Hydrauliikkatoimilaitteet (jotka tunnetaan myös hydrauliikkalähtölaitteina) muuntavat hydrauliikkaenergian takaisin mekaaniseksi energiaksi. Niissä tapahtuu kaikki näkyvä liike ja työ — ne ovat ensimmäinen asia, johon mikä tahansa suunnittelumekaanikko täytyy kiinnittää huomiota. Hydrauliikkatoimilaitteet jaetaan kahteen perusluokkaan: lineaariset (sylinterit) ja pyörivät (moottorit).

Hydraulinen sylinteri

Hydraulisylinteri muuntaa hydrauliikkaenergian suoraviivaiseksi tai lineaariseksi mekaaniseksi liikkeeksi. Kun se on kytketty liikkuvaa kuormaa siirtävään järjestelmään, se tekee työtä.

Sylinterin rakenne

Kuten aiemmissa luvuissa esitettiin, hydraulisylinteri koostuu pääasiassa putkesta (kotelosta), kahdesta suljetusta päätystä, männästä, männänvarresta sekä tulo- ja poistoporteista. Kummassakin päässä on yksi portti — toinen öljyn sisäänvirtaukselle ja toinen öljyn poistumiselle.

kuva 6-1: Standardi kaksitoiminen hydraulisylinteri. Öljy tulee vasemmanpuoleisesta portista, jolloin varsi ulottuu; öljy poistuu oikeanpuoleisesta portista, jolloin varsi vetäytyy takaisin.

Sylinterin tuottama voima

Hydrauliikkaenergia vaikuttaa liikkuvan männän pinnalla koko sylinterin iskun ajan. Tämän hydrauliikkaenergian aiheuttama paine ei ylitä kuorman aiheuttamaa vastusta. Tunnetun mitoituksen sylinterille meidän on tiedettävä, mikä työpaine tuottaa tietyn ulostulovoiman. Tämä voidaan määrittää (kitkan jättäen huomiotta) seuraavalla kaavalla:

Tätä kaavaa käytettäessä joko pinta-ala ja paine annetaan, jotta voidaan laskea ulostulovoima, tai pinta-ala ja ulostulovoima tunnetaan, jotta voidaan laskea paine. Käytännössä tiedämme yleensä sylinterin sisähalkaisijan ja meidän on laskettava männän pinta-ala – mutta ympyrän pinta-alan laskeminen on yhtä helppoa kuin neliön pinta-alan laskeminen.

Ympyrän pinta-ala

Ympyrän pinta-ala on noin 78,54 % neliön pinta-alasta, jonka sivun pituus on yhtä suuri kuin ympyrän halkaisija. Tarkemmin sanottuna:

Toinen yleisesti käytetty kaava:

Kuva 6-2 Ympyrän pinta-ala = D² × 0,7854. Tätä yksinkertaista kaavaa käytetään jatkuvasti hydraulisen sylinterin laskuissa.

Sylinterin matka

Hydraulienergian vaikutusmatka määrittää tehdyn työn määrän – tämä matka on sylinterin iskunpituus. Kuten aiemmin mainittiin, hydraulisen paineen käyttö voiman suurentamiseen näyttää maksavan mitään. Joissakin erityistilanteissa – kun järjestelmä on staattinen – pieni voima voi tuottaa erinomaisen suuren voiman ilman näkyvää uhrausta. Jos kuitenkin tämä suurennettu voima aiheuttaa myös liikettä, jokin uhrautuu: matka.

Sylinterin tilavuus (siirtotilavuus)

Jokaisella hydraulisella sylinterillä on tilavuus (siirtotilavuus), joka vastaa sen iskunpituutta (tuumaa) kerrottuna sen männän pinta-alalla (tuumaa²), mikä antaa tilavuuden yksikössä tuumaa³ (cm³).

(tuumaa³) = (tuumaa²) × (tuumaa) tai (cm³) = (cm²) × (cm)

Esimerkki: Yläpiston on liikuttava 2 tuumaa (5,08 cm), jotta alapiston liikkuu 1 tuuma (2,54 cm). Molemmat pistontyvät tekevät saman työn. Yläpiston siirtää 20 kuutiotuumaa (327,8 cm³) nestettä – ja alapiston siirtää sama 20 kuutiotuumaa (327,8 cm³) nestettä.

