Paineilmakompressorin imuventtiilin kehittäminen virtaussimuloinnilla
Jakovenko, Juri (2015)
Jakovenko, Juri
2015
Automaatiotekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-06-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201505201351
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201505201351
Tiivistelmä
Imuventtiili on tärkeä osa paineilmajärjestelmää ja se sijaitsee järjestelmässä ennen paineilmakompressoria. Imuventtiilillä säädetään kompressoriin tulevan imuilman määrää. Paineilmajärjestelmästä riippuen käytetään erilaisia imuventtiileitä. Joissakin järjestelmissä käytetään tavallisia vastaventtiilirakenteisia imuventtiileitä, kun taas toisissa käytetään imuventtiileitä, joissa on monimutkaisempi logiikkaohjaus.
Tässä diplomityössä tutkitaan monimutkaista imuventtiiliä, jolla on sekä vastaventtiiliominaisuus että logiikalla ohjattu säätö. Tutkittavan imuventtiilin kehittäjäyritys on PneumaXpert Oy. Kyseinen imuventtiili on suunniteltu hyvin ja jo ennen tätä tutkimustyötä sillä oli erittäin virtaviivainen ja vähän painehäviöitä aiheuttava virtauskanava. Toisaalta kehittäjäyritys ei halunnut pysähtyä saavutettuun tilanteeseen, vaan se pyrkii kehittämään imuventtiiliä entistä paremmaksi.
Ennen varsinaista tutkimustyöselostusta diplomityössä tehdään katsaus hydrauliikan ja pneumatiikan eroihin. Vertailu on kiinnostavaa, sillä imuventtiilin ohjaus voidaan toteuttaa hydraulisesti. Työssä esitellään myös venttiilien ohjaustapoja ja paineilmajärjestelmän komponentteja. Tämän katsauksen tarkoitus on tutustuttaa lukija teoreettisen tason asioihin, jotka antavat ymmärryksen tutkittavaan paineilmajärjestelmään ja kehitettävään imuventtiiliin liittyen.
Teoreettisen osuuden jälkeen tutustutaan käytössä olevaan paineilmajärjestelmään, minkä jälkeen siirrytään tarkastelemaan järjestelmässä toimivaa imuventtiiliohjausta ja käytössä olevia imuventtiileitä. Paineilmajärjestelmässä ennen paineilmakompressoria oleva imuventtiili voi olla joko sisäsylinterillä tai ulkosylinterillä ohjattu. Kumpikin vaihtoehto esitellään. Tutkittava imuventtiili on sisäsylinterirakenteinen, joten sen nykyversion vaatimuksiin ja ongelmiin tutustutaan tarkemmin. Työssä mainittaviin imuventtiiliongelmiin etsitään ratkaisuja, joiden avulla imuventtiiliä pyritään kehittämään.
Varsinaisena kehitystyökaluna käytetään virtaussimulointiohjelmaa. Simulointiohjelmaksi on valittu ANSYS v15 ja analyysikomponentiksi CFX. Kun ohjelman käyttö oli hallinnassa, simuloinnit suoritettiin käyttäen imuventtiilin sulkukappaleen erilaisia avautumia. Simulointien avulla saadaan ymmärrys imuventtiilissä tapahtuvista painemuutoksista ja virtauskäyttäytymisestä. Simulointituloksista nähdään myös imuventtiilin ongelmakohdat. Kun ongelma on havaittu, korjaus tehdään kolmiulotteiseen malliin, minkä jälkeen suoritetaan tarkastussimulointi. Saaduista tuloksista voidaan päätellä, että imuventtiiliä on mahdollista kehittää vielä paremmaksi.
Tässä diplomityössä tutkitaan monimutkaista imuventtiiliä, jolla on sekä vastaventtiiliominaisuus että logiikalla ohjattu säätö. Tutkittavan imuventtiilin kehittäjäyritys on PneumaXpert Oy. Kyseinen imuventtiili on suunniteltu hyvin ja jo ennen tätä tutkimustyötä sillä oli erittäin virtaviivainen ja vähän painehäviöitä aiheuttava virtauskanava. Toisaalta kehittäjäyritys ei halunnut pysähtyä saavutettuun tilanteeseen, vaan se pyrkii kehittämään imuventtiiliä entistä paremmaksi.
Ennen varsinaista tutkimustyöselostusta diplomityössä tehdään katsaus hydrauliikan ja pneumatiikan eroihin. Vertailu on kiinnostavaa, sillä imuventtiilin ohjaus voidaan toteuttaa hydraulisesti. Työssä esitellään myös venttiilien ohjaustapoja ja paineilmajärjestelmän komponentteja. Tämän katsauksen tarkoitus on tutustuttaa lukija teoreettisen tason asioihin, jotka antavat ymmärryksen tutkittavaan paineilmajärjestelmään ja kehitettävään imuventtiiliin liittyen.
Teoreettisen osuuden jälkeen tutustutaan käytössä olevaan paineilmajärjestelmään, minkä jälkeen siirrytään tarkastelemaan järjestelmässä toimivaa imuventtiiliohjausta ja käytössä olevia imuventtiileitä. Paineilmajärjestelmässä ennen paineilmakompressoria oleva imuventtiili voi olla joko sisäsylinterillä tai ulkosylinterillä ohjattu. Kumpikin vaihtoehto esitellään. Tutkittava imuventtiili on sisäsylinterirakenteinen, joten sen nykyversion vaatimuksiin ja ongelmiin tutustutaan tarkemmin. Työssä mainittaviin imuventtiiliongelmiin etsitään ratkaisuja, joiden avulla imuventtiiliä pyritään kehittämään.
Varsinaisena kehitystyökaluna käytetään virtaussimulointiohjelmaa. Simulointiohjelmaksi on valittu ANSYS v15 ja analyysikomponentiksi CFX. Kun ohjelman käyttö oli hallinnassa, simuloinnit suoritettiin käyttäen imuventtiilin sulkukappaleen erilaisia avautumia. Simulointien avulla saadaan ymmärrys imuventtiilissä tapahtuvista painemuutoksista ja virtauskäyttäytymisestä. Simulointituloksista nähdään myös imuventtiilin ongelmakohdat. Kun ongelma on havaittu, korjaus tehdään kolmiulotteiseen malliin, minkä jälkeen suoritetaan tarkastussimulointi. Saaduista tuloksista voidaan päätellä, että imuventtiiliä on mahdollista kehittää vielä paremmaksi.