Sylinterivalmistaja Norrhydro Oy on siirtymässä hydrauliikkajärjestelmien kehittäjäksi ja toimittajaksi. Yrityksen Tampereen yksikkö on keskittynyt Norrdigi-ohjausjärjestelmän tuotekehitykseen. Norrdigi kohentaa hydraulisen liikehallintasovelluksen turvatasoa ja energiatehokkuutta.

Hydrauliikkajärjestelmät on pitkään tiedetty hyötysuhteeltaan heikoiksi, ja hydrauliikkaa on tyypillisesti jouduttu jälkikäteen säätämään. Perinteisten ohjausjärjestelmien komponentit kuluvat, ja jotta konekäyttäjä pääsisi haluttuun vakiotulokseen, ohjausta on usein säädettävä myös järjestelmän käyttöaikana.

Liikkuvien työkoneiden hydrauliset ohjausjärjestelmät ovat monimutkaisia, mikä tuo korkean vikataajuuden. Tämä tarkoittaa toistuvia, kalliita seisokkeja ja pahimmassa tapauksia ihmishenkien menetyksiä. Norrhydro alkoi vuonna 2008 kehittää Tampereen teknillisen yliopiston kanssa digitaalista, monikammioista sylinteritoimilaitetta.

Norrhydron tutkimus- ja tuotekehityspäällikkö Ari Sipola sanoo avainsanaksi kuristuksettoman sekundaarisäädön: Digitaalinen monikammioinen sylinteri tarjoaa säätyväpinta-alaisen lineaarisen toimilaitteen, jolla energiatalouden saa parhaaksi mahdolliseksi. Jos jokin työkammioista vikaantuu, monikammioisuus varmistaa, että laite kuitenkin toimii turvallisesti paremmin kuin nykyiset hydrauliset toimilaiteratkaisut.

Perinteinen, monimutkainen liikkuvan koneen hydrauliikkajärjestelmä käyttää paljon venttiilejä ja hydrauliikkakomponentteja. Niiden kytkennöissä tarvitaan runsaasti putkistoja ja niille monimutkaisia kytkentöjä. Järjestelmä yksinkertaistuu suuresti, kun toimilaitteeseen integroidaan venttiilit ja käytetään vaikkapa vain kahta paineensyöttölinjaa.

Venttiilien integrointi helpottaa myös puhtauden säätelyä, kun paineensyöttölinjojen ja toimilaitteen öljyt voi tarpeen mukaan kätevästi huuhdella.

Yhteistyöllä se sujuu

Norrhydro halusi kumppanin, joka tietäisi, mitkä turvastandardit ja asetukset on otettava huomioon, kun kehitetään turvallista teknistä tuotetta. Aluksi on tarkoitus varustaa Norrdigi eri valmistajien testikoneisiin siten, että konevalmistajien on helppo ottaa laite myöhemmin käyttöön sarjavalmisteisissa koneissaan.

Sipola tutustui VTT:n KOTOTU-loppuraporttiin, kun selvitti kone- ja turvadirektiivejä, jotka konevalmistajan on hallittava. Turvatason kehittämishankkeen yrityskumppaniksi Norrhydro sai Mantsinen Group Oy:n, raskaiden materiaalinkäsittelykoneiden johtavan valmistajan Liperistä. VTT:n erikoistutkija Timo Malm vihjasi Sipolalle Työsuoje lurahastosta (TSR), joka tulikin rahoittamaan kehittämishanketta. Sipola kehuu yhteistyön sujuneen mutkattomasti kaikkien osapuolten kanssa.

Jussi Mäkitalo (vas.) teki diplomityönsä Norrhydrolle, kuten valtaosa Tampereen toimipisteen väestä. Mäkitalo esittelee testipuomin kolmea painelinjaa, Ari Sipola valvoo.

Tuotekehitysinsinööri Mika Sahlman suunnittelee kaivinkoneen ohjausjärjestelmää. Sahlman painottaa, että tavoitteena on helppokäyttöisyys.

TSR:lle tehdyn loppuraportin mukaan Norrdigi-ohjausjärjestelmä on sekä turvallinen, erinomaisesti hallittavissa, vikasietoinen että energiatehokas.

Common rail: sarjahybridi

Parhaillaan Norrhydro rakentaa Tampereella ensimmäistä asiakassovellusta, liikkuvan koneen nostopuomin ohjausjärjestelmää. Nosturi on ratkaisun tyypillisin käyttökohde, ja nostureita tarvitsevat niin liikkuvalla kalustolla urakoivat kuin raskas teollisuus. Norrhydro keskittyy liikkuviin työkoneisiin, koska niissä on suurin kysyntä digitaaliselle hydrauliikalle.