Pistontangon nopeus

Hydrauliikkasylinterin pistontangon nopeus riippuu siitä, kuinka nopeasti neste täyttää pisteen takana olevan kammion. Pistontangon nopeuden kaavat:

Hydraulinen moottori

Hydrauliikkamoottori on toimilaite, joka muuntaa hydrauliikkaenergian pyöriväksi mekaaniseksi energiaksi. Tätä pyörivää energiaa siirretään kuormaan moottorin akselin kautta.

Moottorin rakenne

Kaikki hydrauliikkamoottorit koostuvat periaatteessa koteloista, jossa on tulo- ja poistoportit sekä pyörivästä kokoonpanosta, joka on kytketty akseliin.

Kuinka hydrauliikkamoottori toimii

Esimerkkinä oleva moottori on siipityyppinen hydraulimoottori. Pyörivä kokoonpano koostuu roottorista ja siivistä, jotka voivat liukua vapaasti roottorin urissa sisään ja ulos. Pyörivä kokoonpano on asennettu eksentrisesti kotelon sisään; voimanottoakseli yhdistetään kuormaan. Kun paineöljy tulee sisääntulokammioon, hydraulinen energia vaikuttaa sisääntulokammion avoimille siipien pinnalle. Koska ylemmän siiven pinta-ala, joka on alttiina paineöljylle, on suurempi, roottoriin kohdistuva voima on epätasapainoinen — roottori pyörii.

Kun öljy saavuttaa poistokammion, jonka tilavuus pienenee, se poistuu kammiosta.

Kuva 6-6: Siipimoottorin toiminta. Paineöljy vaikuttaa siipien pintoihin. Koska yläpuolella oleva paineelle altistuva siipipinta-ala on suurempi kuin alapuolella oleva siipipinta-ala, nettovoima pyörittää roottoria.

Vääntömomentti

Momentti on pyörivä tai kiertävä voima. Momentti on voima, joka vaikuttaa etäisyydellä akselin keskiviivasta. Momentin yksikkö on lb·in. (tai Nm).

Momentin kaava

Momentti kertoo voiman sijainnin suhteessa hydraulimoottorin akselin keskiviivaan. Momentin kaava on:

(lb·in.) = (lb) × (in.) tai (Nm) = (N) × (m)

Esimerkki kuvasta: 50 lb (222 N) voima vaikuttaa moottorin akseliin kiinnitettyyn kampiin. Etäisyys akselin keskipisteestä voiman vaikutuspisteeseen on 10 tuumaa (0,254 m). Akselille syntyvä vääntömomentti on 500 tuumapoundia (56,5 Nm). Jos sama 50 lb (222 N) vaikuttaa 15 tuuman (0,38 m) kampiin, akselille syntyvä vääntömomentti on 750 tuumapoundia (84,6 Nm). Mitä kauempana voima vaikuttaa akselin keskipisteestä, sitä suurempi on vääntömomentti. Huomaa, että vääntömomentti ei liity mihinkään liikkeeseen.

Moottorin käyttöakseliin kytketty kuorma tuottaa yllä kuvatun mukaisen vääntömomentin. Hydraulimoottorissa tämä on vastus – sen voittamiseen tarvitaan hydraulipainetta, joka vaikuttaa moottorin pyörivään kokoonpanoon.

Hydraulimoottorin vääntömomentin kaava

Moottorin akselin pyörimisnopeus

Hydraulimoottorin akselin pyörimisnopeus määräytyy siitä, kuinka nopeasti neste injektoidaan. Kaava on:

Teho

Aiemmissa luvuissa opimme, että teho on työn tekemisnopeus, eli hv = ft·lb/aika tai W = J/aika.

Mekaanisen voiman

Tiedämme myös, että hevosvoima (hv) tai watti (W) on tehon yksikkö. Jos hydraulinen sylinteri tai hydraulimoottori siirtää kuormaa 550 lb (2 442 N) suuruisella mekaanisella voimalla ja liikuttaa sitä 1 ft (0,30 m) sekunnissa, käytetty teho on 1 hv (746 W). Jos sama työ (550 ft·lb / 746 J) tehdään puolessa sekunnissa, työn tekemisnopeus kaksinkertaistuu ja teho on 2 hv (1 490 W).

Hydraulinen voima

Sylinterin tai moottorin kuormaan siirtämä mekaaninen teho vastaa sylinterin tai moottorin vaatimaa hydraulista tehoa. Jos hydraulijärjestelmä tekee työtä nopeudella 550 ft·lb/s (746 J), sen hydraulinen teho on 1 hv (746 W). Kuitenkin mekaanisen tehon kaavassa "ft (m)" ja "lb (N)" korvataan hydraulisilla termeillä "psi (bar)" ja "gpm (L/min)". Hydraulisen tehon laskennassa käytetään muuntokerrointa, joka ilmaisee suhteen gpm:n, psi:n, ft:n ja lb:n (tai L/min:n, bar:n, m:n ja N:n) välillä.

