaatiovaurio pumpun koteloaukossa. Mikroskooppinen pientä kulumaa aiheuttava reikäkuviointa johtuu höyrykuplien toistuvasta räjähtämisestä metallipinnalla.

Kavitaation merkit

Selkein merkki kavitaatiosta on melu — kun kuplat romahtavat, ne aiheuttavat korkean amplitudin värähtelyä, joka leviää koko järjestelmään, ja hydraulipumppu tuottaa korkean ja pistävän äänen. Kun kavitaatio tapahtuu, pumppukammiot eivät täyty kokonaan nesteellä, mikä johtaa virtauksen vähenemiseen ja järjestelmän paineen epävakauteen.

Kavitaation muodostuminen

Kavitaatio muodostuu nesteessä, koska neste kiehuu — mutta tämä kiehumisprosessi ei johtu lämmöstä. Se johtuu siitä, että neste saavuttaa riittävän alhaisen absoluuttisen paineen.

Nesteen höyrynpaine

Kaikki nestemolekyylit ovat jatkuvassa liikkeessä, mutta eivät kaikki samalla nopeudella. Nopeammin liikkuvat molekyylit pinnan läheisyydessä yrittävät paeta tilaan pinnan yläpuolella huolimatta ympäröivien molekyylien vetovoimasta. Voima, jonka nopeasti liikkuvien molekyylien on voitettava päästäkseen ilmakehään, on nesteen höyrynpaine.

Jos nestekontti on tiukasti suljettu, nopeasti liikkuvat molekyylit pääsevät nesteen yläpuolella olevaan tilaan. Kun tämä tila saavuttaa höyrykyllästymisen, molekyylit törmäävät toisiinsa ja palautuvat nesteeksi. Molekyylien poistumista kutsutaan haihtumiseksi; molekyylien palautumista nestemäiseen muotoon kutsutaan nesteitykseksi. Kun haihtumis- ja nesteitymisnopeudet ovat yhtä suuret, saavutetaan tasapainotila ja höyryn aiheuttama paine on kyseisen nesteen höyrynpaine. Höyrynpaine ilmoitetaan yleensä absoluuttisissa paineyksiköissä, esimerkiksi tuumina elohopeasarakkeena (in.Hg).

Lämpötilan vaikutus höyrynpaineeseen

Höyrynpaine riippuu lämpötilasta. Kun lämpötila nousee, nestemolekyylit saavat enemmän energiaa ja liikkuvat nopeammin. Höyrynpaine nousee. Kun höyrynpaine on yhtä suuri kuin ilmanpaine, nestemolekyylit voivat vapautua vapaasti ilmakehään – tätä kutsutaan kiehumiseksi. Vesi kiehuu merenpinnan tasolla 212 °F:ssa (100 °C), koska tässä lämpötilassa veden höyrynpaine on yhtä suuri kuin ilmanpaine.

Paineen vaikutus kiehumispisteeseen

Neste voidaan saada kiehumaan myös alentamalla sen päälle kohdistuvaa painetta. Kun paine laskee nesteen höyrypaineen tasolle, nestemolekyylit voivat vapaasti siirtyä nesteen yläpuolella olevaan tilaan. Vesi lämpötilassa 100 °F (37,2 °C) on höyrypaine 2 tuumaa elohopeapatsasta (0,068 bar). Jos säiliö, jossa on vettä lämpötilassa 100 °F, kytketään tyhjiöpumpun ja sisäinen absoluuttinen paine laskee arvoon 2 tuumaa elohopeapatsasta (0,068 bar), vesi kiehuu. Pumput, jotka käsittelevät nesteitä, kohtaavat yleensä tällaista kiehumista.

Liuennut ilma nesteessä

Hydrauliikkaöljy merenpinnan tasolla sisältää noin 10 % liuenneena olevaa ilmaa. Tämä ilma on liuenneena nesteeseen – se on näkymätöntä eikä se huomattavasti lisää nesteen tilavuutta. Nesteen, kuten hydrauliikkaöljyn, kyky liuottaa ilmaa vähenee, kun nesteeseen kohdistuva paine laskee. Esimerkiksi jos kupillinen ilmanpaineessa olevaa hydrauliikkaöljyä laitetaan tyhjiöön, liuenneesta ilmasta muodostuu kuplia, jotka poistuvat liuoksesta. Kavitaation aikana liuenneesta ilmasta muodostuu kuplia, mikä aiheuttaa vahinkoa hydrauliikkapumpulle.