Testikoneen common rail- eli vakiopaineiset energian syöttölinjastot kulkevat kahtena linjana läpi koneen. Toimilaitteita asennetaan puomissa tarvittaviin kohtiin, esimerkiksi puomin nostoa tai taittoa varten.

Common rail -syöttöpainelinjasto siirtää energiaa vain tarvittavan määrän. Enää ei tarvita toimilaitteittain erillisiä, hankalia putkituksia.

Sovellus on myös hydraulinen sarjahybridi, sillä sen energia varataan energia- eli painevaraajiin, ja vaikkapa nosturin nosto- tai jarrutusliikkeestä palautettavissa oleva energia palautetaan varaajiin. Energiaa ladataan poltto- tai sähkömoottorilla hydraulisiin painevaraajiin tarpeen mukaan.

Sekundaarisäätöinen kuristukseton ohjausmenetelmä tarkoittaa lähes energiahäviötöntä ohjausta. Lisäksi käyttömoottori mitoitetaan keskimääräisen häviötehon mukaan, ei hetkellisen piikkitehon. Näin voidaan pienentää moottoritehoja.

Norrdigi-ohjausjärjestelmän kehittämisestä vastaava Ari Sipola sanoo, että monissa hydrauliikan konferensseissa uuden ratkaisun on todettu olevan alan rajuin juttu aikoihin.

Direktiivit konerakentajien pulmina

Testikonetta ohjataan samoin kuin nykykoneita, ja kone käyttäytyy totutusti. Toki digitaalinen, integroitu ohjaus edellyttää koneeseen lisäanturointia sekä älykkään ja kattavan ohjausohjelmiston.

Liikkuvan kaluston valmistajat ovat vältelleet sähköisiä ohjausratkaisuja, sillä turvaratkaisujen on pelätty monimutkaistuvan. Näitä ohjausratkaisuja on kuitenkin tullut markkinoille, mutta Ari Sipolan mukaan turvastandardit ovat vielä keskeneräisiä.

– Vaikka digitaalisuus tuo yksinkertaistamisen edun, viimeistään konedirektiivit hämmentävät konerakentajia. Siksi käytämme ohjausjärjestelmän ohjelmistokehityksessä tunnettuja simulointiohjelmia ja mallipohjaisia työkaluja. Näin koodi pysyy tiukasti hallinnassa, Sipola sanoo.

Norrhydron ja VTT:n kehittämässä suunnitteluprosessimallissa turvallisuusasiat otetaan huomioon heti, kun ohjausjärjestelmää aletaan kehittää. Näin turvatasovaatimukset ja riskit voidaan ottaa tehokkaimmin huomioon.

– Noudatimme muun muassa ISO-järjestelmän turvastandardeja 13849, 12100 ja 14121. Mantsisen materiaalinkuljetuskoneille hyödynsimme tela-alustaiselle maansiirtokoneelle valmisteltua standardia ISO 15998, Sipola erittelee.

Sipola selventää, että Norrhydro joutuu jonkin verran ylimitoittamaan omat turvaominaisuudet, kun myy tuotettaan maailmalle.

– Tekniset edut ovat järjestelmässämme kiistattomat, mutta asiakkaistamme globaalit, johtavat konevalmistajat haluavat olla myös turva-asioissa ykkösiä. Yleensä meiltä kysytään neuvotteluissa, miten tuotteemme vastaa konedirektiivin ja turvastandardin ISO 13849 vaatimuksia.

TSR +VTT: KO TOTU

Työsuojelurahasto rahoitti vuosina 2007–2009 VTT:n tutkimus- ja kehityshanketta KOTOTU (Koneiden ohjausjärjestelmien toiminnallinen turvallisuus). Hankkeessa (TSR 107097) VTT kehitti konevalmistajille internetpohjaisen turvallisuussuunnittelun toimintamallin ja yksinkertaisen laskentatyökalun. Molemmat kytkeytyvät keskeisiin ohjausjärjestelmien standardeihin.

KOTOTU-malli kuvaa ja ajoittaa turvallisuussuunnittelun vaiheet yleisessä konesuunnittelussa. KOTOTU-raportti on vapaasti saatavilla VTT:n verkkosivuilla. Norrhydro ja VTT kehittivät Työsuojelurahaston tukemana (TSR 112368) materiaalinkäsittelykoneen uuden nostopuomin sähköistä Norrdigi-ohjausta, varsinkin sen turvaominaisuuksia. Norrdigi-ohjausmenetelmän odotetaan siivittävän työn tuottavuuden kasvua. Menetelmällä voi myös valvoa tehokkaasti häiriötiloja ja hallita niitä.

»»Lisätietoja www.tsr.fi