Järjestelmän ja sylinterin tehon laskenta

Hydraulisen sylinterin tai koko hydraulijärjestelmän tehon laskemiseksi:

Hydraulimoottorin ulostulotehon laskemiseksi:

Vaihtelevat toimilaitteet

Tähän mennessä olemme käsitelleet pyörivää ulostuloa tuottavia hydraulimoottoreita ja lineaarista ulostuloa tuottavia hydraulisyylintereitä. Nyt käsittelemme toista aktuaattorityyppiä, joka tuottaa rajoitettua kulmaa kattavaa pyörimistä. Tätä tyyppiä kutsutaan heilahdus- eli oskilloivaan syylinteriin tai heilahdusmoottoriin. Sen rakenne on tiukka, yksinkertainen ja tehokas – se tuottaa korkeaa vääntömomenttia ja vaatii vain pienen asennustilan, ja sen asennus on helppoa.

Heilahdusaktuaattoreita käytetään esimerkiksi työkalukoneiden indeksointiin, taivutusoperaatioihin, raskaiden esineiden nostoon tai kääntämiseen, kääntöliikkeisiin, sijoittamiseen, koneistuskiinnityksiin, merenkulun ohjaukseen, venttiilien toimintaan jne.

Heilahdusaktuaattoreiden tyypit

Heilahdussyylintereitä on monia eri tyyppejä. Yksinkertaisin niistä on lineaarisen hydraulisyylinterin käyttämä heilahdusmekanismi, jossa syylinterin rungon pää on varustettu nivelellä ja männän varren yhteys tapahtuu kampiakseliin, joka pyörittää akselia. Tätä heilahdussyylinteriä voidaan ohjata nelitien suuntaventtiilillä, ja liikkeen päissä on rajoitinkytkimiä.

Kuten kaikki mekaaniset laitteet, tämä lineaarisen sylinterin perustuva värähtelytoimilaite omaa joitakin perusominaisuuksia, mukaan lukien sen mahdollisuus koota standardista, kaupasta saatavista osista, mikä tarjoaa suunnittelijoille suurta joustavuutta ja pitää kustannukset alhaisina helposti saatavilla olevien varaosien avulla.

Tämän tyyppisellä värähtelytoimilaitteella on kuitenkin myös toivottomia ominaisuuksia: työntövarren suojaus puuttuu, ja se on suoraan yhteydessä ympäristöön, erityisesti koska kampimekanismi ei yleensä ole tiukentettu, mikä aiheuttaa turvallisuusriskin. Lisäksi voimanvälitysakseli kantaa yleensä suuria sivukuormia, mikä johtaa varhaiseen vikaantumiseen, liialliseen kulumiseen ja lukkiutumiseen.

Tätä tiettyä värähtelytoimilaitetyyppiä varten hydraulisylinterin on pystyttävä heilahtelemaan vapaasti, joten sen on käytettävä joustavia letkuyhteyksiä, ja koko sylinterin iskun aikana tuottava vääntömomentti ei ole vakio.

Suljettu värähtelysylinteri

Suljettu värähtelysylinteri on hyvin samankaltainen edellä mainitun lineaarisylinteripohjaisen värähtelymekanismin kanssa. Suljetussa sylinterissä on suojakansi, joka kattaa männänvarren ja kampiakselin. Käyttöakselilla on yleensä lisälaakerointia, jotta voimakkaat sivukuormat voidaan estää. Tähän tyyppiin voidaan asentaa esimerkiksi magneettiventtiilejä, raja-antureita tai matka-antureita. Matka-alue voidaan yleensä säätää noin 85–100 asteen välille.

Jousipalautteinen värähtelysylinteri

Toinen tyyppi on jousipalautteinen värähtelysylinteri, jossa käytetään hydraulisylinteriä palautusjousella, joka palauttaa käyttöakselin alkuperäiseen asentoonsa. Jousipalautteiset värähtelysylinterit voivat tuottaa vääntömomentteja enintään 5 000 tuumapoundia (565 Nm).