Mukana kulkeutunut ilma

Sisälletty ilma on ilmaa, joka on nestemäisessä tilassa ei-liuenneena muodossa – kuplina. Jos pumppu imaisee välillä ilmaa sisältävää öljyä, ilmakuplat vaikuttavat pumppuun samalla tavoin kuin kavitaatio. Koska tämä ilmiö ei kuitenkaan liity nesteen höyrynpaineeseen, sitä kutsutaan pseudokavitaatioksi.

Jos imuputkessa on vuotoja tai pumppuakselin tiivistys epäonnistuu, järjestelmässä on lähes aina ilmasekoitusta. Koska paine pumppun sisääntulopuolella on usein alle ilmanpaineen, mikä tahansa aukko siellä aiheuttaa ilman imemisen öljyyn ja pumppuun. Kaikki ilmakuplat, jotka eivät pääse poistumaan säiliöstä, pääsevät myös pumppuun.

Sisääntulopuolen tekniset vaatimukset

Kavitaatio vahingoittaa sekä pumppua että koko järjestelmää erityisen paljon. Siksi pumppujen valmistajat määrittelevät tuotteilleen sisääntulopuolen rajoitukset. Positiivisen siirtovolyymin teollisuushydrauliikkapumppujen valmistajat määrittelevät yleensä, että pumppun sisääntulopuolen paine on oltava alle ilmanpaineen, jotta neste voidaan ruiskuttaa pumppun pyörivään kokoonpanoon. Tämä painemäärittely ei kuitenkaan yleensä anneta absoluuttisissa paineyksiköissä, vaan tyhjiöpaineena.

Tyhjiöpaineasteikko (tyhjiö)

Tyhjiö on mikä tahansa paine, joka on alapuolella ilmanpaineita. Tyhjiö on sekava käsite, koska sen lähtökohta on sama kuin mittapaineen (ilmanpaine), mutta arvot lasketaan alaspäin yksiköissä in.Hg (mmHg).

0 tuumaa (0 mm) tyhjiötä = ilmanpaine tai nollamittapaine. 29,92 in.Hg (760 mmHg) tyhjiötä = täydellinen tyhjiö tai nolla absoluuttinen paine.

Tyhjiön määrittäminen

Kuvassa esitetyn mukaisesti elohopea-altaan ja ilmanpaineessa olevan säiliön välinen lasiputki: koska säiliön sisällä oleva paine vastaa altaassa vaikuttavaa ilmanpainetta, elohopea ei nouse lasiputkessa. Nollan korkeus elohopeasarakkeessa osoittaa, että säiliö ei ole tyhjiössä.

Jos säiliö tyhjennetään, kunnes sisäinen paine laskee 10 tuumaa elohopeapatsasta (254 mmHg), ilmanpaine voi tukea sitten 10 tuumaa (254 mm) elohopeaa uurnan pinnalla — mitattu tyhjiö on 10 tuumaa elohopeapatsasta (254 mmHg). Jos säiliö tyhjennetään täydelliseen tyhjiöön (nolla absoluuttista painetta), ilmanpaine voi tukea 29,92 tuumaa (760 mm) elohopeaa — mitattu tyhjiö on 29,92 tuumaa elohopeapatsasta (760 mm).

0 tuumaa (0 mm) elohopeatyhjiötä = ilmanpaine = nolla mittapaine. 29,92 tuumaa elohopeapatsasta (760 mm) tyhjiötä = täydellinen tyhjiö = nolla absoluuttista painetta.

Kuva 5-9: Tyhjiön mittaaminen elohopeamanometrilla. Kolme tilaa ylhäältä alaspäin: ilmanpaine (0 tyhjiötä), osittainen tyhjiö (10 tuumaa elohopeapatsasta) ja täydellinen tyhjiö (29,92 tuumaa elohopeapatsasta = 0 psia).

Ilmapumppumittari

Tyhjiömittari on kalibroitu 0–30 tuumaa elohopeapatsasta (0–760 mmHg), ja jokainen jakoväli vastaa 1 tuumaa elohopeapatsasta. Merenpinnan tasolla tyhjiömittarin lukemasta saadaan absoluuttinen paine vähentämällä tyhjiölukema (tuumina elohopeapatsasta) arvosta 30 tuumaa elohopeapatsasta (760 mmHg). Esimerkiksi 7 tuuman elohopeapatsaan (177 mmHg) tyhjiölukema vastaa absoluuttista painetta 23 tuumaa elohopeapatsasta (583 mmHg).

Tyhjiön käyttö pumppuun tulevan liitännän teknisten vaatimusten määrittämiseen

Pumppujen valmistajat käyttävät tyhjiöyksiköitä imupuolen vaatimuksissa, koska ne liittyvät merenpinnan tasoon — kun pumpulla toimitaan korkeudella merenpinnan yläpuolella, on kyseisen korkeuden alhaisempi ilmanpaine otettava huomioon.

