Hydrauliikkajärjestelmän soveltaminen elinkaaritestaukseen
Nordic Traction Oy:n uusi testilaitteisto perustuu hydrauliikkaratkaisuihin, jotka mahdollistavat aiempaa suuremman vetovoiman, kuormituksen tarkan hallinnan sekä testauksen laajentamisen dynaamisiksi liikeradoiksi. Testauskyvyn kasvu parantaa telatuotteiden laadunvalvontaa, nopeuttaa tuotekehitystä ja lisää mittaustulosten keräämistä.
Metsäkoneissa käytettävien telojen ja ketjujen on kestettävä äärimmäisiä olosuhteita ja jatkuvaa rasitusta. Lisäksi telat ja ketjut kohtaavat metsäkoneiden suurien massojen ja käyttötuntien seurauksena huomattavia rasituspiikkejä sekä pitkäaikaista toistuvaa kuormitusta. Tuotekehityksen kannalta on tärkeää pystyä testaamaan tuotteita monipuolisesti ja saamaan niiden perusteella tietoa tuotteiden heikkouksista. Uuden testilaitteiston tarkoitus on tarjota parempaa tietoa, joka auttaa ymmärtämään tuotteiden elinkaarta entistä luotettavammin ja nopeammin. Nykyinen testilaitteisto ei pysty tuottamaan riittävän suurta vetovoimaa murtaakseen yrityksen tuotteita. Tämän lisäksi vanha testilaitteisto kykenee vain suoraan lineaariseen vetoon, ja on manuaalisesti ohjattu.
Mistä telatuotteiden heikkoudet syntyvät?
Metsäkoneiden telat ja ketjut altistuvat niiden käytössä kolmelle eri rasitustyypille:
- Murtolujuus: tuotteisiin kohdistuu kovia kuormituksia.
- Väsyminen: toistuvat kuormitusjaksot voivat ajan myötä aiheuttaa murtumia.
- Kuluminen: metallipinnat hankaavat toisiaan vasten, jolloin materiaalia kuluu pois.
Tuotteiden elinkaarentestauksessa ja määrittelyssä on hyvä perehtyä rasitustyyppien vaikutukseen. Yhdistettäessä rasitustyypit ja tutkittaessa niiden vaikutusta tuotteeseen, saadaan arvokasta tietoa tuotekehitykselle niiden toimivuudesta ja soveltuvuudesta. Jotta näitä rasituksia voidaan simuloida ja havainnollistaa luotettavasti, tarvitaan tarkasti ohjattua ja monipuolisesti säädettävää sekä pitkäkestoista kuormitusta.
Uusi hydrauliikkajärjestelmä
Uuden testauslaitteiston vaatimuksia kartoitettiin Nordic Traction Oy:lle. Tuloksena syntyi hydrauliikkajärjestelmä, jossa pääsylinterien hydrauliikkapiiri pystyy vaihtamaan painetasoa 20–250 bar välillä. Näin mahdollistetaan tuotteen murtolujuuden testaus maksimipaineella. Lisäksi vaihtelemalla pääsylinterien hydrauliikkapiirin painetta 80–170 bar välillä, on järjestelmällä mahdollista suorittaa tuotteiden väsymistestausta. Kulumisen testaukseen tarvitaan erillinen järjestelmä tai laite, jonka avulla pystytään luomaan tuotteiden metallipintojen välille hankaumaa. Tähän valikoitui kuudella hydrauliikkasylintereillä toteutettava Stewart platform.
Pääsylinterit mahdollistavat 50 tonnin vetovoiman
Laitteiston vetovoima tuotetaan kahdella rinnakkaisella hydrauliikkasylinterillä. Sylinterit valittiin siten, että niiden mitoitus yhdessä runkorakenteen vipuvoiman kanssa mahdollistaa vaaditun 50 tonnin voiman. Keskeisiä ominaisuuksia on useita. Männän halkaisija 100 mm on riittävä tuottamaan tarvittu voima. Liikenopeus 15–20 mm/s on riittävän nopea mahdollistamaan noin 720 työsykliä tunnissa. Proportionaalinen paineensäätö mahdollistaa kuormituksen portaattoman säädön väsymistestauksessa ja paine- ja lineaariantureilla saadaan aikaan takaisinkytkentä sylinterien toiminnasta ja varmuus paineensäädön toimivuudesta. Pääsylinteripiiri toimii testilaitteiston perustana, sillä suurin osa testauksesta voidaan suorittaa sen avulla. Jokainen suunniteltu testi vaatii pääsylinterien toimintoja.