Hampurin- ja pyörän värähtelysylinteri

Yleisin pyörivä sylinteri on hammasratas- ja piinipyörätyyppinen. Tämä tyyppi pystyy säilyttämään vakion lähtömomentin molempiin suuntiin koko pyöräyksen ajan. Tässä rakenteessa hydraulipaine vaikuttaa männään, joka työntää männään kiinnitettyä hammasrattasta ja saa piinipyörän kääntymään akselia. Standardien hammasratas- ja piinipyöräsylintereiden pyöräysmatkat ovat 90°, 180°, 360° tai jopa suurempia. Hammasratas- ja piinipyöräsylintereiden lähtömomentit voivat olla jopa 52 000 000 tuumapoundia (5 876 000 Nm).

Siivekemotori

Myös siivekemootoreita on saatavilla. Nämä voivat olla yksi- tai monisiivekemootoreita. Yksisiivekemootori voi kiertää 280°; kaksisiivekemootori voi kiertää 200°. Kaksisiivekemootorin lähtömomentti on kaksinkertainen yksisiivekemootorin lähtömomenttiin verrattuna. Tämän tyyppiset pyörivät moottorit voivat saavuttaa lähtömomentteja jopa 500 000 tuumapoundia (Nm).

Kierrehammaspyöräpyörivä moottori

On olemassa toinen tyypin värähtelymoottori, joka tuottaa vääntömomenttia käyttäen kierrejä (helical spline) -mekanismia. Kierreosan pituuden ja kierroksen vaihtelut mahdollistavat pyörähdysliikkeen säätämisen laajalla alueella. Tässä tyypin värähtelymoottorissa on yksi kierrejä-akseli, johon on asennettu sisäpuolisesti kierrejä-ohjausputki — ohjausputken pyörähdystä rajoittavat ohjausvarret. Kun ohjausputki liikkuu sylinterin sisällä, se saa aikaan kierrejä-akselin pyörähtämisen. Standardit pyörähdysliikkeet ovat 90°, 180°, 270° ja 360°, ja lähtövääntömomentti voi olla jopa 1 000 000 tuumapoundia (13 000 Nm).

Ketju- ja hammaspyörävärähtelymoottori

Ketju- ja hammaspyörävärähtelymoottorit käyttävät pyörähdysakselin liikuttamiseen suihkupistoja, ketjuja ja hammaspyöriä. Tässä toimilaitteessa on yleensä yksi suuri pistori (käyttölaite), joka vetää ketjua, sekä pieni pistori, joka estää öljyn vuotamisen takaisinkulkuun tarkoitetun ketjun reitiltä. Lähtövääntömomentti voi olla noin 23 000 tuumapoundia (2 599 Nm), ja pyörähdysakselin pyörähdys voi olla jopa viisi kokonaista kierrosta eli 1 800°.

Sopivimman värähtelysylinterin valintaan tiettyyn sovellukseen liittyy useita tekijöitä, kuten vääntömomentin, nopeuden ja toimintatavan sovittaminen. Todellisen värähtelymoottorin valintaa käsitellään erillisessä luvussa, jossa keskustellaan myös siitä, miten päätetään, onko käytettävä yksitoimista vai kaksitoimista toimilaitetta, tarvitaanko suljetun silmukan paikannusta, tarvitaanko pehmennystä jne. Myös toimintataajuus tai syklin kesto tarkastellaan.

Toimilaitteen nopeusyhteenveto

Hydrauliikkasylinterin männän varren lineaarinen nopeus riippuu siitä, millä nopeudella pumppu injektoi nestettä sylinterin männän kammioiden sisään (gpm (l/min)). Hydrauliikkamoottorin pyörivän akselin kierrosnopeus riippuu siitä, millä virtausnopeudella (gpm (l/min)) neste injektoidaan hydrauliikkamoottoriin.

Toimilaitteen ulostulovoiman yhteenveto

Sylinterin tuottama voima ilmoitetaan yksiköissä psi (bar) — moottorin akselin tuottama voima määritetään paineen perusteella, joka vaikuttaa moottorin pyörivän kokoonpanon altistuneeseen pinta-alaan. Toimilaitteen tuottama teho on toimilaitteen nopeuden ja toimilaitteen tuottaman voiman tulo.

Sylintereille tuottava voima ilmoitetaan yksiköissä psi ja työntösauvan nopeus yksiköissä gpm. Vakio 0,000583 kuvaa suhdetta psi:n, gpm:n ja tehon välillä. Moottoreille tuottava voima ilmoitetaan momenttina ja moottorin käyttönopeus yksiköissä rpm. Vakio 63 025 kuvaa suhdetta rpm:n, momentin ja tehon välillä.