Esimerkki: Jos valmistaja määrittelee, että suurin sallittu imupaine ei saa ylittää 7 in.Hg (177 mmHg), tarkoittaa tämä, että valmistaja vaatii vähintään 23 in.Hg (583 mmHg) absoluuttista painetta (tai ilmanpaineita) pumpun imuaukossa, jotta neste saadaan kiihdytettyä pyörivään kokoonpanoon. Jos pumpun imuaukossa vallitseva absoluuttinen paine laskee alle 23 in.Hg (583 mmHg), pumpun vaurioituminen on mahdollista, vaikka tämä riippuukin siitä, millaisen turvatekijän valmistaja on ottanut huomioon imupaineen arvossa. Kaikki julkisesti saatavilla olevat pumpun imuaukon määrittelyt perustuvat nimellisnopeuteen ja maakaasuöljyyn. Jos pumpun käyttönopeus poikkeaa tai käytetään eri nestettä, määrittelyjä on säädettävä.

Erilaisten nesteiden vaikutus suurimpaan sallittuun imupaineeseen

Pumpun suurin sallittu tyhjiö riippuu siitä, mitä nestettä pumpataan. Imupuolen tekniset vaatimukset lasketaan perustuen polttoöljyn tiukkuuteen ja höyrynpaineeseen. Jos käytetään tulenvastaisia hydraulinenesteitä, tiukkuuden ja höyrynpaineen muutokset vaikuttavat suurimpaan sallittuun imupuolen tyhjiöön.

Tiukkuuden vaikutus suurimpaan sallittuun tyhjiöön

Tiukkuus on yhden nesteen painon suhde toisen nesteen painoon. Tarkemmin sanottuna se on kiinteän nestemäärän painon suhde saman tilavuuden veden painoon. Lämpötilassa 60 °F (15,6 °C) 1 kuutiojalka (ft³) vettä painaa 62,4 puntaa (28,3 kg). Jakamalla öljyn paino veden painolla havaitaan, että öljy painaa 90 % veden painosta, eli painosuhde on 1 (vesi) suhteessa 0,90 (polttoöljy) — näin ollen polttoöljyn tiukkuus (SG) on 0,90.

Pumpun imuaukon vaatimukset on laskettu maakaasupohjaiselle öljylle, jonka tiheys on 0,87–0,90. Fosfaattiestereihin perustuvan tuleenkestävän nesteen tiheys kasvaa 30 %:lla, noin 1,15:een. Vesipohjaisten hydraulinenesteen tiheys vaihtelee 0,93:sta (HFB-emulsio) 1,08:aan (vesi-glykoli). Näiden raskaampien nesteiden saattamiseksi pumpun sisään tarvitaan korkeampaa painetta pumpun imuaukossa. Siksi sallittu enimmäisimupaine on hieman pienennettävä.

Höyrynpaineen vaikutus sallittuun enimmäisimupaineeseen

Maakaasupohjaiset öljyt ja fosfaattiestereihin perustuvat tuleenkestävät nesteet normaaleissa hydraulijärjestelmien käyttölämpötiloissa ovat erittäin alhaisen höyrynpaineen alaisia, mutta vesipohjaiset hydraulinenesteet poikkeavat tässä suhteessa. Vesipohjaiset nesteet sisältävät suuren määrän vettä. Sekä HFB-emulsion että vesi-glykolisen nesteiden höyrynpaine voi olla useita tuumia elohopeaa, kun taas maakaasupohjaisten öljyjen ja synteettisten nesteiden höyrynpaine on vain murto-osa tuumasta elohopeaa. Siksi vesipohjaiset nesteet ovat alttiimpia haihtumiselle ja kavitaatiolle.

Vedenpohjaisten nesteiden kavitaation estämiseksi pumppujen valmistajat vaativat riittävää painetta pumppuun tulevassa liittimessä, jotta työnestettä voidaan kiihdyttää pumppuun.

Kuva 5-13 Höyrynpainevertailu. Vedenpohjaiset nesteet ovat huomattavasti korkeampipaineisempia kuin mineraaliöljy samassa lämpötilassa, mikä tekee niistä alttiimpia kavitaatiolle, jos tuloimua on liikaa.

Pumpun kavitaation diagnosoiminen

Huoltohenkilökunta havaitsee todennäköisimmin pumpun kehittyvän kavitaation tai ilman imemisen varhaisessa vaiheessa, koska heidän tuttavuutensa koneen kanssa mahdollistaa vian ensimmäisten oireiden huomaamisen.