Tarkka paineensäätö parantaa testilaitteiston ominaisuuksia
Toinen keskeinen tulos on proportionaaliseen paineensäätöön perustuva kuormituksen hallinta. Paineenalennusventtiilin tarkkuus mahdollistaa kuormituksen ohjaamisen portaattomasti koko käyttöalueella. Tämä takaa testauksen monipuolisuuden, ja laajentaa järjestelmän käyttömahdollisuuksia tuotteiden testauksessa. Kuormitusta voidaan muuttaa joustavasti, mikä tekee väsymistestauksesta monipuolisempaa. Paineenmuutoksen vaste on nopea, jolloin kuormituksen muutos voidaan korjata tarkasti toistuvissa sykleissä. Järjestelmän paineensäätö mahdollistaa myös matalan vakiopaineen käytön kulumisen mittauksessa. Tämän lisäksi paineen hallinnalla luodaan esijännitys tuotteelle, jolloin Stewart platform simuloi kulumista.
Stewart platform tuo mukaan dynaamiset liikeradat
Monimutkaisempien kuormitusten simuloimiseksi suunniteltiin erillinen hydrauliikkapiiri Stewart platformille. Sen kuusi sylinteriä pystyvät liikuttamaan testattavaa kappaletta kuudessa vapausasteessa, mikä simuloi metsäkoneen käytön aikana syntyviä vääntöjä ja kiertoliikkeitä.
Platformin suunnittelussa huomioitiin:
- Proportionaaliset suuntaventtiilit, joilla voidaan hallita sylinterien liikenopeuksia tarkasti.
- Paineanturit, joiden avulla järjestelmä reagoi kuormituksen muutoksiin.
- Lineaarianturit, jotka varmistavat liikeratojen tarkan toteutumisen.
Tämä laajennus nostaa testilaitteiston käyttömahdollisuudet uudelle tasolle, sillä se tuottaa dataa, jota ei aiemmin ole voitu mitata yrityksen sisällä.
Kehityskohteet ja jatkosuunnittelun mahdollisuudet
Vaikka hydrauliikkajärjestelmä vastaa testilaitteiston keskeisiin teknisiin vaatimuksiin, esiin nousi teemoja, joiden jatkokehittäminen parantaa kokonaisuuden toimivuutta tulevaisuudessa. Hydrauliikkaöljyn lämpötilanhallinta osoittautui aiempaa suuremmaksi kokonaisuudeksi. Pitkäkestoiset testit nostavat järjestelmän lämpötilaa, mikä muuttaa öljyn viskositeettia ja vaikuttaa venttiilien toimintanopeuteen, paineensäätöön ja jopa sylinterien voiteluun. Järjestelmään tarvitaan joko tarkempaa lämmönvaihtoa tai lisäjäähdytyksiä, jotka kompensoivat lämpötilan vaihtelujen vaikutuksia. Tämä on tärkeä askel, jotta toistettavuus voidaan varmistaa kaikissa testausolosuhteissa. Jatkotoimenpiteisiin ryhdytään, mikäli sylinterien huuhtelukytkennät eivät jäähdytä nestettä tarpeeksi. Stewart platform -järjestelmän ohjauksessa riittää myös kehitettävää. Usean hydrauliikkapiirin yhtäaikainen ohjaus vaatii korkeaa synkronointitarkkuutta, jota voidaan tulevaisuudessa parantaa kehittyneemmällä säätölogiikalla tai nopeammalla ohjauselektroniikalla.
Kokonaisuutena nämä havainnot eivät vähennä suunnitellun hydrauliikkajärjestelmän toimivuutta, mutta ne osoittavat selkeästi seuraavat kehitysaskeleet. Kun järjestelmän dynamiikka, lämpötilanhallinta ja anturointi viedään seuraavalle tasolle, testilaitteisto voi tuottaa entistä tarkempaa simulaatiota metsäkoneiden telojen ja ketjujen käyttäytymisestä. Tämä puolestaan vahvistaa yrityksen tuotekehityksen kykyä ennakoida tuotteiden elinkaarta ja parantaa niiden luotettavuutta entisestään.
Lähde:
Junnila, J. 2025. Testilaitteiston hydrauliikan suunnittelu – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.
Kuva: Jani-Petteri Junnila