Hydraulipumpun kavitaation tai ilman imeytymisen selvintä merkki on korkean taajuuden ääni, mutta niillä on hienovaraisia eroja: kavitointia aiheuttava pumppu tuottaa tasaisen korkean taajuuden äänen – tämä ääni voi johtua samankokoisten kuplien romahduksesta. Kun pumppu imee ilmaa, äänen laatu vaihtelee huomattavasti: kun pieni määrä ilmaa pääsee sisään, melu kuulostaa napsahduksilta tai laakerin vikalta; jos suuri määrä ilmaa pääsee sisään, se aiheuttaa outoa vasarointi- tai räkäilyä muistuttavaa ääntä.

Luotettavampi tapa erottaa kavitaatio ilman imeytymisestä on käyttää tyhjiömittaria pumpun tuloaukon absoluuttisen paineen määrittämiseen. Vähennä tyhjiömittarin lukemasta ilmanpaine; jos absoluuttinen painearvo on liian alhainen, kavitaatio saattaa esiintyä.

Uusille hydraulijärjestelmille: jos pumppu kavitoi, syynä saattaa olla huonosti suunniteltu imulinja tai liian korkea öljyn viskositeetti. Oikean viskositeetin öljyn käyttö tai imulinjan halkaisijan suurentaminen painehäviön vähentämiseksi auttaa parantamaan kavitaatiota. Oikein suunnitellulle olemassa olevalle järjestelmälle: jos pumppu kavitoi, syynä saattaa olla imulinjan tukos epäpuhtauksien, paperin tai pienien eläinten aiheuttama – tai sisääntulosuodatin saattaa olla liian likainen ilman ohitusvirtausreittiä, tai ohitusvirtausreitti ei avaudu riittävästi.

Pumpun täyttäminen nestellä

Hydraulipumppujen tapauksessa "täyttäminen nestellä" tarkoittaa pumpun työntömekanismiin täytettävän nesteen lisäämistä. Täyttämätön pumppu sisältää ilmaa tai "ilma-esteitä". Ennen pumpun toiminnan aloittamista tämä ilma on poistettava imulinjasta ja pumpun kammioista. Jos tämä vaihe ohitetaan, hydraulipumpun käynnistäminen ilman täyttöä nestellä voi aiheuttaa pysyvää vahinkoa muutamassa minuutissa voitelun puutteen vuoksi.

Pumpun, jonka poistoputki on kytketty suoraan säiliöön ohjausventtiilin kautta, voidaan yleensä helposti tyhjentää käynnistysvaiheessa jäänyt jäännöskaasu säiliöön. Jos pumpun on tyhjennettävä sisäinen ilma turvalaitteen kautta, tämä toiminto ei välttämättä ole mahdollinen — koska tyypillinen teollisuuden hydraulipumpun ilmanpuristuskyky on erinomainen.

Jotta jäännösilma voidaan tyhjentää alkuun täyttämättömästä pumpusta, löysennetään putkiliitosta pumpun poistopuolella, pyöritetään pumpun hitaasti, kunnes öljy roiskuu liitoksesta, mikä osoittaa, että pumpun alkuun täyttö on suoritettu, ja sen jälkeen kiristetään liitos. Jäännösilmaa voidaan myös tyhjentää avaamalla turvalaitetta.

Hydraulipumppuja on yleensä tarpeen alkuun täyttää vain silloin, kun uusi järjestelmä otetaan käyttöön tai kun imupuolen huoltoa on tehty olemassa olevassa järjestelmässä.

Avainsanat ja määritelmät — Pumpun imupuoli

Seuraavia termejä ja kaavoja käytetään pumpun imupuolen olosuhteita käsiteltäessä:

Ylikuormitettu imu

Tilanne, jossa pumppun syöttöaukko on alapuolella säiliön nestetasoa. Täytetyssä imussa nestepatsas (painovoima) tarjoaa lisäenergiaa nesteen työntämiseen pumppuun.

Painepää

Paine nestesarakkeen pohjassa. Kun pumppun syöttöaukko on nestetason alapuolella, patsaspaine toimii pumppulle lisäenergian lähteenä. Patsaspaineen kaavat:

Nostopaine

Vastaava sarakekorkeus, joka ilmoitetaan pituusyksiköissä annetun viitereferenssipisteen alapuolella. Nostopaineen kaava (in.Hg):

Pumpaaminen

Hydrauliikkapumpun toiminta, jolla se luo paine-eron itsensä ja ilmakehän välille.

Sisäänottopaine

Nesteen absoluuttinen paine pumppun syöttöaukossa.